Подводное судно с турбо-ядерным электрогенератором и системой электрожвижения
Дата: 20/07/2018
Тема: Альтернативные источники энергии


А.А.Виноградов, к.т.н., гендиректор и главный конструктор проектов АО «СИЛА ОКЕАНОВ» г. Шатура, Россия

Настоящая статья касается видения перспективы и способности главных конструкторов Объединённой судостроительной кампании (ОСК) и Государственной корпорации (ГК) «Росатом» создавать новую технику на принципиально новых технических решениях и изобретениях.



Технические характеристики ядерных реакторов (ЯР) силовых транспортных установок, ядерных электрогенерирующих установок (ЯЭУ) мощностью 10-100 МВ*А, атомных подводных лодок (АПЛ), кораблей и ледоколов нельзя сегодня признать лучшими, полученными на основе современных знаний, технических решений и изобретений последних лет.

Так, например, конструкция АПЛ до сих пор копирует устройство первых подводных лодок серии Щ, которые создавали ещё в 20-х годах 20 века для России немецкие инженеры. Принцип был таков, что всё оборудование и экипаж размещены в одном герметичном корпусе, несущем давление погружения и с отсеками непотопляемости. А все попытки атомщиков создать специальную для АПЛ ядерную силовую установку, динамичную и безопасную для экипажа, провалились. Кроме водо-водяного реактора (ВВР) с низкими параметрами, имеющего кризис теплоотдачи, и паровой турбиной ничего практичного так и не изобрели.

Особо следует отметить то, что все разработки различных модификаций ядерных реакторов велись в основном с начала 50-х до конца 70-х годов в режиме соперничества с США. А дальше, плавный переход к началу 80-х годов в застой, и стали только «долизывать» уже сделанное. И в гражданском секторе атомной энергетики застопорились на ВВЭР и РБМ-К, который после аварии на Чернобыльской АЭС, стал последним применяемым из класса уран-графитовых реакторов. Застой ГК «Росатом» налицо, и для этого утверждения имеются неопровержимые доказательства, обсуждение некоторых из которых будет сделано в данной статье. А главный недостаток транспортных ЯР заключается в конструкции и способе его размещения в корпусе АПЛ или судна, которые и предопределяют все вредные качества, долгострой и дороговизну применения атомной энергии в этих целях.

В комментариях к статье «Подводная мини-АЭС» ГОСТЬ написал: - «Я отлично понимаю все +/-, а традиционный подход в атомной промышленности ещё никому не мешал. Много вас, инноваторов». И далее – «В чем, по-Вашему, заключается традиционный подход? Это до 70-х годов были инженеры-конструкторы, сами считали, сами чертили и проектировали, сами испытывали. Сегодня одни "манагеры" остались, управленцы, в лучшем случае с гуманитарными знаниями, или вовсе без знаний, но с красочными дипломами отечественных и зарубежных бизнес школ. Их кредо: - "...переставлять кровати, а не девочек менять". Вот и получилось, сегодняшние руководители не создают новое, а только переставляют старое, и прихваливают - "старое проверенное и надёжное". Вот таков их, управленцев, действующий сейчас подход к созданию прорывных изделий.

С новыми идеями им одни только мучения и головная боль, надо иметь знания, а таковых у них нет и уже не будет. Главное для них на занятом месте управленца успеть набить карманы, войти в номенклатуру и перейти с повышением  зарплаты на новое место». Из объяснения конструкторов «Росатом», что такое «традиционный подход» сегодня, это когда в новом изделии около 50-70% узлов использовано из старых проектов. Типичный пример, по программе «Прорыв» реактор «Брест» - стержневая конструкция тепловыделяющих элементов (твэлов) объединённых в тепловыделяющую сборку по аналогии реактора ВВЭР. Только вот дистанционирование твэлов пуклёвками на решётках в жидком свинце не будет работать, свинец не заходит в щели, значит, будет локальный перегрев и разрушение оболочки твэла под пуклёвкой.

Такой же промах в отношении «приемистости» ЯР в режиме переменных нагрузок. Длинный твэл не терпит большого перепада температур по своей длине. 120 0С это предел. Трещит. Значит к.п.д. пришлось намеренно занизить. Так что, копировать уже созданное надо тоже с умом. Да, экономия конструкторских работ. А если учесть ещё то, что сегодня нет знающих инженеров–конструкторов, то это вообще единственный выход для КБ, копировать старые архивные чертежи и подклеивать новые штампы. Для демонстрации традиционного подхода на рис. 1 показан коллаж АПЛ.

