1. Тепловые энергосиловые установки торпед

Конструктивно современная тепловая торпеда состоит из четырех основных соединенных между собой частей: боевого зарядного отделения I, воздушного резервуара (ВР) с зарезервуарной частью II, кормового отделения III и хвостовой части IV с гребными винтами (рис. 1).

Рис. 1. Общий вид парогазовой торпеды: I - боевое зарядное отделение; II - воздушный резервуар с зарезервуарной частью; III - кормовое отделение; IV - хвостовая часть: 1 - взрывчатое вещество; 2 - взрыватели; 3 - сферическое донышко; 4 - баллон; 5 - гидростатический аппарат; 6 - парогазогенератор; 7 - главная машина; 8 - прибор курса; 9 - генератор постоянного тока; 10 - гребные винты

Зарядное отделение является головной частью торпеды и служит для размещения взрывчатого вещества 1 и взрывателей 2. Кроме того, в боевом зарядном отделении (БЗО) у торпед с неконтактным взрывателем (НВ) размещаются приемные и усилительные устройства, а у самонаводящихся - антенны и усилительные устройства аппаратуры самонаведения.

Воздушный резервуар с зарезервуарной частью предназначен для размещения энергетических компонентов торпеды. В ВР емкостью 650 л содержится сжатый воздух под давлением 196·10⁵ Па (200 кгс/см²), необходимый для образования парогазовой смеси, работы приборов управления движением торпеды и вытеснения энергокомпонентов.

Продолжением ВР служит водяной отсек 3 емкостью 50 л. Вода, находящаяся в отсеке, необходима для охлаждения и образования парогазовой смеси, приводящей главный двигатель в действие, а также для вытеснения керосина из баллона 4.

Зарезервуарная часть разделена корпусом гидростатического аппарата 5 на отделение баллонов и отделение парогазогенератора (ПГГ). Первое отделение герметично, а через второе проходит забортная вода для охлаждения корпуса ПГГ и блока цилиндров главной машины. В первом отделении размещаются баллон с керосином, используемым для образования парогазовой смеси, и баллон с маслом, необходимым для смазки трущихся частей главного двигателя. На оболочке отделения баллонов размещается блок клапанов - впускного, запирающего и невозвратного.

В отделении парогазогенератора размещены:

парогазогенератор6, в котором в результате сгорания керосина и распыления воды происходит образование парогазовой смеси. В крышке ПГГ помещается форсунка для распыления керосина, а рядом с нею - зажигательное приспособление с патроном, снабженным капсюлем;

двухступенчатый регулятор высокого и низкого давления, служащий для понижения давления воздуха, поступающего из резервуара в ПГГ, водяной отсек и к рулевой машинке гидростатического аппарата;

четверной кран, открывающий пути энергокомпонентов при выстреле;

машинный кран с прибором расстояния, дающий доступ воздуха к регулятору давления и закрывающий доступ к нему при практическом выстреле после прохождения торпедой заданной дистанции.

Рулевая машинка (РМ) является силовым исполнительным механизмом, перекладывающим горизонтальные рули торпеды по командам гидростатического аппарата (ГА).

Кормовое отделение предназначено для размещения прибора курса 8, главной машины 7 и некоторых других агрегатов.

Главная машина - это горизонтально расположенный поршневой двухцилиндровый двигатель двухстороннего действия с золотниковым газораспределением.

Торпеда снабжена двумя полыми валами, один из которых расположен внутри другого. На конце каждого вала насажен гребной винт 10. Отработавшие газы из главной машины идут по внутреннему пустотелому гребному валу и выбрасываются наружу, оставляя на поверхности воды заметный след. Несмотря на небольшие размеры, главная машина развивает мощность порядка 368 кВт (500 л.с.).

Питание аппаратуры НВ постоянным током происходит от генератора 9, а переменным - от умформера со стабилизатором.

Кормовое отделение торпеды делается герметичным.

Хвостовая часть торпеды состоит из хвостового оперения, двух гребных винтов, горизонтальных и вертикальных рулей. Вращаясь в разные стороны, гребные винты при условии равенства вращающих моментов исключают возможность отклонения торпеды от заданного при выстреле направления.

Известны следующие отечественные тепловые торпеды, в которых в качестве окислителя используется сжатый воздух: 45-36Н, 53-39ПМ и 53 - 56В.

Режим у двухрежимной торпеды 53 - 56В устанавливается при ее приготовлении. Дальность ее хода 4000 и 8000 м при скорости соответственно 92,5 км/ч (50±1 уз) и 74 км/ч (40±1 уз). Масса ВВ составляет 400 кг. Общая масса приготовленной к выстрелу торпеды не более 1900 кг.

