زیردریایی دیزل برقی از نوع سوریو
این مقاله بر روی زیردریایی های دارای نیروگاه های بی هوازی یا مستقل از هوا (VNEU) تمرکز خواهد کرد. VNEU کلاس بسیار گسترده ای از موتورهای مختلف، راه حل های طراحی و انواع سوخت است. وجه تمایز آن از سیستم های رانش زیردریایی های نسل 3، قابلیت غوطه ور ماندن بسیار طولانی تر است که به طور قابل توجهی مخفی بودن چنین زیردریایی را افزایش می دهد و تشخیص ضد زیردریایی را دشوار می کند. هواپیمایی. زیردریایی های نسل قبلی، به عنوان مثال، زیردریایی های دیزل-الکتریک پروژه 636 Varshavyanka، باید هر 3-4 روز به سطح بروند، موتورهای دیزلی را روشن کنند و باتری ها را شارژ کنند. زیردریایی های مدرن با VNEU می توانند هفته ها زیر آب باشند.
راه حل های اصلی طراحی را که در ساخت چنین زیردریایی ها استفاده می شود، در نظر بگیرید
موتور استرلینگ
موتور استرلینگ - یک موتور حرارتی که در آن سیال کار به شکل گاز یا مایع در حجم بسته حرکت می کند، نوعی موتور احتراق خارجی. این بر اساس گرمایش و خنک کردن دوره ای سیال کار، با استخراج انرژی از تغییر فشار حاصل است. معمولاً از هوا به عنوان سیال عامل استفاده می شود، اما از هیدروژن و هلیوم نیز استفاده می شود.
معایب
1. حجیم و متریال: موتور استرلینگ نیاز به خنک کردن سیال کار دارد و این به دلیل بزرگ شدن رادیاتورها منجر به افزایش قابل توجه وزن و اندازه نیروگاه می شود.
2. برای به دست آوردن ویژگی های قابل مقایسه با موتور احتراق داخلی، اعمال فشارهای بالا (بیش از 100 اتمسفر) و انواع خاصی از سیال کار - هیدروژن، هلیوم ضروری است.
3. گرما مستقیماً به سیال کار نمی رسد، بلکه فقط از طریق دیواره مبدل های حرارتی تامین می شود. دیوارها رسانایی حرارتی محدودی دارند، به همین دلیل راندمان کمتر از حد انتظار است. مبدل حرارتی گرم در شرایط انتقال حرارت بسیار پر استرس و در فشارهای بسیار بالا کار می کند که مستلزم استفاده از مواد مرغوب و گران قیمت است. ایجاد یک مبدل حرارتی که نیازهای متناقض را برآورده کند، یک کار بسیار بی اهمیت است. هر چه منطقه تبادل حرارت بزرگتر باشد، اتلاف حرارت بیشتر است. در عین حال اندازه مبدل حرارتی و حجم سیال کاری که در کار دخالتی ندارد افزایش می یابد. از آنجایی که منبع گرما در بیرون قرار دارد، موتور به آرامی به تغییرات شار حرارتی عرضه شده به سیلندر واکنش نشان می دهد و ممکن است بلافاصله قدرت مورد نظر را هنگام راه اندازی تولید نکند.
4. برای تغییر سریع قدرت موتور، از روش هایی استفاده می شود که با روش های مورد استفاده در موتورهای احتراق داخلی متفاوت است: مخزن بافر حجم متغیر، تغییر در فشار متوسط سیال کار در محفظه ها، تغییر در زاویه فاز. بین پیستون کار و جابجایی در حالت دوم، پاسخ موتور به عمل کنترل راننده تقریباً آنی است.
کشور ها
1. سادگی طراحی - طراحی موتور بسیار ساده است، نیازی به سیستم های اضافی مانند مکانیزم توزیع گاز ندارد. خود به خود شروع می شود و نیازی به استارتر ندارد. ویژگی های آن به شما امکان می دهد از دست گیربکس خلاص شوید.
