Сила настойчивости

Автономный подводный аппарат Envoy. Фото: Cellula Robotics.

Автономный подводный аппарат Envoy. Фото: Cellula Robotics.

Previous Next

«Пехота побеждает в сражениях. Логистика побеждает в войнах».

Эта цитата, приписываемая генералу армии США Джону Першингу в контексте экспедиционных операций Первой мировой войны, в равной степени применима и сегодня, когда мы все глубже погружаемся в эру автономных подводных систем. От эпохи парусного флота до ядерной эры морская мощь основывалась на том, насколько далеко и как долго войска могли действовать в тылу, и хотя логистика традиционно означала обеспечение экипажей и платформ топливом, продовольствием и материальными средствами, логистическая нагрузка автономных подводных операций все больше сосредотачивается на одном фундаментальном требовании: энергии. Именно энергия питает каждую бортовую систему — двигательную установку, навигацию, связь и автономность — и в конечном итоге обеспечивает критически важную выносливость, необходимую для поддержания постоянного подводного присутствия.

В течение многих лет доминирующей парадигмой подводного энергоснабжения было накопление энергии. Благодаря высокой плотности энергии, масштабируемости и развитой производственной базе литий-ионные (Li-ion) батареи были стандартом для подводных систем как для оборонных, так и для коммерческих заказчиков. Но многолетнее доминирование Li-ion может уступить место, поскольку бортовое производство энергии в виде водородных топливных элементов неуклонно набирает обороты.

Хотя водородные топливные элементы являются относительно новым изобретением для автономных подводных операций, они уже много лет используются на подводных лодках с экипажем для обеспечения воздухонезависимой силовой установки (AIP; также называемой воздухонезависимой системой электропитания). Традиционные дизель-электрические подводные лодки должны периодически использовать шноркель для подачи кислорода в свои дизельные двигатели, которые, в свою очередь, приводят в действие генераторы, заряжающие батареи. Но использование шноркеля делает подводную лодку уязвимой для обнаружения надводными или воздушными платформами, которые могут находиться над ней. Топливные элементы решают эту проблему, позволяя подводной лодке вырабатывать электроэнергию без сгорания и без атмосферного кислорода. Хранящийся водород и жидкий кислород питают протонно-обменные мембранные (PEM) топливные элементы, бесшумно вырабатывая электроэнергию, при этом побочными продуктами являются вода и тепло. В результате достигается скрытное, полностью погруженное производство электроэнергии и автономность, измеряемая не днями, а не неделями. Те же характеристики, которые делают топливные элементы привлекательными для обычных подводных лодок — бесшумная работа, высокая эффективность и увеличенная автономность под водой — теперь способствуют их внедрению в автономные подводные аппараты.

В отличие от литий-ионных батарей, которые хранят ограниченное количество электрической энергии, постепенно расходуемой в течение миссии, топливные элементы вырабатывают электроэнергию до тех пор, пока остаются доступные реагенты. Хотя они, как правило, больше, сложнее и дороже, чем решения, основанные только на батареях, топливные элементы могут обеспечить в несколько раз больше полезной энергии, чем сопоставимая по размеру и весу аккумуляторная система, и могут увеличить время пребывания под водой с часов или дней до недель или даже месяцев. В дополнение к более высокой плотности энергии, топливные элементы не саморазряжаются в периоды бездействия, что может позволить выполнять миссии с использованием предварительно размещенных систем в передовых районах. А более длительное время пребывания, обеспечиваемое такими системами, может снизить общую стоимость поддержания автономного подводного присутствия. Поддержание такого присутствия потребовало бы эксплуатации флота платформ на ротационной основе — развертывания, патрулирования, подъема, пополнения бортовых запасов энергии и проведения технического обслуживания. Если аппараты могут оставаться на месте в течение более длительных периодов, а их энергетические системы могут пополняться за минуты, а не за часы, операторам может потребоваться меньше платформ для поддержания того же уровня устойчивости и охвата территории.

