АТОМНАЯ ПОДВОДНАЯ ЛОДКА
NUCLEAR SUBMARINE

Изобретение относится к судостроению, преимущественно подводному флоту.
Известна подводная лодка (атомная подводная лодка - АПЛ), содержащая прочный корпус, охватывающий его легкий корпус, цистерны между этими корпусами и спасательную камеру, пристыкованную к АПЛ с возможностью отделения от нее (см. Павлов А.С. Военные корабли России 1997-1998 гг. Справочник. Якутск, Литограф, 1997 -151 с. Стр. 17, 18, 23, 24; Букалов В.М., Нарусбаев А.А. Проектирование атомных подводных лодок. Л., Судостроение, 1968, стр.72-83).
Существующее расчленение среды обитания в прочном корпусе путем применения "прочных" межотсечных переборок подводной лодки носит иллюзорный характер, сохраняя взаимосвязь отсеков по проходящим через переборки многочисленным трубопроводам газов и жидкостей, воздуховодам вентиляции и кабельным трассам (силовым, управления, связи и др.), что зачастую приводит к невозможности локализации повреждений и пожаров на борту, потере управления отсеками и распространением повреждений в соседние отсеки. Такие ситуации неминуемо оканчиваются катастрофами, см. Букань С.П. По следам подводных катастроф. М.: Гильдия мастеров "Русь" - 1992.
Эти результаты (обеспечение безопасности экипажа) достигаются тем, что в атомной подводной лодке, содержащей прочный корпус, охватывающий его легкий корпус, цистерны между этими корпусами и спасательную камеру, пристыкованную к атомной подводной лодке, прочный корпус выполнен из отдельных жестко связанных между собой капсул с разделением их на капсулы для обитания экипажа и капсулы с энергетическими и другими потенциально опасными установками и системами, причем капсулы прикреплены к общей силовой килевой ферме, а спасательная камера выполнена в виде самоходной и управляемой подводной лодки, в которой размещен главный пункт управления атомной подводной лодкой и которая используется для спасения всего экипажа при аварии атомной подводной лодки, при этом капсулы сообщены между собой переходными люками с герметичными закрытиями и через соединительный блок и разъемный шлюз для прохода в спасательную камеру.
Кроме того, на атомной подводной лодке установлены реакторы, имеющие ответвления первого контура на термоэлектрические генераторы с естественной циркуляцией теплоносителя. Кроме того, каждая капсула снабжена автономными системами пожаротушения и живучести, а обитаемые капсулы имеют еще и автономные системы жизнеобеспечения и связи.
Помимо повышения безопасности экипажа в капсулах, дистанционированных от капсул с энергетическими и другими опасными установками и системами, значительный функциональный эффект предлагаемой атомной подводной лодки (АПЛ) обеспечивается применением дополнительных термоэлектрических генераторов (ТЭГ), работающих со штатными реакторами ядерной энергетической установки (ЯЭУ) АПЛ см. описание к патенту RU 2151083 С1). Это позволяет отказаться от аварийных дизель-генераторов и сократить емкость аккумуляторной батареи (резервной). Мощность ТЭГ ориентировочно на два порядка ниже, чем штатного турбогенератора, и выбирается из условий обеспечения бесшумного плавания АПЛ на малых ходах (3-7 узлов) в подводном рейсе с одновременным экономным снабжением электроэнергией основных бортовых систем управления, жизнеобеспечения, живучести и связи АПЛ, в том числе при ремонтах и/или авариях на борту без ограничения по времени пребывания в подводном положении.
Реальность предложения подтверждается достигнутыми в настоящее время показателями надежности и возможностями дистанционного управления сложных технических систем из удаленного центра с перенесением функций активной безопасности, саморегуляции и автоматического дублирования на локальные необслуживаемые компьютерные устройства, уже давно успешно используемые, например, в наземной ядерной энергетике и в технике пилотируемых космических полетов, авиации (см., например, Отраслевой семинар Минатома "Современные методы и средства диагностики ЯЭУ. Обнинск, 2001, 98 с., а так же опытом создания и эксплуатации автоматизированной АПЛ проекта 705, разработанной СКБ-142, см. Ильин В.Е. Подводные лодки России. М.: Астраль, 2002 - 287 с., стр.62-71).