2. افزایش منابع - سادگی طراحی، عدم وجود بسیاری از گره های "ظریف" به "استیرلینگ" اجازه می دهد تا حاشیه عملکردی ناشناخته را برای موتورهای دیگر با ده ها و صدها هزار ساعت کار مداوم فراهم کند.
3. راندمان - برای استفاده از انواع خاصی از انرژی حرارتی، به خصوص با اختلاف دما کم، "استرلینگ" اغلب کارآمدترین انواع موتورها هستند.
4. سطح سر و صدای کم - "استیرلینگ" هیچ اگزوزی از سیلندرها ندارد، به این معنی که سطح صدای آن بسیار کمتر از موتورهای احتراق داخلی پیستونی است.
زیردریایی های دیزلی-الکتریکی از نوع Gotland
زیردریایی های استرلینگ از سوخت استاندارد دیزل و اکسیژن مایع به عنوان اکسید کننده استفاده می کنند. پیشگامان ایجاد VNEU با "استرلینگ ها" سوئدی ها بودند. زیردریایی های کلاس Gotland آنها اولین زیردریایی های تولید انبوه با چنین موتورهایی بودند. باید بگویم که استرلینگ ها از نظر قدرت نسبت به موتورهای دیزلی مدرن پایین تر هستند، بنابراین از آنها به عنوان افزودنی به نیروگاه کلاسیک دیزل-الکتریک استفاده می شود. با این حال، این "اضافه" به زیردریایی نوع Gotland اجازه می دهد تا حداکثر 20 روز در زیر آب بماند. سرعت استرلینگ - 5 گره. علاوه بر زیردریایی های سوئدی، موتورهای استرلینگ در زیردریایی های ژاپنی از نوع سوریو نیز استفاده می شود.
ژنراتورهای الکتروشیمیایی
نوع دیگری از VNEU ECG است. ژنراتور الکتروشیمیایی مبتنی بر پیل های سوختی است. در واقع این یک باتری قابل شارژ با شارژ مداوم است. اصل کار یک نیروگاه با ژنراتور الکتروشیمیایی مانند 150 سال پیش است، زمانی که ویلیام رابرت گروو انگلیسی به طور تصادفی در جریان الکترولیز کشف کرد که دو نوار پلاتین دمیده شده - یکی با اکسیژن و دیگری با هیدروژن، در یک آب قرار داده شده است. محلول اسید سولفوریک، جریان دهید. در نتیجه واکنش، علاوه بر جریان الکتریکی، گرما و آب نیز ایجاد شد. در این حالت، تبدیل انرژی به صورت بی صدا اتفاق می افتد و تنها محصول جانبی این واکنش آب مقطر است که استفاده از آن در زیردریایی بسیار آسان است.
با توجه به معیارهای کارایی و ایمنی، تصمیم بر این شد که هیدروژن به صورت هیدرید فلز (آلیاژ ویژه فلز در ترکیب با هیدروژن) و اکسیژن به صورت مایع در ظروف مخصوص بین سبک و قوی نگهداری شود. بدنه زیردریایی بین کاتدهای هیدروژن و اکسیژن، غشاهای الکترولیت پلیمری تبادل پروتون قرار دارند که به عنوان یک الکترولیت عمل می کنند.
زیردریایی دیزلی برقی نوع 212
VNEU با ECG در زیردریایی‌های نوع 212 آلمانی کاربرد پیدا کرد. علیرغم مزایای آشکار نصب سلول سوختی توسعه‌یافته، ویژگی‌های عملیاتی و تاکتیکی مورد نیاز یک زیردریایی کلاس اقیانوس را ارائه نمی‌کند، در درجه اول از نظر انجام مانورهای با سرعت بالا در هنگام تعقیب هدف یا فرار از دشمن حمله. بنابراین، زیردریایی‌ها مجهز به سیستم محرکه ترکیبی هستند که در آن از باتری‌ها یا سلول‌های سوختی برای حرکت با سرعت بالا در زیر آب استفاده می‌شود و از دیزل ژنراتور سنتی برای حرکت در سطح استفاده می‌شود که برای شارژ مجدد باتری‌ها نیز استفاده می‌شود. ژنراتور الکتروشیمیایی متشکل از 400 ماژول پیل سوختی مجموعا 3 اسب بخار قدرت دارد. با. و حرکت قایق را در حالت غوطه ور با سرعت 20 گره به مدت XNUMX روز با سطوح نویز کمتر از صدای طبیعی دریا تضمین می کند.
