Как Naval Group победила в конкурсе на замену голландских ПЛ типа Walrus (часть 2)
Продолжение, начало см. часть 1
Прежде всего, опираясь на технологии ядерного кораблестроения, разработанные для 22 атомных подводных лодок, построенных или строящихся для ВМС Франции (10 ПЛАРБ и 12 ПЛА), фирма DCN (с 2007-го DCNS, с 2017-го Naval Group) в конце 1990-х разработала ВНЭУ MESMA (Module d’Energie Sous-Marin Autonome) c паротурбинной установкой полузамкнутого цикла. По сути, она представляет собой часть стандартной лодочной ЯЭУ, в которой разогрев рабочего тела (воды) обеспечивает не реакция ядерного распада, а сжигание в специальной камере жидкого кислорода и этанола (этилового спирта). Перегретый пар во втором контуре вращает обычный паротурбогенератор, а вырабатываемая энергия используется для привода гребного электродвигателя. Образующиеся при сжигании топлива и окислителя продукты горения (водяной пар и отработанные газы) проходят через специальный резервуар внутри ПЛ для растворения в забортной морской воде. Утверждается, что оставшиеся при этом микроскопические пузырьки не увеличивают акустическую заметность ПЛ. При этом давление в камере сгорания составляет 60 атм (6,1 МПа), что позволяет выводить за борт продукты сгорания на любой рабочей глубине ПЛ до 600 метров без использования вытяжного компрессора.
ВНЭУ MESMA © DCNS / Naval Group
Спроектированный DCNS модуль MESMA в целом отличался достаточной компактностью, смонтированный в секции прочного корпуса длиной 9,6 метров, шириной 7,8 метров и массой 305 тонн. Жидкий кислород хранился в вертикальных баллонах на специальных амортизационных креплениях внутри прочного корпуса. ВНЭУ имела мощность 198 кВт, обеспечивая ПЛ подводную скорость хода 4-5 узлов. Продолжительность плавания зависит от проекта лодки, но не менее 21 суток (иногда пишут, что до 50), а дальность плавания при этом соответственно возрастает в 3-4 раза. Стоимость модуля оценивается в диапазоне 50-60 миллионов долларов США. Потенциально секция может быть адаптирована к любому проекту ПЛ с диаметром корпуса от 8 метров и более.
Стендовые испытания опытного образца ВНЭУ MESMA завершились в сентябре 1998 г. Первый серийный модуль в секции прочного корпуса изготовили на судоверфи в Шербур в апреле 2000-го, при этом длина конструкции уменьшилась до 8,7 метра, а масса до 160 тонн. Его испытания завершили в июне 2002 года и отправили в Пакистан, где врезали в корпус строящейся ПЛ S-139 Hamza, третьей в серии проекта Agosta 90B, переданной ВМС в 2008 году. При этом её длина/подводное водоизмещение увеличились с 67 м/1760 т до 76,2 м/1980 т. Серийный модуль с ВНЭУ MESMA №2 изготовили в 2010-м. После семимесячных предварительных тестов с общей наработкой 5200 часов в марте 2011-го последовали приемо-сдаточные испытания в присутствии представителей заказчика, а в июле 2011-го секцию отправили по морю в Пакистан, где установили на одну из двух действующих ПЛ того же проекта в рамках планового капитального ремонта. Модуль ВНЭУ MESMA №3 испытали во Франции в 2011-2012 гг. уже с участием пакистанских специалистов и установили на третьей ПЛ серии также на этапе модернизации (2012-2014). Все три лодки до настоящего времени остаются в составе ВМС Пакистана, о нареканиях по эксплуатации ВНЭУ данных нет.
Примечание: Предварительное соглашение о поставке трёх лодок проекта Agosta 90B достигнуто в сентябре 1992-го, контракт заключён 21 сентября 1994 г. Головная в серии ПЛ S-137 Khalid полностью построена в Шербуре (Франция), в ноябре 1999-го прибыла в Пакистан и передана ВМС. Две остальные ПЛ строили в Пакистане на верфи Karachi Shipyard and Engineering Works, с поставкой отдельных комплектующих из Франции в апреле 1998 года для S-138 Saad (передана ВМС в 2003-м) и в сентябре 1998 года для S-139 Hamza (передана ВМС в 2008-м).
Индийцы, как знатные пакистанофобы, не могли терпеть такое превосходство со стороны потенциального противника, поэтому в Дели тоже решили заказать себе немножко ВНЭУ для своих дизель-электрических ПЛ типа Scorpène совместной разработки французской Naval Group (ранее DCNS) с испанской Navantia.
Примечание: Переговоры по строительству серии велись с 2001 года. В 2005 году подписали контракт на поставку шести ПЛ проекта 75A (Project-75A) - индийское обозначение для третьей (последней) версии ПЛ Scorpène 2000 в варианте для прибрежных вод. С установкой ВНЭУ MESMA он называется AM-2000. Все шесть подводных лодок построены на верфи Mazagon Dockyard Ltd в Бомбее при существенной помощи DCN/DCNS/Naval Group. Первую ПЛ INS Kalvari заложили 1 апреля 2009 г. После обширных ходовых испытаний её передали ВМС 14 декабря 2017-го.
Модулями с ВНЭУ MESMA оснащены последние две лодки серии - пятая ПЛ INS Vagir, которая передана ВМС 23 января 2023 г., а шестая INS Vagsheer сейчас проходит ходовые испытания и планируется к передаче ВМС в 2024-м.
Интересно, что для индийского проекта длину секции с ВНЭУ пришлось еще уменьшить до 8,3 метра.
