Как выглядит реактор подводной лодки
«Ерш» против «Золотой рыбки»: рассказываем про реакторы для атомных подлодок
Лодочный реактор ВМ-А стал базисом для развития подводного атомного флота. В установках второго поколения, ВМ-4 и В-5, были учтены все ошибки предыдущего проекта и использованы новейшие материалы, конструкции и приборы. Судьба этих реакторов сложилась по-разному.
Главными требованиями к подводным лодкам нового поколения были повышение надежности и живучести, а также уменьшение габаритов ядерной установки. Основанием для начала работ стало постановление ЦК КПСС и Совмина СССР, принятое в августе 1958 года.
С самого начала проектирование под научным руководством Анатолия Александрова шло по двум альтернативным направлениям. Сектору «Б» ОКБ завода № 92 (ныне ОКБМ им. Африкантова) поручили перейти на совершенно новые конструкторские решения, исключающие недостатки предыдущего проекта. Этот реактор получил индекс ВМ‑4. Вторым направлением занялся НИИ‑8 (ныне НИКИЭТ им. Доллежаля). Его задачей было максимально модернизировать узкие места реактора ВМ-А, сохранив основные схемно-компоновочные решения. Этому реактору присвоили индекс В‑5.
Три проекта с ВМ‑4
Конструкторы ОКБ завода № 92 сделали выбор в пользу блочной конструкции паропроизводящей установки с водяным теплоносителем. В ППУ такого типа было два блочных узла: реактор — парогенератор с соединением по принципу «труба в трубе» и парогенератор — насос первого контура.
Основным техническим решением было двухреакторное исполнение ядерной паропроизводящей установки с побортным расположением групп основного оборудования. Установку ВМ‑4 подстраивали сразу под три проекта АПЛ разных конструкторских бюро. ППУ для подлодок проекта 671 получила индекс ОК‑300, для 670-го — ОК‑350, для 667-го — ОК‑700. Основное оборудование было практически полностью унифицировано, различалось лишь количество петель (четыре или пять на один реактор) и привязки к фундаментным конструкциям реакторных отсеков.
На подлодке проекта 667 было два реактора мощностью 90 МВт каждый
На АПЛ проекта 670 устанавливали один реактор мощностью 90 МВт и одну турбину, на АПЛ проекта 671 — два реактора по 72 МВт и одну турбину, на АПЛ проекта 667 — два реактора по 90 МВт и две турбины.
Создание этих надежных в эксплуатации ППУ с минимальными габаритами и массой стало возможно благодаря компактному расположению оборудования вокруг реактора. Одновременно его использовали как элемент биологической защиты. Существенное сокращение протяженности систем первого контура и сварных швов значительно повысило надежность.
Установки изготавливали с прочно-плотными корпусами, рассчитанными на давление первого контура. Так, корпуса и днища реакторов ОК‑300 и ОК‑350 делали из перлитных сталей и сваривали автоматической сваркой. Внутри корпус покрывали антикоррозионной наплавкой.
Была принята однозаходная схема циркуляции теплоносителя через активную зону, что упростило конструкцию внутреннего блока реактора и сделало возможным использование естественной циркуляции теплоносителя для расхолаживания реактора.
В активной зоне использовали стержневые и двухкольцевые твэлы с ураном обогащением 21 % (зона с двухкольцевыми твэлами оказалась единственной, которая полностью вырабатывала свой энергоресурс). Проектный цикл перезарядки составлял восемь лет.
Монтаж под присмотром спецбригад
Опыт создания подлодок первого поколения показал, что монтаж ППУ из-за тесноты в реакторном отсеке — самый трудный этап. Новая компоновка позволила перенести многие монтажные работы на предстапельные участки, что сократило срок монтажа и повысило его качество. Наблюдали за сборкой бригады шефмонтажа, присланные из ОКБ. Но это не стало стопроцентной гарантией исключения инцидентов на суше — они случались, в том числе и ядерно опасные.
Имели место и другие происшествия. Так, в ноябре 1966 года на Севмашпредприятии при гидроиспытаниях реактора для АПЛ проекта 667 в аппарате волгоградского завода «Баррикады» обнаружили грязь и металлическую стружку. Случай был квалифицирован как ЧП, так как он ставил под сомнение отсутствие посторонних предметов в другом оборудовании. Началась проверка всех ранее смонтированных реакторов, из-за чего была отложена сдача ряда подлодок проектов 670 и 667. Инцидент завершился выпуском нормативного документа, регулирующего порядок закрытия и вскрытия оборудования первого контура атомного подводного флота.
В начале 1970-х годов выявились два серьезных недостатка ППУ типа ВМ‑4: преждевременная разгерметизация твэлов стержневого типа и образование трещин в стояках крышек реактора. Конструкцию крышки усовершенствовали и разработали новые конструкции активной зоны с модернизированными стержневыми и кольцевыми твэлами.
В ходе эксплуатации ядерные установки продемонстрировали значительно возросшую надежность систем и оборудования. При более интенсивной по сравнению с первым поколением лодок эксплуатации количество отказов или неисправностей оборудования было в десятки раз меньше.
«Ерш», «Скат» и «Навага»
АПЛ проекта 671 («Ерш») создавалась как лодка — охотник на американские субмарины с баллистическими ракетами. Головной корабль К‑38 был заложен в апреле 1963 года в Ленинграде на Ново-Адмиралтейском заводе. Использование одного гребного вала позволило уменьшить водоизмещение и шумность и получить значительно более высокую, чем у зарубежных аналогов, подводную скорость. 5 ноября 1967 года К‑38 вошла в состав Северного флота. Всего было построено 15 «Ершей», основная их часть служила на Северном флоте.
АПЛ проекта 670 («Скат») предназначалась для уничтожения кораблей, идущих в составе конвоев, в основном авианосцев. Строил «Скаты» завод «Красное Сормово» в Горьком. Подлодка имела двухкорпусную архитектуру с веретенообразными обводами легкого корпуса, имеющего в носовой части эллиптическое сечение, обусловленное размещением ракетного вооружения. Первая АПЛ была спущена на воду 2 августа 1966 года. Приемный акт по головному кораблю К‑43 серии 670 был подписан 6 ноября 1967 года. Всего построено 11 лодок проекта 670.
