Применение инновационных технологий в военном кораблестроении



Основным направлением организации противоминной защиты надводных кораблей и подводных лодок стало их размагничивание.

При плавании корабля магнитное поле Земли намагничивает его металлический корпус, когда корабль многократно пересекает силовые линии магнитного поля под разными углами.

Снижение магнитного поля корабля может решаться двумя путями:

– применением в конструкции корпуса, оборудования и механизмов корабля маломагнитных материалов (μ < 1,01) [1];

– проведением размагничивания корабля.

Применения маломагнитных и немагнитных (парамагнитных и диамагнитных) материалов для создания корабельных конструкций позволяет снизить магнитное поле корабля. Поэтому при строительстве специальных кораблей (тральщиков, минных заградителей) широко используются такие материалы как стеклопластик, пластмассы, алюминиевые сплавы и т. д. При строительстве некоторых проектов атомных подводных лодок применяется титан и его сплавы, который наряду с высокой прочностью является маломагнитным материалом.

Однако, если даже корпусные конструкции кораблей выполнять из маломагнитных материалов, то целый ряд корабельных механизмов изготавливаются из ферромагнитных металлов, которые также создают магнитное поле. Поэтому в настоящее время основным способом магнитной защиты большинства кораблей является их размагничивание.

Размагничиванием корабля называется комплекс мероприятий направленных на искусственное уменьшение составляющих напряженности его магнитного поля.

Основными задачами размагничивания являются:

– уменьшение всех составляющих напряженности магнитного поля корабля до пределов, установленных специальными нормами;

– обеспечение стабильности размагниченного состояния корабля.

Одним из методов решения этих задач является проведение обмоточного размагничивания.

Сущность метода обмоточного размагничивания заключается в том, что магнитное поле корабля компенсируется магнитным полем тока специально смонтированных на корабле обмоток.

Наряду с обмоточным размагничиванием, надводные корабли и подводные лодки периодически подвергаются безобмоточному размагничиванию.

Сущность безобмоточного размагничивания заключается в том, что корабль подвергается кратковременному воздействию сильных, искусственно созданных магнитных полей, уменьшающих магнитное поле корабля до определенных норм. Сам корабль при этом методе никаких стационарных размагничивающих обмоток не имеет. Безобмоточное размагничивание производится на специальных стендах.

Основными недостатками метода безобмоточного размагничивания являются низкая стабильность размагниченного состояния корабля, невозможность компенсации индуктивных составляющих магнитного поля корабля, зависящих от курса и длительность процесса безобмоточного размагничивания.

Таким образом, максимальное снижение магнитного поля корабля достигается путем применения двух методов размагничивания — обмоточного и безобмоточного [2].

Рис. 1. Уменьшение размеров области рассеянных магнитных полей корабля с размагничивающей системой

Современные размагничивающие системы — это многотонные сети из нескольких петель размагничивания (рисунок 2), образованные медными электрическими кабелями. Кабели уложены внутри корпуса судна и опутывают его с верху до низу со всех сторон.

По данным статистики ВМС США, морские мины остаются причиной повреждений морских судов в 77 процентах случаев. Современные военные корабли ВМС США USS Samuel B. Roberts, USS Princeton (CG-59) и USS Tripoli (LPH-10) были серьезно повреждены во время конфликта в районе Персидского залива именно в результате действия морских магнитных мин.

Рис. 2. Петли размагничивания десантного корабля

Управление исследований Военно-Морского флота США сообщает, что успешно завершена программа испытаний новой системы противодействия морским минам. Прототип этой системы был установлен на борту американского военного корабля USS Higgins (DDG 76) в 2008 году. С того момента времени размагничивающая система была подвержена целому ряду испытаний и модернизаций. Так как большинство современных морских мин использует принцип обнаружения магнитного поля корабля, приблизившегося на дистанцию поражения, то задачей новой системы является изменение конфигурации магнитного поля корабля таким образом, что сделает невозможным его детектирование. По сути дела, защитная система представляет собой электромагнитную катушку, которая генерирует магнитное поле таким образом, что оно компенсирует магнитное поле корабля. Подобные системы были разработаны и использовались ранее, но эффективность этих систем была крайне низка или требовала значительных энергетических затрат. Это было связано с использованием медных токопроводов в качестве витков электромагнитной катушки, что приводило к большим энергетическим потерям.

