Капитан 3 ранга А. Соколов,
кандидат технических наук

В настоящее время за рубежом большое внимание уделяется исследованиям и разработкам в области создания принципиально новых корабельных систем электродвижения с безвинтовыми магнитогидродинамическими движителями (МГДД). Работа такого движителя основывается на возникновении тяги (силы Лоренца) при взаимодействии магнитного поля, направленного вертикально вниз, и электрического тока, протекающего перпендикулярно линиям магнитного поля. Результирующая сила перпендикулярна как направлению тока, так и магнитному полю и проходит вдоль основной оси судна.

По сравнению с обычными движитсльными установками МГДД имеет ряд преимуществ: пониженный уровень шумности (отсутствует гребной винт, линия вала, главный турбозубчатый агрегат и т.д.), хорошую маневренность, значительный КПД (теоретически он может достигать 80 проц.), простую компоновку энергетических отсеков, более высокую живучесть движительного комплекса (при сегментной конструкции).

Вместе с тем МГДД не лишены некоторых существенных недостатков, к числу которых можно отнести: выделение значительного количества хлора и водорода на электродах движителя вследствие электролиза морской воды, что является демаскирующим фактором; наличие мощных электромагнитных полей, которые с одной стороны демаскируют ПЛ, а с другой - оказывают негативное воздействие на личный состав и радиоэлектронные системы корабля.

Для устранения этих недостатков и создания МГДД со сверхпроводящими магнитами, обеспечивающими плотность магнитного потока 10 Тл и выше, потребовалось решить ряд сложнейших научно-технических задач. С этой целью за рубежом развернуты широкомасштабные НИОКР, в рамках которых можно выделить следующие основные направления: получение материалов, обеспечивающих возникновение эффекта сверхпроводимости при температуре кипения жидкого азота (77,3К) и выше, то есть высокотемпературных сверхпроводящих материалов; создание криогенных систем, сверхпроводящих магнитов, генераторов, преобразователей, распределительных устройств и других элементов энергетической установки; концептуальная разработка МГДД и ПЛ в целом.

Главная проблема состояла в создании и поддержании мощного магнитного поля в минимальном объеме устройства, что потребовало применения сверх проводящих (СП) материалов на основе ниобий-титанового сплава. При использовании электромагнитов с обмотками из обычных материалов (меди, алюминия) и стальным сердечником магнитная индукция в канале МГДД ограничена условиями насыщения сердечника и составляет 1,8-2 Тл (при электропроводности морской воды порядка 51 Ом м). При таких условиях для достижения КПД хотя бы 3-5 проц, потребуется создать магнит огромных размеров. Увеличить КПД можно также за счет повышения электропроводности морской воды на несколько порядков либо путем перехода на сверхпроводящие магнитные системы.

Электропроводность морской воды может быть повышена в 5-10 раз введением различных присадок на входе в канал движителя, однако в настоящих условиях это представляется технически сложной задачей.

Открытие эффекта сверхпроводимости материалов дало ученым возможность реально приблизиться к созданию МГДД для практических целей.

В январе 1986 года американские ученые Г. Веднорц и А. Мюллер открыли явление так называемой высокотемпературной сверхпроводимости, возникающей при температуре 40-70К в оксидной керамике, что послужило мощным толчком к расширению работ в данной области. В итоге весной 1987 года группа американских физиков синтезировала сверхпроводящий керамический материал, включающий иттрий, барий и оксид меди, с критической температурой 90-100К, что позволяет использовать в качестве хладагента жидкий азот, который в 200 раз дешевле (его можно получать из воздуха) и намного эффективнее как охладитель, чем гелий (теплота его парообразования в 10 раз выше). Кроме того, конструкция криогенных азотных установок значительно проще, их габариты примерно в 5 раз меньше и они приблизительно в 7 раз меньше потребляют электроэнергии, чем аналогичные гелиевые установки. Однако материал на основе иттрия, бария и оксида меди не обладал необходимыми электромеханическими и технологическими характеристиками, поэтому поиски более совершенных сверхпроводящих материалов были продолжены.

В 1988 году независимыми исследователями были получены сверхпроводники на основе висмута и таллия с критическими температурами 110 и 125К соответственно. Все синтезированные к настоящему времени сверхпроводящие материалы по химическому составу и критической температуре можно условно разделить на четыре группы.