АПЛ проекта 667 создавалась как носитель баллистических ракет с ядерной боеголовкой. После решения правительства о смене используемого вооружения проект получил индекс 667А («Навага»). Новые ракетоносцы стали именоваться РПКСН — ракетный подводный крейсер стратегического назначения. Лодка была двухкорпусной. Носовая оконечность имела овальную форму, кормовая — веретенообразную. Прочный корпус цилиндрического сечения диаметром 9,4 м разделялся на 10 отсеков, реакторным был седьмой. Главная энергоустановка номинальной мощностью 52 тыс. л. с. состояла из автономных блоков правого и левого борта. В состав каждого блока входил водо-водяной реактор ВМ‑4-2 (ОК‑700), паротурбинная установка с турбозубчатым агрегатом и турбогенератор.
Строительство подводных лодок по проекту 667А велось быстрыми темпами. Первую АПЛ К‑137 заложили на Северном машиностроительном заводе 9 ноября 1964 года. Спуск на воду состоялся 28 августа 1966 года, а 1 сентября начались сдаточные испытания. К‑137 вступила в строй 5 ноября 1967 года. Серия 667А стала самой многочисленной из всех проектов советских АПЛ и имела большое количество модификаций. С 1967 по 1974 год было построено 34 судна проектов 667А и 667АУ.
Субмарина проекта 671 («Ёрш») создавалась как лодка-охотник
Все лодки проектов 671, 670 и 667 были выведены из состава флота в 1989–1997 годы.
В‑5 для «Анчара»
НИИ‑8 еще с 1955 года занимался разработкой установки ВК с водо-водяным реактором для АПЛ проекта 639. Ее особенностями были размещение в активной зоне нескольких легких органов компенсации избыточного запаса реактивности, одноходовая схема движения воды в активной зоне, объединение в блок основного оборудования установки и др. Фактически установка ВК являла собой конструкцию первой блочной паропроизводящей установки, доказавшей в дальнейшем свою эффективность.
В 1958 году работы по проекту 639 были прекращены, и все идеи специалисты НИИ‑8 использовали для создания реакторной установки второго поколения для АПЛ проекта 661. Боевым назначением новой подводной лодки была борьба со скоростными кораблями охранения и авианосцами.
Технический проект ППУ В‑5 был подготовлен НИИ‑8 совместно с ЛИПАН в ноябре 1959 года. Двухреакторная установка отличалась рядом новых технических решений. Так, наиболее крупное оборудование и часть радиационной защиты размещались на фундаментных балках, не присоединенных к прочному корпусу лодки, что снижало динамическое воздействие на оборудование. В качестве основного материала радиационной защиты применили серпентинитовый бетон. Кроме того, для установки разработали единую систему контроля дистанционного и автоматического управления.
При разработке проекта В‑5 впервые в практике НИИ‑8 для сложных многовариантных расчетов активной зоны использовали электронно-вычислительные машины.
В декабре 1963 года опытную лодку проекта 661 («Анчар») заложили в Северодвинске, строительство растянулось на пять лет. Главная причина отставания от графика заключалась в том, что корпус должен был быть из титана, производство которого в СССР только налаживалось.
Ядерные реакторные установки на лодке располагались в пятом отсеке. Главная энергетическая установка состояла из двух автономных групп — правого и левого борта. Каждая группа включала в себя атомную паропроизводящую установку В‑5 с реактором, турбозубчатый агрегат и автономный турбогенератор. Номинальная тепловая мощность одного реактора была 177,4 МВт.
Водо-водяной реактор и размещенные вокруг него секции прямоточных парогенераторов с их гидрокамерами соединялись патрубками «труба в трубе». Плотная компоновка и размещение оборудования затрудняли обеспечение ремонта, и задача сохранения работоспособности установки при отказах секций парогенератора решалась за счет возможности отсечения секций в ремонтные периоды. Агрегатирование каждой из двух ППУ с конструкторской точки зрения отличалось исключительной оригинальностью и смелостью проектных решений.
Первая блочная ППУ В‑5 по удельной массе в два раза, а по насыщенности энергоотсека в 2,5–3 раза превосходила лучшие достигнутые к этому времени показатели.
Судьба «Золотой рыбки»
В декабре 1968 года АПЛ спустили на воду, а через год, после испытаний, передали флоту. Во время государственных ходовых испытаний лодка продемонстрировала уникальные качества. На 80 % номинальной мощности реакторов была развита скорость подводного хода 42 узла, а во время опытной эксплуатации на полной мощности ЯЭУ — 44,7 узла, что по сей день мировой рекорд.
Опытная эксплуатация завершилась в декабре 1971 года. АПЛ с индексом К‑162 (с 1978 года — К‑222) в сентябре того же года заступила на боевое дежурство и прошла в район экватора от Гренландского моря до Бразильской котловины. Подлодка «вела» американский авианосец «Саратога», он несколько раз пытался оторваться, но сделать это так и не смог. Более того, атомная подлодка, осуществляя маневры, иногда опережала «Саратогу». За два с половиной месяца похода АПЛ поднималась на поверхность всего лишь раз.
Вот только из-за титанового корпуса лодка проекта 661 оказалась очень дорогой, за что и была прозвана «Золотой рыбкой». По той же причине не пошла в серию, оставшись единственным кораблем этого проекта. Прослужила в составе ВМФ до 1998 года.
Атомные установки подлодок
На заре подводного судостроения, когда шел поиск оптимальных двигателей для субмарин, конструкторы экспериментировали, в том числе, с паросиловыми установками.
После того как в 1930-х годах дизель-электрические подлодки уже перешагнули 20-узловой рубеж, казалось, эра «паровых» субмарин завершилась навсегда. Но прошло всего полтора десятилетия, и о них вновь вспомнили. Разница состояла лишь в том, что пар для турбины должен вырабатывать не привычный котел, сжигающий органическое топливо, а котел атомный.
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ
ПЕРВЫЕ ШАГИ
Проработка вопросов создания ядерных силовых установок для подводных лодок началась в США в 1944 году, а уже через четыре года первая из них была спроектирована. Там же в июне 1952 года состоялась закладка первой атомной подводной лодки, получившей имя «Наутилус». На первый взгляд она была само воплощение человеческой мечты об истинной подводной лодке. Действительно, где, как только не в мечтах, можно было себе представить подводный корабль длиной почти 100 м способный более месяца, не всплывая, ходить скоростью более 20 узлов. Но, как это часто бывает, ощутимый качественный скачок в одной области технического прогресса повлек за собой целый букет сопутствующих проблем в смежных. Применительно к атомным силовым установкам – это прежде всего вопросы, связанные с ядерной безопасностью их эксплуатации и последующей утилизацией. Но в начале 1950-х годов об этом просто никто не задумывался.
