Глава 3. Общие требования к пропульсивным установкам двусредных аппаратов

Современные торпеды атакуют движущиеся цели на больших расстояниях и способны поражать не только надводные суда, но и глубоководные подводные лодки. Поэтому требования, предъявляемые к торпедам, определяются главным образом возможностями современных подводных лодок и надводных скоростных судов. Это значит, что новейшие торпеды должны обладать значительными скоростями, погружаться на большие глубины, иметь лучшие, чем подводные лодки, маневренные качества в пространстве. Важный параметр также – вероятность обнаружения, который определяется скоростью торпеды, следностью и возможностями аппаратуры корабля-цели.

Элементы торпеды выбираются, разрабатываются, а затем объединяются в единую систему таким образом, чтобы достичь наибольшей поражающей способности этого оружия с учетом затраченных на разработки средств. Сложности, которые необходимо преодолеть при разработках, связаны с тем, что пропульсивные качества и создаваемый торпедой шум всегда находятся в противоречии друг с другом.

Для исследовательских аппаратов шум хотя и значимый, но менее существенный параметр, чем дальность хода и время автономной работы. Далее будем рассматривать только ДУ торпед, поскольку к ним предъявляются наиболее жесткие требования.

Шум и скорость. Собственный шум ПА (торпеды) крайне нежелателен, так как намеченная для атаки цель может обнаружить торпеду и уйти от преследования. Разведка под водой проводится главным образом с помощью гидролокатора, который позволяет обнаружить движущийся снаряд и избежать встречи с ним. Предельные величины допускаемого шума устанавливаются, вследствие этого, исходя из возможностей гидролокационных систем перспективных судов и подводных лодок. Шум обычно усиливается с увеличением скорости подводного снаряда, поскольку возрастают рабочие скорости его механизмов и увеличиваются внешние гидродинамические шумы.

В момент приближения торпеды к цели возможность уклонения от нее снижается, хотя в этот период подводная лодка будет, как обычно, контролировать внешние звуки и пытаться уйти от преследования. Момент, когда приближающаяся торпеда может быть обнаружена, зависит от расстояния до цели и спектральных характеристик шума, создаваемого торпедой. Поскольку собственный шум торпеды увеличивается с возрастанием ее скорости, то скорость стремятся задать так, чтобы предупредить обнаружение торпеды на расстоянии, позволяющем подводной лодке уйти от преследования, т. е. еще до того, как торпеда исчерпает свой форсажный топливный резерв. Выбор слишком малой скорости торпеды позволяет подводной лодке, уже заметившей атаку, уйти от преследования.

С другой стороны, скорость торпеды необходимо регулировать так, чтобы собственный ее шум не препятствовал отражению сигнала системы самонаведения (если она есть) от цели, чтобы торпеда могла выполнить все необходимые маневры и чтобы запас топлива, которым обеспечена торпеда, не был израсходован преждевременно.

Скорость и зона действия любой торпеды ограничиваются запасом энергии, необходимой для движения. Этот запас значительно ниже, чем у подводных лодок, независимо от того, работают они на ядерном или на химическом топливе, поскольку потребная мощность пропульсивной установки торпеды пропорциональна кубу ее скорости, а дальность действия значительно уменьшается со скоростью. (Это будет доказано ниже.) Отсюда следует, что энергоресурс торпеды должен расходоваться экономно. Движущаяся цель, атака на которую производится при острых кормовых углах, будет перехвачена на максимальном расстоянии, когда скорость торпеды на 50% выше, чем скорость преследуемой цели. Так, если скорость подводной лодки близка к 40 уз, торпеда должна двигаться со скоростью 60 уз. [1,3.]

Снижение шума. Поскольку собственный шум ограничивает эффективность торпеды как оружия, вопрос о снижении шума является задачей первостепенного значения. Этот вопрос изучается как в теоретическом, так и в конструктивном направлениях. Иногда виброизолирующее устройство, устанавливаемое между источником шума и корпусом торпеды, оказывается вполне удовлетворительным средством для снижения шума.

Главным источником шума, хотя и не единственным, для механических ДУ служат редукторные механизмы, расположенные между энергетической установкой и движителем. Поскольку сцепление в зубчатых передачах не идеально, кратковременные относительные ускорения приводят к толчкам и (или) к перерывам в движении, а оба эти фактора создают звуковые возмущения. Эти шумы становятся еще сильнее, когда их частоты оказываются равными собственным частотам колебаний смежных внутренних частей механизма.

