혐기성 발전소를 갖춘 비핵 잠수함
소류형 디젤전기잠수함
이 기사는 혐기성 또는 공기 독립 발전소(VNEU)가 있는 잠수함에 초점을 맞출 것입니다. VNEU는 매우 다양한 종류의 다양한 엔진, 설계 솔루션 및 연료 유형입니다. 3세대 잠수함의 추진 시스템과 구별되는 점은 훨씬 더 오래 잠수할 수 있는 능력으로, 그러한 잠수함의 스텔스를 크게 증가시키고 대잠수함 탐지를 어렵게 만듭니다. 항공. 예를 들어 프로젝트 636 Varshavyanka의 디젤 전기 잠수함과 같은 이전 세대의 잠수함은 3-4일마다 수면으로 올라와 디젤 엔진을 켜고 배터리를 충전해야 합니다. VNEU를 탑재한 최신 잠수함은 몇 주 동안 물 속에 있을 수 있습니다.
그러한 잠수함 건설에 사용되는 주요 설계 솔루션을 고려하십시오.
스털링의 엔진
스털링 엔진 -가스 또는 액체 형태의 작동 유체가 닫힌 체적에서 움직이는 일종의 외부 연소 엔진 인 열 엔진. 작동 유체의 주기적인 가열 및 냉각을 기반으로 하며 결과적인 압력 변화에서 에너지를 추출합니다. 보통 공기가 작동유체로 작용하지만 수소와 헬륨도 사용된다.
단점.
1. 부피가 크고 재료 집약적입니다. 스털링 엔진은 작동 유체를 냉각해야 하므로 라디에이터가 커져 발전소의 무게와 크기가 크게 증가합니다.
2. 내연 기관에 필적하는 특성을 얻으려면 고압(100atm 이상)과 특수 작동 유체(수소, 헬륨)를 사용해야 합니다.
3. 열은 작동 유체에 직접 공급되지 않고 열교환기의 벽을 통해서만 공급됩니다. 벽은 열전도율이 제한되어 있어 효율성이 예상보다 낮습니다. 고온 열 교환기는 매우 스트레스가 많은 열 전달 조건과 매우 높은 압력에서 작동하므로 고품질의 고가 재료를 사용해야 합니다. 상충되는 요구 사항을 충족하는 열 교환기를 만드는 것은 매우 중요한 작업입니다. 열 교환 면적이 클수록 열 손실이 커집니다. 동시에 열 교환기의 크기와 작업에 관여하지 않는 작동 유체의 부피가 증가합니다. 열원이 외부에 있기 때문에 엔진은 실린더에 공급되는 열유속의 변화에 느리게 반응하고 시동시 원하는 동력을 즉시 생산하지 못할 수 있습니다.
4. 엔진 출력의 빠른 변화를 위해 내연 기관에서 사용되는 것과 다른 방법이 사용됩니다. 가변 부피 버퍼 탱크, 챔버 내 작동 유체의 평균 압력 변화, 위상각 변화 작동 피스톤과 디스플레이서 사이. 후자의 경우 운전자의 제어 조치에 대한 엔진의 반응은 거의 즉각적입니다.
장점.
1. 디자인의 단순성 - 엔진의 디자인은 매우 간단하며 가스 분배 메커니즘과 같은 추가 시스템이 필요하지 않습니다. 자체적으로 시작되며 스타터가 필요하지 않습니다. 그 특성으로 인해 기어 박스를 제거할 수 있습니다.
2. 자원 증가 - 설계의 단순성, "섬세한" 노드가 많지 않아 "스털링"이 다른 엔진에 대해 수십만 시간의 연속 작동에 전례 없는 성능 마진을 제공할 수 있습니다.
3. 효율성 - 특정 유형의 열 에너지, 특히 작은 온도 차이를 활용하는 경우 "스털링"은 종종 가장 효율적인 유형의 엔진입니다.
4. 낮은 소음 수준 - "스털링"은 실린더에서 배출되지 않으므로 소음 수준이 피스톤 내연 기관보다 훨씬 적습니다.
Gotland 유형의 디젤 전기 잠수함
스털링 동력 잠수함은 표준 디젤 연료와 액체 산소를 산화제로 사용합니다. "스털링"으로 VNEU를 만든 선구자는 스웨덴 사람들이었습니다. 그들의 Gotland급 잠수함은 그러한 엔진을 장착한 최초의 대량 생산 잠수함이었습니다. 스털링은 출력면에서 현대식 디젤 엔진보다 열등하므로 고전적인 디젤 발전소에 추가로 사용됩니다. 그러나이 "추가"로 인해 Gotland 유형 잠수함은 최대 20 일 동안 물 속에 머물 수 있습니다. 스털링 속도 - 5노트. 스웨덴 잠수함 외에도 스털링 엔진은 소류 유형의 일본 잠수함에 사용됩니다.