ОБЩАЯ КОНСТРУКЦИЯ
В энергетических реакторах водо-водяного типа как замедлителем, так и теплоносителем систем является бидистиллят (дважды дистиллированная вода).
Чтобы сделать цепную реакцию возможной, размеры активной зоны реактора должны быть не меньше так называемых критических размеров, при которых эффективный коэффициент размножения равен единице. Критические размеры активной зоны зависят от изотопного состава делящегося вещества (уменьшаются с увеличением обогащения ядерного топлива ураном-235), от количества материалов, поглощающих нейтроны, вида и количества замедлителя, формы активной зоны и т. д. На практике размеры активной зоны назначаются больше критических, чтобы реактор располагал необходимым для нормальной работы запасом реактивности, который постоянно уменьшается и к концу кампании реактора становится равным нулю. Отражатель нейтронов, окружающий активную зону, должен сокращать утечку нейтронов. Он уменьшает критические размеры активной зоны, повышает равномерность нейтронного потока, увеличивает удельную мощность реактора, следовательно, уменьшает размеры реактора и обеспечивает экономию делящихся материалов. Обычно отражатель выполняется из графита, тяжелой воды или бериллия. Стержни управления и защиты содержат в себе материалы, интенсивно поглощающие нейтроны (например, бор, кадмий, гафний). К стержням управления и защиты относятся компенсирующие, регулирующие и аварийные стержни.
ОСНОВНЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ
«Наутилус» имел силовую установку с водо-водяным реактором под давлением. Такие реакторы применены и на подавляющем большинстве других атомных субмарин.
Для того чтобы получить во втором контуре пар заданных параметров, вода первого контура должна иметь достаточно высокую температуру, превышающую таковую производимого пара. Для исключения вскипания воды в первом контуре в нем необходимо поддерживать соответствующее избыточное давление, обеспечивающее так называемый «недогрев до кипения». Так, в первом контуре зарубежных корабельных ядерных силовых установок поддерживается давление 140-180 атмосфер, которое позволяет нагревать воду контура до 250-280° С. При этом во втором контуре генерируется насыщенный пар давлением 15-20 атмосфер при температуре 200-250° С. На советских подводных лодках первого поколения температура воды в первом контуре составляла 200° С, а параметры пара – 36 атмосфер и 335° С.
С ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ
В 1957 году в состав ВМС США вошла вторая атомная подводная лодка «Сивулф». Ее принципиальное отличие от «Наутилуса» заключалось в ядерной силовой установке, где применялся реактор с натрием в качестве теплоносителя. Теоретически это должно было снизить удельную массу установки за счет снижения веса биологической защиты, а главное – повышения параметров пара. Температура плавления натрия, составляющая всего 98° С, и высокая температура кипения – более 800° С, а также отличная теплопроводность, в которой натрий уступает только серебру, меди, золоту и алюминию, делает его очень привлекательным для использования в качестве теплоносителя. Нагревая жидкий натрий в реакторе до высокой температуры, при относительно небольшом давлении в первом контуре – порядка 6 атмосфер, во втором контуре получали пар давлением 40-48 атмосфер с температурой перегрева 410-420°С.
А в 1970-е годы состав флота пополнили семь подлодок проекта 705 с ядерной силовой установкой на жидкометаллическим носителе и титановым корпусом. Эти субмарины обладали уникальными характеристиками – они могли развивать скорость до 41 узла и погружаться на глубину 700 м. Но эксплуатация их была чрезвычайно дорогой, из-за чего лодки этого проекта прозвали «золотыми рыбками». В дальнейшем ни в СССР, ни в других странах реакторы с жидкометаллическим теплоносителем не применялись, а повсеместно принятыми стали водо-водяные реакторы.
Как устроена атомная подлодка
Принцип действия субмарины
Система погружения и всплытия подводной лодки включает в себя балластные и вспомогательные цистерны, а также соединительные трубопроводы и арматуру. Основной элемент здесь – это цистерны главного балласта, за счет заполнения водой которых погашается основной запас плавучести ПЛ. Все цистерны входят в носовую, кормовую и среднюю группы. Их можно заполнять и продувать по очереди или одновременно.
Атомные подлодки делят на поколения. Для первого (50-е) характерна относительно высокая шумность и несовершенство гидроакустических систем. Второе поколение строили в 60-е – 70-е годы: форма корпуса была оптимизирована, чтобы увечить скорость. Лодки третьего больше, на них также появилось оборудование для радиоэлектронной борьбы. Для АПЛ четвертого поколения характерны беспрецедентно малый уровень шума и продвинутая электроника. Облик лодок пятого поколения прорабатывается в наши дни.
Важный компонент любой субмарины – воздушная система. Погружение, всплытие, удаление отходов – все это делается при помощи сжатого воздуха. Последний хранят под высоким давлением на борту ПЛ: так он занимает меньше места и позволяет аккумулировать больше энергии. Воздух высокого давления находится в специальных баллонах: как правило, за его количеством следит старший механик. Пополняются запасы сжатого воздуха при всплытии. Это долгая и трудоемкая процедура, требующая особого внимания. Чтобы экипажу лодки было чем дышать, на борту субмарины размещены установки регенерации воздуха, позволяющие получать кислород из забортной воды.
АПЛ: какие они бывают
Атомная лодка имеет ядерную силовую установку (откуда, собственно, и пошло название). В наше время многие страны также эксплуатируют дизель-электрические подлодки (ПЛ). Уровень автономности атомных субмарин намного выше, и они могут выполнять более широкий круг задач. Американцы и англичане вообще прекратили использовать неатомные подлодки, российский же подводный флот имеет смешанный состав. Вообще, только пять стран имеют атомные подлодки. Кроме США и РФ в «клуб избранных» входят Франция, Англия и Китай. Остальные морские державы используют дизель-электрические субмарины.