Для уменьшения шума в источнике ужесточаются требования к допускам на зубчатые передачи и используются только подшипники повышенной точности.

Еще один источник шума — вытесняемый из зацеплений воздух (если движение соответствует звуковым скоростям). Эти шумы не устраняются полностью, даже если зубчатые колеса заменяются гладкими роликами, работающими в непосредственном контакте или разделенными жидкой передающей средой.

Для турбинных (турбовинтовых и турбоводометных), а также реактивных ДУ главный источник шума – пульсации давления в турбулентных потоках рабочего тела.

Еще один существенный фактор – шум, возникающий в водной среде в результате сплошного обтекания ПА водой.

Снижение лобового сопротивления. Тела, движущиеся в водной среде, испытывают силу лобового сопротивления, почти на три порядка превышающую величину сопротивления тел, движущихся с той же скоростью в воздухе. В связи с этим вопрос о снижении лобового сопротивления тел, движущихся под водой, приобретает большое значение.

Метод уменьшения сопротивления движению тел заключается в соответствующем выборе их обводов. Известно из опыта, что, тела с определенной грушевидной формой обводов обладают более низким сопротивлением по сравнению с равнообъемными им прямыми круговыми цилиндрами с закругленными оконечностями. Первая из двух названных форм, однако, неприемлема для торпед, так как торпеды с такими обводами неудобно хранить на борту кораблей, невозможно помещать в обычные торпедные аппараты и, кроме того, такая форма торпед препятствует эффективному размещению в ней необходимых подсистем.

Тела с очень гладкой наружной поверхностью также обладают меньшим сопротивлением, так как любые выступы и шероховатости способствуют турбулизации потока при низких числах Re. Однако такие обводы затрудняют обслуживание торпед при хранении и стрельбе. Поэтому наиболее распространены торпеды, имеющие оживальную носовую оконечность, цилиндрическую среднюю часть и конусообразную кормовую оконечность при приемлемо гладких обводах. При таких обводах обеспечиваются достаточно низкое сопротивление формы, удобство размещения торпеды при хранении и т. д.

Сопротивление может быть уменьшено также при движении торпеды в газовой каверне, которая предотвращает непосредственную передачу энергии в воду. Для практической реализации этого необходимо, чтобы объем, занимаемый средствами образования и поддержания газовой каверны, был меньше объема той части энергетической установки, которая необходима для обеспечения выигрыша равноценной по величине тяге движителя. Перспективным способом снижения сопротивления является также отсос пограничного слоя прежде, чем он достигнет максимальной толщины. Может, наконец, оказаться эффективным для уменьшения сопротивления движению торпеды способ введения в пограничный слой некоторых добавок, которые вызывают «неньютоновское» течение, в жидкости.

Современные торпеды подразделяются по габаритам (крупно - и малогабаритные) или по калибру 324, 400, 450, 533 мм и более; по длине от 2.5 до 6.5 м и более.

Подводный движитель. Обычные ракетные двигатели малопригодны для торпед, так как значительно большая скорость реактивной струи по сравнению с номинальной скоростью (60-80 уз) торпеды приводит к очень низкому пропульсивному кпд. Пропульсивный кпд представляет собой отношение работы, производимой тягой движителя аппарата, движущегося со скоростью V, к энергии, необходимой для увеличения скорости рабочего тела от V₁ на входе в движитель до V₂ на выходе из него, в предположении отсутствия потерь на трение:

,

где D – сопротивление аппарата, Н;

m – массовый секундный расход отбрасываемой жидкости, кг/сек.

Вследствие этого вместо них обычно используются гребные винты либо водометы, которые обеспечивают необходимую тягу при высоком пропульсивном кпд.

Традиционные методы повышения энергетических характеристик для ракет не дают желаемого результата. Так, например, одним из методов повышения энергетических характеристик является увеличение степени расширения газа, за счет увеличения давления в камере сгорания двигателя. Однако увеличение степени расширения в сопле РД до значений (500 – 1000) уже на глубине в 10 м требует реализации давления в камере сгорания (100 – 200) МПа, что пока трудно осуществимо.