Рассмотрим общую компоновку тепловых торпед, более подробно остановимся на устройстве и работе их ЭСУ.

Следует отметить, что известные образцы тепловых торпед, в которых в качестве окислителя используется воздух, по основным характеристикам довольно близки между собой, хотя и различаются конструкциями ЭСУ и используемым горючим (нефть, керосин, спирт и т. д.).

Под ЭСУ тепловой торпеды понимают совокупность всех устройств, механизмов, агрегатов и приборов, обеспечивающих прохождение торпедой заданной дистанции с определенной скоростью и поддержание этих величин постоянными с необходимой точностью в соответствии с заданными требованиями.

ЭСУ торпеды состоит из баллонов с энергозапасами, средств подачи энергокомпонентов, парогазогенератора, двигателя с редуктором, гребными винтами, системой выхлопа, а также пускорегулирующей аппаратуры.

Принципиальная схема подачи энергокомпонентов к парогазогенератору ПГГ отечественной тепловой торпеды приведена на рис. 2. Когда торпеда перед боевым выстрелом находится в торпедном аппарате, запирающий клапан 4 и машинный кран 7 закрыты, а воздух из воздушного резервуара поступает только к клапану запирающего крана.

Рис. 2. Схема подачи энергокомпонентов к парогазогенератору (ПГГ): 1 - воздушный резервуар; 2 - водяной отсек; 3 - впускной клапан; 4 - запирающий клапан; 5 - керосиновый баллон; 6 - четверной кран; 7 - машинный кран ; 8 - машинный регулятор давления воздуха с масляными золотниками и масленками; 9 - зажигательный патрон; 10 - парогазогенератор; 11 - баллон замедлителя

При открывании запирающего клапана 4 воздух из ВР подводится к машинному крану 7. В момент выстрела при движении торпеды в торпедном аппарате под действием выбрасывающей силы, создаваемой давлением сжатого воздуха или пороховых газов, курок торпеды задевает за курковой зацеп аппарата, откидывается назад и открывает машинный кран вместе с четверным краном. Одновременно происходит воспламенение зажигательного патрона 9.

Воздух от машинного крана поступает в полость машинного регулятора 8. Одновременно воздух идет в масленку высокого давления, баллон замедлителя 11 и к прибору курса. Из полости регулятора воздух ответвляется в масленку среднего давления.

После срабатывания замедлителя и опускания масляного золотничка клапан регулятора низкого давления поднимается, и воздух поступает в ПГГ. Одновременно отрегулированный воздух поступает к регулятору высокого давления и в водяной отсек, пройдя при этом четверной кран 6, и, кроме того, проходит в масляный баллон для вытеснения масла к рулевой машинке (РМ) гидростатического аппарата.

При откидывании курка, как отмечалось выше, открывается четверной кран 6, через который вода из водяного отсека 2 поступает в баллон 5 на вытеснение керосина и через фильтр и водяной кран в камеру горения ПГГ.

Керосин, пройдя через фильтр и кран, поступает в форсунку ПГГ на распыление.

Главная машина (рис. 3) предназначена для вращения гребных винтов тепловой торпеды. Рабочим телом в ней служит парогазовая смесь, поступающая из ПГГ, установленного непосредственно на патрубке золотниковой коробки. Основные части машины - цилиндры 2, газораспределительный механизм 7, крышки 1, картер 4 с машинным диском 3, задняя крышка 5, дейдвудная труба 6, силовой (поршневой и кривошипно-шатунный) механизм, размещенный в цилиндрах и картере.

Рис. 3. Главная машина тепловой торпеды: 1 - крышки цилиндров; 2 - цилиндры; 3 - машинный диск; 4 - картер; 5 - задняя крышка; 6 - дейдвудная труба; 7 - механизм газораспределения

Каждый цилиндр снабжен клапаном для предохранения от гидравлического удара, если при пуске главной машины в цилиндрах находится вода. Клапаны регулируются на давление воздуха в цилиндре 39,2·10⁵ Па (40 кгс/см²).

Работает главная машина следующим образом. При откидывании курка торпеды парогазогенератор начинает вырабатывать парогазовую смесь, которая поступает к золотникам. Кривошипно-шатунный механизм и механизм газораспределения при сборке согласованы так, что в любом положении кривошипа один из золотников открывает своей внутренней кромкой окно в цилиндр. Парогаз, поступая туда, начинает давить на поршень и передвигает его.

Шток поршня перемещает по направляющим картера ползун с шатуном, что приводит к повороту кривошипов, которые посредством конических шестерен передают вращение на валы главной машины.