                                                     Рис. 1

Носовая часть взята от АПЛ «Хаски», изображение которой взято из статьи «Хаски» – российская субмарина пятого поколения»  http://interpolit.ru/blog/khaski_rossijskaja_submarina_pjatogo_pokolenija/2016-06-05-7000, в которой в апреле 2016 года со слов главы ОСК г-н Алексея Рахманова написано, что новая АПЛ будет объединять в себе возможности многоцелевой и стратегической подлодки. «Это будет лодка, которая будет унифицирована – стратегической и многоцелевой по ряду своих ключевых элементов», – заявил он. А центральная и кормовая части подрисованы нашим конструктором. Этому варианту АПЛ дали название «Шаткихаски».

В средней части применён негерметичный корпус 1, в котором размещены две турбо-ядерных батарейки 2 с электрической мощностью около 70 МВ*А каждая и прорези  водозабора 3 и водосброса 4. В негерметичном корпусе имеется сквозной цилиндрический канал – гнездо 5 для двух батискафов 6. Батискаф 6 имеет сферическую форму и люк 7. В батискафе находится экипаж и аппаратура центрального поста АПЛ. В канале-гнезде 5 могут помещаться два батискафа друг над другом, т.е. АПЛ может иметь 100% резервный центральный пост и экипаж. Получилась уникальная АПЛ. Правда,  зачем оставлять рубку - надстройку с антеннами, перископом и др. оборудованием. Лишнее сопротивление подводному движению, рубку тоже отрезали. Лучше применить беспилотные аппараты, которые будут двигаться параллельным курсом с АПЛ на некотором расстоянии, и осуществлять космическую связь, круговой обзор над водой и под водой, подсветку целей и встречных объектов по ходу движения АПЛ, и всю информацию передавать на центральный пост.

Беспилотники станут глазами и ушами командира АПЛ, а связь с ними по ультразвуковому каналу без помех и сбоев. Это намного надежней и полезней, по крайней мере, сама АПЛ ничего значительного излучать не будет, и ей для связи с внешним миром не требуется находиться на поверхности, что не позволит определять её координаты. И как раз на месте рубки освободится место для мокрого отсека хранения беспилотных подводных аппаратов. На корме, на поверхности мокрого корпуса 8 в углублениях установлено два движителя 9 с реактивной силой, см. рис. 1, с изменяемым направлением вектора тяги с помощью поворотного сопла 10, а также в хвосте имеется пара горизонтальных рулей 11.

Для замены ЯБ корпус 8 хвостовой части может поворачиваться вверх относительно оси 13, освобождая доступ к ним. Движители имеют верхние наружные водозаборы 12 и внутренние водозаборы для движения на поверхности. Движители с реактивной тягой позволяют повысить подводную скорость АПЛ не меньше чем до 80 км/час (45 узлов), а также, увеличить её манёвренность. АПЛ сможет разворачиваться на месте и увильнуть от торпеды. По сравнению с «Хаски» АПЛ «Шаткихаски» обладает ещё многими преимуществами, о которых при необходимости будет сказано позднее.

Дарим эту идею компоновочного решения «Шаткихаски» гендиректору  АО «СПМБМ «Малахит» Владимиру Юрьевичу Дорофееву заблаговременно, т.е. до начала опытно-конструкторских работ по созданию подлодки «Хаски», которые начнутся в 2019 году согласно заявлению в прессе – «Армия и ОПК» – ТАСС 25.06.2018. Это вариант АПЛ как раз сделан в рамках Вашего традиционного подхода, примерно 50% старого, 50% нового. Вам понравится, поскольку АО «СПМБМ «Малахит»: - «... уделяет большое внимание применению современных достижений в области информационных технологий при выполнении проектно-конструкторских работ» (цитата взята из сайта «Малахит»). На все вопросы Ваших конструкторов готовы ответить при прямом контакте.

Какие в перспективе АПЛ можно ожидать?