Предлагаемые капсулирование и дистанционное управление саморегулирующимися установками АПЛ из главного пункта управления (ГПУ), размещенного в спасательной камере, позволяют резко сократить численность экипажа АПЛ, оставляя за специалистами только контроль по основным служебным постам. При трехсменной вахте получается 15 человек на борту.
Ряд вспомогательных функций, таких как питание, уборка помещений, медицина, организация досуга и др., будет обеспечиваться подвахтенной сменой. Реальность такого расширения функций подтверждается практикой длительных (более 1 года!) космических пилотируемых полетов. С набором опыта плавания в подобных условиях, можно ожидать дальнейшую интеграцию функций членов экипажа и снижение их численности.
Известна американская атомная подводная лодка "Тритон" (SSRN-586), имеющая кормовую оконечность (КО), содержащую прочный корпус, гребные валы с гребными винтами, а также главные упорные подшипники и дейдвуды в кормовом отсеке. (Быховский И.А. Атомные суда. Ленинград, 1961 г., стр.121-128, 144, табл. 13/3-я строка сверху).
Недостатком этой АПЛ является то, что ее КО не приспособлена для размещения в ней дополнительного оборудования контроля и защиты кормовой полусферы как из-за отсутствия необходимой площади для размещения, так и невозможности обеспечить условия для работы аппаратуры обнаружения.
Известна атомная подводная лодка по патенту РФ на изобретение №2466056, МПК D63G 8/00, опубл. 10.11.2012 г., прототип.
Эта подводная лодка содержит прочный корпус, охватывающий его легкий корпус, цистерны между этими корпусами, кормовую оконечность с гребным винтом, со ступицей, установленной на гребном валу, соединенном с электродвигателем, соединенным в свою очередь через коммутатор электрическим кабелем с аккумулятором, вал которого соединен с главным валом двигательной установки, соединенной валом с электрогенератором.
Недостатки: ограниченное время пребывания АПЛ в подводном положении из-за тепловыделения ядерного реактора и относительно низкий кпд двигательной установки.
Задачи создания изобретения - увеличение времени пребывания подводной лодки в подводном положении и увеличение кпд ее двигательной установки.
Решение указанных задач достигнуто в атомной подводной лодке, содержащей прочный корпус, охватывающий его легкий корпус, цистерны между этими корпусами, кормовую оконечность с гребным винтом, со ступицей, установленной на гребном валу, соединенном с электродвигателем, соединенным в свою очередь через коммутатор электрическим кабелем с аккумулятором, главный вал двигательной установки соединен с электрогенератором, тем, что согласно изобретению к легкому корпусу с обеих сторон прикреплены боковые корпуса, имеющие входные м выходные отверстия для забора и сброса воды, двигательная установка состоит из двигателя внешнего нагрева, системы нагрева с ядерным реактором и системы охлаждения с теплообменниками-охладителями, установленными внутри боковых корпусов, электродвигатель электрическим кабелем соединен с коммутатором, к которому также электрическим кабелем присоединены аккумуляторы, внутри прочного корпуса установлена двигательная установка, к которой валом присоединен электрогенератор, электрогенератор также электрическим кабелем соединен с коммутатором.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1…8, где:
- на фиг.1 приведена схема подводной лодки,
- на фиг.2 приведен вид сверху,
- на фиг.3 приведена двигательная установка,
- на фиг.4 приведен двигатель внешнего нагрева,
- на фиг.5 приведена схема электрооборудовании для первого варианта,
- на фиг.6 приведена схема электрооборудования для второго варианта,
- на фиг.8 приведена схема кормовой части подводной лодки.
Подводная лодка (фиг.1…8) содержит прочный корпус 1, охватывающий его легкий корпус 2, цистерны 3 между этими корпусами 1 и 2, прочную рубку 4 и спасательную всплывающую камеру 5, установленную внутри прочного корпуса 1 под прочной рубкой 4, кормовую оконечность 6 с гребным винтом 7 со ступицей 8, установленной на гребном валу 8, соединенном с электродвигателем 10.
Электродвигатель 10 электрическим кабелем 11 соединен с коммутатором 12, к которому также электрическим кабелем 11 присоединены аккумуляторы 13.
Внутри прочного корпуса 1 установлена двигательная установка 14, к который валом 15 присоединен электрогенератор 16. Электрогенератор 16 также электрическим кабелем 11 соединен с коммутатором 12.
