XNUMX세기 말~XNUMX세기 초에 등장한 잠수함(잠수함)은 공해에서의 새롭고 혁신적인 전투 수단이 되었습니다. 등장 당시 잠수함은 완벽과는 거리가 멀었지만 거의 즉시 모든 등급의 수상 선박에 심각한 위협이되었습니다.
잠수함의 주요 문제는 수면 위로 떠오르지 않고 물 속에 머무를 수 있는 시간입니다. 이것은 디젤 엔진과 배터리를 사용하는 발전소의 결과입니다. 디젤 엔진은 작동을 위해 공기가 필요하며 수면 위를 이동할 때나 배터리를 충전할 때 사용할 수 있으며 당시 배터리의 용량으로 인해 잠수함이 오랫동안 물 속에 숨어 있을 수 없었습니다.
핵잠수함(NSA)의 출현은 문제를 영원히 해결한 것처럼 보였습니다. 원자로는 원자력 선박이 거의 무제한 시간 동안 물 속에 머물 수 있게 해줍니다. DEPL(디젤 잠수함) 시대가 끝난 것처럼 보일 수 있습니다. 일부 국가에서는 이를 완전히 포기했습니다. 그러나 원자력 기술은 세계 모든 국가에서 사용할 수 없었고 디젤 전기 잠수함은 원자력 선박 비용보다 몇 배나 저렴한 비용 측면에있었습니다. 디젤 잠수함의 장점은 크기가 작아 얕은 수심에서도 효과적으로 운용할 수 있다는 점과 전기 추진 방식의 디젤 잠수함의 소음 수준이 동급 잠수함보다 낮다는 점이다. 환경 문제가 마지막 역할을 한 것은 아닙니다. 일부 국가에서는 원자력 발전소가 있는 선박이 영해로 들어가는 것을 전혀 허용하지 않습니다.
따라서 핵 잠수함과 디젤 잠수함이 동시에 존재하기 시작했습니다. 일부 국가에서는 디젤 전기 잠수함을 완전히 버렸고 일부는 만 사용했으며 일부 국가에서는 예를 들어 소련과 러시아에서 두 가지 유형의 잠수함이 모두 사용됩니다.
그러나 디젤 - 전기 잠수함의 주요 단점 - 짧은 수중 여행은 어디에서도 사라지지 않았습니다.
비핵 잠수함
디젤-전기 잠수함이 수중에서 보내는 시간을 늘리기 위해 VNEU(공기 독립 발전소)를 사용하여 자치성을 높이는 다양한 방법이 고려되었습니다. VNEU가 장착된 잠수함은 NAPL(비핵 잠수함)이라는 명칭을 받았습니다.
가장 성공적인 결정 중 하나는 Gotland 시리즈의 스웨덴 잠수함에 스털링 엔진을 설치한 것입니다. 스털링 엔진과 탱크의 액체 산소 공급은 스웨덴 NNS에 최대 30일 동안 수중을 이동할 수 있는 능력을 제공하며 이는 탁월한 결과로 간주될 수 있습니다. 단점은 작업의 복잡성이 증가하고 잠수함에 액체 산소를 추가로 제공해야 할 필요성, 해안에서의 생산 및 저장과 관련된 어려움입니다. 스털링 엔진의 수중 속도는 약 XNUMX노트로 제한됩니다(최근 수정에서는 XNUMX노트).
스털링 엔진을 장착한 고틀랜드형 NNS. wikipedia.org의 이미지
독일인은 연료 전지 기반 발전소와 금속간 수소 저장 발전소를 포함하여 비핵 잠수함에 VNEU를 설치하는 반대 방향으로 갔습니다. VNEU를 탑재한 214형 핵잠수함은 2350노트의 속도로 잠수정 2800km(시험에서는 4km)를 항해할 수 있다. 이 프로젝트의 단점은 운영의 복잡성과 수소 생산 및 저장을 위한 육상 인프라의 필요성도 고려됩니다. 또한 금속간 물질 저장고에서 나오는 수소 방출 속도가 온도에 의존하기 때문에 열대 지방과 북반구에서는 작동 위험이 있으며, 이는 잠수함의 특성을 저하시키거나 비상 사태를 유발할 수 있습니다.
독일 NNS 유형 214. 이미지 wikipedia.org
프랑스는 또한 Scorpen 유형의 잠수함을 위해 자체 VNEU를 만들려고 시도했습니다. 그들은 에탄올과 산소로 작동하는 폐쇄 사이클 증기 터빈을 개발하고 있었습니다. 그러나 그들은 프로토타입을 넘어서는 데 실패했습니다. 실험 설비의 에너지 효율성은 매우 낮은 것으로 나타났습니다.
