ПЛ С-273 проекта 613Э – первая в мире, оснащенная энергетической установкой с электрохимическими генераторами

Основное тактическое свойство подводных лодок- это скрытность. Но только атомные ПЛ могут в полной мере реализовать это преимущество. Несмотря на то, что дизель-электрические ПЛ обладают боле низким уровнем подводного шума, они вынуждены периодически (раз в 1 – 3 дня на 6 – 12 часов) всплывать в надводное положение или на перископную глубину для проведения заряда аккумуляторных батарей. На этот промежуток времени они превращаются в беззащитную надводную цель, ограниченную в способности маневрировать и доступную для обнаружения всеми средствами морской разведки. 

Неспособность дизель-электрических подводных лодок с заданной степенью эффективности выполнять поставленные боевые задачи в условиях господства противник на театре боевых действий наглядно показали «Битва за Атлантику» в период 2 Мировой войны и Карибский кризис.

Решением этой проблемы (увеличением времени пребывания под водой) для дизель-электрических (неатомных) ПЛ стали воздухонезависимые (анаэробные) двигатели. Одним из самых перспективных типов воздухонезависимых энергетических установок для ПЛ являются энергетические установки с электро-химическими генераторами (ЭУ с ЭХГ). Советский Союз был первым (опередил на 1 год ФРГ), кто начал испытания подводной лодки на которой энергетическая установка была оснащена ЭХГ.

История создания отечественной ПЛ пр. 613Э с ЭХГ

В СССР работы по созданию неатомной ПЛ (НАПЛ) с ЭХГ начались в конце 60-х гг. XX века в СКБ «Судопроект» (в настоящее время АО «ЦКБ «Лазурит», г. Нижний Новгород). В 1969 г. в ходе поисковой научно-исследовательской работы (НИР) выполнен предэскизный проект подводной лодки проекта 947 (главный конструктор Е.В. Крылов) с энергетической установкой, работающей без использования отсечного воздуха. Один из вариантов данного проекта предусматривал применение ЭХГ (водородно-кислородного типа).

Основной вывод этой и других НИР заключался в том, что без создания морского испытательного корабля-стенда отработать новый тип источника электроэнергии не удастся.

Для испытаний и отработки ЭУ с ЭХГ в 1979 г. в ЦКБ «Лазурит» был разработан технический проект переоборудования дизель-электрической ПЛ проекта 613 в опытную подводную лодку проекта 613Э (главный конструктор В.С.Пермяков , с 1988 г. Р.И.Лафер).

На этой НАПЛ был установлен ЭХГ-генератор мощностью 280 кВт. В качестве рабочих реагентов использовались криогенные водород и кислород, хранившиеся в ёмкостях вне прочного корпуса корабля. Энергетическая установка с ЭХГ-генератором включала 28 блоков источников постоянного тока на базе низкотемпературных водород-кислородных топливных элементов с металлокерамическими электродами и жидким электролитом. Данная ЭУ с ЭХГ обеспечивала электроэнергией гребные электродвигатели и общекорабельные потребители в режиме экономического хода.

Создание энергетической установки Э-280 с ЭХГ-генератором

Разработчиком ЭХГ-генератора являлось НПО «Квант» Министерства электротехнической промышленности и НПО «Криогенмаш» Министерства химического машиностроения. Функции головного предприятия СССР по созданию энергетической установки с ЭХГ в 1978 г. были возложены на Специальное конструкторское бюро котлостроения (ныне АО «СКБК»). В создании нового типа энергетической установки также участие приняли Государственный институт прикладной химии, НПО «Аврора», СКБ аналитических приборов АН СССР и 1 ЦНИИ МО СССР.

11 апреля 1974 г. по данному вопросу было издано Решение комиссии при Совете министров СССР по по военно-промышленным вопросам. Оно, в том числе, предусматривало создание специализированных стендов для отработки новых технологий,исследования вопросов эксплуатации и взрывопожаробезопасности в г. Горьком (СРЗ «Красное Сормово»), г. Балашиха и г. Видное Московской обл., г. Приозерск Калининградской обл.

Физические основы электрохимического генератора

Принцип работы электроэнергетической установки с электрохимическим генератором был тем же, что и 150 лет назад, когда англичанин Уильям Роберт Гров случайно обнаружил при электролизе, что две платиновые полоски, обдуваемые одна кислородом, а другая — водородом, помещённые в водный раствор серной кислоты, дают ток.