Слева - пактистанский модуль ВНЭУ MESMA для ПЛ Agosta 90B длиной 8,7 м; справа - индийский 8,3-метровый для ПЛ Scorpene © DCN / Naval Group
В Индии планировали, что следующие шесть ПЛ проекта 75I (Project-75I) будут национальной разработки (I = India) и оснастят их индийской же ВНЭУ. Принятие окончательного решения о постройке этой серии несколько раз откладывалось, и в самый распоследний раз его ожидали в 2023-м. Но это же Индия, детка!!! Джимми, Джимми, ача-ача - танцуй, танцуй!!! В общем, собственные хотелки перенесли на когда-нибудь потом, и 14 июля 2023 г. во время официального визита премьер-министра Нарендры Моди Индия и Франция подписали меморандум о взаимопонимании по строительству на верфи Mazagon в Бомбее еще трёх ПЛ типа Kalvari проекта 75А (Scorpène AM-2000). При этом Naval Group предложила для следующих ПЛ новые модули ВНЭУ с электрохимическим генератором (ЭХГ) на водородных топливных элементах второго поколения, а также собственные литий-ионные АКБ, разработку которых французы завершили вот прямо в то самое время.
Что касается, литий-ионных АкБ то в Naval Group вполне себе признавали их значительный потенциал для подводного кораблестроения, только внедрять не торопились в силу известных проблем с взрывопожароопасностью, разумно опасаясь аварий и последующих репутационных потерь. В результате, если предварительные НИОКР по данной теме в Naval Group начали ещё в 2006-м, то этап проектирования системы, включая выбор поставщика аккумуляторов, завершили только в 2022-м, приступив к испытаниям прототипа летом 2023 года. Зато уже в декабре на выставке DNES-2023 срочно и вполне уверенно заявили о готовности ставить литий-ионные АКБ на новые серийные лодки, имея в виду будущие голландские ПЛ.
Но такая задержка в целом должна оправдать себя. Работая вторым номером в роли догоняющего, Naval Group удалось избежать многих ошибок и выбрать наиболее оптимальную концепцию. В результате французы пошли по стопам своих германских коллег, остановив выбор на обеспечивающих наибольшую внутреннюю химическую стабильность литий-железо-фосфатных элементах LiFePO₄ или LFP (ну как здесь не напомнить, что для tkMS с 2015 года новые литий-ионные батареи разрабатывает именно французская компания Saft, но мы ни на что не намекаем, это всего лишь наша спекуляция, ничего больше ;) Заодно со всем остальным у немцев позаимствовали архитектуру конструктивной защиты для обеспечения максимальной взрывопожаробезопасности АКБ (механические барьеры, специальные модули, ячейки и т.п.).
Что же касается предложенного голландцам типа ВНЭУ, то вариант интеграции MESMA в проект Barracuda не выдерживал никакой критики. Среди всех типов ВНЭУ у паротурбинной энергоустановки самый низкий КПД, лишь ненамного превышающий 20%, что обусловлено большими потерями при многократном преобразовании энергии - сжигание топлива, получение перегретого пара, генерация трехфазного тока и последующее его преобразование в постоянный.
Сравнительные данные зависимости КПД ВНЭУ от относительного уровня выходной мощности:
1) ЭХГ; 2) дизельный двигатель замкнутого цикла; 3) двигатель Стирлинга; 4) ПТУ MESMA) © "Зарубежное военное обозрение" 2004 №6, с.59-63
Нужно было что-то новое. Собственно, выбранная Naval Group альтернатива давно известна, но пока не получила достаточного освещения на профильных ресурсах рунета. Мол, чего от этих французов можно ждать? А небольшие заметки в новостных лентах с кривыми переводами внимания специалистов явно не привлекли.
Между тем, еще в 2016 году руководство Naval Group призналось, что предварительные исследования по новой ВНЭУ у них начались в 2003-м, после чего в 2008-2015 годах в обстановке полной секретности они реализовали полномасштабную программу разработки технологии второго поколения с топливными элементами FC-2G (Fuel Cell -2-nd Generation), которые обеспечивают наибольший КПД (до 70% - см. график выше). Забегая немного вперед - на выходе установки получили мощность 250 кВт, что на 26% больше, чем у ВНЭУ с ПТУ DCN MESMA.
Проведение НИОКР обеспечила компания DCNS Indret из Нанта, специализирующаяся на сборке и испытаниях реакторов и маршевых двигателей для ПЛАРБ и ПЛА ВМС Франции. При этом за четыре года штат команды исследователей этой фирмы увеличился с 20 до 100 человек, а количество ежегодно подаваемых ими заявок на патенты выросло с одного в в начале проекта до более чем 60 на завершающем этапе.
Завод компании DCNS Indret (район г. Нант, Франция) © DCNS / Naval Group
Таким образом, Naval Group планирует не только уйти от концепции MESMA, но и совершить существенный шаг вперед по сравнению с модной технологией ЭХГ на топливных элементах 1-го поколения - то есть именно от того направления, признанным лидером которого сейчас считается германская tKMS, выступающая конкурентом в голландском конкурсе.
При этом французы попытались избавиться от известных узких мест немецких ВНЭУ. Например, очевидным их недостатком является необходимость установки внутри ПЛ топливных резервуаров - массивных и объемных из-за двойной оболочки баллонов. В них хранятся от 130 до 160 тонн гидридов, которые содержат не более 1,9% полезного водорода H₂ (то есть менее 26-32 тонн). Кроме того, для пополнения запасов гидридов на ПЛ у причала требуется соответствующая береговая инфраструктура. Это жёстко привязывает районы плавания лодок к определённым пунктам базирования, количество которых не может быть многочисленным в силу сложности и дороговизны необходимого оборудования. При этом известные противнику пункты дозаправки весьма уязвимы в военное время.
В отличие от технологии немецких конкурентов, у французов в FC-2G водород производится прямо на борту ПЛ путем химического риформинга обычного дизельного топлива (ДТ).
Принцип работы ВНЭУ FC-2G © DCNS / Naval Group
Процесс риформинга начинается с крекинга ДТ в специальном реакторе, куда при высокой температуре и давлении в несколько десятков бар подают смесь ДТ с водой и кислородом. Полученные продукты распада проходят через реактор конверсии для удаления монооксида углерода (угарный газ СО), а затем через фильтрующие мембраны для очистки полученного водорода до сверхчистого состояния, необходимого для использования в топливных элементах. Для обеспечения безопасности полученный H₂ хранится в закрытом вентилируемом отсеке с системой контроля утечек до концентрации, существенно ниже нормального предела содержания водорода в воздухе на уровне 4%.