Будущее российского подводного флота связано с двумя новыми атомными субмаринами. Речь идет о многоцелевых лодках проекта 885 «Ясень» и ракетных подводных крейсерах стратегического назначения 955 «Борей». Лодок проекта 885 построят восемь единиц, а число «Бореев» достигнет семи. Российский подводный флот нельзя будет сравнить с американским (США будут иметь десятки новых субмарин), но он будет занимать вторую строчку мирового рейтинга.
Русские и американские лодки отличаются по своей архитектуре. США делают свои АПЛ однокорпусными (корпус и противостоит давлению, и имеет обтекаемую форму), а Россия – двухкорпусными: в этом случае есть внутренний грубый прочный корпус и внешний обтекаемый легкий. На атомных подлодках проекта 949А «Антей», к числу которых относился и печально известный «Курск», расстояние между корпусами составляет 3,5 м. Считается, что двухкорпусные лодки более живучи, в то время как однокорпусные при прочих равных имеют меньший вес. У однокорпусных лодок цистерны главного балласта, обеспечивающие всплытие и погружение, находятся внутри прочного корпуса, а у двухкорпусных – внутри легкого внешнего. Каждая отечественная субмарина должна выжить, если любой отсек будет полностью затоплен водой – это одно из главных требований для подлодок.
В целом, наблюдается тенденция к переходу на однокорпусные АПЛ, так как новейшая сталь, из которой выполнены корпуса американских лодок, позволяет выдерживать колоссальные нагрузки на глубине и обеспечивает субмарине высокий уровень живучести. Речь, в частности, идет о высокопрочной стали марки HY-80/100 с пределом текучести 56-84 кгс/мм. Очевидно, в будущем применят еще более совершенные материалы.
Существуют также лодки с корпусом смешанного типа (когда легкий корпус перекрывает основной лишь частично) и многокорпусные (несколько прочных корпусов внутри легкого). К последним относится отечественный подводный ракетный крейсер проекта 941 – самая большая атомная подлодка в мире. Внутри ее легкого корпуса находятся пять прочных корпусов, два из которых являются основными. Для изготовления прочных корпусов использовали титановые сплавы, а для легкого – стальной. Его покрывает нерезонансное противолокационное звукоизолирующее резиновое покрытие, весящее 800 тонн. Одно это покрытие весит больше, чем американская атомная подлодка NR-1. Проект 941 – воистину гигантская субмарина. Длина ее составляет 172, а ширина – 23 м. На борту несут службу 160 человек.
Можно видеть, насколько различаются атомные подлодки и сколь отличным является их «содержание». Теперь рассмотрим более наглядно несколько отечественных ПЛ: лодки проекта 971, 949А и 955. Всё это – мощные и современные субмарины, несущие службу на флоте РФ. Лодки принадлежат к трем разным типам АПЛ, о которых мы говорили выше:
Атомные подлодки делят по назначению:
· РПКСН (Ракетный подводный крейсер стратегического назначения). Будучи элементом ядерной триады, эти субмарины несут на борту баллистические ракеты с ядерными боеголовками. Главные цели таких кораблей – военные базы и города противника. В число РПКСН входит новая российская АПЛ 955 «Борей». В Америке этот тип субмарин называют SSBN (Ship Submarine Ballistic Nuclear): сюда относится самая мощная из таких ПЛ – лодка типа «Огайо». Чтобы вместить на борту весь смертоносный арсенал, РПКСН проектируют с учетом требований большого внутреннего объема. Их длина часто превышает 170 м – это заметно больше длины многоцелевых подлодок.
во 2-й части поста о внутреннем устройстве АПЛ
Каждая может уничтожить страну. Как устроены атомные подводные лодки
Наиболее интересной темой для человечества уже давно стал космос. Но в мире существуют не менее удивительные технические достижения, которые в какой-то степени являются звездолётами из научной фантастики — но для других стихий.
Взять, например, атомные подводные лодки: эти плавучие реакторы достигают океанского дна, плавают быстрее надводных кораблей и способны месяцами оставаться на глубине.
У них свой космос. Как получилось этого достичь, и где здесь связь с колонизацией других планет?
Принципиальное устройство подводной лодки
Любой подводный аппарат действительно очень похож на звездолёт: плотная среда, склонная к турбулентности при малейшем возмущении, заставляет разработчиков применять сложные формы для оптимизации движения.
Классическая подводная лодка с дизельным или дизель-электрическим агрегатом заимствует многое от надводных кораблей современного типа: есть палуба и остеклённая рубка и даже ватерлиния, разделяющая корпус на 2 части: надводную и подводную.
Такая лодка большую часть времени — при долгих морских переходах, «на марше», — находится в надводном положении; под водой проходит только скрытное выполнение задачи.
Рубка когда-то использовалась по назначению
Кроме внешнего («легкого») корпуса для формирования обводов, подводная лодка имеет внутренний («прочный») корпус, который и выдерживает возрастающее с глубиной забортное давление воды.
Для движения дизельных лодок под водой придумали шноркель — трубу, которая позволяет двигателю забирать воздух, необходимый для его работы, над поверхностью воды.
Палуба сохранилась и на современных атомных подводных лодках
Она позволяет увеличить продолжительность подводного хода, но для его реализации требуется достаточно низкая скорость, отсутствие волнения и небольшая глубина погружения.
Для больших глубин используются аккумуляторы, заряжающиеся от дизельного движителя во время его работы.
Проблемы и ограничения эксплуатации дизельных субмарин
Внешний вид и разрез современной дизель-электрической ПЛ проекта 677 «Лада»
Такая конструкция ограничивает возможности дизельных лодок: снижает скорость, время автономной работы. Кроме того, корпус дизельных лодок не позволяет достигать скоростей свыше 50 км/ч.
Аналогично, принципиальная конструкция ограничивает рост габаритов лодки и её грузоподъемность, защиту. А косвенно — и глубину погружения.
Сегодня дизельные субмарины работают только в прибрежной зоне с малым удалением от берега, хотя ещё во времена Второй Мировой войны он бороздили океаны.
Атомный реактор принципиально изменил эксплуатацию подводных судов из-за огромной мощности и буквально неограниченного запаса энергоносителя, что привело к гонке подводного вооружения и появлению двух школ кораблестроения.
Американская и советская школа кораблестроения
Первая атомная подводная лодка Советского Союза «Ленинский Комсомол»
Появление реактора на борту подводной лодки поставило перед разработчиками 3 задачи: увязать возможности реактора с возможностями лодки, обезопасить экипаж и придумать новые способы применения.