Подводная лодка содержит палубы 17, переборки 18, разделяющие внутреннюю полость прочного корпуса 1 на отсеки 19. В одном или двух отсеках 18 установлены торпеды 20.
К легкому корпусу 2 с обеих сторон прикреплены два боковых корпуса 21, имеющих входные и выходные отверстия, соответственно 22 и 23 (фиг.2). Внутри боковых корпусов 21 установлены теплообменники-охладители 24. Крепление боковых корпусов выполнено узлами крепления 25.
Возможен второй вариант исполнения электрической схемы соединения агрегатов подводной лодки (фиг.6). В этом случае на горячей поверхности двигательной установки 14 установлен термоэлектронный блок 26 (например, блок горячих термопар), который электрическим кабелем 11 соединен с коммутатором 12 и позволяет получить дополнительную энергию.
Двигательная установка 14 подводной лодки (фиг.3) содержит закрепленные в одном из отсеков 14 прочного корпуса 1 к силовому шпангоуту 27 при помощи шарниров 28 и тяг 29 ядерный реактор 30 и двигатель внешнего нагрева (Стирлинга) 31.
Двигатель внешнего нагрева 31 (фиг.3 и 4) содержит цилиндр 32, внутри которого расположены рабочий поршень 33 и вытеснительный поршень 34. Двигатель внешнего нагрева 31 имеет главный вал 35. В свою очередь цилиндр 32 выполнен из двух частей: нагревательной части 36 и охлаждающей части 37. Для этого цилиндр 32 выполнен пустотелым и содержит торцовую стенку 38 и боковую стенку 39. Боковая стенка 39 выполнена пустотелой и содержит внутреннюю стенку 40 и внешнюю стенку 41 с полостью нагрева 42 и полостью охлаждения 43 между ними. На торцовой стенке 38 цилиндра 32 также может быть выполнена дополнительная полость нагрева 42
Рабочий поршень 33 установлен на штоке 44, а вытеснительный поршень 34 - на штоке 45, выполненном в виде втулки коаксиально штоку 44. На главном валу 35 установлен маховик 46 и с ним связан механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное 47 и датчик частоты вращения 48. С главным валом 35 через редуктор 49 и вал 50 связан электрогенератор 16 (точнее его ротор). Далее приведено описание конструкции механизма преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное 47. К штоку 44 (фиг.4) шарниром 51 присоединен шатун 52, другой конец которого через шарнир 53 соединен с рычагом 54, жестко закрепленным на главном валу 35.
Вытеснительный поршень 34 установлен на штоке 45. К штоку 45 шарниром 55 присоединен шатун 56, другой конец которого через шарнир 57 соединен с рычагом 58, жестко закрепленным на главном валу 35.
Цилиндр 32 имеет открытый торец 59, имеющий отверстия 60 для сообщения полости 61 с атмосферой. На нагревательной части 36 цилиндра 32 может быть выполнена тепловая изоляция 62. Кроме того, между торцовой стенкой 38 и рабочим поршнем 33 выполнена «горячая» полость 63, а между рабочим поршнем 33 и вытеснительным поршнем 34 - «холодная» полость 64.
Кроме того, двигатель имеет систему нагрева 65 и систему охлаждения 66.
Система нагрева 65 содержит (фиг.1), по меньшей мере, одну полость нагрева 42 в корпусе цилиндра 32, к которой с одной стороны присоединен трубопровод отбора 67 с насосом 68, имеющим привод 69, трубопровод высокого давления 70, ядерный реактор 30, к выходу которого присоединен трубопровод подачи 71, который соединен с полостью нагрева 42 на другой стороне цилиндра 32.
Система охлаждения 66 содержит, по меньшей мере, одну полость охлаждения 43 внутри цилиндра 32, к которой присоединен трубопровод отбора 72, содержащий насос 73, имеющий привод 74, к выходу которого присоединен теплообменник-охладитель 24, к выходу которого присоединен трубопровод подачи 75, выход которого присоединен к полости охлаждения 43 на другой стороне цилиндра 32. В системе охлаждения 66 установлены запорные клапаны 76 и 77. К теплообменнику-охладителю 24 присоединены заборный трубопровод 78 и трубопровод сброса 79 соединяющие теплообменник-охладитель 74 с входным и выходным отверстиями 22 и 23 соответственно (фиг.2).