Не прошедший через мембраны остаточный газ подается в каталитическую горелку для нагрева всей системы и предварительного нагрева реагентов. Продукты сжигания остаточного газа, как и в MESMA, проходят через специальный резервуар для быстрого растворения в морской воде и выводятся за борт "без ущерба для характеристик акустической, визуальной или тепловой заметности ПЛ".
Ещё одно "ноу-хау" DCNS Indret - специальная подсистема впрыска азота N₂ в линию подачи жидкого кислорода к топливным элементам ЭХГ. При этом получается смесь с пропорцией газов 79:21, характерной для обычного воздуха. Такой "синтетический воздух" гораздо менее взрывопожароопасен и химически агрессивен, чем чистый O₂.
"Синтетический воздух" подается в топливные элементы, где кислород и водород вступают в реакцию холодного сжигания при температуре около +80℃ на протонообменной/полимерной электролитической мембране PEM (Polymer Electrolyte/Proton Exchange Membrane), производя при этом электричество и H₂O. Эта вода, уже предварительно нагретая эндотермической реакцией в топливном элементе, затем возвращается к началу цикла и подается в реактор риформинга в смеси с ДТ. А полученная на выходе энергия используется либо напрямую для питания главного маршевого электродвигателя, либо для зарядки АКБ ПЛ, причем они могут быть как традиционные свинцово-кислотные, так и новые-модные литий-ионные.
Азот в реакции горения не участвует и выбрасывается на противоположную сторону воздушного контура, где повторно смешивается с кислородом перед подачей на топливные элементы. Таким образом, получается замкнутый цикл использования N₂ внутри ВНЭУ, позволяя отказаться от необходимости отдельной подсистемы хранения азота. Это упрощает конструкцию и увеличивает ее эксплуатационную надежность.
ВНЭУ FC-2G © Vincent Groizeleau - Mer et Marine & DCNS / Naval Group)
1) риформер (реактор риформинга) используется для производства водорода из ДТ; 2) реактор конверсии используется для увеличения выхода водорода и устранения окиси углерода, образующейся в риформере; 3) фильтрующие мембраны доводят водород до сверхчистого состояния; 4) топливные ячейки ЭХГ производят электричество из водорода и кислорода; 5) криогенный резервуар для хранения кислорода в жидкой форме
Топливные элементы основаны на готовых коммерческих технологиях, они производятся серийно французской промышленностью и адаптированы для применения на ПЛ неким "партнером Naval Group", информация о котором пока не разглашается.
Сборка топливных элементов ЭХГ ВНЭУ FC-2G © Naval Group
https://youtu.be/8rBL54Hdixw?si=AA8H35TggmnPmnCO
Концепция FC-2G предполагает значительные преимущества по сравнению с системами топливных элементов, которые используются в настоящее время другими производителями. В частности, в Naval Group считают, что интервалы капитального технического обслуживания ВНЭУ увеличатся до значений, которые пятикратно превышают соответствующие характеристики конкурентов. Например, замена химически чистого кислорода "синтетическим воздухом" снижает износ фильтров и протонообменных мембран, увеличивая сроки между их заменой. По регламенту технического обслуживания ВНЭУ ежегодно требуется только один обязательный короткий трехнедельный перерыв, необходимый единственно для замены катализаторов. Топливные ячейки ЭХГ имеют ресурс работы 10 тыс. часов. Некоторые подсистемы нуждаются в замене каждые 8-10 лет и могут быть проведены в рамках программ капитального ремонта ПЛ или модернизации середины срока эксплуатации. Наконец, для основных компонентов FC-2G вообще гарантируют работу без замены в течение 35-40 лет, что не просто соизмеримо, а существенно больше всего расчётного срока службы лодки-носителя.
Но главные преимущества FC-2G, конечно, связаны с использованием ДТ. Среди всех видов топлива, рассмотренных французскими инженерами, солярка показала наилучшие результаты по большинству параметров. Следующие за ней в ряду возможных конкурентов этанол и метанол существенно проигрывают, особенно с точки зрения безопасности. Первый из них воспламеняется при температуре всего +13…+14℃, а пары метилового спирта токсичны в случае утечки (ПДК в воздухе 0,7 мг/куб.м) и способны образовывать взрывопожароопасные смеси с воздухом (ПВ 3,5…74%).
К достоинствам ДТ с точки зрения применения во ВНЭУ на ПЛ относятся:
• самая высокая точка воспламенения, что снижает риск возгорания
• из всех видов топлива солярка наименее токсична для экипажа
• лучший энергетический отклик и плотность водорода - массовая доля H₂ при риформинге ДТ может достигать 13%, то есть из 100 тонн солярки получается до 13 тонн водорода, что в 6 раз больше отдачи гидридов (см. выше)
• глобальная доступность с высокими стандартами чистоты
• простота обращения с точки зрения процедур доставки на причал, погрузки, хранения и распределения потребителям на борту ПЛ
Два последних пункта - одни из основных. ДТ легко хранить, перевозить и пополнять запасы - процессы, давным-давно освоенные моряками всего мира, в том числе подводниками. В отличие от гидридов, соляра легко доступна к покупке и доставке на борт ПЛ в портах практически всей планеты, а для заправки у причала не требуется создание специальной береговой инфраструкутры. И наконец унификация по виду топлива для ГЭУ и ВНЭУ не требует дополнительных технических решений для его хранения на борту ПЛ. Короче, одни сплошные плюсы.
В качестве окислителя в FC-2G используется жидкий кислород. Разумеется, в отличие от ДТ, его не найти на любой заправке, но процесс пополнения запасов всё-таки чуть попроще, чем у гидридов. А чтобы снизить остроту проблемы в Naval Group решили максимально возможно увеличить возимый запас O₂, разместив в модуле ВНЭУ FC-2G криогенный резервуар максимально большого размера, который занимает практически половину объема ВНЭУ.