В торпедах с гребными винтами используются либо одиночные винты, либо парные, вращающиеся в разные стороны (соосная схема). Эффективное действие таких движителей возможно либо в бескавитационном режиме, если они спроектированы с учетом условия отсутствия кавитации, либо в кавитационном режиме, когда для обеспечения кавитации газ в район винта вдувается через кромку лопасти. Винты могут быть также заключены в направляющую насадку, причем при определенных условиях они будут действовать в режиме водометных движителей.

Водометные движители рассматриваются в качестве наиболее приемлемых торпедных движителей, так как они часто обеспечивают наиболее оптимальное выполнение основного требования о создании необходимой тяги в сочетании с другими требованиями, предъявляемыми к торпедам.

Так, при применении направляющей насадки начало развития кавитации смещается в область более высоких скоростей движения, что повышает уровень допустимых скоростей, соответствующих оптимальным условиям работы энергетической установки и движителя. (Кавитирующий винт представляет собой принципиально иное решение). Винты в насадке могут быть более эффективными при меньшем диаметре по сравнению с открытым гребным винтом, поэтому они лучше подходят для установки в малокалиберных торпедах. Таким образом, при нелимитированном диаметре корпуса водометный движитель может работать в бескавитационном режиме в более широком диапазоне скоростей торпеды по сравнению с открытыми винтами.

В последние 15-20 лет благодаря появлению новых высокопрочных материалов стало возможным применение винтовых и водометных движителей с принудительной кавитацией. В таких движителях на вход в винт (водомет) в поток воды подается газ, например – продукты сгорания. Это позволяет в определенных пределах управлять кавитацией и в результате несколько повысить тягу за счет большей частоты вращения на валу.

Следует помнить, что шум винтов в режиме кавитации выше, чем в бескавитационном.

Источник энергии. Торпеды считаются слишком малыми по своим размерам для эффективного применения ядерной энергии, поэтому вместо нее используется преобразование химической энергии в тепловую или в электрическую энергию. При размерах 450 мм Х 5,26м энергетическая установка занимает приблизительно половину внутреннего объема торпеды, т. е. около 0,284 м³. Чтобы обеспечить такой торпеде скорость 60 уз, необходимы двигатель мощностью до 590 кВт и удельная энергия на единицу объема установки свыше 480 кВт-ч/м³ (при условии сохранения этой скорости в течение 7 мин).

Если принять, что 35% теоретического потенциала химической энергии используется в энергетической установке (примерный кпд батарей или тепловых двигателей), то минимальная величина удельной энергии на единицу объема должна быть равна — 1360 кВт-ч/м³. Эта энергетическая оценка до некоторой степени завышена по сравнению с реальным расходом энергии, так как торпеда не будет проходить всю траекторию движения на полной скорости. Однако в связи с разработкой новых проектов подводных лодок и надводных кораблей возникают возможности более длительных режимов движения торпед, для которых величина 1360 кВт-ч/м³ становится достаточно обоснованной, а для скоростных ДА – недостаточной.

Электрическая энергия. Аккумуляторные батареи широко используются в качестве источников энергии для торпед. Они являются источниками электрической энергии, которая легко подводится к электродвигателю, создающему вращающий момент. Кроме того, батареи не имеют недостатков, свойственных тепловым двигателям, работающим по циклу Карно. Возможным источником электроэнергии могут служить также топливные элементы. Однако они используются пока в меньшей степени, поскольку при требуемой энергоемкости их размещение в корпусе торпеды затруднительно.

Проблемы, связанные с использованием батарей в торпедах, делают необходимым решение следующих вопросов:

- конструирование простейших средств для поддержания химических компонентов батареи в надлежащих стехиометрических соотношениях, необходимых для эффективной реакции;

- получение средств, предохраняющих продукты основной реакции батареи от их подавления вторичной реакцией,

- получение средств, препятствующих течению побочных реакций из-за истощения основных компонентов; конструирование батарей, обеспечивающих рациональное размещение их в торпеде.

Электродвигатель. Батареи снабжают электроэнергией электродвигатели, поэтому оптимизация их параметров должна осуществляться совместно. Батарея имеет намного большую массу по сравнению с двигателем, поэтому ее конструированию уделяется больше внимания при оптимизации комплекса батарея — двигатель. Обычно используемые с батареями электродвигатели постоянного тока обладают меньшей эффективностью, чем электродвигатели переменного тока. Для преобразования постоянного тока в переменый используется инвертор. Двигатели переменного тока, работающие через инвертор, характеризуются тем же диапазоном мощности, что и электродвигатели постоянного тока, поэтому любая из этих комбинаций может оцениваться в равной мере.