Уже первая атомная подводная лодка СССР К-3 «Ленинский комсомол» получила сигарообразный корпус с минимальной верхней палубой и обтекаемую рубку, напоминающую плавник морского животного.
Корпус американского «Наутилуса» похож на дизельных предшественников: заокеанские коллеги изменили внешнюю конструкцию немного позже, использовав наработки эксплуатации первого подводного атомохода.
На этом фоне появилось четкое разделение путей развития АПЛ: американский и советский.
Первая атомная подводная лодка США USS Nautilus
К моменту запуска «Наутилуса» у инженеров США был готов атомный реактор, поэтому они создавали лодку вокруг реактора. Доказанная надежность позволила использовать одну основную силовую установку, дополненную дизельными агрегатами.
Агрегаты заводов Советского Союза создавались в спешке, поэтому К-3 строилась с дублированием силовой установки. Одновременное проектирование агрегатов и самого судна позволило «элегантнее» разместить экипаж и оборудование.
В дальнейшем это привело к принципиальному отличию: у атомных субмарин США всегда один реактор. Российские и советские строились как с одним, так и с двумя реакторами — в зависимости от размеров судна и его назначения.
Как подразделяются и какие задачи выполняют современные АПЛ
Подводные лодки проекта 941 «Акула» рассматривались в роли подводных транспортов
Традиционно среди атомных субмарин выделяют 3 класса и общую категорию специальных кораблей:
1. Многоцелевые лодки (торпедные) — предназначены для уничтожения кораблей и подлодок противника.
2. Лодки с крылатыми ракетами — российские «заточены» для уничтожения авианосцев, американские — для стратегических и тактических неядерных ударов по наземным целям.
3. Стратегические ракетоносцы — предназначены для скрытного автономного плавания с возможностью нанесения ядерного удара, являются силами сдерживания.
4. Специальные суда — спроектированные с нуля либо переоборудованные из боевых судна для выполнения задач исследования морского дна, картографии, задач РЭБ/связи/разведки, прокладывания подводных коммуникаций.
Ракетный подводный крейсер стратегического назначения проекта 667БДР «Кальмар»
Развитие флота во многом заставило объединить первые под названием «многоцелевые АПЛ» благодаря унификации вооружения. Отдельные огромные скоростные «потайные суда» с большой глубиной погружения ещё сохраняются в строю.
Эволюция подводных лодок с атомным реактором
Подводная лодка проекта «Лира»
Развитие атомных субмарин подарило человечеству 5 условных поколений, связанных общими конструктивными чертами и логикой применения:
1. Первое поколение стало родоначальником атомных субмарин, но было достаточно многочисленно и долго стояло на вооружении. Основной общей чертой стала наследуемость с дизель-электрическими предшественниками.
Лодки носили скорее экспериментальный характер, часто предназначались для «боевой отработки» конструкторских идей.
2. Второе поколение стало прямым развитием предыдущего с минимальными изменениями и начинает свой отсчёт в 1967 году.
АПЛ поздней постройки получили «рыбообразную» геометрию корпуса (проект 705 «Лира» в СССР) и комплексные автоматизированные систем управления («Аккорд» на той же лодке), ставшим первым прообразом современного центра управлению сложных систем в виде единого пульта.
Атомная подводная лодка проекта 661 «Анчар»
Серьезной заявкой для АПЛ СССР стал родоначальник «охотников за авианосцами» К-162/222 «Золотая рыбка» проекта 661 «Анчар» с полностью титановым корпусом. Субмарина достигла до сих пор не побитый рекорд скорости в 44,74 узлов (80,4 км/ч).
3. Третье поколение появилось в начале восьмидесятых и характеризуется прежде всего существенно возросшим водоизмещением, повышением автономности, улучшением жизнеобитания команды, а так же унификацию субмарин и их классов.
Американские лодки типа «Огайо» и «Лос-Анджелес» получили реакторы, работающие без перезарядки до 11 лет и не требующие серьезного ремонта в течении всего жизненного цикла — до 30 лет.
Наиболее богатый период кораблестроения: большинство из лодок ещё в строю. Многие из них уникальны, например печально известный рекордсмен проекта 685 «Плавник» К-278 «Комсомолец» с двумя титановыми корпусами и глубиной погружения до 1000 метров.
Ракетонесущий крейсер «Огайо» ВМС США
4. Четвертое поколение на данный момент является наиболее современным, начиная свою историю в начале девяностых. В США представлено только многоцелевыми типами.
Эти аппараты объединяет применение водометных движителей («Сивулф», проект 955), звукопоглощающие покрытия нового типа, новые материалы (композит), реакторы длительного срока службы.
После ряда катастроф подводных лодок предыдущего поколения, проекты получили собственные автономные спасательные капсулы и полностью изолированный реактор.
Возросло и было унифицировано вооружение: так, американские лодки научились хранить до 50 крылатых ракет основных используемых ВМС США типов.
5. Перспективное пятое поколение существует только на бумаге, однако предполагается, что будет включать в себя преимущественно многоцелевые субмарины.
Основным изменением станет атомный реактор с запасом энергии на весь жизненный цикл подводной лодки (в США внедряется в лодках четвертого поколения), полностью композитный корпус, а так же унифицированное вооружение.
Одни и те же пусковые установки будут использовать как баллистические, так и крылатые тактические ракеты, а так же иное неядерное вооружение для выполнения широкого спектра задач.
Общее устройство современной АПЛ
Ракетонесущий атомный подводный крейсер проекта 941 «Акула» в разрезе
Среднестатистическую подводную лодку, бороздящую Мировой океан прямо сейчас, можно описать единой концептуальной схемой. Отдельные агрегаты и линии могут меняться, но сама идея остаётся неизменной с семидесятых годов.
Большинство российских субмарин используют два корпуса (отдельные капсулы в общем) – внутренний из мягкого и прочного титана и внешний из маломагнитной стали. Американские используют один многослойный корпус, разделенный переборками. Как и 50 лет назад.
Между корпусами (у АПЛ США – в общем объеме) расположены ёмкости для воды. При их заполнении лодка опускается, откачка поднимает судно на поверхность. Цистерны можно заполнять одновременно или по-очереди.
