4 октября 2018 года в Кобе, на верфи Mitsubishi Heavy Industries была спущена на воду новая подводная лодка Oryu (SS-511). Это одиннадцатая по счету лодка типа Soryu. Головной корабль того типа был спущен на воду 5 декабря 2007 года на той же самой верфи. Название его переводится как «Голубой дракон», и все остальные лодки также получили «драконьи» имена. Название ныне спущенной на воду лодки можно перевести как «Дракон-феникс». Здесь не обошлось без обычной для японской военщины отсылки к славному военному прошлому. Головная лодка проекта была названа в честь японского авианосца, потопленного в битве за Мидуэй.
Oryu (SS-511) на верфи в Кобе, уже спущенная на воду
Однотипная с ней Hakuryu (SS-503) во время прибытия в Перл-Харбор в феврале 2013 года
Лодки этого типа являются новейшими японскими дизель-электрическими подводными лодками, оснащенными воздухонезависимыми двигателями Стирлинга, использующими жидкий кислород и дизтопливо. Но «Дракон-феникс» отличается от своих собратьев тем, что на лодке были установлены литий-ионные аккумуляторные батареи вместо традиционных свинцово-кислотных. Новшество не осталось без внимания, и об этом написали почти все, кто имеет отношение к новостям военно-морского флота.
Японцы, конечно, торжествуют, поскольку им удалось продвинуть новшество и построить первую в мире подводную лодку с таким аккумулятором. Однако же, на мой взгляд, это введение не настолько удачное, как полагают в Японии, правда, это выявится, скорее всего, лишь в условиях войны.
Лодка на батарейке. Каковы преимущества?
Сама по себе идея поставить на подводную лодку литий-ионный аккумулятор принадлежит, очевидно, корпорации Mitsubishi, у которой есть подразделение, занимающееся строительством крупных промышленных накопителей. Еще в 2013 году корпорация совместно с крупным японским производителем литий-ионных батарей GS Yuasa, построила в Ики (префектура Нагасаки) на электростанции компании Kyushu Electric Power Co. мощный накопитель на 1,6 мегаватт-час. Батарея состоит из 8 блоков, каждый из которых имеет 4,8 метра в длину, 0,8 метра в ширину и 2 метра в высоту, массой 4,6 тонны. Как видим, габариты «батарейки» вполне подходят для установки ее на подводной лодке.
Один из современных литий-ионных накопителей, установленный на газотурбинной электростанции. На фото хорошо видно, что «батарейка» довольно компактна по своим габаритам
С тех пор, конечно, были еще достижения, и в 2017 году японская корпорация построила в Нидерландах литий-ионный накопитель на 48 мегаватт-час. Для Японии производство мощных литий-ионных накопителей — это давно освоенное дело. С таким накопленным опытом можно было решиться на установку аналогичного накопителя на подводной лодке.
Преимуществ у литий-ионного аккумулятора перед традиционным для подводного флота свинцово-кислотным аккумулятором два. Во-первых, по моим подсчетам, литий-ионная батарея в 2,3 раза компактнее по габаритам по сравнению со свинцово-кислотным аккумулятором таких же характеристик. Из этого следует две возможности. Первая состоит в том, чтобы заменить прежний аккумулятор на новый, а освободившееся место занять каким-нибудь другим оборудованием или как-то полезно использовать. Вторая состоит в том, чтобы установить литий-ионный аккумулятор таких же габаритов, что и прежний, что даст лодке значительно больший запас энергии для подводного хода. Какой вариант был выбран, об этом японская военщина нам, конечно, не сообщила.
Во-вторых, литий-ионные аккумуляторы имеют режим быстрой зарядки, и крупный промышленный накопитель можно зарядить током силой 1000 ампер и выше всего за час или полтора.
Это, конечно, дает подводной лодке дополнительные тактические преимущества. Быстрая зарядка позволяет лодке эффективно действовать в акваториях с сильным противолодочным охранением, иметь больше времени на отрыв от преследования или дольше находиться в подводном положении на позиции в ожидании цели. Также емкий аккумулятор позволяет на экономичном ходу совершать довольно дальние переходы под водой. В общем, оборудование «Дракона-феникса» большой литий-ионной батарейкой позволяет полагать, что эта лодка предназначается для прощупывания подходов к портам, военно-морским базам там, где обычно и концентрируются противолодочные силы вероятного для Японии противника (в том числе и российские, конечно).