Насосы 68 и 73 выполнены с переменной регулируемой производительностью, что достигнуто соединением их с приводами 69 и 74, это позволяет настраивать наиболее оптимальный по экономичности режим работы двигательной установки 14.
Двигательная установка 14 оборудована системой управления с блоком управления 80, соединенным электрическими связями 81 с приводами 69 и 74 насосов 68 и 73.
Кроме того, система управления может быть оборудована четырьмя датчиками температуры;
- температуры нагревающей среды до теплообменника 82,
- температуры нагревающей среды после теплообменника 83,
- температуры охлаждающей среды до теплообменника 84,
- температуры охлаждающей среды после теплообменника 85.
При этом все датчики температуры 82…85 соединены электрическими связями 81 с блоком управления 80.
На атомной подводной лодке в качестве внешней охлаждающей среды для теплообменников-охладителей 74 (фиг.1 и 3) используется забортная вода, которая подается из входного отверстия 22 по заборному трубопроводу 78 и сбрасывается по трубопроводу сброса 79 в выходное отверстие 23. Это повысит кпд двигателя и позволит использовать бесплатный неограниченный по объему хладоресурс например, морской воды.
Работа агрегатов двигательной установки и электрооборудования атомной подводной лодки.
Одновременно включают системы нагрева 65 и охлаждения 66 (фиг.3 и 4).
Работа системы нагрева 65 осуществляется следующим образом.
Циркулирующая нагревающая среда отбирается из полостей нагрева 42 по трубопроводу отбора 67, насосом 38 по трубопроводам 70 и 71 подается в ядерный реактор 30, где нагревается и далее подается в полости нагрева 42.
Работа системы охлаждения осуществляется следующим образом. Циркулирующая охлаждающая среда отбирается из полостей охлаждения 43 по трубопроводу 72, насосом 73 подается в теплообменник-охладитель 24, где охлаждается и далее по трубопроводу 75 возвращается в полости охлаждения 43. За счет применения электронного блока управления 78 с использованием микропроцессора (на фиг 1…8 микропроцессоры не показаны) и датчиков температуры 80…83 можно автоматически выбрать оптимальные (по экономичности) варианты режима работы двигателя за счет воздействия через приводы 69 и 74 на насосы 68 и 73 при постоянном режиме работы ядерного реактора 30.
После запуска двигательной установки 14 через вал 15 приводится во вращение ротор электрогенератор 16. Электрогенератор 16 вырабатывает электрический ток, который по электрическому кабелю 11 через коммутатор 12 подается в аккумулятор 13 и в электродвигатель 10. Электродвигатель 10 через гребной вал 9 приводит во вращение ступицу 8 с гребными винтами 7. Подводная лодка движется в подводном положении. При необходимости подзарядки аккумуляторов 13 электродвигатель 10 отключается коммутатором 12.
В варианте 2 (фиг.6) термоэлектрический генератор 26 дополнительно вырабатывает электрическую энергию, например при отказе двигательной установки 14 или в течение нескольких часов после выключения двигательной установки 14 за счет остаточного тепла. Это повышает надежность и боевую живучесть подводной лодки. Наличие двух теплообменников-охладителей 24 также повышает живучесть подводной лодки.
Регулирование режима работы двигательной установки 14 осуществляют регулированием режима работы ядерного реактора 30 и приводами 69 и 74. Регулирование режима работы гребных винтов 7 не показано.
Применение изобретения позволило:
1. Обеспечить значительное увеличение длительности пребывания подводной лодки в подводном положение за счет повышения кпд двигательной установки и использования безграничного хладоресурса воды.
2. Повысить надежность двигательной установки и подводной лодки за счет:
- применения надежного двигателя внешнего нагрева,
- применения двух теплообменников-охладителей,
- применения запорных клапанов в системе охлаждения. При повреждении одного теплообменника-охладителя возможна длительная эксплуатация подводной лодки с незначительным на 5%…10% снижением мощности двигательной установки.
3. Значительно повысить надежность работы системы управления и КПД двигательной установки за счет применения блока управления и четырех датчиков температуры нагревающей и охлаждающей среды (забортной воды).
4. Улучшить компоновку отсеков подводной лодки за счет выноса вне ее прочного корпуса теплообменников-охладителей, имеющих большие габариты.