Точно такими же были и топливные элементы для опытного генератора пл пр. 613Э, только вместо платиновых пластин применялись керамические пористые электроды с вкраплением благородных металлов, а вместо водного раствора водной кислоты — раствор щёлочи калия. В поры одного электрода подавался водород, а в поры другого — кислород. В результате реакции образовывались тепло и вода. Для охлаждения электродов подавалась дистиллированная вода, а вода, полученная в процессе реакции, собиралась в цистерны отработанной воды.

В основу действия ЭУ с ЭХГ заложен принцип прямого прямого преобразования химической энергии реакции топлива и окислителя в электрическую энергию без промежуточного превращения химической энергии в тепловую. Такая установка имеет существенно более высокий кпд, практически бесшумна, легко регулируется по мощности, а так же не имеет вредных выбросов и является экологически чистой.

Переоборудование корабля по проекту 613Э

Спуск корабля на воду на ССЗ «Красное Сормово» (г. Горький) после завершения корпусных работ состоялось 28 августа 1984 г. Переоборудование ПЛ С-273 для проведения морского этапа испытаний новой энергетической установки завершено в 1986 г. Переоборудование осуществлялось при сохранении неизменным прочного корпуса и проведением уширения наружного корпуса и надстройки, в которой расположены цистерны – хранилища реагентов ЭХГ. Установка ЭХГ с обслуживающим оборудованием размещена в отдельном отсеке за центральным постом.

Переоборудование велось в шести из семи отсеков:

• в 1 отсеке демонтированы стеллажи запасных торпед, торпедопогрузочное устройство, казённые части торпедных аппаратов, цистерны топливная и кольцевого зазора. Смонтированы дополнительные спальные места, герметичная выгородка под оборудование, цистерны отработанной и горячей воды;
• во 2 отсеке уменьшен объём топливной цистерны. Смонтирована цистерна отработанной воды;
• в 3 отсеке демонтированы приборы управления торпедной стрельбой. Смонтированы система дистанционного управления корабельными системами, обслуживающую ЭХГ;
• в 4 отсеке демонтирована аккумуляторная батарея. Смонтированы герметичная выгородка под блоки ЭХГ,пост управления энергетической установкой с ЭХГ, две цистерны отработанной воды, цистерна дистиллированной воды, цистерна питательной воды и дренажная;
• в 5 отсеке демонтирован дизель правого борта и дизель-компрессор. Смонтирована выгородка под электрическое оборудование;
• в 7 отсеке демонтированы казённые части торпедных аппаратов. Смонтирован дизель-компрессор, увеличен объём кормовой дифферентной цистерны.

Строительство береговой инфраструктуры

Новые условия эксплуатации корабля потребовали дооборудовать место её базирования, точнее создать специальную береговую базу (г. Палдиски, Эстонская ССР):

• береговой комплекс заправки;
• газификационная станция;
• лаборатория газоанализа;
• склад газовых баллонов;
• криогенное оборудование;
• инженерные коммуникации и подъездные пути, включая реконструкцию пирса мола.

Каждая заправка требовала передачи на корабль до 4 т водорода и 32 т кислорода, находящихся в криогенном состоянии (водород — при -252 ⁰С, а кислород — при — 165 ⁰С). Погрузка занимала более 160 часов и осуществлялась в 4 корабельные цистерны (криостаты).

Строительство берегового комплекса заправки было закончено к 1988 г.

Испытания ПЛ пр. 613Э

В течении 6 месяцев, начиная с 26 октября 1988 г. подводная лодка С-273 (заводской № 714) проекта 613Э с опытной энергетической установкой Э-280 прошла расширенные межведомственные испытания.

Весь объём испытаний первой в мире ПЛ с ЭХГ был завершен в 1989 году. В ходе межведомственных и государственных испытаний была подтверждена принципиальная возможность эксплуатации подобного типа воздухонезависимых энергетических установок на подводных лодках.

Энергетическая установка Э-280 показала устойчивую работу на полных и долевых (частичных) режимах снятия нагрузки. Наибольшая скорость хода в подводном положении при движении под двумя главными гребными электродвигателями (ГЭД) составила 5,6 уз (ГЭД правого борта работал от ЭХГ, а ГЭД левого борта — от АБ).