Ответ единственный. В ОСК собираются делать АПЛ громоздкими, неповоротливыми, с нулевой «приемистостью», а реакторные установки в ГК «Росатом» будут делать на весь срок эксплуатации АПЛ, т.е. на 42 года с одной загрузкой ядерного топлива. Форма корпуса АПЛ сохранят – «сигара». Весь запас ракет будут хранить в чреве лодки в пусковых шахтах, с размещением их в герметичном корпусе АПЛ вместе с экипажем. И запуск ракет будут осуществлять с лодки.  АПЛ будет иметь реакторный и машинные отсеки, в которых сохранят принцип постоянного обслуживания матросами. Движитель – винт. Привод – паровая турбина и шестерёнчатые редукторы.

Ядерный реактор (ЯР) может быть и с жидкометаллическим теплоносителем, а теплообменники и парогенератор оставят – прямоточными, имеющими кризис теплоотдачи, а значит и вероятность разрушения. За лодкой сохранится мощный тепловой шлейф. Глубина погружения не более 600-700 м. Экипаж будет многочисленным, 100-140 человек. Система управления АПЛ и ЯР сохранит электроуправление, программный принцип, электрические кабельные проходки, значит, будут электрические помехи, сбои и потребуются перезагрузки программ управления и измерения параметров. Одна капсула на весь экипаж для спасения при авариях. После всплытия такой капсулы в открытом океане, экипаж будет абсолютно беспомощен, «просто бери тепленьких в плен». Других идей ни в США, ни в Китае и России пока нет.

А по существу ситуация сегодня такова, что сохранена вероятность повторения ядерной и иной аварии, или невыполнения боевого задания из-за неудачной конструкции ЯР и АПЛ. На рис. 2 показаны последствия ядерной аварии на АПЛ.

                                                  Рис. 2

Технология реакторных установок с жидкометаллическим теплоносителем (ЖМТ) достигла «максимума» в начале 80-х годов, ею были оснащены самые скоростные и маневренные АПЛ. Наиболее удачная разработка – блочная ядерная паропроизводящая установка (ЯППУ) БМ-40/А для второго поколения АПЛ с ЖМТ. ЯППУ с ЖМТ, обладают, в принципе, такими неоспоримыми по сравнению с традиционными водо-водяными реакторами (ВВР) преимуществами, как: низкое давление в первом контуре (10-15 атм. вместо 150-100), что делает их значительно более безопасными; возможность улучшения массогабаритных показателей (на 15-20% по сравнению с ВВР).

Другой особенностью ЯППУ с реактором на ЖМТ была ее высокая «приемистость» - лодка (в отличие от лодок с ВВР) могла развить полный ход в течение одной минуты. Кроме того такой лодке достаточно было 30 минут, чтобы отойти от пирса и скрыться под водой, в то время как АПЛ с ВВР для этого необходимо было 2-3 часа.  

24 мая 1968 в 11:35 на АПЛ К-27 произошла ядерная авария (подробнее о ней рассказано на странице «Аварии с ЯО») в результате, которой облучился весь экипаж (по разным данным 144-142 человека) и погибло 9 человек. НО опять же в 1977 году  (проект АПЛ 705К) военные согласились на применение паровой турбины, и опять тепловой шлейф за АПЛ, проблемы затвердевания и разогрева свинцово-висмутого теплоносителя, стержневые твэлы и медленный выход на полную мощность, стесненный реакторный отсек, и т.д. В реакторной установке АПЛ проекта 705 протиснуться невозможно, см. рис. 2, показанный на «Форум АЭС специалистов с  осколков СССР»,  http://ludiwosleaeskotlov.1bbs.info/viewtopic.php?p=985

И вообще, зачем и кто принял решение находиться экипажу в «обнимку» с ядерным реактором и пусковыми шахтами ракет. Именно по такому компоновочному решению выполняются сегодня все АПЛ, см. рис. 3.

                                                                Рис. 3

Применение паровой турбины для привода обязывает создавать в чреве АПЛ большой машинный зал, также как строили ещё в 18 веке суда с паровыми машинами и котлами. Что также требует большой экипаж обслуживания. И монтаж на верфях, годами «лепят» реактор в корпусе корабля или АПЛ вместе с трубопроводами, насосами, зубчатыми редукторами и т.п. Наладка оборудования на предмет вибрации, автоматики переходных процессов, датчиков и т.п. производится индивидуально и по месту во время испытаний, т.е. в полевых условиях. Качество этой процедуры в полевых условиях, конечно, на много ниже, чем в заводских условиях. Шум от турбины, насосов, редукторов и др. оборудования сохранился большим. В машинном зале без наушников нельзя находиться.

