Физика в бою

ЭНЕРГЕТИКА БОЯ

Новые задачи, новые решения. В результате технического перевооружения современных армий и флотов, связанного с революцией в военном деле, резко возросло число систем, комплексов и объектов боевой техники, требующих бесперебойного снабжения электроэнергией. И если сказать, что среди них стартовые площадки ракет, радиолокационные комплексы противоракетной и противовоздушной обороны, системы противолодочной обороны, узлы связи, различные устройства, которые обслуживают пункты базирования стратегической авиации, подводных лодок, станет ясно, почему к источникам тока военные специалисты сейчас относятся с особым вниманием.

В прошлом электроэнергия в армии использовалась, главным образом, для освещения, электросварки и электрификации некоторых инженерных и ремонтных работ. Современные потребители электроэнергии — это сложнейшие системы, включающие радиотехническую и электронно-вычислительную аппаратуру, синхронно-следящий электропривод, автоматические устройства и другое оборудование, которое во многих случаях требует одновременно питания переменным и постоянным током. Особенность ряда военных объектов, потребляющих электроэнергию, состоит и в том, что они рассредоточены на больших площадях, подвижны и имеют сравнительно небольшую мощность.

В зарубежной печати отмечается еще одно обстоятельство. В условиях ракетно-ядерной войны наряду с крупными промышленными центрами могут быть уничтожены также важнейшие электростанции, питающие энергией не только заводы и фабрики, но и военные объекты. Особенно же пострадают в такой обстановке линии электропередач. Это заставляет зарубежных специалистов усиленно работать над созданием автономных войсковых источников электроэнергии, способных работать в сложных условиях боя.

Что же представляют собой современные источники электропитания боевой техники? Какие проблемы возникают в связи с их созданием? Ответы на эти вопросы дают возможность познакомиться еще с одной стороной, участия физики в прогрессе военного дела: ведь теория электричества и ее практические приложения составляют обширную и весьма важную часть этой науки.

Основу единичного источника тока — электроагрегата — составляют первичный двигатель и генератор. Электроагрегаты обычно используются как самостоятельные источники тока в различных комплексах боевой техники или же устанавливаются на электростанциях. В качестве первичных двигателей применяют дизельные, карбюраторные и газотурбинные двигатели, снабженные необходимыми системами для их автономной и длительной работы в полевых условиях.

Серьезный отпечаток на конструкцию и качество электроагрегата накладывает его предназначение. Ведь одно дело — снабжать энергией неподвижный объект и другое — подвижный. Зарубежные специалисты относят создание источников тока для подвижной боевой техники к числу весьма сложных проблем. Считается, что они должны быть компактными и относительно легкими, способными надежно и длительно работать в полевых условиях зимой и летом, в пургу и дождь, в условиях, когда воздух насыщен пылью, при движении по грунтовым дорогам. По механической прочности и устойчивости к воздействию ударной волны они не должны уступать объекту, который питают током. В последнее время к подвижным электроагрегатам предъявляется дополнительное требование: способность работать на любом жидком топливе — керосине, бензине, дизельном и реактивном топливе, спирте, мазуте или смеси этих веществ.

Сейчас в зарубежных армиях электропитание подвижных объектов осуществляется либо от автономных передвижных электростанций, имеющих собственные транспортные средства, либо от электроагрегатов, расположенных на самом объекте и составляющих часть его, или, наконец, от установок с отбором мощности от базовых двигателей объекта. Примером обеспечения энергией передвижного объекта может служить электроснабжение американской батареи зенитных управляемых реактивных снарядов «Хоук», состоящей из двух огневых секций по три пусковые установки в каждой. Источником питания здесь служит электростанция, смонтированная на прицепах. Она включает пять электроагрегатов, причем один из них — резервный.

Питание большинства высокоманевренных передвижных объектов боевой техники осуществляется от электроагрегатов с карбюраторными, дизельными или газотурбинными двигателями. Зарубежные специалисты считают, что газовые турбины незаменимы на тех объектах, где время работы исчисляется минутами или часами и где быстрый запуск и готовность приема нагрузки решают все. В связи с этим в американской армии, например, газотурбоэлектрические агрегаты используются для питания пусковых установок оперативно-тактических ракет и зенитных комплексов. Так, на опытном подвижном зенитном комплексе реактивных снарядов «Маулер» использован газотурбоэлектрический агрегат переменного тока мощностью 60 квт.

Применение установок с отбором мощности от базовых двигателей на передвижных объектах боевой техники дает, как отмечалось в печати, выигрыш в весе, размерах и стоимости источника электропитания, поскольку один и тот же двигатель используется и для движения самого объекта, и для вращения генератора. Однако характеристики электроэнергии при этом получаются невысокими, в ряде случаев невозможно вырабатывать ток при движении. Поэтому подобные установки применяются на тех объектах, которые не требуют высокого качества электроэнергии и работают, как правило, на стоянке.