Кислородный резервуар ВНЭУ FC-2G. При необходимости его запасы можно использовать в системе регенерации и очистки воздуха для увеличения продолжительности подводного плавания © DCNS / Naval Group
В наследство от MESMA системе FC‑2G также досталась модульная конструкция. Весь блок монтируется в одной 10-метровой секции корпуса (в некоторых источниках пишут, что около 8 метров). Как и у MESMA, модуль FC‑2G имеет собственный аккумуляторный отсек в дополнение к штатным АКБ ПЛ, тем самым ещё больше увеличивая продолжительность плавания под водой. Все компоненты интегрированы в секцию на специальных эластичных креплениях и подвесных опорах с амортизаторами, чтобы минимизировать негативное влияние вибраций на акустическую сигнатуру. Модуль ВНЭУ также включает в себя пешеходный мостик, обеспечивая членам экипажа проход между отсеками ПЛ, а также доступ к узлам и агрегатам самого модуля для проведения работ по его техническому обслуживанию.
Секция с ВНЭУ FC-2G может быть адаптирована к любому проекту ПЛ с диаметром корпуса не менее 6 метров, как при реализации программ модернизации середины срока эксплуатации, так и на лодках новой постройки, включая, естественно, семейства Scorpene и Barracuda.
По желанию заказчика в Naval Group также готовы рассмотреть возможность уменьшения диаметра секции для интеграции ВНЭУ FC-2G в проекты ПЛ с диаметром корпуса менее 6 метров. Минимально достаточное для этого решение - поворот кислородного модуля в горизонтальное положение вместо нынешнего вертикального, как в текущей конфигурации. Но это всё пока в отдаленной перспективе.
Секция корпуса ПЛ с модулем ВНЭУ FC-2G © DCNS / Naval Group
Построенная в DCNS Indret полномасштабная береговая система прошла начальные стендовые испытания в 2008-2011 годах. В 2012-2016 годах эта установка использовалась для повышения надежности конструкции и проверки работоспособности в смоделированных условиях реальной эксплуатации. Чтобы проверить работу критически важных компонентов и протестировать всю систему до момента готовности к плановому капитальному ремонту, провели три длительных испытания, длившиеся тысячи часов, имитируя автономное плавание ПЛ проекта Scorpene на патрулировании продолжительностью от одного до двух месяцев.
Решающей вехой для новой системы, свидетельствующее о зрелости новой технологии в Naval Group называют проведенное в марте 2018-го испытание, при котором ВНЭУ FC-2G в предсерийной конфигурации проработала на береговом стенде DCNS Indret в условиях, максимально точно имитирующих условия реального подводного плавания ПЛ в течение 18 суток. Отрабатываемые процедуры включали быстрые изменения скорости хода от сверхмалой до максимальной, а также глубины погружения от предельной до экстренного всплытия на поверхность, аварийные остановки и последующие перезапуски, переключения между источниками электропитания с приемом-передачей нагрузки, устранение возможных поломок и повреждений etc.. Насколько можно судить по опубликованным изображениям, ровно через год в марте 2019-го Naval Group повторила испытание по сходной программе, но уже продолжительностью более 20 суток (см. график ниже). Видимо, решили подстраховаться и официально подтвердить рекламную заявку про "продолжительность пребывания под водой до трех недель".
Система FC-2G на береговом стенде компании DCNS Indret в Нанте © DCNS / Naval Group
По итогам этих тестов Naval Group в сентябре 2019-го официально объявила систему FC-2G готовой к серийному производству, установке на действующие ПЛ и выходу на международный рынок. И после этого о новинке все благополучно забыли аж до июля 2023 года, когда некую неназванную ВНЭУ с ЭХГ на водородных топливных элементах 2-го поколения французы впервые упомянули в предложениях по индийскому контракту.
В общем FC-2G является основным и практически единственным кандидатом на использование в проекте ПЛ для ВМС Нидерландов. А пока ход дойдет до голландского заказа, испытать новую ВНЭУ должны успеть в реальных условиях эксплуатации на индийцах и бразильцах, возможно, предложив туземцам небольшую скидку. На что-то такое явно намекал представитель Naval Group на NEDS-2023. Дескать, заявка компании на участие в программе замены ПЛ типа Walrus основана не только на опыте разработки новых французских ПЛ с ЯЭУ, но и на реализации программ экспорта ДЭПЛ типа Scorpene в Индию и Бразилию.
Впрочем, француз тут же перевел разговор на экономику, похваставшись успешной организацией "широкого партнерства" с национальными предприятиями в странах-экспортерах. Мол, с голландцами даже лучше выйдет: "предложение Naval Group включает в себя оригинальную модель совместного предприятия, опирающегося на технологическую базу, возможности и компетенции ВПК и научного сообщества Нидерландов", - и дальше началось перечисление достижений. Дескать, уже на начальном этапе программы Naval Group выбрала в качестве основного партнёра нидерландскую компанию Royal IHC (см. выше). Кроме того, в рамках присоединения Франции к программе замены минно-тральных кораблей ВМС Нидерландов и Бельгии, Naval Group к настоящему времени установлены партнёрские отношения с голландскими компаниями RH Marine, Thales Nederland, OPTICS11, а также с институтом морских ислледований MARIN и организацией прикладных научных исследований TNO. Вот такие молодцы!
Уже после объявления победы в конкурсе Naval Group заявила о существовании некоего "амбициозного плана промышленного сотрудничества" и опять повторила всё те же мантры: "В этом плане будет задействована существующая сеть [наших] голландских партнеров по ключевым системам и компонентам, гарантирующая, что экосистема Нидерландов будет развиваться и сохранять опыт и участие в жизненном цикле подводных лодок".
Но на практике далеко не всё так радужно. В случае окончательного выбора предложения Naval Group, постройка ПЛ может быть реализована по двум вариантам. В обоих из них строительство секций ПЛ развернет завод компании в Шербуре на северо-западе Франции. Согласно первому варианту, там же будет производится и окончательная сборка. Второй вариант предусматривает доставку секций в Нидерланды для их оснащения, стыковки и интеграции французскими специалистами "при участии" представителей Royal IHC.
И всё? Ага. Как ни крути, а у Saab-Damen предложения промышленной кооперации намного жырнее. И почему тогда они проиграли? Обо всем этом поговорим в самом конце, после рассмотрения под мелкоскопом конкурентов французов. Но пока придется ещё раз прерваться из-за ограничений ЖЖ по максимальному объёму теста в одном псто.