Кроме основных, есть так называемые дифферентные цистерны: их заполняют для выравнивания лодки после загрузки и при движении груза. Эта система работает все время, даже под водой при горизонтальном движении.
Многоцелевая АПЛ класса «Вирджиния» ВМС США
Существуют также лодки с корпусом смешанного типа (когда легкий корпус перекрывает основной лишь частично) и многокорпусные (несколько прочных корпусов внутри легкого).
Колоссальные АПЛ проекта 941 «Акула», созданные по принципу катамарана, несут внутри легкого корпуса находятся пять прочных корпусов, два из которых являются основными. Для изготовления прочных корпусов использовали титановые сплавы, а для легкого — стальной.
Переборки между отсеками рассчитаны на давление в 10 атмосфер и сообщаются люками, которые можно герметизировать, если это необходимо. Не все отечественные атомные субмарины имеют так много отсеков.
Для справки: многоцелевая АПЛ проекта 971, например, разделена на шесть отсеков, а новый ракетоносец проекта 955 — на восемь.
Отсеки атомной субмарины и их назначение
Многоцелевая атомная подводная лодка проекта 941 в разрезе
Традиционная компоновка включает от 5 до 8 отсеков (дублируются на лодках проекта 941) со своим назначением и определенной конфигурацией, вплоть до использованных материалов.
1. Первый отсек несет торпедные аппараты и сами торпеды на нескольких палубах, поэтому в зависимости от типа и степени автоматизации лодки может быть необитаем и находиться сразу за легким корпусом.
2. Второй отсек чаще всего используется для размещения радиооборудования: здесь находится центральный пульт управления, пульты гидроакустических систем, регуляторы микроклимата и навигационное спутниковое оборудование.
Именно на втором отсеке размещается рубка, используемая для размещения антенн, перископов. Её основная цель — наблюдение из подводного положения.
3. Третий отсек на современных российских подводных лодках проектов 949А и 955 используется в качестве радиосвязного. Многие ранние типы совмещают его с центральным отсеком управления.
4. Четвертый отсек (он же третий на ряде лодок 3-4 поколений) является жилым: тут размещены каюты экипажа, помещения отдыха, камбуз. В нём проводит время основная часть экипажа, не задействованная в работе на данный момент.
Советские и российские АПЛ между этим и последующим отсеком несет дополнительный отсеки для деконтаминации членов экипажа: очистке одежды членов команды, которые работали в отсеке с реакторами.
Ракетные шахты многоцелевых подводных лодок
5. Пятый (шестой на российских АПЛ) отсеки размещают силовую установку. В зависимости от типа реактора, дизель-генераторы могут находится с ним в одном помещении или в раздельной.
На субмаринах пятого поколения, а так же на американских АПЛ «Сивулф» используется герметичная капсула реактора, которая может полностью изолироваться от остальной лодки.
Самые современные субмарины имеют 7 и 8 отсек, где размещается центр управления реактором и турбинная установка с аккумуляторами. Такая компоновка позволяет исключить контакт с реактором.
Так же в последних отсеках может располагаться автономная капсула для спасения экипажа, созданная по типу спускаемого космического аппарата.
Силовая установка атомной подводной лодки: реактор, турбина и электродвигатель
Базовый принцип работы атомного реактора
Главный агрегат, отличающий атомную от дизельной лодку — реактор. В зависимости от его типа, может варьироваться тип привода.
Вал турбины подключается к валу электродвигателя через редуктор для более эффективного преобразования энергии в электрическую.
В свою очередь, вал электродвигателя при помощи механизма сцепления соединяется с гребным валом. Одновременно с этим часть электроэнергии запасается в бортовых аккумуляторах.
Рабочий отсек АПЛ
Переход энергии молекул пара в кинетическую энергию лопаток приводит к конденсации пара обратно в воду, которая вновь поступает в реактор.
На этом фоне интересно смотрится количество аварий АПЛ. Всего за историю атомного флота затонуло 8 субмарин: 4 советских, 2 российских, 2 американских. Только одна, USS Thresher (SSN-593) — из-за повреждения корпуса.
Печально известный «Курск» проекта 949А «Антей» стал наиболее известной катастрофой российского флота и едва ли не единственной аварией из-за вооружения. Прочие затонули из-за прямых или косвенных проблем с двигательной установкой.
Подводный запуск крылатой ракеты «Томагавк»
Баллистические ракеты АПЛ первого поколения несли моноблочную часть и не отличались большой дальностью и требовали надводный запуск на относительно спокойной воде (при отсутствии бокового ветра).
Лодки США несли по 16 носителей «Поларис» модификаций А1, А2, А3, «Посейдон» С3, «Трайдент 1» С4 с дальностью от 2200 км у А1 до 7400 км у С4. АПЛ Советского Союза несли по 3 ракеты Р-13, впоследствии замененными Р-21 с дальностью всего 650 км и 1420 км.
Пусковые установки баллистических ракет
Второе поколение АПЛ получило ракеты с разделяющейся головной частью (с 3 или с 7 блоками) количеством от 8 до 16 как в СССР, так и в США. Ранние советские ракеты этого поколения Р-29 получили дальность стрельбы 7800 км, более поздние экземпляры Р-29Р — 9000 км/6500 км (моноблок/разделяемая боеголовка).
Третье и четвертое поколение получило от 16 (проект 955) до 24 баллистических ракет (проект 941 «Акула», «Огайо») Р-29РМУ2 «Синева», Р-30 «Булава-30», UGM-133A «Трайдент II» с дальностью до 9-11 тыс. км.
Кроме баллистических ракет, ракетоносцы несут 4-6 торпедных аппаратов калибра 533 или 650 мм для самообороны и запуска специализированных средств: акустических буёв, мин, спецсредств.
Схема подводного запуска баллистической ракеты с подводной лодки типа «Огайо»
Неядерное (условно, многие управляемые боеприпасы имеют или имели разработанную ядерную боеголовку) вооружение атомных лодок с ранних этапов было представлено как торпедами средних и больших калибров, так и крылатыми ракетами.
Интересно: знаменитые российские низколетящие гиперзвуковые ракеты создавались именно для подводных лодок и сначала предназначались для уничтожения кораблей.