프랑스는 스콜피온형 디젤 전기 잠수함용 VNEU를 만들지 못했습니다. wikipedia.org의 이미지
러시아는 또한 NPL을 위한 VNEU 생성을 실험하고 있습니다. 프로젝트 677 "Lada"(수출 버전 "Amur")의 잠수함의 경우 아마도 MT "Rubin"의 중앙 설계 국은 VNEU에서 수소 연료 전지에 대해 개발한 것 같습니다. 현재 작업 현황은 알 수 없으나 아무르 잠수함의 수출 촉진이 활발히 진행되고 있는 점을 감안할 때 뉴스 VNEU에 대한 낙관론을 불러일으키지 않습니다. 어쨌든, 수소 연료 전지에 VNEU가 있는 NNS는 독일의 Type 214 NNS와 거의 동일한 장점과 단점을 갖습니다.
프로젝트 677 Lada의 러시아 디젤 전기 잠수함은 아직 VNEU를 얻지 못했습니다. wikipedia.org의 이미지
또 다른 러시아 개발은 Malachite Design Bureau에서 설계한 P-750B Serval 프로젝트의 NNS입니다. 750개의 가스터빈은 P-750B 프로젝트의 NNS에서 VNEU로 사용되어야 하며, 산화제는 잠긴 위치의 Dewar 선박(액체 산소?)에서 공급되어야 합니다. Project P-10B NNS의 최대 수중 속력은 약 12-750노트로, 스털링 엔진이나 수소 연료 전지가 장착된 NNS의 속도보다 빠릅니다. P-30B Serval 프로젝트의 NNS는 수면 없이 1200해리(약 2200km)를 극복하면서 최대 4300일 동안 수중을 유지할 수 있습니다. 그리고 표면으로 상승하면 순항 범위는 최대 XNUMX해리입니다.
P-750B Serval 프로젝트의 VNEU NAPL의 장점과 단점을 논하기는 아직 이르다. P-750B Serval 프로젝트의 NNS에 대한 운영 복잡성과 해안 기반 시설에 대한 요구 사항은 스털링 엔진이 있는 NNS에 대한 요구 사항과 비슷할 것이라고 가정할 수 있습니다.
어쨌든 우리는 비핵 잠수함의 모든 기존 및 유망한 프로젝트가 기존의 디젤 - 전기 잠수함보다 운영하기가 다소 어렵고 복잡하고 값 비싼 해안 인프라가 필요하다고 말할 수 있습니다. 함께 이러한 요인으로 인해 고객은 표면 여행 및 배터리 충전을 위한 디젤 엔진과 증가된 배터리 용량을 포함하여 "고전적인" 디젤-전기 잠수함으로 자주 돌아갑니다.
함대에 리튬의 출현
일본의 "자위대"는 핵 추진 선박을 운용하지 않지만 잠수함 함대의 "비핵" 구성 요소를 매우 책임감 있게 취급합니다. 일본 함대는 각각 10개의 스털링 엔진과 XNUMX개의 가와사키 디젤 전기 엔진을 장착한 XNUMX척의 소류급 핵잠수함으로 무장하고 있습니다. 일본의 차세대 핵잠수함에도 스털링 엔진 기반의 VNEU가 탑재될 것으로 가정했다.
그러나 분명히 일본 자위대는 이러한 유형의 VNEU에 완전히 만족하지 않습니다. 추측컨데 일본 Soryu형 핵잠수함의 배수량이 스웨덴 Gotland급 핵잠수함에 비해 증가하여 스털링 엔진에서 수용 가능한 수중 속도를 얻을 수 없으며 스털링 엔진의 크기와 출력을 확장할 수 없습니다.
XNUMX번째 소류형 핵잠수함에서는 기존의 디젤-전기 잠수함/핵잠수함용 납 전지를 대체한 리튬 전지로 스털링 엔진을 포기하기로 결정했습니다.
소류급 핵잠수함. wikipedia.org의 이미지
VNEU가 장착된 비핵 잠수함에 필적하는 리튬 배터리가 장착된 수중 디젤-전기 잠수함의 경우 전자는 VNEU가 장착된 비핵 잠수함의 성능보다 두 배 이상 높은 약 20노트의 수중 속도로 이동할 수 있습니다. 유일한 단점은 리튬 배터리의 높은 비용이지만 첫째는 시간 문제입니다. 리튬 배터리는 점차 저렴해지고 있으며 둘째, 비용을 포함한 잠수함의 전체 수명 주기를 고려해야 합니다. 리튬 배터리가 장착된 디젤-전기 잠수함이 필요하지 않은 NALP를 위한 연안 산소/수소 기반 시설을 배치하고 유지하는 것.
2014년부터 2020년까지 kWh당 에너지원 비용의 변화 이미지 habr.com
리튬 배터리가 장착된 디젤-전기 잠수함의 장점에는 빠르게 충전할 수 있는 능력도 포함됩니다.