اخیراً، اسپانیایی ها در ایجاد VNEU بر روی زیردریایی های نوع S-80 به موفقیت دست یافته اند. آنها همچنین از ECH به عنوان یک کارخانه کمکی بی هوازی استفاده کردند، اما آنها تصمیم گرفتند هیدروژن را از اتانول در نتیجه تجزیه آن تولید کنند. اکسیژن به شکل مایع در یک مخزن مخصوص ذخیره می شود. مدت اقامت زیردریایی در زیر آب به 15 روز می رسد.
نیروگاه بی هوازی ژنراتور بخار
زیردریایی دیزلی برقی از نوع اسکورپیون
مهندسان فرانسوی یک واحد مولد بخار بی هوازی MESMA (Module d'Energie Sous-Marine Autonome) ایجاد کرده اند - یک ماژول قدرت مستقل برای زیردریایی ها. MESMA از اصل چرخه Rankine استفاده می کند که شامل فرآیندهای گرم کردن مایع، تبخیر و گرمایش بخار بخار، انبساط آدیاباتیک بخار و تراکم آن است. این نصب بر اساس یک توربین بخار که در یک چرخه بسته کار می کند ایجاد شده است. اتانول به عنوان سوخت استفاده می شود، اکسیژن مایع یک عامل اکسید کننده است. اتانول وارد محفظه احتراق می شود، که همچنین اکسیژن را در حالت گازی دریافت می کند. دمای احتراق مخلوطی از الکل و اکسیژن می تواند به بیش از 700 درجه سانتیگراد برسد. محصولات احتراق اتانول آب و دی اکسید کربن هستند، فشار بالای دی اکسید کربن آزاد شده (تا 60 اتمسفر) حذف آن را آسان می کند. بدون استفاده از کمپرسور در عمق تا 600 متر.
عمر مفید محفظه احتراق 30 سال تعریف شده است. بنابراین، در طول عمر زیردریایی مورد استفاده قرار می گیرد.
مبدل حرارتی محفظه احتراق مولد بخار ساخته شده از آلیاژهای نیکل را گرم می کند. بخار گرم شده یک توربوژنراتور جریان متناوب کم نویز و با سرعت بالا را به حرکت در می آورد.
بخار اگزوز وارد کندانسور نیکل-آلومینیوم-برنز می شود که یک خنک کننده ثانویه نیز می باشد. کندانسور با جریان آب دریا خنک می شود. میعانات حاصل به مولد بخار برگردانده می شود. مقدار کل آب در سیستم «بخار مولد-کندانسور» حدود 500 لیتر است. سرعت چرخش توربین بخار تا 10 هزار دور در دقیقه. توان خروجی نامی ژنراتور کمتر از 200 کیلو وات نیست.
قدرت نصب MESMA به زیردریایی های پروژه اسکورپنا این امکان را می دهد که مسیر زیر آبی 4 گره دریایی را با زمان قایقرانی حدود 250 ساعت توسعه دهند. برای دستیابی به سرعت های بالاتر از باتری های سنتی استفاده می شود.
باتری های لیتیوم یونی
در 2020 مارس 11، ژاپنی ها یازدهمین زیردریایی پروژه سوریو را به آب انداختند، اما این زیردریایی با سایر زیردریایی های این نوع تفاوت قابل توجهی دارد - دارای باتری های لیتیوم یونی است.
با استفاده از باتری‌های لیتیوم یونی، ژاپنی‌ها توانستند استفاده از موتورهای استرلینگ و باتری‌های سرب اسیدی سنتی را در زیردریایی جدید کنار بگذارند.
