2. Электрические энергосиловые установки торпед

Относительно высокая шумность торпед с тепловыми энергосиловыми установками, зависимость их мощности от глубины хода (от величины противодавления выхлопу отработавших газов), а также следность послужили поводом для создания торпедных двигателей, использующих электрическую энергию.

В нашей стране в 1937 - 1938 гг. были изготовлены две экспериментальные электроторпеды образца ЭТ-45 с электродвигателем ПМ-45 мощностью 45 кВт. На морских испытаниях, проводившихся в 1938 г., выявился ряд конструктивных недостатков. Двигатель ПМ-45 обычного использования с вращающимся якорем и неподвижной магнитной системой обладал низким к. п. д., требовал установки в хвостовой части дифференциала для передачи вращения двум гребным винтам,

В результате экспериментов, проведенных с торпедой ЭТ-45, а также накопленного опыта проектирования электрических машин в 1938 г. советские конструкторы и инженеры создали принципиально новый электродвигатель ПМ-4 с якорем и магнитной системой, вращающимися в противоположные стороны. Это был новый шаг в технике. Двигатель обладал большими к. п. д. и мощностью при сравнительно малых габаритах, работал одновременно на два гребных вала, что исключало необходимость установки дифференциала. Одновременно была создана и новая аккумуляторная батарея В-6.

За рубежом электрические торпеды первой стала разрабатывать Германия в 20-е годы. Основные эксперименты проводились в нейтральных странах, чтобы обойти Версальский 1919 г. договор, запретивший Германии создавать такое оружие.

К началу второй мировой войны немецкий флот уже обладал торпедой G7e, которая имела скорость 30 уз, дальность хода 5 тыс. м, массу ВВ боевой части 300 кг.

Великая Отечественная война ускорила завершение работ по созданию электроторпед и в нашей стране. В 1942 г. группа специалистов под руководством Н. Н. Шамарина сконструировала электрическую торпеду ЭТ-80. Ее батарея из 80 свинцово-кислотных аккумуляторов размещалась в отдельном отсеке, заменившем воздушный резервуар. В ЭТ-80 применялся биротативный электродвигатель ПМ5-2. Дальность торпеды 4000 м, скорость хода 29 уз, масса ВВ 400 кг.

Электрическая ЭСУ по сравнению с воздушной тепловой имеет преимущества: мощность ее двигателя практически не зависит от глубины хода, что является весьма ценным качеством для противолодочных торпед; во время движения она более устойчиво держится на заданном курсе, так как (в отличие от тепловой) при движении не изменяется ни масса, ни положение центра тяжести (не расходуется воздух, вода, керосин).

Электрическая торпеда конструктивно состоит из четырех основных частей: боевого зарядного отделения I (рис. 7), аккумуляторного отделения II, кормового отделения III и хвостовой части IV.

Рис. 7. Общий вид электрической торпеды: I - боевое зарядное отделение; II - аккумуляторное отделение; III - кормовое отделение; IV - хвостовая часть: 1 - приемно-усилительное устройство аппаратуры самонаведения; 2 - приемная катушка неконтактного взрывателя; 3 - взрыватели; 4 - воздушный баллон; 5 - аккумуляторная батарея; 6 - электродвигатель

Химические источники тока электроторпед в зависимости от характера реакций подразделяются на две основные группы: одноразовые и аккумуляторы. Одноразовые - преобразуют химическую энергию в электрическую только один раз, после чего становятся непригодными. Аккумуляторы же после израсходования электрической энергии могут быть вновь заряжены электрическим током, что дает возможность использовать их многократно.

Из всего многообразия существующих аккумуляторов в торпедах широко используют свинцово-кислотные. Число аккумуляторов, входящих в батарею, а также способ их соединения в группы зависят от мощности электродвигателя и времени его работы, т. е. от заданного режима движения торпеды.

Аккумуляторную батарею размещают в аккумуляторном отделении (АО) - средней цилиндрической части торпеды.

В торпеде ЭТ-46, САЭТ-50 применяется свинцово-кислотная короткозарядная аккумуляторная батарея типа B-6-IV, которая состоит из 74 аккумуляторов, смонтированных в специальном каркасе.

Все аккумуляторы соединены между собой последовательно. Отрицательный полюс находится в передней части, а положительный - в задней части батареи. Такое соединение аккумуляторов батареи с максимально возможным удалением ее полюсов друг от друга делается для того, чтобы избежать возможного замыкания контактов, находящихся под полным напряжением батареи, а также для уменьшения ее саморазряда из-за утечки тока.

После установки и закрепления аккумуляторной батареи в торпеде оба ее полюса (положительный и отрицательный) присоединяются силовыми кабелями к соответствующим переходным клеммам на перегородке АО.

