Судя по всему, Китай нашел путь к "святому Граалю" подводных стелс-технологий - двигательной установке без механических движущихся частей. Такая технология позволит исключить все более-менее различимые вибрации, обеспечивая беспрецедентные возможности подводной скрытности.
Китай намерен развернуть подводные лодки с лазерными силовыми установками. Image: Twitter
По сообщению South China Morning Post (SCMP), китайские ученые нашли способозначительного повысить эффективность лазерных силовых установок, которые в один прекрасный день смогут привести в движение подводные лодки НОАК.
В статье говорится, новая технология может создавать тягу почти в 70 000 Ньютонов - почти такую же, как у коммерческого реактивного двигателя - используя при этом 2 мегаватта лазерной энергии, излучаемой через покрытие оптических волокон, каждое из которых тоньше человеческого волоса. Ранее такая эффективность считалась недостижимой.
По словам ученых, новая технология позволит субмаринам двигаться со скоростью, превышающей скорость звука, не создавая при этом вибрационных шумов, делая их невидимыми для гидролокаторов.
Технология работает за счет создания эффекта суперкавитации вокруг корпуса субмарины - лазерные импульсы превращают морскую воду в пар вокруг волоконной обшивки, что позволяет значительно снизить сопротивление воды, пишет SCMP. В докладе утверждается, что "подводный волоконный лазерный плазменный детонационный двигатель" не создает механическую вибрацию, обеспечивая более высокую скрытность
На самом деле, идея создания подводных лазерных двигателей не нова. Еще двадцать лет назад японские ученые представили концепцию применения лазеров для создания плазмы в воде и использования детонационной волны, возникающей при расширении плазмы, в качестве движущей силы. Однако, большого развития эта идея не получила, поскольку японцы столкнулись с проблемой "управления" движущей силой, обусловленной тем, что детонационная волна распространяется во всех направлениях из одной точки.
Впрочем, несмотря на это, некоторые страны включая Китай финансируют исследования в этом направлении. Один из наиболее многообещающих подходов заключался в воздействии силы детонационной волны на крошечные сферические частицы, изготовленные из металла или других материалов.
Когда эти частицы под воздействием детонационной волны удаляются с высокой скоростью в определенном направлении, то воздействуют на подводный аппарат, согласно третьему закону Ньютона. Однако эффективность этого метода была слишком низкой для практического применения: 1 ватт мощности лазера создавал лишь одну миллионную долю ньютона тяги.
Тем не менее, в отчете SCMP говорится, что китайским ученым из Харбинского инженерного университета удалось разработать лазерный двигатель, в котором эффективность преобразования лазера в тягу возросла на три-четыре порядка.
Китайские инженеры модифицировали волокно изменив форму и внутреннюю структуру ствола, сгладив границу ствол-волокно и придав ему U-образную форму. Они также добавили выступающие конструкции внутри ствола, чтобы минимизировать взаимодействие и внутреннее трение между ударными волнами.
Хотя, пишет SCMP, атомный реактор подводной лодки вырабатывает более 150 мегаватт энергии - что вполне достаточно для лазерного двигателя впереди еще много работы. Необходимо решить ряд конструктивных проблем, в том числе отвод тепла от оптических волокон, стабильность работы в условиях высокой мощности и высокой солености, а также согласование апертур излучения оптических волокон с безэховыми панелями подводных аппаратов.
В отличие от Китая, США с шестидесятых годов прошлого века исследуют технологию магнитогидродинамического привода (МГД) в качестве альтернативы механическим силовым установкам. МГД-технология использует магнитные поля и электропроводящие жидкости для создания тяги, что потенциально дает ряд преимуществ перед традиционными системами с гребными винтами.
В своей научной статье, опубликованной в мае 1991 года в рецензируемом журнале Naval Engineers Journal, директор по военным энергетическим установкам Avco Research Laboratory и другие авторы отмечают, что МГД обеспечивает повышенную скрытность, маневренность и живучесть, устраняет заметный шум от механических компонентов и позволяет увеличить полезную нагрузку за счет эффективного использования пространства.
Авторы описали оптимальную конструкцию МГД-подруливающих устройств. Используя математическое моделирование, эксперты изучали различные конфигурации МГД-подруливающих устройств с нейтральной плавучестью, которые могут быть легко интегрированы в существующие энергетические установки подводных лодок. Они также предложили концепт сегментного кольцевого подруливающего устройства, оптимизированного для работы на типовых ударных субмаринах.
