Воздухонезависимые двигатели единого хода (ВНД)
Еще в 1930-е годы в этом направлении работали немецкие и русские конструкторы. В нацистской Германии несколько ВНД создали инженеры Вальтер (газовая турбина), Дрёгер и Корнелиус (дизель-моторы замкнутого цикла).
В СССР даже построили целую серию лодок проекта 615. Он явился развитием проекта инженера B.C. Дмитриевского (1902—1943), по которому в 1939—45 была создана экспериментальная субмарина М-401 (лодка типа М-\Лбис с дизель-мотором, способным работать по замкнутому циклу). Суть идеи была довольно проста: специальный фильтр очищал выхлопные газы, затем они обогащались кислородом и снова подавались в двигатель.
Сразу после войны ВНД заинтересовались англичане и шведы. Первые работали с газовыми турбинами Вальтера. Вторые пошли по пути создания двигателей, использующих так называемые топливные элементы. Именно этот подход в конечном итоге оказался наиболее перспективным.
Однако появление ядерных энергетических установок надолго затормозило дальнейшие изыскания в области воздухонезависимых двигателей. Ядерные реакторы обеспечили субмаринам значительно большую мощность механизмов при меньшей сложности и опасности эксплуатации.
Что касается дизель-моторов, работающих без подачи атмосферного воздуха, то эксперименты с ними возобновились лишь в конце 1970-х годов. Были созданы несколько экспериментальных образцов двигателей, равно как и опытовых лодок.
Двигатель Стирлинга
Шведы запустили в производство ВНД Стирлинга, созданный на основе разработки, запатентованной еще в 1816 году! Суть ее в том, что в рабочей камере двигателя жидкое топливо сгорает в чистом кислороде. Сначала он был испытан на лодке «Nacken», затем применен на серии лодок типа «Gotland».
Этот двигатель работает на смеси обычного дизельного топлива с жидким кислородом (Liquid oxygen, или LOX), в пропорции 4:1. Выхлопные газы охлаждаются до температуры +25 градусов, смешиваются в специальной цистерне с морской водой и только после этого выбрасываются за борт, не образуя демаскирующих пузырьков.
Двигатель отличается высокой экономичностью. В нем используется единая для всех цилиндров камера сгорания, применяются поршни двойного действия, которые выполняют функции рабочего поршня и вытеснителя, а в качестве привода выступает кривошипно-шатунный механизм. Такой двигатель может работать на любом виде жидкого топлива, при этом наличие окислителя (жидкого кислорода) исключает потребность в атмосферном (отсечном) воздухе.
Горение происходит в условиях постоянно высокого давления. Это позволяет осуществлять выхлоп в воду без применения компрессоров. Выхлопные газы (углекислый газ и водяные пары) почти бесследно растворяются в воде. Плавность рабочего процесса обуславливает низкий уровень шумового излучения работающего двигателя.
По коэффициенту полезного действия (КПД) двигатель Стирлинга близок к современным дизелям, но пока уступает им мощностью.
Большой интерес к этому двигателю проявили японцы. В России тоже разработаны двигатели на топливных элементах.
Электрохимический генератор
В его модулях топливных элементов (состоящих из полимерных электролитных мембран) при соединении водорода и кислорода выделяется электрическая энергия. Энергетическое превращение происходит бесшумно, а единственным побочным продуктом реакции является дистиллированная вода, которой легко найти применение на подводной лодке. Ее используют для бытовых нужд, а также накапливают в специальных цистернах с целью сброса за борт в подходящий момент времени.
С учетом критериев эффективности и безопасности, проектировщики решили держать водород в
связанном состоянии, в форме гидрида металла (сплав металла в соединении с водородом), а кислород — в сжиженном виде, в специальных емкостях между легким и прочным корпусами субмарины.
Состоящий из 9 модулей топливных элементов ЭХГ имеет суммарную мощность 300 кВт и обеспечивает движение лодки в подводном положении со скоростью 3 узла в течение 20 суток, с показателями шумности ниже уровня естественных шумов моря.
Кроме того, значительно снижена заметность по тепловому полю, что является следствием высокой эффективности преобразования энергии при работе ЭУ. Установка на топливных элементах функционирует при сравнительно низкой температуре (80° С), тепло, выделяющееся при работе, используется для дальнейшего поддержания электрохимической реакции. Это обеспечивает устойчивый тепловой баланс между лодкой и окружающей средой в течение длительного времени.
Впервые ЭХГ данного типа был успешно испытан в 1988—89 на германской опытовой подводной лодке «ex-U-1» (списанная субмарина пр. 205). В настоящее время ЭХГ установлены на лодках пр. 212 и 214.
Двигатель MESMA
Французы создали свой вариант ВНД под обозначением MESMA (Module d’Energie Sous-Marine Autonome). Это малогабаритная паровая турбина, работающая на смеси газа с этанолом. Она предназначена для использования в качестве вспомогательной ЭУ на дизель-электрических подводных лодках.
MESMA является замкнутой системой, включающей парогенератор и паровую турбину, вращающую ротор электрического генератора. Топливом в ней служит этанол, окислителем — кислород, хранящийся в сжиженном виде в изотермической цистерне. Часть образующегося при горении углекислого газа
сбрасывается за борт, другая часть смешивается с кислородом. Запасов кислорода и этанола хватает на 235 часов подводного хода при скорости 4 узла. Мощность установки составляет 200 кВт.
Первые эксперименты провела в начале 1980-х французская фирма «Bertin», затем к ней подключилась испанская фирма «Empresa Nacional Bazan». Вместе им удалось создать вполне работоспособный двигатель.
Первый промышленный образец установлен на лодке «Khalid» типа «Agosta-90B», головной в серии из трех единиц, строящейся в Пакистане с помощью указанных фирм.
Двигатель «Спектр»
Консорциум в составе английской (Cosworth Engineering), голландской (RDM) и немецкой (Thyssen Nordseewerke) фирм разрабатывает дизель-мотор замкнутого цикла «Spectre System».
Аналогичный двигатель был построен в Канаде.
Несомненно, что благодаря быстрому техническому прогрессу в указанной области, в ближайшие 20—25 лет ВНД вытеснят традиционные дизель-моторы с подводных лодок.