전기화학 발전기
VNEU의 또 다른 유형은 ECG입니다. 전기화학 발전기는 연료 전지를 기반으로 합니다. 실제로 이것은 지속적으로 재충전되는 충전식 배터리입니다. 전기 화학 발전기가있는 발전소의 작동 원리는 150 년 전 영국인 William Robert Grove가 전기 분해 중에 실수로 두 개의 백금 스트립을 발견했을 때와 동일합니다. 하나는 산소로, 다른 하나는 수소로 불어서 수성 황산 용액, 전류 제공 . 반응 결과 전류 외에 열과 물이 형성되었습니다. 이 경우 에너지 변환은 소리 없이 발생하며 반응의 유일한 부산물은 잠수함에서 사용하기 매우 쉬운 증류수뿐입니다.
효율성과 안전성의 기준에 따라 수소는 금속수소화물(금속과 수소가 결합한 특수 합금) 형태로 결합 상태로 유지하고, 산소는 액화 형태로 가볍고 강한 사이의 특수 용기에 담기로 했다. 잠수함의 선체. 수소와 산소 음극 사이에는 전해질 역할을 하는 양성자 교환 고분자 전해질막이 있습니다.
디젤 전기 잠수함 유형 212
ECG가 있는 VNEU는 독일 유형 212 잠수함에 적용됨 개발된 연료 전지 설치의 명백한 이점에도 불구하고 주로 추구할 때 고속 기동 수행 측면에서 해양급 잠수함의 필수 운영 및 전술 특성을 제공하지 않습니다. 대상 또는 공격 적을 회피. 따라서 잠수함에는 배터리 또는 연료 전지를 사용하여 수중에서 고속으로 이동하는 복합 추진 시스템이 장착되어 있으며 기존의 디젤 발전기는 수면에서 항해하는 데 사용되며 배터리를 충전하는 데에도 사용됩니다. 400개의 연료 전지 모듈로 구성된 전기화학 발전기는 총 용량이 3마력입니다. 와 함께. 20일 동안 XNUMX노트의 속도로 물에 잠긴 위치에서 자연적인 바다 소음 수준보다 낮은 소음 수준으로 보트의 움직임을 보장합니다.
최근에 스페인 사람들은 S-80 유형의 잠수함에서 VNEU를 만드는 데 성공했습니다. 그들은 또한 ECH를 혐기성 보조 설비로 사용했지만 분해 결과 에탄올에서 수소를 생산하는 것을 선택했습니다. 산소는 특수 탱크에 액체 형태로 저장됩니다. 잠수함의 수중 체류 기간은 15일에 이릅니다.
증기 발생기 혐기성 발전소
스콜피온형 디젤 전기 잠수함
프랑스 엔지니어들은 잠수함을 위한 자율 전력 모듈인 혐기성 증기 발생기 유닛 MESMA(Module d'Energie Sous-Marine Autonome)를 만들었습니다. MESMA는 액체 가열, 증기의 증발 및 과열, 증기의 단열 팽창 및 응축으로 구성된 랭킨 사이클의 원리를 사용합니다. 설치는 폐쇄 사이클에서 작동하는 증기 터빈을 기반으로 만들어졌습니다. 에탄올은 연료로 사용되며 액체 산소는 산화제입니다. 에탄올은 이미 기체 상태의 산소도 받는 연소실로 들어갑니다. 알코올과 산소 혼합물의 연소 온도는 700 ° C 이상에 달할 수 있습니다. 에탄올의 연소 생성물은 물과 이산화탄소이며 방출되는 이산화탄소의 고압 (최대 60 기압)으로 인해 쉽게 제거 할 수 있습니다. 최대 600m 깊이에서 압축기를 사용하지 않고
연소실의 수명은 30년으로 정의됩니다. 따라서 잠수함의 수명 내내 사용됩니다.
연소실 열교환기는 니켈 합금으로 만들어진 증기 발생기를 가열합니다. 가열된 증기는 저소음 고속 교류 터보제너레이터를 구동합니다.
배기 증기는 500차 냉각기이기도 한 니켈-알루미늄-청동 응축기로 들어갑니다. 응축기는 흐르는 바닷물로 냉각됩니다. 생성된 응축수는 증기 발생기로 반환됩니다. "증기 발생기-응축기" 시스템의 총 물량은 약 10리터입니다. 최대 200rpm의 증기 터빈 회전 속도. 발전기의 정격 출력은 XNUMXkW 이상입니다.