(продолжение следует)
Прежде всего, опираясь на технологии ядерного кораблестроения, разработанные для 22 атомных подводных лодок, построенных или строящихся для ВМС Франции (10 ПЛАРБ и 12 ПЛА), фирма DCN (с 2007-го DCNS, с 2017-го Naval Group) в конце 1990-х разработала ВНЭУ MESMA (Module d’Energie Sous-Marin Autonome) c паротурбинной установкой полузамкнутого цикла. По сути, она представляет собой часть стандартной лодочной ЯЭУ, в которой разогрев рабочего тела (воды) обеспечивает не реакция ядерного распада, а сжигание в специальной камере жидкого кислорода и этанола (этилового спирта). Перегретый пар во втором контуре вращает обычный паротурбогенератор, а вырабатываемая энергия используется для привода гребного электродвигателя. Образующиеся при сжигании топлива и окислителя продукты горения (водяной пар и отработанные газы) проходят через специальный резервуар внутри ПЛ для растворения в забортной морской воде. Утверждается, что оставшиеся при этом микроскопические пузырьки не увеличивают акустическую заметность ПЛ. При этом давление в камере сгорания составляет 60 атм (6,1 МПа), что позволяет выводить за борт продукты сгорания на любой рабочей глубине ПЛ до 600 метров без использования вытяжного компрессора.
ВНЭУ MESMA © DCNS / Naval Group
Спроектированный DCNS модуль MESMA в целом отличался достаточной компактностью, смонтированный в секции прочного корпуса длиной 9,6 метров, шириной 7,8 метров и массой 305 тонн. Жидкий кислород хранился в вертикальных баллонах на специальных амортизационных креплениях внутри прочного корпуса. ВНЭУ имела мощность 198 кВт, обеспечивая ПЛ подводную скорость хода 4-5 узлов. Продолжительность плавания зависит от проекта лодки, но не менее 21 суток (иногда пишут, что до 50), а дальность плавания при этом соответственно возрастает в 3-4 раза. Стоимость модуля оценивается в диапазоне 50-60 миллионов долларов США. Потенциально секция может быть адаптирована к любому проекту ПЛ с диаметром корпуса от 8 метров и более.
Стендовые испытания опытного образца ВНЭУ MESMA завершились в сентябре 1998 г. Первый серийный модуль в секции прочного корпуса изготовили на судоверфи в Шербур в апреле 2000-го, при этом длина конструкции уменьшилась до 8,7 метра, а масса до 160 тонн. Его испытания завершили в июне 2002 года и отправили в Пакистан, где врезали в корпус строящейся ПЛ S-139 Hamza, третьей в серии проекта Agosta 90B, переданной ВМС в 2008 году. При этом её длина/подводное водоизмещение увеличились с 67 м/1760 т до 76,2 м/1980 т. Серийный модуль с ВНЭУ MESMA №2 изготовили в 2010-м. После семимесячных предварительных тестов с общей наработкой 5200 часов в марте 2011-го последовали приемо-сдаточные испытания в присутствии представителей заказчика, а в июле 2011-го секцию отправили по морю в Пакистан, где установили на одну из двух действующих ПЛ того же проекта в рамках планового капитального ремонта. Модуль ВНЭУ MESMA №3 испытали во Франции в 2011-2012 гг. уже с участием пакистанских специалистов и установили на третьей ПЛ серии также на этапе модернизации (2012-2014). Все три лодки до настоящего времени остаются в составе ВМС Пакистана, о нареканиях по эксплуатации ВНЭУ данных нет.
Примечание: Предварительное соглашение о поставке трёх лодок проекта Agosta 90B достигнуто в сентябре 1992-го, контракт заключён 21 сентября 1994 г. Головная в серии ПЛ S-137 Khalid полностью построена в Шербуре (Франция), в ноябре 1999-го прибыла в Пакистан и передана ВМС. Две остальные ПЛ строили в Пакистане на верфи Karachi Shipyard and Engineering Works, с поставкой отдельных комплектующих из Франции в апреле 1998 года для S-138 Saad (передана ВМС в 2003-м) и в сентябре 1998 года для S-139 Hamza (передана ВМС в 2008-м).
Индийцы, как знатные пакистанофобы, не могли терпеть такое превосходство со стороны потенциального противника, поэтому в Дели тоже решили заказать себе немножко ВНЭУ для своих дизель-электрических ПЛ типа Scorpène совместной разработки французской Naval Group (ранее DCNS) с испанской Navantia.
Примечание: Переговоры по строительству серии велись с 2001 года. В 2005 году подписали контракт на поставку шести ПЛ проекта 75A (Project-75A) - индийское обозначение для третьей (последней) версии ПЛ Scorpène 2000 в варианте для прибрежных вод. С установкой ВНЭУ MESMA он называется AM-2000. Все шесть подводных лодок построены на верфи Mazagon Dockyard Ltd в Бомбее при существенной помощи DCN/DCNS/Naval Group. Первую ПЛ INS Kalvari заложили 1 апреля 2009 г. После обширных ходовых испытаний её передали ВМС 14 декабря 2017-го.
Модулями с ВНЭУ MESMA оснащены последние две лодки серии - пятая ПЛ INS Vagir, которая передана ВМС 23 января 2023 г., а шестая INS Vagsheer сейчас проходит ходовые испытания и планируется к передаче ВМС в 2024-м.
Интересно, что для индийского проекта длину секции с ВНЭУ пришлось еще уменьшить до 8,3 метра.
Слева - пактистанский модуль ВНЭУ MESMA для ПЛ Agosta 90B длиной 8,7 м; справа - индийский 8,3-метровый для ПЛ Scorpene © DCN / Naval Group
В Индии планировали, что следующие шесть ПЛ проекта 75I (Project-75I) будут национальной разработки (I = India) и оснастят их индийской же ВНЭУ. Принятие окончательного решения о постройке этой серии несколько раз откладывалось, и в самый распоследний раз его ожидали в 2023-м. Но это же Индия, детка!!! Джимми, Джимми, ача-ача - танцуй, танцуй!!! В общем, собственные хотелки перенесли на когда-нибудь потом, и 14 июля 2023 г. во время официального визита премьер-министра Нарендры Моди Индия и Франция подписали меморандум о взаимопонимании по строительству на верфи Mazagon в Бомбее еще трёх ПЛ типа Kalvari проекта 75А (Scorpène AM-2000). При этом Naval Group предложила для следующих ПЛ новые модули ВНЭУ с электрохимическим генератором (ЭХГ) на водородных топливных элементах второго поколения, а также собственные литий-ионные АКБ, разработку которых французы завершили вот прямо в то самое время.