Запуск баллистической ракеты UGM-133 Trident-II
Начиная с четвертого поколения АПЛ-охотников оснастили универсальными пусковыми устройствами с барабанными «магазинами» для запуска торпед, крылатых ракет, а так же ракет класса «поверхность-поверхность».
Им на смену приходят унифицированные варианты для упрощенного запуска из торпедных аппаратов: двигатель ракеты при таком запуске включается далеко от АПЛ, а первая стадия запуска происходит как у торпеды, сжатым воздухом.
Эксплуатация атомных подводных лодок
Сухой док для обслуживания АПЛ типа «Огайо»
Появление атомных подводных заставило пересмотреть применение и ремонт подобных типов судов: их подводная часть имеет неподходящие для обычных портов габариты, а реакторы опасны.
Учитывая, что большая часть задач связана с длительным скрытным применением у берегов вероятного противника, поход так же должен начинаться в потайном месте — иначе лодки можно будет отслеживать с начала пути.
Аналогичные рассуждения, необходимость защиты АПЛ от вероятного удара противника, необходимость защиты окружения от возможных проблем с реакторами/вооружением привели к появлению уникальных закрытых баз размером с мегаполис.
Схема подземной базы атомных подводных лодок в Балаклавской бухте
Первая появилась в Балаклавской бухте, заняв собой колоссальную площадь отдельными помещениями, связанными туннелями и каналами: ракеты отдельно, боеголовки отдельно, лодки отдельно.
Ремонт — так же в спецзонах, так как 1-3 поколению лодок требовалась не только замена топлива, но и замена активной зоны реактора. Аналогичные комплексы были созданы уже над водой для каждого океанского флота: в Северодвинске, в Заполярье, в бухте Чажма.
АПЛ США повезло больше: военно-морская база Кингс-Бей вместила всю необходимую инфраструктуру, включая учебные центры и заводы по модернизации в одном месте с погодными условиями, исключающими проблемы во время ремонтных или погрузочных работ.
Российская база подводных лодок
Специализированные базы используются только для длительных остановок АПЛ, ремонта и погрузки ядерных материалов. Все остальное время атомные субмарины снабжаются с плавучих причалов (СССР), судов снабжения (Россия и США), оставаясь почти все время в открытом море.
Современные многоцелевые лодки часто используют обычные военно-морские порты для короткого базирования, уходя на специальные базы только при необходимости — вероятность радиоактивного загрязнения среды при их эксплуатации низкая.
От чего зависит автономность АПЛ?
Атомные подводные лодки и суда сопровождения
Появление ядерного реактора и увеличение объема корпуса подводных лодок после появления атомного реактора на борту позволили кратно в сравнении с дизельными субмаринами увеличить полезную нагрузку.
Вместе с тем — и длительность автономного хода. Считается, что продолжительность автономного похода, как называется одиночное плавание АПЛ, может достигать полугода: примерно столько занимает задача патрулирования берегов вероятного противника.
Причем многие из современных АПЛ до половины этого времени способны находиться под водой. И весь срок не пополнять запасы ни с берега, ни с судов поддержки.
Тем не менее, средний срок похода подводного флота всех государств составляет около 2-3 месяцев.
В зоне отдыха АПЛ проекта 941
Из них не менее четверти времени проходит в надводном состоянии, и не менее половины — в прямой близости с кораблями огневой поддержки и судами снабжения, которые объединяются с АПЛ в единую боевую (патрульную/учебную) группу.
Срок похода ограничивается исходя из опыта эксплуатации, на котором основан запас питания, фильтров для получения пресной воды и чистого воздуха.
Дело в том, что основной сдерживающий фактор длительных автономных походов АПЛ — психологический. Человеку слишком тяжело долгое время находится в замкнутом пространстве узким коллективом.
Кроме того, плавание атомной субмарины требует постоянного контроля и множество типовых работ, расслабляться некогда. В противном случае существовали бы суда, годами находящиеся под водой.
Что ждёт атомные подводные лодки в будущем?
Атомная исследовательская субмарина «Лошарик»
Самые современные российские подводные лодки проекта «Хаски» ещё только проектируются, но уже сейчас понятно, что они наследуют многие из идей, реализованных в судах четвертого поколения, эксплуатирующихся США:
Вероятно, организация пространства таких лодок будет создаваться с оглядкой на проект «Лошарик»: уникальную АПЛ для исследования океанского дна, чей корпус состоит из отдельных шарообразных модулей, из-за чего навевает ассоциации с одноименным советским фильмом.
Отсек АПЛ проекта 941 «Акула»
Уже сегодня понятно, что дублирование реакторных систем останется, а основным движителем станет водомёт, управляемый вторичным электрическим двигателем во время основной работы, и напрямую реакторной турбиной — на скоростном марше.
Стоит ожидать и полностью автоматизированных систем управления, которые позволят сконцентрировать экипаж в одном наиболее защищенном модуле без необходимости постоянных переходов в рабочие отсеки.
Как будет выглядеть такая атомная подводная лодка? Увидим. Но у неё будет очень много общего с космическими кораблями, которые полетят спустя какое-то время.
P.S. Мировой Океан — не менее опасный мир, чем космос. И только атомные подводные лодки приближают нас к грядущим открытиям.
Николай Маслов
Kanban-инженер, радиофизик и музыкант. Рассказываю о технике простым языком.
15 прекрасных вещей с AliExpress. Ёршик для чистки AirPods
УАЗы грязи не боятся. Обзор симулятора бездорожья MudRunner для iOS
Как играть в старые игры с Dendy и Sega прямо в браузере iPhone. Сторонние приложения не нужны
5 новых фильмов от Netflix и один от Apple TV+, которые уже посмотрел весь мир
Выбираю новый MacBook Pro, вопрос в диагонали экрана. 13 или 14 дюймов?
20 важных настроек для новых Apple Watch. Обязательно сделайте после покупки
Обзор ленточного принтера Epson LabelWorks LW-600P. Идеальный помощник в офисе
Протестировал набор Legrand Netatmo для самой умной охраны дома. Есть даже беспроводная сирена
Обзор игры Alien: Isolation для iPhone. Она выглядит почти так же, как на PlayStation 4
🙈 Комментарии 38
Для тех, кому интересно что творится внутри (с военно-морским юмором) рекомендую цикл рассказов “Акулы из стали” )))
Неплохая, подробная, интересная статья. Вот только поправьте написание «а также», несколько раз в статье повторяется раздельно написанное (что во всех этих случаях неверно). Немного бесит. Хотя в других статьях у вас на сайте ошибок обычно ещё больше.