Передний винт, насаженный на наружный вал, имеет правое вращение, а задний винт, насаженный на внутренний вал, - левое.

Когда поршень находится в переднем положении (передней мертвой точке), окно в цилиндр уже имеет предварительное открытие (линейное опережение), чтобы дать возможность газу своевременно заполнить мертвое пространство и выровнять давление наполнения цилиндра к началу хода поршня.

Дальнейшее открытие окна и впуск газа в цилиндр продолжаются на протяжении 57% хода поршня, после чего окно перекрывается золотником и происходит отсечка впуска. После этого дальнейшее движение поршня приводит к расширению впущенного в цилиндр газа с постепенным падением его давления.

За 13% хода от заднего положения (задней мертвой точки) золотник наружной кромкой открывает окно передней полости. Происходит предварительный выпуск газа из цилиндра в пространство внутри золотника, откуда газ перепускается в картер, а затем по внутреннему валу выходит наружу.

В процессе обратного движения поршня газ выпускается из цилиндра до тех пор, пока поршень не пройдет 82% своего пути. После этого окно перекроется золотником.

При дальнейшем ходе поршня до передней мертвой точки происходит сжатие газа, и за 0,2% хода поршня окно вновь открывается внутренней кромкой золотника для предварения впуска.

Давление газа в цилиндрах зависит от установленного режима и достигает 26,4·10⁵ Па. Средняя температура в цилиндрах за время полного рабочего цикла поршня составляет 500...550°С. Температура газов, отходящих через внутренний вал после их охлаждения водой в золотниках и в полости картера, равна 80...90°С.

Для получения парогазовой смеси в ПГГ под давлением подаются воздух, керосин и вода. Вода перед впрыскиванием в пламя горящего керосина подогревается, и подача ее производится навстречу потоку воздуха. Получаемая парогазовая смесь достигает температуры 600... 800°С. ПГГ, увеличивая энергетические запасы, дает возможность повысить мощность главной машины, а, следовательно, и дальность хода торпеды.

Горючее и окислитель поступают через верхнюю часть парогазогенератора и поджигаются специальным запальным устройством (дальше протекает самоподдерживающийся процесс горения).

Воздух в крышку парогазогенератора вводится через калиброванное отверстие диаметром 10 мм, что обеспечивает уменьшение давления в камере парогазогенератора до 9,81·10⁴ Па (1 кгс/см²). Такой перепад давления необходим для распыления керосина в ПГГ и подачи в него из водяного отсека воды (рис. 4).

Вода вводится через патрубки, расположенные в средней или нижней части ПГГ с тем, чтобы, с одной стороны, не помешать полному сгоранию горючего, а с другой - обеспечить полное испарение воды до выхода рабочего тела из ПГГ.

Рис. 4. Парогазогенератор. Сжатый воздух проходит в верхнюю часть А парогазогенератора из машинного регулятора низкого давления и через две диафрагмы Б поступает в среднюю часть камеры В. Вода, вытесняемая сжатым воздухом из водяного отсека, проходит через водяной фильтр Г, водяной кран Д в пространство между внутренней стенкой камеры и испарителем Е и по трубкам Ж в камеру. Керосин, вытесняемый из резервуара водой, поступает к фильтру 3 крану Я и к форсунке К, распыляющей керосин внутри камеры горения. Зажигательное приспособление Л воспламеняет распыленный керосин. Нагретый воздух, пары воды и продукты горения керосина - парогазовая смесь - устремляются к золотникам главной машины

Образовавшийся парогаз поступает в поршневую или турбинную машину и отдает им заключенную в нем энергию.

Основные достоинства ЭСУ с атмосферным воздухом в качестве окислителя - это дешевизна, простота устройства и эксплуатации. Вместе с тем им присущи и перечисленные ниже недостатки.

Малая энергоемкость. Для хранения воздуха давлением до 200 кгс/см² (196·10⁵ Па) требуются толстостенные стальные резервуары, масса которых превышает массу всех энергокомпонентов в 2,5 - 3 раза. На долю последних приходится лишь около 12... 15% от общей массы. Для работы ЭСУ необходимо большое количество пресной воды (22...26% от массы энергокомпонентов), что ограничивает запасы горючего и окислителя. Кроме того, сжатый воздух (21% кислорода) как окислитель малоэффективен.

Следность. Азот воздуха нерастворим в воде и поэтому создает за торпедой хорошо заметный пузырьковый след шириной 1,5...2 м, что в дневное время становится тактическим недостатком торпеды.