Впрочем, они также указали на серьезные конструктивные проблемы, связанные с разработкой соответствующих сверхпроводящих магнитов и структурной поддержки для МГД-двигателей. Все это, пишут авторы, потребует применения более совершенных сверхпроводящих материалов и криогенных систем. Также необходимо добиться нейтральной плавучести, чтобы не создавать помех оперативным возможностям субмарины.Китайские ученые приблизились к созданию лазерного двигателя для сверхскоростных и бесшумных подводных лодок
В мае прошлого года Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов США (DARPA) сообщило о запуске 42-месячной программы Principles of Undersea Magnetohydrodynamic Pumps (PUMP), направленной на разработку МГД-технологии.
Как и в случае с разработанной в Китае технологией лазерной тяги, DARPA утверждает, что МГД-двигатели были успешны в небольших масштабах, но остаются непрактичными из-за невозможности генерировать мощные магнитные поля для высокоэффективных насосов. В докладе также упоминаются проблемы с коррозией и эрозией электродов из-за контакта с морской водой.
Вместе с тем DARPA утверждает, что достижения в области коммерческого ядерного синтеза позволили создать сверхпроводящие магниты из оксида редкоземельного бария-меди (REBCO). Они могут генерировать магнитные поля до 20 Тесла, что обеспечит КПД МГД на уровне 90%. Это достижение решило бы проблему генерации мощных магнитных полей для насосов, оставив главной задачей долговечность электродов.
В DARPA заявили, что надеются использовать достижения в области материаловедения при создании топливных элементов и аккумуляторов, чтобы уменьшить образование пузырьков газа на поверхности электродов, которые снижают эффективность и разрушают поверхность электродов. Однако, поскольку МГД работает по принципу магнетизма, он может стать более заметным для систем обнаружения магнитных аномалий (MAD).
Такие достижения могут способствовать развитию субмарин следующего поколения, которые в будущем могут стать полностью электрическими, без механических движущихся частей. С развитием аккумуляторных технологий и воздухонезависимых силовых установок (AIP) возможность создания полностью электрических военных субмарин становится все более реальной.
В октябре 2022 года издание Asia Times сообщило, что в отличие от традиционных свинцово-кислотных батарей, литий-ионные аккумуляторы могут существенно повысить выносливость, ускорение и скорость подводных лодок благодаря более высокой плотности энергии, более высокой скорости перезарядки, и более длительному сроку службы.
Однако у литий-ионных аккумуляторов есть существенный недостаток: они склонны к тепловому разгону и возгоранию. Это особенно опасно на подводных лодках, где один единственный перегревшийся элемент может спровоцировать тепловой разгон всего блока батарей, что приведет к разрушительному пожару.
Для решения проблемы теплового разгона литиевых батарей вместо никеля и кобальта можно использовать железо и фосфаты, предлагая более безопасную и не менее эффективную альтернативу. Также литий-ионные аккумуляторы для подлодок можно сделать более безопасными, используя твердый углерод и керамическое покрытие для упаковки батарей.
Кроме того, пишет Asia Times, подводные лодки на литий-ионных аккумуляторах, возможно, более малошумные, чем атомные. Хотя атомные субмарины имеют неограниченный радиус действия, их постоянно работающие охлаждающие насосы производят заметный шум. Они также испускают радиационный след, который можно обнаружить с помощью специальных сенсоров.
ВМС могут использовать литий-ионные батареи в паре с топливными элементами, компенсируя недостатки первых. Вместе с тем, топливные элементы создают определенные проблемы еще на этапе проектирования, в первую очередь из-за способа хранения водородного топлива и не отработанных технологий.
Подводные лодки будут играть решающую роль в любой попытке Китая блокировать Тайвань. Photo: Handout.
Подводные лодки нового поколения на литий-ионных и топливных элементах, оснащенные лазерными или магнитогидродинамическими двигателями, могут обеспечить экстремальную выносливость, абсолютно бесшумную работу и чрезвычайно высокую скорость передвижения. Однако высокая стоимость и сложность по-прежнему являются основным препятствием для внедрения таких технологий.