Чтобы обеспечить передвижные объекты одновременно и переменным и постоянным током, применяются отдельные электроагрегаты переменного и постоянного тока или используются, как и в зенитном комплексе «Хоук», электромашинные, а также полупроводниковые преобразователи тока. Переменный ток различной частоты позволяют получать преобразователи частоты.

Примером того, как внешне выглядит современная автономная передвижная электростанция, может служить изображенная на рис. 17 электростанция мощностью 675 квт на автомобильном шасси.

Стационарные военные объекты, в отличие от передвижных, обычно более энергоемки. Им нужны источники электропитания мощностью от нескольких сотен до тысяч киловатт. Например, только для работы радиолокационной станции целеуказания ракетной системы «Найк-Геркулес» требуется источник электроэнергии мощностью 1500 квт. Некоторые американские военные базы потребляют мощности в 6—10 тыс. квт и более.

Для электроснабжения стационарных военных объектов за рубежом иногда в качестве основных источников используются промышленные энергосистемы. На случай войны создается резерв из автономных источников электроэнергии. Так, американская радиолокационная станция целеуказания «Найк-Зевс» питается в мирное время от промышленной энергосистемы. Она имеет и собственную, автономную электростанцию, состоящую из девяти электроагрегатов мощностью по 1500 квт каждый. Часть из них находится в постоянной готовности к пуску и приему нагрузки на случай аварии или выхода из строя внешней сети.

Когда вблизи военного объекта отсутствует промышленная энергосистема, или мощность ее недостаточна, или, наконец, когда нужно обеспечить наивысшую надежность электропитания объекта, тогда используют автономные источники электроэнергии. На подземных стартовых площадках ракет «Атлас» каждая пусковая шахта имеет два дизель-электрических агрегата мощностью по 500 квт. Один агрегат поддерживает ракету в постоянной боевой готовности — мощность его достаточна для ее запуска. Второй находится в состоянии «горячего» резерва, т. е. готовности к запуску и приему нагрузки в течение 1–2 минут.

И еще одну проблему приходится решать военным специалистам-энергетикам. Дело в том, что большинство современных боевых комплексов требует надежного и бесперебойного электропитания. Способ решения этой задачи зависит от того, какой перерыв допустим в электроснабжении объекта. Если он составляет 1–2 минуты, применяют многоагрегатные автоматизированные электростанций. При остановке или аварии основного электроагрегата резервный запускается автоматически. Иногда резервирование делается многократным.

Когда объект допускает лишь весьма кратковременный перерыв в электроснабжении — секунды или даже доли секунды — или вообще не допускает перерыва электропитания, используют специальные электростанции бесперебойного или, как еще говорят, гарантированного питания. Они снабжаются электроагрегатами с накопителями энергии — инерционными маховиками или аккумуляторными батареями, которые и обеспечивают непрерывное электропитание объекта. На передвижных электростанциях бесперебойного питания обычно применяют электроагрегаты, имеющие два первичных двигателя (основной и резервный), электрический генератор, инерционный маховик и две управляемые муфты, поочередно подключающие двигатели к генератору.

Существуют и другие схемы электростанций бесперебойного питания. Есть стационарные электростанции, где применяются электроагрегаты с обратимыми электрическими машинами и инерционным маховиком (рис. 18). Здесь, когда потребители электроэнергии могут питаться от внешней сети, электрическая машина 1 работает в режиме электродвигателя и вращает маховик 2. При этом электромагнитная муфта 3 разомкнута. Если же напряжение в сети исчезает, автоматически запускается дизель 4, и электрическая машина начинает работать в режиме генератора — давать ток. Инерционный маховик в этом случае выполняет роль накопителя кинетической энергии, которая используется для поддержания скорости вращения генератора в период пуска дизеля.

На электростанциях бесперебойного питания с электродвигателями постоянного тока вместо инерционных маховиков применяют аккумуляторные батареи. В случае необходимости они питают электродвигатель, вращающий электрический генератор. Вообще говоря, электростанции бесперебойного питания — это довольно сложные автоматизированные устройства, способные длительно работать без обслуживающего персонала.

Военные атомные электростанции. В современных армиях широко используют всевозможные электроагрегаты и электростанции с дизелями, карбюраторными и газотурбинными двигателями. Они достигли высокого совершенства, однако, по мнению зарубежных специалистов, не могут удовлетворить всем современным требованиям. Одно из них — и очень существенное — способность источника электроэнергии работать длительное время без заправки горючим, поскольку в условиях высокоманевренного боя с применением ядерного оружия одна из самых сложных задач будет состоять в том, чтобы обеспечить снабжение войск всем необходимым, в том числе горючим. Исходя из этих требований, зарубежные специалисты обращают все более пристальное внимание на атомные электростанции, которые, как известно, могут долгое время — до двух и более лет*—работать без дозаправки ядерным горючим и обладают сравнительно большим сроком службы—12–16 тыс. час.