Динамическая неуравновешенность и шумность поршневого двигателя при его работе являются следствием получения большой мощности в очень ограниченном объеме. Шумность демаскирует торпеду и создает помехи акустическим системам самонаведения.

Ограничения по габаритам. Понятно, что ограничения по габаритам не позволяют значительно повышать и мощности ЭСУ. Такие двигатели теряют мощность из-за увеличения противодавления выхлопу отработавших газов с ростом глубины. Так, если на глубине 10 м статическое давление составляет 1 атм, то на 300 м - уже 30 атм.

Все это стало серьезным препятствием на пути развития воздушных парогазовых торпед. Так, если с момента появления до первой мировой войны их скорость возросла до 66...79 км/ч (36...43 уз), то за время между первой и второй мировыми войнами лишь на 10,5... 16,6 км/ч (7...9 уз.). В военные и послевоенные годы наметился прогресс в развитии этого оружия: созданы новые топлива, более совершенные конструкции двигателей, разработаны новые принципы движения.

Современной модификацией поршневых двигателей является конструкция бескривошипного типа, применяющаяся в американских торпедах Мк 46 мод. 1. По мнению зарубежных специалистов, их удельная мощность в 4 - 5 раз превышает удельную мощность турбинных и лучших поршневых двигателей. Однако так как при работе бескривошипных двигателей используется открытый цикл, то скорость и дальность хода торпед падают с глубиной хода.

Значительный прогресс в ЭСУ торпед достигнут благодаря применению турбинных двигателей, которые за рубежом впервые стали использовать в американской торпеде Мк 15 в годы второй мировой войны.

Как отмечалось в зарубежной печати, основные преимущества турбинных двигателей перед поршневыми заключаются в том, что установка в целом конструктивно более совершенна, так как ее части совершают только вращательное движение; газовая турбина в одном агрегате может развивать значительно большие мощности.

По мнению специалистов стран НАТО, одна из наибольших трудностей в совершенствовании торпедных ЭСУ - отсутствие мощного и относительно дешевого источника энергии. Американцы исследовали двухкомпонентные (горючее + окислитель), однокомпонентные или унитарные и гидрореагирующие топлива на основе некоторых металлов.

При работе с двухкомпонентными топливами главное внимание было уделено изысканию эффективных окислителей. В зарубежной литературе подчеркивалось, что удачными оказались перекисно-водородные ЭСУ торпед, которые использовались в течение многих лет. При замене в воздушной тепловой торпеде сжатого воздуха на эквивалентное количество перекиси водорода дальность ее хода удалось повысить в 3 раза.

Тепловые торпеды должны иметь довольно большой запас пресной воды. Особенно ее много требуется для торпед с жидким окислителем.

Кроме перекиси водорода, в качестве окислителя применялся газообразный или жидкий кислород, например в японской торпеде "93". Эти окислители значительно уменьшают след торпед, так как отработавшие газы хорошо растворимы в воде. Однако у двухкомпонентных топлив есть и недостаток - высокая агрессивность окислителя. Поэтому интенсивно велись поиски топлива, безопасного в обращении.

В результате длительных исследований в США было получено твердое топливо "Отто-I", которое применялось в торпеде Мк 46 мод. 0. Но оно оказалось мало технологичным: плохо регулировалась скорость его горения.

Затем появилось жидкое унитарное топливо "Отто-II". Оно дешевле твердого, а плотность его энергии в три раза больше, чем у самой лучшей из аккумуляторных батарей. "Отто-II" нашло применение в торпедах Мк 46 мод. 1 и Мк 48 мод. 2. Американские специалисты считают, что жидкие унитарные топлива в ближайшие десять лет будут занимать ведущее место.

За рубежом идет поиск рецептур гидрореагирующих топлив на базе алюминия, натрия, лития. Их действие основано на том, что эти металлы в расплавленном состоянии активно взаимодействуют с водой, в результате чего выделяется огромное количество энергии. Больше всего энергии выделяет алюминий, однако, у него высокая температура плавления (660°С). Натрий плавится при температуре 98°С, но выделяемая им энергия во много раз меньше, а интенсивность взаимодействия с водой достаточно спокойна. Поэтому специалисты США в качестве мощного источника энергии для двигателей торпед будущего рассматривают литий.

Однако, по мнению зарубежных специалистов, для окончательного перехода на это топливо необходимо решить ряд технических проблем. Так, надо найти в торпеде место для предварительного нагрева лития до температуры плавления. Чтобы предотвратить отвердевание лития, прежде чем он поступит в камеру сгорания, следует нагревать топливные линии, клапаны, сопла. Наконец, под действием несгоревших частиц и гидроокиси лития, по оценке специалистов, может возникнуть эрозия лопастей турбины.