Тепловые двигатели. С учетом особенностей режимов маневрирования торпед на больших глубинах были предложены специальные циклы работы тепловых двигателей, причем некоторые из них разработаны для двигателей, характеристики которых в незначительной степени зависят от величины гидростатического противодавления.

Характеристики отдельных циклов зависят от свойств продуктов реакции топлива, характеристики других не зависят от этих свойств, так как они соответствуют замкнутым термодинамическим циклам. В последнем случае глубина погружения не имеет значения, однако при этом требуется установка дополнительных теплообменников.

1. Двигатели внутреннего сгорания. (ДВС) В торпедах могут использоваться как поршневые, так и турбинные ДВС. Турбинные двигатели недороги и имеют приемлемый кпд при малом парциальном подводе рабочего тела в условиях переменной степени сжатия. Турбины оказываются более предпочтительными для торпед больших мощностей, а поршневые двигатели — для малых. К преимуществам поршневых двигателей можно отнести их работу при более высоких температурах рабочих газов, но зато в турбине допускается использование более загрязненных газов. Были сконструированы также очень малые поршневые двигатели с качающейся шайбой, для которых характерно регулирование мощности, необходимой для движения торпеды, и возможность установки в ограниченном объеме.

2. Поршневые расширительные двигатели. Представляют собой комбинацию ПГГ и цилиндропоршневой пары, в которой расширяется парогаз, совершая работу. Они сравнительно просты и дешевы. Кроме того, этот тип ДУ применялся на ДДА многие десятилетия, что привело к очень хорошей отработке конструкции и высоким показателям надежности. Однако теперь их характеристики не позволяют создавать торпеды, способные эффективно поражать современные цели. Можно предположить, что такие ДУ еще довольно долго будут применяться в небоевых (исследовательских) ПА.

Топливо для тепловых двигателей. В последнее время значительное внимание уделяется тепловым двигателям, использующим энергию химического топлива, при сгорании которого в камере ракетного типа (ГГ, ПГГ) образуются продукты с высокой температурой. Наибольшее распространение получили при этом торпедные двигатели, работающие на твердом топливе ракетного типа. Подобная энергетическая установка обеспечивает движение малогабаритной торпеды с достаточной скоростью в заданных радиусах действия, так как для ее работы используется твердое топливо высокой плотности и относительно простого состава.

Прямое использование ракетных топлив с выбросом газов из двигателя непосредственно в окружающую среду проблематично из-за того, что разница верхнего и нижнего давления цикла в двигателе, а следовательно, и его кпд и мощность уменьшаются с глубиной погружения. Влияния глубины на кпд можно избежать только при работе двигателя с относительно высоким внутренним давлением либо для ДУ, работающих по специальным циклам.

Достаточно сложной оказывается также проблема регулирования скорости истечения реактивной струи, что требуется для изменения скорости движения торпеды. Т.о. единственная возможность регулирования – регулировка изменением расхода. Эта проблема решается более удовлетворительно, если вместо твердого топлива использовать жидкое однокомпонентное или унитарное топливо, которое, поступая в реакционную камеру, выделяет необходимое количество горячих газов.

Теоретически наибольшей потенциальной энергией (учитывая требование высокой плотности) обладают те виды топлива, в которых в качестве горючего используется металл (алюминий, магний или литий), так как при его сгорании выделяется наибольшая по отношению к занимаемому им объему энергия. Наиболее высокий кпд двигателя обеспечивается, если в качестве окислителя используется забортная вода (неавтономные двигатели на гидрореагирующем горючем). Продукты реакции металлического горючего включают в себя твердые окислы, наличие которых ухудшает работу двигателя. Кроме того, подготовка и подача металлического топлива в камеру сгорания с последующим осуществлением эффективной химической реакции также является сложной проблемой. Для ее решения было предложено использовать жидкие металлы или суспензии металлических частиц в жидкости, либо использование твердого металлизированного гидрореагирующего топлива по схеме, аналогичной гибридным ракетным двигателям.