Критическая температура

Ba (Pb, Bi) О3 – 10 К
(La, Me)a CuO4 - (Me - Ba, Sr, Ca) – 40 К
Ln Ваг Сиз O7 (Ln - редкоземельные металлы) – 90 К
Bi2 Sr2 Са2 Сu3 O10 – 110 К
TI2 Наг Са2 Сu3 O10 – 125 К

Таким образом, в период 1986-1988 годов в США было достигнуто почти шестикратное увеличение критической температуры, что можно рассматривать как научно-технический прорыв в области сверхпроводимости.

Большое внимание в ходе исследований уделялось улучшению других характеристик сверхпроводящих материалов, в частности увеличению критической плотности тока. В результате значения этого параметра для проводников были доведены до 105 А/см2. На втором этапе исследований (1990-1993), по всей видимости, были синтезированы сверхпроводящие материалы с критической температурой более 150К, критической плотностью тока свыше 106 А/см2 (при температуре 77 К). Успешное завершение этого этапа может создать реальные условия для разработки в 1994-1997 годах сверхпроводящих магнитов (с магнитной индукцией до 20 Тл), сверхпроводящих генераторов и другого оборудования с азотным охлаждением.

Одновременно велись разработки подобных систем с гелиевым охлаждением. Наибольшего размаха они достигли в 1970-1985 годах. В частности, американской фирмой «Вестингауз» был создан экспериментальный сверхпроводящий генератор мощностью 5 МВт и разработан проект синхронного генератора мощностью 300 МВт.
В настоящее время работы в области создания сверхпроводящих систем с гелиевым охлаждением продолжаются. В частности, специалисты американского научно-исследовательского центра кораблестроения им. Д. Тейлора занимаются разработками сверхпроводящих магнитов, не чувствительных к ударным воздействиям и обладающих высокими характеристиками, а также гелиевых систем охлаждения для сверхпроводящего оборудования. Кроме того, в США разработан униполярный сверхпроводящий генератор мощностью 300 кВт (30 В, 10 000 А). Опытный образец уже прошел демонстрационные испытания, и в настоящее время осуществляется программа повышения его мощности и улучшения других характеристик.

Уровень, достигнутый к настоящему времени в области высокотемпературных материалов, делает возможным создание первых образцов сверхпроводящей техники с азотным охлаждением. Так, в Аргонской лаборатории (штат Иллинойс) разработан и построен действующий образец высокотемпературного сверхпроводящего электродвигателя небольших размеров. Его обмотка изготовлена из керамического материала по следующей технологии: мелко измельченная керамика расплавляется, далее делается проволока, на которую наносится слой непроводящей керамики, а затем (до завершения процесса естественного остывания) формируется обмотка электродвигателя, которая впоследствии обжигается в специальной печи при высокой температуре. Ближайшая цель американских ученых - создание электродвигателя с азотным охлаждением мощностью 10 000 л.с.

В США ведутся НИОКР по концептуальному проектированию магнитогидродинамического движителя и моделированию процессов, возникающих в его канале. Проводятся также ограниченные эксперименты с масштабными моделями, не требующие значительных капиталовложений, но позволяющие проверить на практике наиболее важные теоретические выводы. К числу наиболее сложных технических задач, которые необходимо решить на ранних стадиях проектирования, западные эксперты относят следующие: конфигурация канала магнитодинамического движителя, конструкция сверхпооводящего магнита, совместимость с другими компонентами двигателя, системы возбуждения и защиты сверхпроводящего магнита, конструкция системы охлаждения сверхпроводящего оборудования, обеспечение надежности и эффективности криогенной системы, материалы для электродов в канале движителя и их конструкция, газообразование на электродах и их коррозия, контроль за магнитными, акустическими и химическими параметрами, массо-габаритные характеристики, эффективность и стоимость движителя, проводимость морской воды, интеграция нового движителя с конструкцией подводной лодки.

/

В ходе исследований магнитодинамического принципа движения в США и некоторых других странах был разработан и построен ряд моделей подводных лодок и судов. Впервые такая модель (EMS-1) была создана в июле 1966 года в Калифорнийском университете.