Электромагнитная катушка технологии HTS (HTS — Hochtemperatursupraleitung — высокотемпературная сверхпроводимость) сделана из специального керамического материала, удельное сопротивление которого в десятки раз ниже, чем у электротехнической меди. Это означает, что для создания компенсирующего магнитного поля требуется гораздо меньше энергии, дополнительно к этому, керамические проводники позволяют сэкономить около 80 процентов веса.

Керамические катушки охлаждаются криогенным компрессором до температуры близкой к — 240° С, что позволяет использовать в катушках плотности тока в 100–200 раз превышающие плотности тока, допустимые для таких проводников при комнатной температуре.

Система размагничивания HTS, в полной конфигурации, позволяет сэкономить до 50 процентов веса, по сравнению с традиционной системой, что является неплохим показателем с точки зрения экономии топлива, и позволит кораблю взять на борт большее количество другой полезной нагрузки [3].

На немецких фрегатах, состоящих на службе в настоящее время (F122/F123/F124), используются комбинированные дизельные и газотурбинные силовые установки. На новых фрегатах класса F125, вводящихся в строй с 2016 года будут устанавливаться комбинированные дизель-электрические и газотурбинные силовые установки, соединяющие в себе преимущества дизель-электрических двигателей и механических двигателей. Для достижения высоких скоростей используется также низкий рабочий вес газовых турбин. Так как энергопотребление на боевых кораблях будет возрастать, главным направлением разработок станет полноэлектрифицированное судно с электрическими приводами гребных винтов и общими электростанциями для двигателей и бортовой электросети. Проекты двигателей танкеров, а также круизных и морских судов, будут меняться с дизельных на гибридные системы, так как электрические двигатели отличаются большей приёмистостью.

Компания American Superconductor Corporation (AMSC) объявила о поставке высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП — более привычное сокращение высокотемпературной сверхпроводимости) катушек для размагничивания кораблей военно-морского флота США (корабельной ремонтной станции Naval Surface Warfare Center Carderock Division, Филадельфия).

Предварительные испытания ВТСП системы размагничивания успешно прошли на борту ракетного эсминца USS (United States Ship) Higgins DDG (Guided Missile Destroyer) 76 класса Arleigh Burke водоизмещением 8000 тонн.

ВТСП катушка размагничивания общей длиной 40 метров по своим параметрам соответствует традиционной размагничивающей системе с 4100 ампер-витками. При этом падение напряжения на катушке составило менее 0,5 В, что на три порядка меньше, чем в медных обмотках.

Соединительные устройства участков ВТСП кабеля представляют собой оригинальную конструкцию. Секции кабеля были соединены быстроразъёмной криогенной/электрической соединительной муфтой (рисунок 3), новой конструкции, специально разработанной для ВМФ США по контракту SBIR (Small Business Innovation Research). Такая муфта позволяет одновременно осуществлять как подсоединение петли размагничивания к источнику тока, так и соединение гибкого криостата ВТСП катушки с криостатом другой ВТСП катушки или с системой криогенного обеспечения. Разработчиком муфты является компания Tai-Yang Research Co., специализирующаяся на ВТСП устройствах. Криогенное соединение разработано компанией Creare, Inc. (Гановер, Нью-Гемпшир) [4].

Рис. 3. Внешний вид соединительной муфты и ее разрез

Исследования возможности использования ВТСП материалов для размагничивания кораблей является одной из вех на пути создания судового электрооборудования нового поколения.

ВМФ США уже приступают к созданию военных кораблей и субмарин с полностью электрическим приводом, состоящим из генератора, механически связанного с основной корабельной силовой установкой, преобразовательного агрегата с электронным управлением и гребных электродвигателей. В рамках этого проекта AMSC уже разработала, создала и провела в 2007 г. испытания тихоходного гребного ВТСП электродвигателя мощностью 36,5 МВт.

Корпорация AMSC объявила на ежегодной конференции Лиги ВМФ и ВВС США по новым технологиям об успешной демонстрации первого в мире полноразмерного размагничивающего кабеля на основе ВТСП.

Представленный размагничивающий ВТСП кабель состоит из сверхпроводника длиной 40 м. При достигнутом уровне в 4100 ампер-витков — типичном для традиционных размагничивающих кабелей с медными жилами, которые применяются на военных кораблях в настоящее время, — новый ВТСП кабель рассчитан на рабочее напряжение менее 0,5 В, или в 1000 раз более низкую величину напряжения, чем кабельные системы на основе меди.