Лодки типа Soryu, как уже говорилось, оснащены воздухонезависимой двигательной установкой, развивающей скорость подводного хода до 20 узлов. То есть лодка может сделать рывок, догнать под водой даже весьма быстроходную цель и атаковать ее торпедами. «Дракон-феникс» имеет шесть носовых торпедных аппаратов с общим боекомплектом в 30 533-мм торпед «Тип 89», а также противокорабельные ракеты UGM-84 Sub-Harpoon.
Помимо этого, литий-ионные аккумуляторы не требуют сложного и трудоемкого обслуживания, они не выделяют испарений кислоты и водорода, как изношенные свинцово-кислотные аккумуляторы. При сильном крене отсутствует опасность вытекания электролита из батарей. Также литий-ионные батареи имеют больший срок службы по сравнению с свинцово-кислотными.
В общем, все преимущества налицо. Недаром по этой теме возникло такое оживление. Но все же, на мой взгляд, эти преимущества налицо до тех пор, пока японская подводная лодка не попала под глубинные бомбы.
Существенный недостаток
За литий-ионными аккумуляторами числится один весьма существенный недостаток: они при определенных условиях склонны к самовозгоранию, иногда со взрывом. Причина самовозгорания — короткое замыкание аккумуляторного элемента, при котором происходит повышение силы тока и разогрев. При достижении температуры в 90 градусов литий начинает реагировать с электролитом. При дальнейшем разогреве до 200 градусов начинается термическое разложение электролита и катода с выделением кислорода. Вот на этом этапе возможен взрыв с разрушением батареи. Даже если взрыв был несильным и его хватило только на корпус аккумулятора, возникает очаг пламени, подпитываемый выделяющимся при разложении электролита кислородом.
Основных причин короткого замыкания три. Первая — механические повреждения, при которых катод и анод соприкасаются и возникает короткое замыкание. Вторая — нагрев, приводящий к расширению катода и анода, ускорению реакций, что приводит к серии микроскопических внутренних коротких замыканий. Третья — ускоренная зарядка или превышение силы тока при зарядке, в силу чего образуются ветвеобразные дендриты металлического лития, произрастающие из анода. Когда дендрит дойдет до катода, возникнет короткое замыкание.
Известны сотни случаев взрывов и возгораний литий-ионных аккумуляторов в электронных гаджетах, а также сгорело по крайней мере три электромобиля Tesla. Один на зарядке, а два — из-за механических повреждений. Один такой случай наиболее интересен. Аккумулятор взорвался и загорелся при столкновении электромобиля с отбойником. В некоторых сообщениях даже писали о «детонации» аккумулятора. В описаниях таких возгораний подчеркивается, что огонь появляется очень быстро и охватывает машину в считанные минуты.
Tesla Model S, горящая после столкновения с бетонным барьером. Эту машину тушили пять пожарных машин и 35 пожарных
Тушить горящий литий-ионный аккумулятор трудно. Вода и пена только усиливают пламя за счет реакции с литием. Изоляция от атмосферного воздуха возможна, но малоэффективна, поскольку кислород выделяется внутри батареи, вместе с водородом и другими горючими газами. Пожарные рекомендуют использовать порошковые огнетушители или соду, а также советуют или дать аккумулятору выгореть, или чем-нибудь его охлаждать.
Этот общий обзор показывает, что размещение на подводной лодке литий-ионного аккумулятора — это не то чтобы очень хорошая идея для боевых условий, когда на лодку сыплются глубинные бомбы. Как свидетельствует обширный военный опыт, близкий взрыв глубинной бомбы, даже не приводящий к пробоине в прочном корпусе, тем не менее, наносит ей очень серьезные повреждения: выбитые сальники, уплотнители, клапаны, запорная арматура, сорванные с креплений механизмы, лопнувшие трубопроводы, поврежденная и закоротившая электропроводка с возникновением пожара. Все это может привести к повреждению батареи и может резко усугубить ситуацию.
Просто в качестве напоминания: как это бывает. Кадр из фильма Submerged (2001)
Все варианты ведут к пожару
Какие есть возможные варианты?