Она имела длину 3,05 м, диаметр 0,46 м и массу около 400 кг. Центральная часть корпуса, на которую была намотана обмотка возбуждения, изготавливалась из стали, а оконечности - из пластика, армированного стекловолокном. Магнитное поле создавалось обмоткой электромагнита, витки которой укладывались в горизонтальной плоскости в продольном направлении относительно корпуса модели. Система возбуждения была выполнена в виде двух обмоток из алюминиевого провода длиной 388 м (268 витков) и одной обмотки из медного провода длиной 366 м (134 витка). На обмотку, создающую магнитное поле, побортно были наложены электроды, находящиеся в непосредственном контакте с морской водой и изолированные от корпуса и обмотки. Источник питания (свинцово-кислотная аккумуляторная батарея, емкость 217 А ч и масса 150 кг) создавал в цепи напряжение 27 В и силу тока 1 ПУ-120 А, что обеспечивало движение модели в течение 20 мин. Через 100 с после начала движения модель развивала скорость 0,3 м/с. Максимальная скорость составляла 0,5 м/с при силе тяги 1,18 Н.

В 1976 году в Японии специалисты университета торгового флота совместно с лабораторией технических исследований судостроительной компании «Кавасаки хэви индастриз» создали и испытали модель надводного судна SEMP-1 с магнитогидродинамическим движителем длиной 1,1 м, в конструкции которой впервые в мире был использован сверхпроводящий электромагнит.

В 1980 году компания «Кавасаки хэви индастриз» в сотрудничестве с учеными университетов в городах Кобе и Осака провела успешные испытания модели судна ST-500 с МГДД. Она была изготовлена из дерева и имела длину 3,6 м, ширину 0,7 м и массу 700 кг. Две сверхпроводящие обмотки электромагнита, рассчитанные на максимальную силу тока 420 А, обеспечивали плотность магнитного потока 2 Тл (теоретическая плотность магнитного потока составляла 5 Тл). Титановые электроды, покрытые платиновым сплавом, располагались под днищем модели. Питание подавалось по кабелю со стенки бассейна. Во время испытаний была зафиксирована скорость хода 0,6 уз и сила тяги 15 Н при силе тока на электродах и в обмотке 65 А и 350 А соответственно. В 1986 году в Японии при участии фирмы «Тосиба» создана модель судна с МГДД (длина 2,6 м, масса 420 кг), развивавшая на испытаниях скорость до 2 м/с.

Опираясь на успехи, достигнутые при испытаниях моделей с новыми движителями, фирма «Мицубиси хэви индастриз» приступила к разработке проекта первого в мире судна водоизмещением 150 т - «Ямато-1», использующего данный принцип движения. Характеристики его движителя представлены ниже.

Количество сверхпроводимых дипольных обмоток 6
Диаметр одного канала 0,26 м
Плотность магнитного потока 4 Тл
Максимальная плотность тока в канале 4000 А/м2
Длина электродов 2,5 м
Выходная мощность генератора 3800 кВт
Масса системы 100 т

/

При создании судна рассматривалось несколько проектов, и в итоге был выбран вариант с двумя движителями канального типа, расположенными побортно. Каждый из них имеет шесть каналов для прохождения морской воды, окруженных дипольными сверхпроводящими обмотками электромагнитов, изготовленными из ниобиево-титанового сплава. Внутри каналов размещаются электроды. Подобная конструкция принята в целях минимизации рассеяния магнитного потока, что, с одной стороны, повышает эффективность движителя, а с другой - облегчает построение магнитной защиты ходовой рубки и иных жизненно важных мест судна. В качестве охлаждающей среды в криостатах используется жидкий гелий.





Корпус этого судна длиной 30 м был сконструирован группой специалистов Токийского университета и изготовлен на верфи фирмы «Мицубиси». Устройство подводной кормовой части корпуса в виде двух капсул, в которых размещены движители, позволило существенно снизить гидравлическое сопротивление. Такая конструкция делает судно «Ямато-1» похожим на катамаран. Его полное водоизмещение составило 185 т (с учетом массы воды в каналах МГДД).