Следует отметить, что масса размагничивающего ВТСП кабеля составляет всего 20 % массы обычных размагничивающих кабелей. Предполагается, что значительное сокращение массы, размера и числа концевых устройств, приведёт к сокращению на 40 % общей стоимости при монтаже такого кабеля по сравнению с размагничивающими системами на основе меди. Кроме того, благодаря нулевому электрическому сопротивлению высокотемпературных сверхпроводников значительно сокращается потребление электроэнергии при эксплуатации размагничивающих ВТСП систем.

Конструкция 40-метрового ВТСП кабеля обеспечивает гибкость проводников внутри оболочки, что позволяет прокладывать его в ограниченном пространстве морских судов. Кабель охлаждается при помощи запатентованной AMSC системы с циркуляцией газа в обычном промышленном охлаждающем агрегате. Термическая изоляция даёт возможность эксплуатировать кабель при требуемых температурах. Благодаря низкому реактивному сопротивлению эксплуатационные характеристики кабеля значительно превышают характеристики современных размагничивающих систем. Размагничивающие кабельные системы представляют адресный рынок в 100 млн. долларов США в год, так как они используются практически на всех военно-морских судах [5].

ВМФ США планирует подписать с корпорацией AMSC контракт о поставках ВТСП оборудования для программы Manufacturing Technology (ManTech). Предполагается, что контракт будет включать разработку ВТСП кабелей, электродвигателей и систем размагничивания для ВМФ США. В задачи AMSC входит уменьшение массы всех устройств (например, для системы размагничивания на 50–80 %), а также снижение их стоимости [6].

Кроме этого, ВМФ США заключил с компанией AMSC контракт “Ship Protection Systems” на поставку ВТСП-2 компонентов стоимостью 8,5 млн. долларов. Согласно контракту, ВМФ будет закупать у AMSC не только ВТСП-2 компоненты для систем размагничивания корпусов военных кораблей, но также и компоненты для силовых кабелей и электродвигателей. Ранее компанией AMSC был создан и прошел испытания на борту надводного корабля прототип ВТСП системы размагничивания. Устройство успешно проработало более двух лет (20 000 часов), корабль же, в это время преодолел расстояние более чем 130 тыс. км (75 000 миль) [7].

Согласно оценкам экспертов AMSC [4], использование ВТСП катушек вместо традиционных, выполненных из меди, уменьшит для системы размагничивания:

– массу — на 50–80 %;

– энергопотребление — на 25 %;

– стоимость — на 75 %;

– общую длину кабелей — более чем на 80 %.

Следует сказать, что тенденция создания надводных военных кораблей и субмарин с полностью электрическим приводом очевидна. Достичь этого во многом поможет применение ВТСП (HTS)-технологии, которая благодаря своим очевидным преимуществам все больше получает широкое распространение.

Литература:

1. Металлы и сплавы. Справочник. — С.-Пб.: АНО НПО Профессионал, 2003. — 1066 с.
2. Размагничивающее устройство корабля: [Электронный ресурс] // http:// voenobr.ru /uchmaterial/flot/610–2014–07–24–13–57–49.html?start=19. — Загл. с экрана.
3. HTS — новая система противодействия морским минам: [Электронный ресурс] // http://www.dailytechinfo.org/military.html — Загл. с экрана.
4. Никонов А. А., Чернышева А. К. ВТСП катушки для размагничивания кораблей // Информационный бюллетень «Сверхпроводники для электроэнергетики». — М: НИЦ Курчатовский институт, 2008. — т. 5, № 5. — С. 9–10.
5. Первый в мире полноразмерный высокотемпературный сверхпроводящий размагничивающий кабель для военных судов: [Электронный ресурс] // http://www.ruscable.ru/news/2006/05/12/.html — Загл. с экрана.
6. Новости сайта «Сверхпроводники в электроэнергетике» // Информационный бюллетень «Сверхпроводники для электроэнергетики». — М: НИЦ Курчатовский институт, 2015. — т. 12, № 3. — С. 1–2.
7. Новости сайта «Сверхпроводники в электроэнергетике» // Информационный бюллетень «Сверхпроводники для электроэнергетики». — М: НИЦ Курчатовский институт, 2015. — т. 12, № 4. — С. 1.