Преимущества топливных элементов для автономных подводных аппаратов с традиционными двигателями значительны, но их сочетание с нетрадиционным подводным аппаратом, уникальная конструкция которого уже обеспечивает увеличенную дальность и продолжительность полета, стало бы существенным достижением. Компания General Atomics добилась именно этого с помощью G-Ray — подводного планера со смешанным крылом, который минимизирует потребление энергии благодаря высокому соотношению подъемной силы к сопротивлению и движителю, работающему за счет плавучести. Представленный на конференции Морской лиги ВМС США в апреле этого года, G-Ray включает в себя гибридную систему аккумуляторов и водородных топливных элементов, которая обеспечивает увеличенную продолжительность и дальность полета в течение нескольких месяцев, с потенциалом для еще большей продолжительности. Вместо хранения сжатого водорода система реагирует с водой на легком алюминиевом сплаве для получения водорода, в результате чего получается инновационная система энергоснабжения по требованию, которая переносит ограничение по продолжительности полета с накопленной энергии на бортовую емкость реагентов.

G-Ray от General Atomics. Источник: General Atomics.

Водородные топливные элементы больше не ограничиваются подводными аппаратами; они становятся частью подводной инфраструктуры, поддерживающей непрерывные автономные операции. Подводная суперзарядная станция Teledyne Marine (SSC) представляет собой хранилище энергии на морском дне, обеспечивающее выработку энергии непосредственно на месте для датчиков, исполнительных устройств или систем стыковки аппаратов, что позволяет автономным подводным аппаратам (АППА) перезаряжаться и передислоцироваться без подъема на поверхность. Концептуально, SSC функционирует как передовой логистический узел, обеспечивая устойчивое энергоснабжение, позволяющее региональным автономным подводным силам оставаться на позиции. Эта идея не совсем нова. Почти десять лет назад ВМС США предложили концепцию передового энергетического и коммуникационного форпоста (FDECO) для поддержки непрерывных противолодочных операций (ASW) и операций по разведке, наблюдению и рекогносцировке (ISR).

Подводная установка для наддува от Teledyne Marine. Фото: Teledyne Marine

Для некоторых компаний подводные водородные топливные элементы представляют собой не только революционное конкурентное преимущество, но и новую рыночную возможность. В июне этого года компании Cellula Robotics и Infinity Fuel Cell and Hydrogen Inc. представили NautiGEN, совместное предприятие, специализирующееся исключительно на предоставлении решений в области топливных элементов для морских автономных систем. Компания Infinity из Виндзора, штат Коннектикут, разрабатывает системы топливных элементов для аэрокосмической, оборонной и морской отраслей, а компания Cellula из Британской Колумбии находится в авангарде коммерциализации топливных элементов благодаря своему семейству автономных подводных аппаратов большой дальности. Cellula и Infinity ранее сотрудничали в области технологий топливных элементов; в ходе недавних испытаний автономный подводный аппарат Envoy LD-AUV компании Cellula совершил подводный переход на расстояние более 2000 км за 385 часов, выполнив более 4000 энергозатратных поворотов и маневров. Транспортное средство использовало силовую установку Infinity Mystic 2000 AUV, в которой применяется технология топливных элементов, первоначально разработанная для аэрокосмической отрасли, а затем адаптированная для морского применения. Создание NautiGEN отражает растущую уверенность в том, что топливные элементы превратились из специализированной вспомогательной технологии в жизнеспособный коммерческий рынок.

NautiGEN — это совместное предприятие компаний Cellula Robotics и Infinity Fuel Cell and Hydrogen Inc., специализирующееся на предоставлении решений в области электропитания на основе топливных элементов для морских автономных систем. Фото: Cellula Robotics

Выносливость — это важнейший фактор автономных подводных операций. Она определяет, как долго платформа может оставаться на месте и размер зоны, которую она может эффективно контролировать или на которую может оказывать влияние. Будь то преследование вражеских подводных лодок, проведение дальних ударов по морскому дну или блокирование стратегически важного участка, автономным подводным аппаратам потребуется доступ к высокоплотной бортовой энергии для обеспечения успеха миссии. Водородные топливные элементы представляют собой переход от подводных платформ, хранящих электрическую энергию, к платформам, способным генерировать электроэнергию на протяжении всей миссии. Хотя они, возможно, и не заменят литий-ионные батареи в подводных операциях, топливные элементы могут быть интегрированы в гибридные энергетические архитектуры, подобные той, что используется в G-Ray, где топливные элементы обеспечивают высокоэнергетическое, длительное базовое питание, а батареи — быстрые импульсы электрической энергии для маневрирования, управления плавучестью, связи и работы полезной нагрузки. Станут ли топливные элементы доминирующим энергетическим решением для более широкого автономного морского сектора, покажет время, но, похоже, они готовы играть все более важную роль в создании и поддержании надежных и устойчивых подводных сил.