단점으로는 리튬전지의 폭발성 증가를 포함할 필요가 있다. 이것은 기계적 손상, 온도 상승, 노화, 과충전 또는 과방전으로 인해 발생할 수 있습니다(예: LiFePO4 리튬-인산철 배터리와 같이 폭발하지 않는 배터리는 비 용량이 작음).
내장된 진단 도구와 결합된 높은 생산 문화와 유능한 회로 솔루션은 대부분의 잠재적인 문제를 해결할 것입니다. 기계적 손상의 경우, 그 존재는 강한 선체의 파괴와 잠수함의 죽음을 의미할 가능성이 높으며, 이 경우 배터리의 폭발은 더 이상 중요하지 않습니다. 또한 일본은 기존 프로젝트의 현대화 된 잠수함에 리튬 배터리를 내장했으며 유망한 프로젝트에서는 리튬 배터리를 여행 중에 무인으로 강력한 케이스에서 별도의 보호 된 구획 (또는 여러 구획)으로 꺼낼 수 있습니다.
그건 그렇고, 2014 년에 러시아 SKB Rubin 사무 총장은 핵 잠수함 용 리튬 배터리의 성공적인 테스트를 발표했지만 그 이후로 그러한 작업에 대한 정보는 공개 언론에 나타나지 않았습니다.
테슬라가 왜 여기에?
기사 제목은 전기 자동차의 주요 제조업체 중 하나인 Tesla를 특징으로 하지만 잠수함과 어떤 관련이 있습니까?
아니요, Tesla는 최소한 인터넷에 이에 대한 정보가 없을 때까지 NNS 또는 해당 부품을 생산할 계획이 없습니다(2019년 Elon Musk가 Tesla의 상업용 잠수함 제작 개발을 발표했지만 - 수륙 양용 차량에 대한 진지한 개발은 이 방향으로 거의 수행되지 않았습니다.).
그러나 디젤 - 전기 잠수함의 수중 코스 기간의 기본은 배터리이며 Tesla는 전기 자동차이며 배터리도 중요한 구성 요소입니다. Tesla와 많은 사람들이 사랑하고 싫어하는 Elon Musk만큼 전기 자동차 시장을 발전시키기 위해 더 많은 일을 한 사람은 없습니다. 물론 테슬라가 없었다면 전기차 시장이 형성됐을 테지만, 10~15년 후와 비슷한 방식으로 애플이 스마트폰 시장을 형성했다.
전기차 시장의 폭발적인 성장은 고성능 배터리를 많이 필요로 합니다. 이 분야에 많은 돈이 투자되고 있으며 수백 개의 공공 및 민간 기업과 신생 기업이 활동하고 있습니다. 배터리 생산량을 늘리기 위해 새로운 공장이 건설되고 있습니다.
이 모든 것은 특정한 결과를 초래합니다. 첫째, 위에서 논의한 바와 같이 기존의 대량 생산된 전지의 비용이 감소된다. 둘째, 전기차 업체들은 고용량 배터리를 안전하게 운용할 수 있는 고효율 회로 솔루션을 개발하고 있다. 민간 시장은 당신에게 무기 시장이 아닙니다. 폭발적인 전기 자동차와 민사 소송, 보험 회사와 거래소는 "제조업체를 곱창으로 먹어치울" 것입니다. 셋째, 조만간 연구 결과가 분명히 영향을 미치고 이미 일어난 일일 가능성이 있습니다.
현재 Tesla Model 3 전기 자동차에는 에너지 밀도가 최대 260Wh/kg인 배터리가 설치되어 있습니다. Soryu 유형의 일본 디젤 전기 잠수함 (당시에는 더 이상 없었음)에 거의 동일한 용량의 리튬 배터리가 설치되었으며 동시에 범위는 이미 핵 잠수함과 비슷하다고 가정 할 수 있습니다 VNEU와 함께.
2022년 450월 Tesla와 긴밀히 협력하는 미국 회사 Amprius는 현재 상용화된 배터리 중 에너지 밀도가 가장 높은 XNUMXWh/kg의 에너지 밀도를 가진 리튬 이온 배터리 셀의 납품을 시작했다고 발표했습니다.
이러한 배터리를 설치한 후 디젤 전기 잠수함의 기능이 얼마나 증가할지 상상하기 쉽습니다. 범위 및 수중 속도 및 작동 용이성 모두에서 비핵 잠수함을 훨씬 능가할 것입니다.
조사 결과
전기자동차 시장의 발전, 그리고 이와 병행하여 전기항공기, 선박 시장의 발전은 다양한 목적의 군용장비인 무인항공기( UAV), 완전 또는 부분 전기 추진력이 있는 지상 플랫폼, 자율 무인 수중 차량(AUV) 및 차세대 디젤 전기 잠수함.
전술한 내용과 관련하여 러시아의 현대식 고용량 배터리 개발 및 생산 문제는 우리나라의 국가 안보를 위한 우선 순위 중 하나로 간주될 수 있습니다.