На рис. 3 показано наиболее часто применяемое на сегодняшний день примерное размещение оборудования в АПЛ. Подход сохранился ещё с тех времён 100 летней давности. Только вместо парового котла применяют ядерный реактор со всем комплексом парогенерирующего крупногабаритного и тяжелого оборудования, ну в прям как на 1-ой в мире  

АЭС в г. Обнинск.  Силовая часть занимает половину герметичного корпуса АПЛ.              

Застой  инженерной мысли очевиден. Причина кроется в системе управления чиновниками - манагерами, прошедших обучение в бизнес школах за рубежом, например, в Школе Бизнеса университета Чикаго по специальности "мастер делового администрирования". А ведь на главного управленца в поведении ориентируются все его подчинённые. По их методике обучения считается, что если вложить деньги, то новая техника сразу будет создаваться и производиться. А нет. Старые образцы изделий, на которые уже есть чертежи, может быть так и можно изготавливать. Но тогда деньги тратятся впустую, а действительно новых, прорывных изделий не будет и в помине, даже если внушать всем рекламой и пиаром, что разрабатываются инновационные технологии и изделия.

Такая ситуация сложилась и в ОСК, и в ГК «Росатом». Главные конструкторы, под влиянием чиновников – управленцев, дабы им угодить и удержаться на своём месте, превратились из изобретателей конструкторов и инженеров в удобных «белых и пушистых» для вертикали власти чиновников. Они потеряли способность самостоятельно видеть перспективу для своей работы, для своей карьеры как конструктора. Зарплата конструкторов в разы меньше зарплаты манагера, что естественно заставляет подстраиваться под вертикаль власти. А если верхний уровень власти и «топнет ногой», то уже ничего принципиально нового конструктор - манагер не в состоянии изобрести и создать. Он разучился конструировать с чистого листа. И он начинает пиарить старинные технические решения, выдавая их за последние достижения науки и техники, и организует подтверждение их как новых коллегиальными решениями НТС. Коллегиальное решение, которое привито сейчас принципами т.н. западной демократии, есть не что иное, как способ управления массами.

Если в коллегиальном органе принятия решения, например, в НТС из 11 членов будет 6 дебилов или управляемых марионеток, то и коллегиальное решение будет дебильным, т.н. «карманным решением». А это не что иное, как «научный терроризм». А кто «топнул ногой», что надо создать более грозную АПЛ, он тоже ничего не смыслит в технике, и верит нижнему уровню управленцев, что якобы лучше не создать, что якобы нет надлежащего технического уровня развития в России.  А если ещё и Заказчик новой техники, тоже манагер, и он идет на соглашение с создателем и производителем, не имея собственных знаний и технического кругозора, то тогда вообще развитию страны «крышка».

Заказчик будет перед Главнокомандующим повторять слова конструктора, что ничего лучшего на сегодняшнем уровне развития техники сделать в России нельзя.  Тогда ещё много лет будут делать старинную технику, выдавая её как прорывную, с помощью рекламы в СМИ, самопиара на ТВ и мультиков реанимации желаемого. Круг замкнулся, система манагеров сгнила первой в мире в США, и Президент Трамп, первым это понял и стал загонять всю промышленность на территорию США. Управленец, топ-мэнеджер, если он не прошел путь от конструирования и производства изделия до руководителя, то он будет воспринимать свои управленческие функции как игру в «Монополию», ровно так, как преподносят в бизнес школах. Для такого управленца крах его фирмы или банкротство, это проходящее. Главное попасть в номенклатурный список, тогда лично не потонешь.  Кто не понял смысл этих фраз, значит, не дано ему от Бога понять весь этот механизм управленцев. Такова жизнь стала и в России.

Что делать? В СМИ уже давно появились статьи типа «Руководство Объединенной судостроительной корпорации работает не в интересах государства», 25.10.2017. Оригинал этого материала, http://www.moscow-post.com/politics/sudnye_dni_raxmanova25783/

The Moscow Post (http: //www.moscow-post.com/) English version (https: //translate.google.cz/translate?hl=en&sl=ru&u=https://rucompromat.com/articles/aleksey_rahmanov_poteryal_chuvstvo_osk). Аналогичные есть материалы и про ГК «Росатом».