К настоящему времени японский Фонд содействия судостроению выделил различным фирмам на разработку магнитогидродинамического движителя и экспериментального судна «Ямато-1» 5 млрд. иен. Например, фирмы «Мицубиси» и «Тосиба» изготовили два комплекта движителя, «Кобэ стал» поставила криогенную установку на жидком гелии, «Сумитомо электрик» разработала сверхпроводящую обмотку для одного из комплектов движителя, а «Фурукава электрик» - для другого. Значительные ассигнования выделены также на проведение морских испытаний судна «Ямато-1», которые начались в июне 1992 года. В ходе испытаний была достигнута скорость хода 6 уз, однако японские специалисты считают, что после некоторых усовершенствований это судно сможет при невысоком уровне шумности развивать скорость хода свыше 50 уз. Ближайшей целью разработчиков является повышение мощности электромагнитов в 2-3 раза и улучшение их магнитных характеристик, что представляется вполне реальным при условии использования высокотемпературных талий- и висмутсодержащих сверхпроводящих материалов. Представители фирмы «Сумитомо электрик» не видит особых препятствий для разработки соответствующих обмоток из этих материалов уже к концу текущего десятилетия.

/

В США также большое внимание уделяется созданию сверхпроводящего оборудования и систем. В Аргонской лаборатории с участием управления перспективных исследований министерства обороны был создан крупнейший в мире сверхпроводящий магнит и полномасштабный демонстрационный макет магнитогидродинамического движителя (в виде замкнутого контура), позволяющий смоделировать условия протекания жидкости в канале и определить оптимальные его параметры. Уменьшенный вариант такого контура, в котором используется морская вода, сооружен в Центре подводных систем ВМС США. Здесь изучаются процессы газообразования на электродах движителя в ходе электролиза, оптимизация конструкции электродов, канала и т.п.

Исследования и эксперименты в этой области проводятся также в Военно-морской академии США и научно-исследовательском центре кораблестроения им. Д.Тейлора.

Вопросами создания корабельного магнитогидродинамического движителя занимаются специалисты корпорации «Авко» совместно с представителями фирмы «Ньюпорт-Ньюс шипбилдинг энд драй док».

Кроме того, в США на концептуальном уровне разрабатываются проекты подводных лодок с МГДД с целью определения оптимальной конфигурации движителя и интеграции его с конструкцией перспективных кораблей данного класса. Были рассмотрены магнитогидродинамические движители четырех основных типов: «беличья клетка», кольцевой, линейный (или дипольный), с двойным соленоидом.


МГДД типа «беличья клетка»: 1 - анод; 2 - обмотка магнита; 3 - защитный кожух; 4 - катод; 5 - корпус подводной лодки


МГДД кольцевого типа: 1 - корпус подводной лодки; 2 - электроды; 3 - внешняя поверхность движителя; 4 - элемент несущей конструкции движителя; 5 - анод; 6 - углепластик; 7 - обмотка сегмента магнита; 8 - катод


МГДД линейного типа: 1 - электроды; 2 - анод; 3 - корпус движителя из углепластика; 4 - входное отверстие канала движителя; 5 - катод; 6 - обмотка магнита


МГДД с двойным соленоидом: 1 - электроды; 2 - обмотка внешнего соленоида; 3 - направление потока воды в канале движителя; 4 - анод; 5 - катод; 6 - обмотка внутреннего соленоида

Проведенные исследования показали, что МГДД кольцевого и линейного типов выглядят более предпочтительно с точки зрения перспектив их использования на подводных лодках, так как они обеспечивают более высокий уровень скрытности, живучести и управляемости. При сравнении их между собой выяснилось, что кольцевой обеспечивает более высокий расход воды через канал при примерно равных площадях смоченной поверхности и, как следствие, более высокие значения КПД, упора и других характеристик, зависящих от указанного параметра.

Были проанализированы различные варианты размещения МГДД на корпусе корабля. В результате установлено, что наиболее оптимальным местом установки движителя кольцевого типа является прочный корпус лодки в районе энергетического отсека.

Эскиз подводной лодки с МГДД кольцевого типа, расположенным в районе энергетических отсеков

Это обеспечивает высокую скорость потока на входе в канал и силу тяги и позволяет движителю остаться в пределах габаритных размерений лодки. При использовании нового движителя из состава энергетической установки исключается главный турбозубчатый агрегат, в результате чего компоновка механизмов в отсеках лодки может быть выполнена более эффективно.