Что касается, литий-ионных АкБ то в Naval Group вполне себе признавали их значительный потенциал для подводного кораблестроения, только внедрять не торопились в силу известных проблем с взрывопожароопасностью, разумно опасаясь аварий и последующих репутационных потерь. В результате, если предварительные НИОКР по данной теме в Naval Group начали ещё в 2006-м, то этап проектирования системы, включая выбор поставщика аккумуляторов, завершили только в 2022-м, приступив к испытаниям прототипа летом 2023 года. Зато уже в декабре на выставке DNES-2023 срочно и вполне уверенно заявили о готовности ставить литий-ионные АКБ на новые серийные лодки, имея в виду будущие голландские ПЛ.
Но такая задержка в целом должна оправдать себя. Работая вторым номером в роли догоняющего, Naval Group удалось избежать многих ошибок и выбрать наиболее оптимальную концепцию. В результате французы пошли по стопам своих германских коллег, остановив выбор на обеспечивающих наибольшую внутреннюю химическую стабильность литий-железо-фосфатных элементах LiFePO₄ или LFP (ну как здесь не напомнить, что для tkMS с 2015 года новые литий-ионные батареи разрабатывает именно французская компания Saft, но мы ни на что не намекаем, это всего лишь наша спекуляция, ничего больше ;) Заодно со всем остальным у немцев позаимствовали архитектуру конструктивной защиты для обеспечения максимальной взрывопожаробезопасности АКБ (механические барьеры, специальные модули, ячейки и т.п.).
Что же касается предложенного голландцам типа ВНЭУ, то вариант интеграции MESMA в проект Barracuda не выдерживал никакой критики. Среди всех типов ВНЭУ у паротурбинной энергоустановки самый низкий КПД, лишь ненамного превышающий 20%, что обусловлено большими потерями при многократном преобразовании энергии - сжигание топлива, получение перегретого пара, генерация трехфазного тока и последующее его преобразование в постоянный.
Сравнительные данные зависимости КПД ВНЭУ от относительного уровня выходной мощности:
1) ЭХГ; 2) дизельный двигатель замкнутого цикла; 3) двигатель Стирлинга; 4) ПТУ MESMA) © "Зарубежное военное обозрение" 2004 №6, с.59-63
Нужно было что-то новое. Собственно, выбранная Naval Group альтернатива давно известна, но пока не получила достаточного освещения на профильных ресурсах рунета. Мол, чего от этих французов можно ждать? А небольшие заметки в новостных лентах с кривыми переводами внимания специалистов явно не привлекли.
Между тем, еще в 2016 году руководство Naval Group призналось, что предварительные исследования по новой ВНЭУ у них начались в 2003-м, после чего в 2008-2015 годах в обстановке полной секретности они реализовали полномасштабную программу разработки технологии второго поколения с топливными элементами FC-2G (Fuel Cell -2-nd Generation), которые обеспечивают наибольший КПД (до 70% - см. график выше). Забегая немного вперед - на выходе установки получили мощность 250 кВт, что на 26% больше, чем у ВНЭУ с ПТУ DCN MESMA.
Проведение НИОКР обеспечила компания DCNS Indret из Нанта, специализирующаяся на сборке и испытаниях реакторов и маршевых двигателей для ПЛАРБ и ПЛА ВМС Франции. При этом за четыре года штат команды исследователей этой фирмы увеличился с 20 до 100 человек, а количество ежегодно подаваемых ими заявок на патенты выросло с одного в в начале проекта до более чем 60 на завершающем этапе.
Завод компании DCNS Indret (район г. Нант, Франция) © DCNS / Naval Group
Таким образом, Naval Group планирует не только уйти от концепции MESMA, но и совершить существенный шаг вперед по сравнению с модной технологией ЭХГ на топливных элементах 1-го поколения - то есть именно от того направления, признанным лидером которого сейчас считается германская tKMS, выступающая конкурентом в голландском конкурсе.
При этом французы попытались избавиться от известных узких мест немецких ВНЭУ. Например, очевидным их недостатком является необходимость установки внутри ПЛ топливных резервуаров - массивных и объемных из-за двойной оболочки баллонов. В них хранятся от 130 до 160 тонн гидридов, которые содержат не более 1,9% полезного водорода H₂ (то есть менее 26-32 тонн). Кроме того, для пополнения запасов гидридов на ПЛ у причала требуется соответствующая береговая инфраструктура. Это жёстко привязывает районы плавания лодок к определённым пунктам базирования, количество которых не может быть многочисленным в силу сложности и дороговизны необходимого оборудования. При этом известные противнику пункты дозаправки весьма уязвимы в военное время.
В отличие от технологии немецких конкурентов, у французов в FC-2G водород производится прямо на борту ПЛ путем химического риформинга обычного дизельного топлива (ДТ).
Принцип работы ВНЭУ FC-2G © DCNS / Naval Group
Процесс риформинга начинается с крекинга ДТ в специальном реакторе, куда при высокой температуре и давлении в несколько десятков бар подают смесь ДТ с водой и кислородом. Полученные продукты распада проходят через реактор конверсии для удаления монооксида углерода (угарный газ СО), а затем через фильтрующие мембраны для очистки полученного водорода до сверхчистого состояния, необходимого для использования в топливных элементах. Для обеспечения безопасности полученный H₂ хранится в закрытом вентилируемом отсеке с системой контроля утечек до концентрации, существенно ниже нормального предела содержания водорода в воздухе на уровне 4%.