Ниже в табл. 2 приводятся характеристики некоторых торпедных топлив.

Таблица 2

Одним из перспективных направлений развития торпедных ЭСУ на Западе считается применение реактивного принципа движения. Идея его использования возникла вскоре после появления торпед. В 1879 г. наш соотечественник А. Шпаковский предложил Морскому техническому комитету проект реактивной торпеды. Делались попытки применить реактивный двигатель в последующие годы и за рубежом. Однако реализовать ни один из проектов не удалось из-за несовершенства техники того времени. Дело в том, что плотность воды на три порядка выше плотности воздуха, что требует для придания подводному снаряду достаточной скорости огромных мощностей ЭСУ. Понадобилось около 80 лет, чтобы на практике осуществить реактивный принцип движения под водой в авиационной отечественной реактивной торпеде РАТ-52.

В настоящее время за рубежом известны два типа реактивных двигателей для торпед - ракетные и гидрореактивные.

Твердые топлива для реактивных торпед различаются между собой не только составом компонентов, но и формой шашек, и способом горения. В американской подводной ракете диаметром 152 мм использовалась шашка твердого топлива торцевого горения. В ракете диаметром 254 мм стоят шашки медленно горящего топлива с радиальными щелями. Длина шашки 2540 мм, диаметр внутреннего отверстия составляет 1/5 диаметра заряда (рис. 5).

Рис. 5. Конструктивная схема подводных ракет: а - ракета с зарядом, горящим с торца; б - ракета с зарядом, горящим по внутренней поверхности: 1 - топливо; 2 - изоляционное покрытие; 3 - маршевый двигатель; 4 - выводной патрубок; 5 - ускоритель; 6 - сопло маршевого двигателя; 7 - сопло ускорителя; 8 - хвостовое оперение; 9 - боевое зарядное отделение

Принципиальная схема и рабочий процесс гидрореактивных двигателей такие же, как и воздушно-реактивных. Сила тяги здесь создается выбросом через сопло воды, которая поступает в двигатель извне. Скорость воде придает газ, генерируемый в двигателе. Для пуска гидрореактивного двигателя необходимо специальное стартовое устройство.

В итальянских гидрореактивных ЭСУ РХ-5 для получения большой энергии использовалось взаимодействие щелочного металла с забортной водой. Итальянская торпеда V-6 с гидрореактивным двигателем напоминает по форме воздушную ракету. Ее длина 7,5 м, диаметр 515 мм, масса 1000 кг, масса ВВ 300 кг. Топливом служит боран (химическое соединение бора с кислородом), обеспечивающий движение торпеды с высокой скоростью в течение 36 с.

Скорости первых реактивных торпед достигали 35 м/с (70 уз). В 50-х годах в американском флоте испытывали реактивную торпеду со скоростью хода 77 м/с (155 уз). В зарубежной печати сообщалось о том, что разрабатываются образцы, движущиеся в кавитационном режиме со скоростью 100...150 м/с (200...300 уз). Однако у них пока очень небольшая дальность хода.

В США давно изучается возможность применения в торпеде атомной ЭСУ. Один из рассматриваемых несколько лет назад вариантов газоохлаждаемого реактора имел длину 6100 мм, диаметр 1525 мм, массу 1365 кг и мощность на валу 1472 кВт (2000 л.с.). Предполагается, что продолжительность движения торпеды с этим реактором составит несколько суток. Таким образом, калибр такой торпеды может быть не менее 1525 мм при длине 12 200 мм. Стоимость торпеды несколько миллионов долларов.

Основные части установки: реактор, циркуляционный вентилятор для охлаждения реактора, парогазогенератор, турбина, конденсатор, насосы конденсата и питательной воды (рис. 6). Парогенератор состоит из паросборника, трех небольших теплообменников трубчатого типа, испарителя, паронагревателя. Главная турбина - четырехступенчатая осевого типа, вспомогательная турбина имеет две осевые ступени. Конденсатор расположен за пределами корпуса установки. Вспомогательная турбина непосредственно приводит во вращение одноступенчатый циркуляционный вентилятор радиального типа, вспомогательный генератор переменного тока, насосы конденсата и питательной воды.

Рис. 6. Ядерная торпедная энергосиловая установка

Главным достоинством ядерного источника энергии, по мнению зарубежных специалистов, является большая продолжительность работы. Создание ядерной ЭСУ в США считается принципиально возможным, однако отмечается, что использование подобных торпед в морских операциях довольно затруднительно.

Посмотрите на отличный сайт тут, а не в каком другом месте.