باتری‌های لیتیوم یونی چنین زیردریایی را با مدت زمان زیر آب قابل مقایسه با سایر VNEUها فراهم می‌کنند و ظرفیت زیاد باتری‌های جدید به زیردریایی اجازه می‌دهد تا به سرعت زیر 20 گره دریایی برسد.
VNEU در نیروی دریایی روسیه
مدل زیردریایی Project 750B
البته موضوع اصلی برای ما وضعیت موتورهای بی هوازی برای زیردریایی ها در روسیه است. حال ما چطور است؟ متأسفانه، توسعه دهندگان ما هنوز در ایجاد VNEU به موفقیت دست نیافته اند. اولین زیردریایی دیزل برقی داخلی با VNEU قرار بود زیردریایی پروژه 677 "لادا" باشد، اما همه چیز درست نشد. با این وجود، کار بر روی ایجاد VNEU ادامه دارد و در سال 2019 تحقیق و توسعه جدیدی در این زمینه افتتاح شد.
دفتر طراحی مرکزی Rubin که در حال توسعه یک کارخانه بی هوازی مبتنی بر ECG است و دفتر طراحی Malakhit که بر روی ایجاد یک موتور توربین گازی بی هوازی سیکل بسته کار می کند، در ایجاد VNEU مشارکت دارند.
توسعه مالاکیت یک موتور گازی تک توربین است که می تواند هم در سطح و هم در زیر آب استفاده شود. در موقعیت سطحی از هوای جوی برای حرکت استفاده می شود. در زیر آب، اکسیدان از ظرف Dewar که حاوی اکسیژن مایع است، تامین می شود. مخلوط گازی که از توربین ساطع می شود بدون اینکه چیزی به بیرون رها شود تمیز و منجمد می شود. بنابراین، سرعت زیر آب بدون استفاده از باتری (فقط از VNEU) بیش از 10 گره است. مالاکیت نه تنها موتور، بلکه زیردریایی را نیز توسعه می دهد. این پروژه دارای کد P-750B است. زیردریایی پیش بینی شده دارای 1450 تن جابجایی سطحی، خدمه 18-20 نفر، عمق غواصی تا 300 متر و حداکثر سرعت 18 گره است. این زیردریایی می تواند به اژدر، مین و حتی موشک های کروز کالیبر مسلح شود.
نتیجه
باقی مانده است که به این سوال پاسخ دهیم: چرا نیروی دریایی روسیه به زیردریایی هایی با VNEU نیاز دارد؟ در اصل، VNEU مدرن دارای تعدادی معایب است: قدرت کم، که آنها را مجبور می کند همراه با یک نیروگاه دیزلی-الکتریک سنتی استفاده شوند، در نتیجه - سرعت پایین زیر آب در VNEU (در مورد زیردریایی های دیزلی-الکتریکی با لیتیوم اعمال نمی شود. باتری های یونی)، هزینه بالا، نیاز به ساخت زیرساخت های ویژه در پایگاه دریایی.
و با این حال مزایا بیشتر از معایب است. اصلی ترین آن، محرمانه بودن بالا و دشواری شناسایی چنین زیردریایی توسط هواپیماهای ضد زیردریایی است. برای ما این بسیار مهم است، زیرا به عنوان مثال ژاپن حدود صد فروند هواپیمای ضد زیردریایی مدرن دارد. مزیت دیگر سطح سر و صدای بسیار کم است که اغلب کمتر از صدای پس زمینه دریا است. و در نهایت، مهم نیست که یک زیردریایی با VNEU چقدر گران است، باز هم ارزان تر از یک زیردریایی هسته ای است. علاوه بر این، زیردریایی‌های دارای VNEU به طور فعال در آن استفاده می‌شوند ناوگان دشمنان بالقوه ما: آلمان، ترکیه، ژاپن. در صورت درگیری، زیردریایی های ما باید با زیردریایی های پیشرفته تری مقابله کنند. و اگر موتورهای مدرن با VNEU توسعه پیدا نکنند، شکاف تکنولوژیکی که اکنون در حال رخ دادن است در نهایت به یک ورطه غیرقابل پل تبدیل خواهد شد.