Не прошедший через мембраны остаточный газ подается в каталитическую горелку для нагрева всей системы и предварительного нагрева реагентов. Продукты сжигания остаточного газа, как и в MESMA, проходят через специальный резервуар для быстрого растворения в морской воде и выводятся за борт "без ущерба для характеристик акустической, визуальной или тепловой заметности ПЛ".
Ещё одно "ноу-хау" DCNS Indret - специальная подсистема впрыска азота N₂ в линию подачи жидкого кислорода к топливным элементам ЭХГ. При этом получается смесь с пропорцией газов 79:21, характерной для обычного воздуха. Такой "синтетический воздух" гораздо менее взрывопожароопасен и химически агрессивен, чем чистый O₂.
"Синтетический воздух" подается в топливные элементы, где кислород и водород вступают в реакцию холодного сжигания при температуре около +80℃ на протонообменной/полимерной электролитической мембране PEM (Polymer Electrolyte/Proton Exchange Membrane), производя при этом электричество и H₂O. Эта вода, уже предварительно нагретая эндотермической реакцией в топливном элементе, затем возвращается к началу цикла и подается в реактор риформинга в смеси с ДТ. А полученная на выходе энергия используется либо напрямую для питания главного маршевого электродвигателя, либо для зарядки АКБ ПЛ, причем они могут быть как традиционные свинцово-кислотные, так и новые-модные литий-ионные.
Азот в реакции горения не участвует и выбрасывается на противоположную сторону воздушного контура, где повторно смешивается с кислородом перед подачей на топливные элементы. Таким образом, получается замкнутый цикл использования N₂ внутри ВНЭУ, позволяя отказаться от необходимости отдельной подсистемы хранения азота. Это упрощает конструкцию и увеличивает ее эксплуатационную надежность.
ВНЭУ FC-2G © Vincent Groizeleau - Mer et Marine & DCNS / Naval Group)
1) риформер (реактор риформинга) используется для производства водорода из ДТ; 2) реактор конверсии используется для увеличения выхода водорода и устранения окиси углерода, образующейся в риформере; 3) фильтрующие мембраны доводят водород до сверхчистого состояния; 4) топливные ячейки ЭХГ производят электричество из водорода и кислорода; 5) криогенный резервуар для хранения кислорода в жидкой форме
Топливные элементы основаны на готовых коммерческих технологиях, они производятся серийно французской промышленностью и адаптированы для применения на ПЛ неким "партнером Naval Group", информация о котором пока не разглашается.
Сборка топливных элементов ЭХГ ВНЭУ FC-2G © Naval Group
Click to viewhttps://youtu.be/8rBL54Hdixw?si=AA8H35TggmnPmnCO
Концепция FC-2G предполагает значительные преимущества по сравнению с системами топливных элементов, которые используются в настоящее время другими производителями. В частности, в Naval Group считают, что интервалы капитального технического обслуживания ВНЭУ увеличатся до значений, которые пятикратно превышают соответствующие характеристики конкурентов. Например, замена химически чистого кислорода "синтетическим воздухом" снижает износ фильтров и протонообменных мембран, увеличивая сроки между их заменой. По регламенту технического обслуживания ВНЭУ ежегодно требуется только один обязательный короткий трехнедельный перерыв, необходимый единственно для замены катализаторов. Топливные ячейки ЭХГ имеют ресурс работы 10 тыс. часов. Некоторые подсистемы нуждаются в замене каждые 8-10 лет и могут быть проведены в рамках программ капитального ремонта ПЛ или модернизации середины срока эксплуатации. Наконец, для основных компонентов FC-2G вообще гарантируют работу без замены в течение 35-40 лет, что не просто соизмеримо, а существенно больше всего расчётного срока службы лодки-носителя.
Но главные преимущества FC-2G, конечно, связаны с использованием ДТ. Среди всех видов топлива, рассмотренных французскими инженерами, солярка показала наилучшие результаты по большинству параметров. Следующие за ней в ряду возможных конкурентов этанол и метанол существенно проигрывают, особенно с точки зрения безопасности. Первый из них воспламеняется при температуре всего +13…+14℃, а пары метилового спирта токсичны в случае утечки (ПДК в воздухе 0,7 мг/куб.м) и способны образовывать взрывопожароопасные смеси с воздухом (ПВ 3,5…74%).
К достоинствам ДТ с точки зрения применения во ВНЭУ на ПЛ относятся:
• самая высокая точка воспламенения, что снижает риск возгорания
• из всех видов топлива солярка наименее токсична для экипажа
• лучший энергетический отклик и плотность водорода - массовая доля H₂ при риформинге ДТ может достигать 13%, то есть из 100 тонн солярки получается до 13 тонн водорода, что в 6 раз больше отдачи гидридов (см. выше)
• глобальная доступность с высокими стандартами чистоты
• простота обращения с точки зрения процедур доставки на причал, погрузки, хранения и распределения потребителям на борту ПЛ
Два последних пункта - одни из основных. ДТ легко хранить, перевозить и пополнять запасы - процессы, давным-давно освоенные моряками всего мира, в том числе подводниками. В отличие от гидридов, соляра легко доступна к покупке и доставке на борт ПЛ в портах практически всей планеты, а для заправки у причала не требуется создание специальной береговой инфраструкутры. И наконец унификация по виду топлива для ГЭУ и ВНЭУ не требует дополнительных технических решений для его хранения на борту ПЛ. Короче, одни сплошные плюсы.
В качестве окислителя в FC-2G используется жидкий кислород. Разумеется, в отличие от ДТ, его не найти на любой заправке, но процесс пополнения запасов всё-таки чуть попроще, чем у гидридов. А чтобы снизить остроту проблемы в Naval Group решили максимально возможно увеличить возимый запас O₂, разместив в модуле ВНЭУ FC-2G криогенный резервуар максимально большого размера, который занимает практически половину объема ВНЭУ.