Аккумуляторная батарея (АБ). В состав аккумуляторной батареи B-6-IV входят свинцово-кислотные аккумуляторы, обладающие повышенной удельной емкостью и обеспечивающие несколько короткоразрядных циклов при сравнительно высокой силе разрядного тока.

Аккумулятор батареи B-6-IV состоит из следующих основных частей: бака, крышки, пробки, блока электродов (положительных и отрицательных пластин), собранных в одну общую группу и разделенных между собой деревянными сепараторами (рис. 8). Полностью собранный аккумулятор заливается электролитом (раствором серной кислоты в воде) и проходит цикл зарядки электрическим током.

Рис. 8. Свинцово-кислотный торпедный аккумулятор: 1 - бак; 2 - отрицательная пластина; 3 - сепаратор; 4 - положительная пластина; 5 - токоведущее ушко; 6 - боры; 7 - боевая пробка

Аккумуляторный бак изготавливается из прессованного эбонита и содержит в себе до 65% натурального каучука. Его нижняя часть делается более утолщенной и имеет три или четыре призматических выступа, на которые опирается своими выступами блок отрицательных пластин аккумулятора.

В крышке аккумуляторного бака сделаны три отверстия: два крайние - для вывода борнов положительных и отрицательных пластин и среднее - для пробки.

Через среднее отверстие с резьбой производится заливка аккумулятора, замеры температуры, плотности и уровня электролита.

После приведения аккумуляторов в рабочее состояние при общей сборке их в АБ и приготовления к действию в крышки ввертываются рабочие пробки, которые служат для отвода газов, выделяющихся из аккумуляторов и, кроме того, обеспечивают непроливаемость электролита при наклоне аккумулятора в пределах 90° в любую сторону. Электролит заполнит внутреннюю полость пробки, и его уровень установится несколько выше отверстия в крышке пробки, однако выливаться он не будет, так как в отверстиях отражательного щитка пробки создается поверхностное натяжение.

Блок пластин аккумуляторов состоит из двух комплектов. В один комплект входят 15 положительных пластин (толщиной 1 мм каждая), а в другой - 16 отрицательных. Между ними проложено 30 деревянных (ольховых) сепараторов. Для предохранения от коротких замыканий между пластинами сепараторы несколько выступают за их кромки.

Пластины аккумулятора - это прямоугольные решетки, отлитые из свинцово-сурмянистого сплава и заполненные активной массой.

Отрицательные пластины в нижней части имеют по две опорные ножки для того, чтобы устранить возможность коротких замыканий, которые могут возникнуть между пластинами от выпадения активной массы решетки на дно аккумуляторного бака. Положительные пластины удерживаются в подвешенном состоянии за счет уплотнения сепараторами.

Активными химическими веществами аккумуляторов являются приготовленные пасты, нанесенные на пластины, и электролиты. В заряженном свинцово-кислотном аккумуляторе активным материалом отрицательной пластины является губчатый свинец, а положительной пластины - твердоцементированная двуокись свинца. Электролитом служит водный раствор соляной кислоты.

Аккумуляторы устанавливаются в крепежную арматуру, состоящую из четырех блоков: переднего, двух средних и заднего.

Действие аккумуляторной батареи. При пуске торпеды откидывается курок, который открывает перепускной клапан воздушной магистрали. Под действием воздуха высокого давления срабатывает контактор, замыкающий электрическую цепь между АБ и электродвигателем, в результате чего происходит пуск электродвигателя.

По мере прохождения торпедой установленной дистанции АБ разряжается, и ее напряжение постепенно падает.

Аккумуляторная батарея B-6-IV торпеды САЭТ-50 при 45 аккумуляторах обеспечивает среднее рабочее напряжение 81 В и среднюю силу тока 570 А.

Главный недостаток аккумуляторов заключается в небольшой энергоемкости. Поэтому исследовательские работы за рубежом в послевоенный период в основном направлены на создание источников питания большой емкости.

В первом образце американской электрической торпеды Мк18 устанавливалась свинцово-кислотная аккумуляторная батарея Мк2, удельная энергоемкость которой составляла 8 Вт·ч/кг. В 1944 г. некоторые электротехнические фирмы начали исследования по созданию батарей с более высокими удельными характеристиками.

Испытывались магниево-хромовые, цинково-йодистые, сухие электролитические батареи и многие другие. В результате пригодными для торпед оказались никелево-кадмиевые, серебряно-цинковые батареи и серебряно-магниевые источники тока, в которых электролитом служит морская вода.