Течь и поступление воды в аккумуляторную яму; короткое замыкание с последующим разогревом батареи, взрывом и пожаром. Морская вода «закорачивает» электрооборудование гораздо лучше, чем пресная.
Сильный удар от взрыва глубинной бомбы и повреждение аккумуляторных элементов соударением, а также обломками. При всех возможных мерах предосторожности и защиты батарей разного рода амортизаторами, тем не менее, вероятность механического повреждения от соударения элементов все же весьма высока. Этот вариант очень опасен, поскольку так может быть повреждена значительная часть батареи, разогрев и взрыв батареи может происходить быстрее и с гораздо большим разрушительным эффектом.
Разогрев батареи в результате уже возникшего на лодке пожара. Батарее нужно нагреться до начала процесса самовозгорания всего до 90 градусов, что легко достижимо для любого более или менее крупного пожара. История пожаров на подводных лодках показывает, что сильный пожар настолько быстро и сильно раскаляет переборки отсеков, что пожар распространяется и на соседние отсеки. Если загорелся отсек с аккумуляторной ямой, и пожар не смогли быстро потушить, то, вне всякого сомнения, литий-ионная батарея в яме быстро разогреется, взорвется и загорится. Не будем забывать, что на лодке типа Soryu имеется запас жидкого кислорода для двигателя Стирлинга. Если емкость со сжиженным кислородом будет повреждена и жидкий кислород попадет в зону горения или найдет масло, то экипажу японской лодки особо не позавидуешь.
К-8, погибшая от сильного пожара в Бискайском заливе 9 апреля 1970 года
Наконец, стоит добавить также ускоренную перезарядку, негативно влияющую на литий-ионные аккумуляторы (опасностью разогрева и образованием литиевых дендритов). Серией таких быстрых перезарядок, необходимых при боевых действиях в районе с большими противолодочными силами противника, когда время на перезарядку ограничено, лодка вполне может довести свои батареи до такой кондиции, что буквально одна глубинная бомба будет в состоянии вызвать внутреннее короткое замыкание аккумуляторных элементов, разогрев и взрыв.
Пожар на батарее почти невозможно ликвидировать штатными лодочными средствами. Водой нельзя, это только усилит пожар. Фреон малоэффективен, поскольку пожар подпитывается кислородом от разложения электролита. Фреон может помочь при небольшом возгорании или опасном перегреве как охлаждающее средство. Позволить батареям выгореть тоже нельзя: они сгорят вместе с лодкой. Можно попробовать затопить горящую аккумуляторную яму морской водой. Сказать, к чему это приведет, трудно, по всей видимости, еще не проводилось таких экспериментов. Что будет, если затопить морской водой крупный промышленный литий-ионный накопитель? Думается, такая попытка приведет лишь к усилению пожара и усугублению ситуации. Если на «Драконе-фениксе» загорятся аккумуляторные батареи, то экипажу ничего не останется, кроме как всплыть и покинуть корабль. Лодка, таким образом, вряд ли оправдает свое название.
Схема «Дракона-феникса». Если она правдива хотя бы в основном, то из нее неплохо видно, что лодка с описанными выше особенностями литий-ионных батарей обладает сильно пониженной живучестью. Японские конструкторы разместили одну из аккумуляторных ям в одном отсеке с центральным постом. Пожар на этой батарее быстро выведет управление лодкой из строя
Здесь нужно подчеркнуть, что все меры безопасности, эффективные в гражданском использовании литий-ионный батарей, будут явно недостаточными для экстремальных условий эксплуатации на подводной лодке, особенно если ее преследует и забрасывает глубинными бомбами противник. Да и не только в боевых условиях. Течи и пожары возможны на лодке и в мирное время, в рядовом выходе в море, не говоря уже о столкновениях с надводными судами или подводными скалами. Столкнуться с кораблем для лодки на литий-ионной батарейке не менее опасно, чем попасть под глубинные бомбы.
Отсюда и вывод. Литий-ионная батарея, имея ряд преимуществ, тем не менее, увеличивает уязвимость подводной лодки. Ощутимо увеличивает, причем в самом опасном виде аварии, какая только может случиться на подводной лодке, — пожаре. Не сочтите меня консерватором, но старая добрая свинцово-кислотная батарея, отвоевавшая две мировые войны на подлодках всех воевавших стран, все же лучше. Хотя бы тем, что она не горит.