Кислородный резервуар ВНЭУ FC-2G. При необходимости его запасы можно использовать в системе регенерации и очистки воздуха для увеличения продолжительности подводного плавания © DCNS / Naval Group
В наследство от MESMA системе FC‑2G также досталась модульная конструкция. Весь блок монтируется в одной 10-метровой секции корпуса (в некоторых источниках пишут, что около 8 метров). Как и у MESMA, модуль FC‑2G имеет собственный аккумуляторный отсек в дополнение к штатным АКБ ПЛ, тем самым ещё больше увеличивая продолжительность плавания под водой. Все компоненты интегрированы в секцию на специальных эластичных креплениях и подвесных опорах с амортизаторами, чтобы минимизировать негативное влияние вибраций на акустическую сигнатуру. Модуль ВНЭУ также включает в себя пешеходный мостик, обеспечивая членам экипажа проход между отсеками ПЛ, а также доступ к узлам и агрегатам самого модуля для проведения работ по его техническому обслуживанию.
Секция с ВНЭУ FC-2G может быть адаптирована к любому проекту ПЛ с диаметром корпуса не менее 6 метров, как при реализации программ модернизации середины срока эксплуатации, так и на лодках новой постройки, включая, естественно, семейства Scorpene и Barracuda.
По желанию заказчика в Naval Group также готовы рассмотреть возможность уменьшения диаметра секции для интеграции ВНЭУ FC-2G в проекты ПЛ с диаметром корпуса менее 6 метров. Минимально достаточное для этого решение - поворот кислородного модуля в горизонтальное положение вместо нынешнего вертикального, как в текущей конфигурации. Но это всё пока в отдаленной перспективе.
Секция корпуса ПЛ с модулем ВНЭУ FC-2G © DCNS / Naval Group
Построенная в DCNS Indret полномасштабная береговая система прошла начальные стендовые испытания в 2008-2011 годах. В 2012-2016 годах эта установка использовалась для повышения надежности конструкции и проверки работоспособности в смоделированных условиях реальной эксплуатации. Чтобы проверить работу критически важных компонентов и протестировать всю систему до момента готовности к плановому капитальному ремонту, провели три длительных испытания, длившиеся тысячи часов, имитируя автономное плавание ПЛ проекта Scorpene на патрулировании продолжительностью от одного до двух месяцев.
Решающей вехой для новой системы, свидетельствующее о зрелости новой технологии в Naval Group называют проведенное в марте 2018-го испытание, при котором ВНЭУ FC-2G в предсерийной конфигурации проработала на береговом стенде DCNS Indret в условиях, максимально точно имитирующих условия реального подводного плавания ПЛ в течение 18 суток. Отрабатываемые процедуры включали быстрые изменения скорости хода от сверхмалой до максимальной, а также глубины погружения от предельной до экстренного всплытия на поверхность, аварийные остановки и последующие перезапуски, переключения между источниками электропитания с приемом-передачей нагрузки, устранение возможных поломок и повреждений etc.. Насколько можно судить по опубликованным изображениям, ровно через год в марте 2019-го Naval Group повторила испытание по сходной программе, но уже продолжительностью более 20 суток (см. график ниже). Видимо, решили подстраховаться и официально подтвердить рекламную заявку про "продолжительность пребывания под водой до трех недель".
Система FC-2G на береговом стенде компании DCNS Indret в Нанте © DCNS / Naval Group
По итогам этих тестов Naval Group в сентябре 2019-го официально объявила систему FC-2G готовой к серийному производству, установке на действующие ПЛ и выходу на международный рынок. И после этого о новинке все благополучно забыли аж до июля 2023 года, когда некую неназванную ВНЭУ с ЭХГ на водородных топливных элементах 2-го поколения французы впервые упомянули в предложениях по индийскому контракту.
В общем FC-2G является основным и практически единственным кандидатом на использование в проекте ПЛ для ВМС Нидерландов. А пока ход дойдет до голландского заказа, испытать новую ВНЭУ должны успеть в реальных условиях эксплуатации на индийцах и бразильцах, возможно, предложив туземцам небольшую скидку. На что-то такое явно намекал представитель Naval Group на NEDS-2023. Дескать, заявка компании на участие в программе замены ПЛ типа Walrus основана не только на опыте разработки новых французских ПЛ с ЯЭУ, но и на реализации программ экспорта ДЭПЛ типа Scorpene в Индию и Бразилию.
Впрочем, француз тут же перевел разговор на экономику, похваставшись успешной организацией "широкого партнерства" с национальными предприятиями в странах-экспортерах. Мол, с голландцами даже лучше выйдет: "предложение Naval Group включает в себя оригинальную модель совместного предприятия, опирающегося на технологическую базу, возможности и компетенции ВПК и научного сообщества Нидерландов", - и дальше началось перечисление достижений. Дескать, уже на начальном этапе программы Naval Group выбрала в качестве основного партнёра нидерландскую компанию Royal IHC (см. выше). Кроме того, в рамках присоединения Франции к программе замены минно-тральных кораблей ВМС Нидерландов и Бельгии, Naval Group к настоящему времени установлены партнёрские отношения с голландскими компаниями RH Marine, Thales Nederland, OPTICS11, а также с институтом морских ислледований MARIN и организацией прикладных научных исследований TNO. Вот такие молодцы!
Уже после объявления победы в конкурсе Naval Group заявила о существовании некоего "амбициозного плана промышленного сотрудничества" и опять повторила всё те же мантры: "В этом плане будет задействована существующая сеть [наших] голландских партнеров по ключевым системам и компонентам, гарантирующая, что экосистема Нидерландов будет развиваться и сохранять опыт и участие в жизненном цикле подводных лодок".
Но на практике далеко не всё так радужно. В случае окончательного выбора предложения Naval Group, постройка ПЛ может быть реализована по двум вариантам. В обоих из них строительство секций ПЛ развернет завод компании в Шербуре на северо-западе Франции. Согласно первому варианту, там же будет производится и окончательная сборка. Второй вариант предусматривает доставку секций в Нидерланды для их оснащения, стыковки и интеграции французскими специалистами "при участии" представителей Royal IHC.
И всё? Ага. Как ни крути, а у Saab-Damen предложения промышленной кооперации намного жырнее. И почему тогда они проиграли? Обо всем этом поговорим в самом конце, после рассмотрения под мелкоскопом конкурентов французов. Но пока придется ещё раз прерваться из-за ограничений ЖЖ по максимальному объёму теста в одном псто.
(продолжение следует)