MESMA 설치의 힘으로 Scorpena 프로젝트의 잠수함은 약 4시간의 항해 시간으로 250노트의 수중 코스를 개발할 수 있습니다. 기존 배터리는 더 빠른 속도를 달성하는 데 사용됩니다.
리튬 이온 배터리
2020년 11월 XNUMX일 일본은 소류 프로젝트의 XNUMX번째 잠수함을 진수했지만 이 잠수함은 이러한 유형의 다른 잠수함과 상당한 차이가 있습니다. 리튬 이온 배터리가 장착되어 있습니다.
리튬 이온 배터리를 사용함으로써 일본군은 새로운 잠수함에서 스털링 엔진과 기존의 납산 배터리를 모두 사용하지 않을 수 있었습니다.
리튬 이온 배터리는 이러한 잠수함에 다른 VNEU와 비슷한 수중 지속 시간을 제공하며, 새로운 배터리의 대용량으로 잠수함이 20노트의 수중 속도에 도달할 수 있습니다.
러시아 해군의 VNEU
프로젝트 750B 잠수함 레이아웃
물론 우리에게 가장 중요한 문제는 러시아 잠수함용 혐기성 엔진의 상황입니다. 일은 잘되고 있니? 안타깝게도 개발자는 아직 VNEU 생성에 성공하지 못했습니다. VNEU가 장착 된 최초의 국내 디젤 전기 잠수함은 프로젝트 677 "Lada"의 잠수함 이었지만 일이 잘 풀리지 않았습니다. 그럼에도 불구하고 VNEU 생성 작업은 계속되고 있으며 2019년에는 이 주제에 대한 새로운 R&D가 시작되었습니다.
ECG를 기반으로 한 혐기성 플랜트를 개발하고 있는 Central Design Bureau Rubin과 폐쇄 사이클의 혐기성 가스 터빈 엔진을 만드는 작업을 하고 있는 Design Bureau Malachite가 VNEU 생성에 참여합니다.
말라카이트의 개발은 수면과 수중에서 모두 사용할 수 있는 단일 가스터빈 엔진이다. 표면 위치에서는 대기가 이동에 사용됩니다. 수중에서 산화제는 액체 산소를 포함하는 Dewar 용기에서 공급됩니다. 터빈에서 배출되는 가스 혼합물은 외부로 배출되지 않고 정화되고 동결됩니다. 따라서 배터리를 사용하지 않는 수중 속도(VNEU에서만)는 10노트를 초과합니다. 말라카이트는 엔진뿐만 아니라 잠수함도 개발하고 있다. 프로젝트에는 코드 P-750B가 있습니다. 계획된 잠수함은 1450톤의 표면 배수량, 18-20명의 승무원, 최대 잠수 깊이 300m, 최대 속도 18노트입니다. 잠수함은 어뢰, 지뢰, 구경 순항 미사일로 무장할 수 있습니다.
결론
러시아 해군에 VNEU가 장착된 잠수함이 필요한 이유는 무엇입니까? 본질적으로 현대 VNEU에는 여러 가지 단점이 있습니다. 저전력으로 인해 전통적인 디젤 발전소와 함께 사용해야하므로 결과적으로 VNEU의 낮은 수중 속도 (리튬이 장착 된 디젤 전기 잠수함에는 적용되지 않음) -이온 배터리), 고비용, 해군 기지에 특수 인프라 건설이 필요합니다.
그러나 장점이 단점보다 큽니다. 주요한 것은 높은 기밀성과 대잠 항공기로 그러한 잠수함을 탐지하는 데 어려움이 있다는 것입니다. 예를 들어 일본에는 약 XNUMX 대의 현대식 대잠 항공기가 있기 때문에 이것은 우리에게 매우 중요합니다. 또 다른 장점은 매우 낮은 소음 수준으로 종종 바다의 배경 소음보다 적습니다. 마지막으로 VNEU를 탑재한 잠수함이 아무리 비싸더라도 원자력 잠수함보다 여전히 저렴합니다. 또한 VNEU를 탑재한 잠수함은 함대 우리의 잠재적 적: 독일, 터키, 일본. 충돌이 발생하면 잠수함 승무원은 더 발전된 잠수함과 맞서야 합니다. 그리고 VNEU를 탑재한 현대식 엔진이 개발되지 않는다면 지금 벌어지고 있는 기술 격차는 결국 메울 수 없는 심연이 될 것입니다.
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