Для понимания масштабов: размеры самой большой АПЛ Акула – 172 х 23 х 26 метров. Почти два футбольных поля в длину, половина футбольного поля в ширину и в высоту!
Спасибо за интересную статью.
Сколько же сил и ресурсов надо тратить только ради того, чтобы одни люди не захотели уничтожать других людей.
Спасибо инженерам за мир во всем мире.
Подкрутим резкость.
Дизель-электрические ПЛ работают не только в прибрежной зоне. Кроме того, уже много лет служат ПЛ с комбинацией дизеля, батарей и воздухонезависимой двигательной установки. Первыми тут были шведы с ПЛ типа «Готланд» с двигателем Стирлинга (в строю с 1996 г) Японцы на ПЛ Soryu также используют двигатели Стирлинга (в строю с 2009 г) а немцы с ВНЕЭУ на топливных элементах (немецкий проект 212А, лодки в строю с 2005 года, также ПЛ этого типа в строю у Италии и Греции)
ВНЭУ позволяет находится под водой до двух недель по сравнению с несколькими днями классической дизель-электрической ПЛ. А на низких скоростях при использовании ВНЭУ шумность таких лодок чрезвычайно низка. В марте 2020 года японцы на 11-й в серии лодки «Сорю»впервые в мире вместо двигателей Стирлинга установили литий-ионные аккумуляторы. К слову в отечественном ВМФ до сих пор нет ПЛ с ВНЭУ.
Первая в мире АПЛ это американская Наутилус. В статье это прозвучало неявно. Советская АПЛ была только третья в мире (после американской же Сивулф)
Эволюция АПЛ по поколениям также стоит поправить. «Рыбообразная геометрия» или добавим «альбакоровский корпус» появился на АПЛ не в 67 г. а в 59-м со вступлением в строй головной USS Skipjack (SSN-585) и головной РПКСН USS George Washington (SSBN-598) с 16 БРПЛ «Поларис». эти РПКСН стали образцом по которому стали строится все лодки такого назначения в мире.
Фото иллюстрирующее запуск БРПЛ «Булава» на самом деле является изображением старта КР «Томагавк»
Очень интересно. Спасибо за статью.
Первой БРПЛ с разделяющейся ГЧ была «Polaris-A3» (три боеголовки рассеивающего типа, без индивидуального наведения, наводился либо один блок или наведение по центру группы БЧ)
Самой «вооруженной» лодкой была и есть американская «Огайо» с 24 ракетными шахтами для БРПЛ (сейчас они несут Трайдент-2, самые надежные в мире БРПЛ) в Союзе в «ответ» появились титанические лодки пр.941 с 20-ракетными шахтами под монструозные твердотопливные Р-39. В СССР захотели тоже твердотопливную БРПЛ в пику американской «Трайдент-1», но она вышла почти в Три раза тяжелей чем американская (90 тонн против 32 тонны у Трайдент-1) и поэтому пришлось ограничиться 20-ю шахтами, но и с таким количеством ракет лодка получилась просто гигантской. Пришлось и всю инфраструктуру делать с нуля включая краны для погрузки ракет. Лодок пр.941 построили шесть штук, три уже утилизировали, одна использовалась для испытания ракет «Булава», судьба двух под вопросом.
Ладно, реклама сработала. Пожалуй куплю одну.
патология на iphones.ru…
раздел «эксплуатация ПЛ» написан весьма наивно:
1. в Балаклаве никогда не было и не будет атомоходов. международные документы не позволяют, да и здравый смысл… подобные штольни начинали строится на Севере, но гибель союза не позволила закончить проекты…
2. большую часть своей жизни лодки стоят у пирса в базе или на ремонте. нет возможности её постоянно гонять, как самолёт, нужно ещё обслуживать… при этом стратеги могут прямо от пирса отстреляться ракетами.
– нет, первой стала БРПЛ «Поларис А-1» первый подводный старт 20 июля 1960 с глубины 20 метров (с борта РПКСН «Джордж Вашингтон»
«Аметист» это ПКР (противокорабельная ракета) принята на вооружение в 1968 году.
ПКР «Гарпун» состоит на вооружении аж с 1977 г. (Версия с подводным стартом с 81 г) КР Томагавк с 83 года. Ничего они сейчас не заменяют) а продолжают модернизироваться (ПКР Гарпун и вовсе доживает последние годы на вооружении в сша)
Отечественный «Циркон» на данный момент испытывается.ТТХ неизвестны (если не принимать внимание пропаганду)
Некие «Знаменитые гиперзвуковые» на данный момент на вооружении не состоят. Сверхзвуковые используется уже давно. Между этими ракетами есть огромная разница.
«Начиная с четвертого поколения АПЛ-охотников оснастили универсальными пусковыми устройствами с барабанными «магазинами» для запуска торпед, крылатых ракет, а так же ракет класса «поверхность-поверхность».
Им на смену приходят унифицированные варианты для упрощенного запуска из торпедных аппаратов: двигатель ракеты при таком запуске включается далеко от АПЛ, а первая стадия запуска происходит как у торпеды, сжатым воздухом»
– для пуска торпед используются торпедные аппараты. Последние также могут применяться для пуска ракет. Некие «универсальные пусковые устройства» а иначе вертикальные шахты (как на ПЛ типа Лос-Анджелес, Вирджиния) используются для КР Томагавк. То есть на подводных лодках имеются и торпедные аппараты (в носовой части) так и шахты для пуска КР, эти шахты не предназначены для пуска торпед.
На отечественных лодках использовались и используются пусковые (расположенные побортно под углом) для тяжелых ПКР (как на печально известном «Курск» Лодки пр. 949 ) а на лодках пр 885 «Ясень» (головная должна быть сдана в 20 году) применяется комбинация классических 533-мм торпедных аппаратов и 8—10 вертикальных шахт для КР
«Интересно: знаменитые российские низколетящие гиперзвуковые ракеты создавались именно для подводных лодок и сначала предназначались для уничтожения кораблей»
Ещё раз. На вооружении состояли и состоят Сверхзвуковые ПКР, никаких Гиперзвуковых нет на вооружении. Циркон с неясными ТТХ ещё проходит испытания.