Никелево-кадмиевые батареи французы стали использовать в торпедах L3, Е14 и Е15. Как отмечали зарубежные специалисты, достоинством этих батарей являлись малая стоимость и простота эксплуатации. При практических стрельбах они выдерживают около 40 циклов (заряд-разряд).

Рис. 9. Биполярный электрод для аккумуляторной батареи, активируемой морской водой: 1 - слой сплава магния толщиной 0,267 мм; 2 - слой хлорида серебра толщиной 0,432 мм; 3 - сепараторы из стеклянных шариков, входящих в отверстия диаметром 0,762 мм; 4 - серебряная фольга толщиной 0,0254 мм

Плотность энергии серебряно-цинковых аккумуляторных батарей 52... 55 Вт·ч/кг, потеря мощности при высокой скорости разряда меньше, чем у свинцово-кислотных, однако срок службы довольно мал и, по данным американской печати, составляет всего только шесть циклов (при средних условиях эксплуатации).

До середины 60-х годов серебряно-цинковые одноразовые батареи были многоэлементными и по массе мало отличались от обычных аккумуляторных. Много общего было у них и в устройстве.

Положительные электроды серебряно-цинковой щелочной батареи изготовлялись на основе штампованной серебряной сетки и порошкообразного серебра, которые затем совместно подвергались прессованию и спеканию. Принятая технология способствовала лучшему распределению тока и увеличила емкость элементов на 50%.

Пластины отрицательных электродов делались из прессованного цинкового порошка, цинковых волокон или сетки, покрытой распыленным цинком.

При выполнении надлежащих конструктивных мероприятий к. п. д. такого элемента достигал 75 % при высоких скоростях разряда.

Батарея, активируемая морской водой, создавалась за рубежом специально для торпеды и обеспечивала удельную энергию до 132,28 Вт·ч/кг.

Рассмотрим принцип действия батареи, которая активируется потоком морской воды, проходящим через ее элементы. Биополярный электрод батареи показан на рис. 9 и состоит из магниевой пластины, прокладки из серебряной фольги и пластины из хлорида серебра толщиной 0,432 мм. Все три слоя собраны вместе, а по краям загерметизированы лаком.

Рис. 10. Схема движения потока воды в батарее Мк 35-2: 1 - направление движения торпеды; 2 - выброс воды; 3 - заборник воды; 4 - путь морской воды; 5 - оболочка из алюминия

Блок элементов обеспечивает разрядный ток 90 А при напряжении 135 В в течение 15 мин и состоит из ПО элементов, заключенных в корпус из многослойной пластмассы.

Опорные выступы в верхней и нижней частях блока элементов образуют каналы, по которым электролит (морская вода) параллельными потоками направляется в элементы.

Несколько таких блоков образуют батарею, размещаемую в корпусе из алюминиевого сплава. Как видно из рис. 10, в кормовой части батареи имеется водозаборник, который с помощью пружинного механизма выдвигается за пределы оболочки торпеды после ее выхода из торпедного аппарата. Водозаборник направляет поток морской воды через блоки элементов, а затем снова за борт.

Батарея не теряет своих свойств при хранении, ей не страшны высокая температура и повышенная влажность.

В торпеде США Мк 44 используется батарея на морской воде Мк 61, а аналогичная по конструкции батарея Мк 67 служит источником тока в торпеде Мк 45. Плотность тока этой батареи при напряжении 245 В достигает 265 мА/см².

Военно-морские специалисты США направили усилия исполнителей контрактов на увеличение выходного напряжения с 245 до 500 В и плотности тока с 2,635·10³ до 5,038 А/м², а также на изучение нового магниевого сплава.

В США исследовались и другие электрохимические пары для торпедных батарей. Так, изготовлен экспериментальный образец батареи мощностью 8 кВт при напряжении 20 В и времени разряда 10 мин, который может использоваться в торпедах. У нее исключительно высокая удельная плотность электроэнергии, анодом служит литий, а катодом - сталь. При работе расходуются только литиевые аноды, которые должны заменяться после каждого практического выстрела.

Иностранные специалисты считают, что пока для тепловой ЭСУ торпеды можно увеличивать энергоемкость унитарного топлива, но в течение ближайших 10 лет этот резерв будет исчерпан. И тогда, как отмечают за рубежом, коренное улучшение тактико-технических характеристик торпед потребует возвращения к батареям с литиевыми элементами и к электромоторам. Однако использование таких батарей связано с преодолением множества технических трудностей.

В зарубежной печати высказывается мнение о том, что стоимость современных батарей чрезвычайно велика и непрерывно продолжает возрастать (табл. 3).