Рабочая глубина. Рост глубины погружения аппарата уменьшает кпд тепловых двигателей в установках, работающих по открытому циклу, т. е. тех двигателей, которые подвержены воздействию изменения отношения давлений рабочего тела на входе и на выхлопе, и в которых отработанные продукты выбрасываются непосредственно за борт.

Подобные установки с открытым циклом, по-видимому, не могут применяться в подводных аппаратах, работающих на больших глубинах, где более рациональны другие циклы. Характеристики стандартных ракет также резко ухудшаются при увеличении противодавления внешней среды. В то же время применение специальных топлив и использование гидрореактивного принципа при создании более сложных ракет позволяет получить такие характеристики, которые возрастают по мере увеличения глубины.

Следность. Наличие следа, образованного газообразными продуктами сгорания тепловых двигателей снижает боевую эффективность торпеды, т.к. повышает вероятность ее обнаружения. Решение этой проблемы обеспечивается применением электрических двигателей, либо топлив, продукты сгорания которых конденсируются либо растворяются в воде. Имеются и другие причины, по которым выброс газообразных продуктов непосредственно в ОС нежелателен. Как отмечалось ранее, высокое противодавление уменьшает степень расширения газов в двигателе и его кпд. Если же все продукты реакции могут конденсироваться в выхлопном тракте двигателя, то поток сконденсированных продуктов сгорания можно отвести за борт при затрате малой мощности, и противодавление, воспринимаемое двигателем, может быть таким малым, каким является давление паров охлаждаемых и конденсируемых продуктов реакции. Такие установки могут иметь двухконтурную энергетическую схему и работают по специальным циклам.

Дополнительные требования. Эффективность торпеды может быть снижена из-за свойств химикатов, используемых в источниках энергии. Например, если батарея или топливные энергокомпоненты выделяют токсичные газы или взрываются, торпеды не могут быть допущены к установке на борту подводных лодок или надводных кораблей. Если энергокомпоненты образуют остаточные газы, которые могут проникнуть в спутную струю торпеды, то образующиеся пузырьки будут мешать управлению торпедой, а также создавать хорошо обнаруживаемый след. Наконец, если корродирующие или твердые продукты сгорания должны удаляться из энергетической установки торпеды в интервалах между успешными торпедными стрельбами, то возникающие эксплуатационные трудности и дополнительные затраты могут привести к отказу от применения такой энергетической установки.

Условия боевого использования торпед, хранения их на кораблях различных классов, обращения с ними на флоте и в базах флота находят отражение в требованиях ко всем механизмам торпед и в том числе к двигателям.

Сравнительно небольшой объем, который можно выделить в торпеде для размещения силовой установки, значительно усложняет разработку двигателя большой мощности.

Быстрый набор мощности — требование, вытекающее из необходимости приблизить значение скорости хода торпеды в начале ее хода после выстрела из трубы торпедного аппарата к средней скорости на всей дистанции. Чем меньше дальность хода, тем более ощутимо сказывается затяжка в наборе полной мощности, так как начальная скорость торпеды будет заметно отличаться в меньшую сторону от ее средней скорости.

Возможность запуска двигателя в любых условиях равнозначна безотказному пуску двигателя. Так как пуск торпедного двигателя осуществляется автоматически и повторить его после выхода торпеды из аппарата невозможно, конструкция двигателя должна обеспечивать безотказность действия не только в момент начала его работы, но и в последующем на участке установившегося движения.

Торпедный двигатель должен быть простым по устройству. Это необходимо для обеспечения надежности действия, возможности устранения недостатков и повреждений силами рядовых специалистов, а кроме того, это облегчает обучение личного состава.

Воздействие морской воды на двигатель сокращает срок его службы и нередко является причиной серьезных повреждений. Полностью устранить вредное влияние морской воды практически невозможно, но, применяя специальные материалы, можно увеличить срок службы (хранения) двигателя.

Детали торпедного двигателя в процессе работы воспринимают значительные по величине знакопеременные нагрузки, нагреваются, вибрируют. Поэтому, несмотря на очень небольшое время работы двигателя торпеды, прочность его деталей должна быть высокой.

Высокий кпд позволяет при данных запасах энергокомпонентов достичь большей дальности хода торпеды.

Необходимость практических стрельб торпедами в процессе боевой подготовки выдвигает в качестве одного из дополнительных требований к энергосиловым установкам и двигателям торпед возможность производства нескольких выстрелов без существенного изменения их основных тактико-технических свойств.