Были рассмотрены также различные подходы к построению системы, обеспечивающей магнитогидродинамический движитель электроэнергией. Наиболее простой способ - подключить генератор постоянного тока напрямую к его обмоткам и, варьируя выходные параметры, изменять силу тяги. Однако такой способ не позволяет управлять каждым сегментом движителя в отдельности. Для того чтобы этот недостаток устранить, предполагается использовать высокоэффективные силовые тиристоры. Изменяя угол включения тиристора, можно управлять электрическим напряжением, подаваемым на обмотку сегмента МГДД. Аналогичным образом может быть обеспечено питание и других корабельных потребителей электроэнергии.
В ходе исследований было установлено, что использование на подводных лодках

магнитогидродинамического движителя кольцевого типа приведет к возрастанию количества отверстий в прочном корпусе (минимум на 12) по сравнению с обычными лодками. Поэтому для обеспечения надлежащей прочности корпуса, особенно в местах ввода и вывода сверхпроводимых обмоток магнита и трубопроводов криогенной системы охлаждения, требуется принимать дополнительные меры.

Конструкторы рассматривали вариант размещения магнитогидродинамического движителя в кормовой части подводной лодки. По их мнению, это положительно скажется на гидродинамических характеристиках корпуса, поскольку повысится однородность потока воды на входе в канал МГДД.

Результатом многочисленных конструкторских разработок стал проект ПЛА типа «Лос-Анджелес» с магнитогидродинамическим движителем кольцевого типа длиной около 20 м и высотой капала около 1,5 м. Проектировщики предусматривали, что ядерный реактор типа S6G должен использоваться без изменений, а главный турбозубчатый агрегат, линия вала и винт будут исключены из состава двигательно-движительного комплекса и заменены электрогенераторами. При этом освобождается значительный объем внутри прочного корпуса и общая масса энергетической установки снижается примерно на 265 т. Дальнейшая экономия массы и объема может быть достигнута за счет исключения из состава энергетической установки общекорабельных турбогенераторов и системы питания корабельной сети от главных генераторов. При этом считается, что для работы криогенной установки потребуется около 200 кВт.

По предварительным оценкам, такая ПЛА будет иметь скорость хода около 30 уз при электрической мощности энергетической установки 35 МВт. Увеличение скорости хода от 0 до 30 уз будет осуществляться за 3 мин, а полная остановка при движении с максимальной скоростью хода - чуть больше чем за 1 мин. Отличительной особенностью такой ПЛА будет пониженный уровень шумности, более высокая живучесть и управляемость.
Основным элементом МГДД, разработанного для ПЛА типа «Лос-Анджелес», является постоянный сверхпроводящий магнит, состоящий из 16 обмоток и имеющий длину 15 м, внутренний радиус 6 м, внешний радиус 8 м, расстояние между электродами 1,5 м. Он создаст магнитную индукцию в канале движителя около 6 Тл, а на концах обмоток около 9 Тл. При пропускании тока через обмотки магнита в конструкции движителя возникают значительные нагрузки, причем специфика их такова, что элементы, прилегающие к прочному корпусу лодки, испытывают сжимающее напряжение, а находящиеся на внешней поверхности движителя - растягивающее. Сталь плохо переносит такие нагрузки, поэтому при создании МГДД более перспективным будет использование композиционных материалов. Причем наилучшие результаты обеспечиваются при изготовлении внутренних и внешних конструкций движителя из двух различных материалов.




Кроме того, несущие конструкции движителя могут быть выполнены в виде «пчелиных сот» (соты представляют собой вакуумные полости небольших размеров, способные выдерживать забортное гидростатическое давление при погружении подводной лодки), что обеспечивает дополнительную прочность и нулевую плавучесть всей конструкции. В настоящее время использование композиционных материалов в конструкции МГДД имеет высокую степень технического риска, однако в дальнейшем это может дать дополнительный выигрыш в массе.

Итак, в результате совместных исследований специалистов Аргонской лаборатории, фирм «Авко», «Дженерал дайнемикс» и других разработаны основные подходы к проектированию магнитогидродинамических движителей, которые, как показывают испытания, могут обеспечить подводной лодке, на которой они установлены, движение со скоростью, равной 80-100 проц, скорости хода современных ПЛ.

***