Таблица 3

Электродвигатели торпед предназначены для преобразования электрической энергии батареи в механическую энергию гребных винтов. Такое преобразование можно осуществлять двигателями постоянного или переменного тока, но поскольку выбор типа двигателя определяется имеющимся родом электропитания, то в торпедах и ставят двигатели постоянного тока. Интересно, что за всю историю развития электроторпед их двигатели претерпели наименьшие изменения.

Особенности торпедных электродвигателей - кратковременность рабочего процесса (10... 15 мин), малый срок службы (30... 50 рабочих циклов) и ограниченность рабочего напряжения. Из всех способов возбуждения и них в основном используется последовательное, так как оно наиболее полно удовлетворяет требованиям, предъявляемым к торпедным двигателям.

Наиболее широкое применение получили биротативные двигатели. По сравнению с обычными двигателями при одинаковых размерах они обладают большей мощностью. Объясняется это более высокой скоростью вращения якоря по отношению к магнитной системе, прямо пропорционально которой растет и мощность. Другое достоинство этих двигателей - отсутствие дифференциала и редуктора, что уменьшает шумность торпеды и упрощает ее конструкцию.

В отечественной торпеде САЭТ-50 применяется электродвигатель ПМ5-ЗМ, представляющий собой электрическую машину постоянного тока, последовательного возбуждения, открытого типа (рис. 11). Вращение электродвигателя передается гребным винтам непосредственно без применения редуктора. Это и определяет конструктивные особенности торпедных электродвигателей.

Рис. 11. Схема крепления электродвигателя ПМ5-ЗМ торпеды САЭТ-50

Электродвигатель ПМ5-ЗМ за фланец одного из неподвижных подшипниковых щитов крепится в кормовом отделении торпеды. Магнитная система с помощью переднего и заднего вращающихся щитов опирается через подшипники на внутренний вал, а задний вращающийся щит внутренним фланцем соединяется с наружным гребным валом. Щеточный аппарат для подачи напряжения на торцевой коллектор закрепляется на переднем вращающемся щите. Для восприятия упора гребных винтов в переднем подшипниковом щите смонтирован специальный упорный шарикоподшипник.

В связи с применением на торпедах аппаратуры самонаведения и неконтактных взрывателей к торпедным электродвигателям предъявляются жесткие требования по вибрации. Именно поэтому при изготовлении они проходят особо жесткие статическую и динамическую балансировки.

Основные свойства электродвигателей определяются совокупностью их параметров и характеристик, которые, в свою очередь, зависят от технических данных электроторпеды. Так, например, необходимая мощность электродвигателя определяется скоростью торпеды и ее размерами, а время его работы зависит от дальности и скорости хода торпеды. К числу основных параметров двигателя ПМ5-ЗМ, определяющих режим его работы, относится подводимая мощность, равная 108 кВт, напряжение 130 В и ток 830 А.

Действие электрической ЭСУ торпед. Если в торпеде используется АБ, то в ее силовой цепи должно быть два разрыва (рис. 12). В участок цепи между плюсом электродвигателя и АБ включается прибор, разобщающий их при хранении торпеды и соединяющий перед выстрелом. Этот прибор, называемый переключателем режимов, помимо вышеуказанной функции может также переключать режимы работы аппаратуры самонаведения. Такое переключение делается вручную перед выстрелом.

Рис. 12. Электрическая силовая схема действия с батареей многоразового

Между минусами батареи и электродвигателя включен контактор, который автоматически подает напряжение на двигатель в момент выстрела или с замедлением до 4... 5 с и снимает напряжение после прохождения торпедой необходимой дистанции. Замедление включения контактора производится при стрельбе торпедами с надводных кораблей, чтобы пустить электродвигатель только в тот момент, когда торпеда войдет в воду.

Двойной разрыв цепи от батареи к электродвигателю в торпедах с АБ необходим для обеспечения безопасности обслуживающего персонала. Он не позволяет при случайном откидывании курка подавать на ненагруженный двигатель полное напряжение, а, следовательно, не допускает чрезмерного роста частоты вращения двигателя, приводящего к его разносу и выходу из строя.

У торпед с АБ, требующими подзаряда в процессе хранения на корабле, в электрическую схему включены клеммы, через которые производится периодический под-заряд, а также замер э. д. с. батареи и сопротивления изоляции.

В момент выстрела из торпедного аппарата подводной лодки в торпеде откидывается курок и открывается перепускной клапан. Воздух высокого давления через этот клапан поступает из воздушных баллонов в пневматическое устройство контактора и замыкает его контакты. Происходит замыкание силовой цепи аккумуляторной батареи и пуск электродвигателя.

Остановка электродвигателя в конце хода торпеды при практическом выстреле производится контактором, размыкающим силовую цепь аккумуляторной батареи после срабатывания прибора расстояния и закрытия перепускного клапана.