А что толку. Ничего не меняется ни в разработках, ни в образовании. А кто может переломить ситуацию. Но очевидно не снизу, и не главный конструктор, и не учитель, и даже ни директор КБ. Возможно, надо постоянно «капать» на мозги главного управленца, и убеждать его примерами и фактами, через СМИ и личными обращениями специалистов, не замазанных в денежных распилах. С помощью решений НТС ГК «Росатом» проблема не решится, поскольку председатели секций НТС уже давно лоббируют каждый свою тему работ, и каждый согласовал её руководителем ГК. Конкуренция им не нужна. Поэтому всё новое на НТС верхнего уровня будут чернить и говорить «что сегодняшний уровень техники не позволяет создать заявленное Вами изделие».

Многим это покажется вымыслом, но именно Сергей Кириенко относился со вниманием к вопросам о перспективных направлениях в контуре Росатома, только надо было правильно формулировать для него задачу и конкретно, с доказательствами предложить свой вариант решения. Он мог разобраться и принять своё решение по конкретному изделию, и затем пропустить его без «писка» через НТС.  Обыватели, особенно в комментариях к статьям ничего не зная по факту, а видя только поверхностные события, высказываются как ничего не понимающий рядовой человек. Возможно, и знаний такие комментаторы не имеют вовсе.

На вопрос «что делать?» я отвечу так. Надо менять систему управления и во главе КБ и проекта ставить главного конструктора, с полными полномочиями, а не финансиста или директора. ТЗ на проект не должен разрабатывать сам себе главный конструктор. ТЗ на выполнение проекта должен писать экспертный отдел перспективных разработок со стороны Заказчика.  

Для сохранения преемственности знаний и способности проектировать с чистого листа, надо искать способных студентов, и с ними работать главному конструктору индивидуально, как наставнику своего приемника.

Конструкция ЯБ постоянно улучшается, и в её конструкцию вносятся новые технические решения, в частности, улучшающие «приемистость».  Поэтому в качестве ЯБ в данной статье рассматривается вариант турбо-ядерного (ТЯ) электрогенератора. В отличие от ЯБ в варианте Ядерной электрогенерирующей установки (ЯЭУ), о которой было рассказано в ранее опубликованных статьях http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=7862 http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=7991, ТЯ-электрогенератор позволит увеличить электрическую мощность до 100% за время меньше 30 секунд, т.е. выполнить за это время команду «полный вперёд». В ТЯ-электрогенераторе главным является турбоустановка, работающая в цикле Брайтона с рабочим телом в состоянии сверхкритики S-CO2 (Ю.Корея). http://www.heuristic.su/effects/catalog/est/byId/description/122/index.html

Техническая сложность реализации лежит в большей степени на турбоустановке, а конструкция ЯР решается достаточно просто в рамках уже просчитанных технических решений. Поэтому эта разработка в большей степени относится к ОДК «Сатурн» и его техническим решениям. Описание ТЯ-электрогенератора будет изложено в последующих статьях в ПРоАтом.

Главные преимущества  АПЛ «Шаткихаски» по сравнению с АПЛ «Хаски»

1. В силу конструктивных малых размеров корпусов ядерной батарейки и батискафа их можно сделать выдерживающими большую (до 10 км и более) глубину погружения. При этом стоимость их в десятки раз будет меньше стоимости несущего давление погружения (НДП) сигарообразного корпуса «Хаски».

2. Применение реактивного движителя сделает АПЛ глубоководной, манёвренной (разворот на 1800 на месте, уход от удара торпеды в бок и корму) и скоростной, а также абсолютно бесшумной.

3. Численность экипажа в десятки раз меньше и длительность подводного хода до 3-х лет без всплытия. Экипаж не контактирует с ядерным реактором и в принципе не подвержен облучению. Замена экипажа в любой точке океана путем замены батискафа вместе с экипажем.

4. Ядерная батарейка (ЯБ) транспортабельна, можно перевозить по ж.д., её можно изготавливать серийно на заводе с полным комплексом испытаний. ЯБ позволяет хранить её в т.н. «замороженном виде» на любых складах примерно до 50 лет. Замена ЯБ в АПЛ производится достаточно просто и быстро. Для ремонта силовых агрегатов не требуется база, ремонт агрегатов на месте не выполняется, при отказах движителя и ЯБ производится их замена в любой точке океана, для чего используется корабль обеспечения.







Это статья PRoAtom
http://www.proatom.ru

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=8144