ТТХ ПЛ С-273 пр. 613Э

Год постройки	1955
Год завершения переоборудования по пр.613Э	1986
Нормальное водоизмещение, м3	1285
Главные размерения, м:длинаширина	767.3
Осадка средняя, м	ок.5
Запас плавучести, %	ок. 35
Предельная глубина погружения, м	100
Тип ЭУ	Комбинированная (дизель-электрическая + ЭХГ)
Тип дизелей	37ТД
число*мощность* дизелей, л.с.	1*2000
Тип главных ГЭД	ПГ-101
число*мощность главных ГЭД, л.с.	2*1350
Тип ЭД экономического хода	ПГ-103
число*мощность ЭД экономического хода, л.с.	2*50
Число гребных валов	2
Мощность ЭХГ, кВт	280
Запас криогенного кислорода, т	32
Запас криогенного водорода, т	4
Тип АБ	свинцово-кислотная 46СУ
число групп АБ*число элементов в группе	1*112
Скорость хода, уз:     — наибольшая надводная — наибольшая подводная — экономическая подводная — в режиме РДП — в режиме ЭХГ	ок. 15     13.1 ок. 2 5 2.5
Дальность плавания (при скорости хода, уз), мили:     — надводная — подводная при ходе под АБ — подводная при ходе под ЭХГ	4000 (9) 20 (5) ок. 1700 (2.5)
Полная автономность, сут.	30
Автономность в подводном положении, сут.	28
Время непрерывного пребывания под водой, ч	200

Чертёж общего расположения ПЛ пр. 613Э

1- цистерны – хранилища реагентов ЭХГ
2- прочная рубка
3- жилой отсек
4- аккумуляторный отсек
5- центральный пост
6- отсек установки ЭХГ
7- дизельный отсек
8- электромоторный отсек
9- кормовой отсек

Схема энергетической установки с ЭХГ ПЛ С-273 пр.613Э

1- блок топливных элементов
2- схема отвода и охлаждения продуктов реакции
3- цистерна сбора продуктов реакции
4- распределительный электрощит питания гребных электродвигателей
5- гребной электродвигатель экономического хода
6- главный гребной электродвигатель
7- ёмкости хранения криогенного кислорода
8- ёмкости хранения криогенного водорода
9- система обеспечения ЭХГ реагентами

Схема водородно-кислородного ЭХГ

1- восстановитель
2- окислитель
3- катод
4- отвод продуктов реакции
5- нагрузка
6- электролит
7- анод

Зарубежные аналоги отечественной ПЛ пр. 613Э

Первая иностранная ПЛ энергетическая установка которой была оснащена электро-химическими генераторами появилась в ФРГ в 1988 году. В это время на немецкой верфи «Ховальдсверке дойче верфт» были завершены работы по врезке в корпус ДЭПЛ U-1 проекта 205 дополнительной секции с блоком ЭХГ. Мощность ЭХГ с топливными элементами фирмы «Сименс» — 100 кВт.

Испытания этого корабля были успешно проведены в период с 1988 по 1993 года, а полученные результаты использованы при создании первой в мире серии неатомных ПЛ с электро-химическими генераторами проекта 212.

Выводы:

В ходе создания и испытаний ПЛ пр.613Э энергетическая установка с ЭХГ показала своё преимущество перед традиционными источниками электроэнергии — аккумуляторными батареями. Стало возможным увеличение дальности плавания в подводном положении экономической скоростью в 5-10 раз. Впервые в нашей стране разработана концепция и требования безопасной эксплуатации водорода и кислорода на борту ПЛ, подтверждена достаточность и эффективность предусмотренного комплекса мер взрыво- и пожарозащиты.

Литература:

1. А.Н.Дядик, В.В.Замуков, В.А.Дядик. Корабельные воздухонезависимые энергетические установки.- СПб: Судостроение, 2006.
2. Справочник. Корабли и люди. 60 лет с подводными силами страны.- Нижний Новгород: ОАО «ЦКБ «Лазурит», 2013.
3. Журнал «Судостроение», № 2, 1998.
4. Подводные лодки 613 проекта. Корабли и сражения.- СПб, 2002.
5. Отечественные подводные лодки. Проектирование и строительство. Под общей редакцией академика РАН В.М.Пашина.- СПб: ЦНИИ им. Академика А.Н.Крылова, 2004.
6. «Красное Сормово»: завод и люди.- Нижний Новгород: «Кварц», 2006.