До последних лет рост атомной энергетики малой мощности за рубежом сдерживался большой стоимостью технического оборудования и, главным образом, стоимостью ядерного реактора. Атомные электростанции стоили значительно дороже, чем дизельные и газотурбинные. В настоящее время, как отмечалось в зарубежной печати, стоимость ядерного горючего и конструкционных материалов реактора быстро падает. В связи с этим в последние годы наметилась тенденция к расширению диапазона использования атомных электростанций, а в США приступили к созданию и военных атомных электростанций. Эти работы проводятся инженерным корпусом совместно с комиссией по атомной энергии. Была разработана обширная программа, выполнение которой началось в 1952 г.

Сейчас в армии США разрабатываются стационарные, блочно-транспортабельные и передвижные атомные электростанции. Стационарные, мощностью от 2 тыс. до 44 тыс. квт, предназначены для постоянного использования на определенном объекте. Они не приспособлены для перемещений. Как правило, на стационарных атомных электростанциях помимо выработки электричества производится отбор тепловой энергии для теплофикации.

Военные блочно-транспортабельные атомные электростанции мощностью от 200 до 3 тыс. квт строятся в виде отдельных блоков, которые могут перевозиться всеми видами транспорта, включая воздушный, и монтироваться на месте установки. Передвижные электростанции смонтированы на собственных транспортных средствах и рассчитаны для перемещения на значительные расстояния. Мощность армейских атомных электростанций, размещенных на сухопутных транспортных средствах, предусмотрена в диапазоне от 300 до 3 тыс. квт, а при расположении на судах — до 10 тыс. квт.

На передвижных электростанциях используются ядерные реакторы с газовым и жидкометаллическим теплоносителем. Реакторы этих типов по весу и габаритам значительно превосходят реакторы с водяным теплоносителем. Исключение представляет электростанция с водяным реактором типа MH-1A, которая расположена на судне.

Работы по созданию военных атомных электростанций в США ведутся с большим размахом. К 1970 году планируется создать армейские электростанции, способные производить ежесуточно до 2 млн. квт-ч электроэнергии. При этом основное внимание уделяется разработке передвижных установок. В одной из них мощностью 3 тыс. квт предусмотрен реактор, в котором теплоносителем будет жидкий металл.

Рассмотрим ближе одну из атомных электростанций. На рис. 19 показана передвижная военная атомная электростанция армии США типа ML-1. Она предназначается для питания радиолокационных, ракетных и орудийных систем и комплексов, пунктов управления, узлов связи, крупных полевых госпиталей, складов и других энергоемких военных объектов. ML-1 рассчитана на длительную работу с выдачей номинальной мощности 300 квт.

Электростанция способна работать при номинальной нагрузке в течение более 10 тыс. часов без дополнительной заправки ядерным горючим. Конструкция и габаритно-весовые показатели ML-1 допускают ее транспортировку по шоссейным и грунтовым дорогам, по железной дороге, водным и воздушным транспортом. Электростанция состоит из ядерного реактора и ряда блоков — турбогенераторного, управления и вспомогательного оборудования.

Основой электростанции служит ядерный реактор с газовым охлаждением. Диаметр реактора — 2,44 м, высота — 2,59 м, вес — 15 т. Теплоноситель— азот. Для привода электрического генератора использована газовая турбина. Блок управления расположен в отдельной кабине, которая во время работы электростанции находится на удалении до 150 м. Он включает в себя необходимые приборы и аппараты автоматического управления, контроля и защиты при аварийных режимах. Схема автоматизации электростанции выполнена на полупроводниковых приборах.

Общий вес технологического оборудования ML-1 с кабиной управления и блоком вспомогательного оборудования, но без транспортных средств составляет 40 т. Каждый блок размещен в контейнере, который защищает оборудование от ударной волны ядерного взрыва. Технологическое оборудование электростанции располагается на низкорамном автоприцепе, который буксируется армейским тягачом.

Электростанция ML-1 может быть использована не только как передвижная, но и как стационарная. В этом случае технологическое оборудование может быть снято с автоприцепа и установлено на фундаменте. Время, необходимое для приведения электростанции из походного положения в рабочее, включая пуск и разогрев, составляет 12 часов. Для расхолаживания и свертывания электростанции требуется 24 часа.

Из крупных военных передвижных атомных электростанций США следует отметить и электростанцию типа МН-1А мощностью 10 тыс. квт, предназначенную для электроснабжения военно-морских баз и береговых объектов большой энергоемкости. Базой электростанции служит судно типа «Либерти», специально переоборудованное для этой цели. Общий вид электростанции на судне показан на рис. 20. Американские специалисты подсчитали, что электростанция МН-1А обеспечит экономию горюче-смазочных материалов до 80 т в день, что соответствует суточной норме потребления горючесмазочных материалов одной дивизии.

По сведениям зарубежной печати, атомные электростанции надежны и безопасны в работе. В связи с этим американские специалисты выдвинули идею создания на основе атомных электростанций более крупных энергетических единиц — передвижных баз, которые предназначены для энергоснабжения сухопутных войск. Считают, что использование передвижных энергетических баз сделает полевую армию в значительной мере независимой от снабжения горюче-смазочными и другими расходными материалами.

Таковы некоторые пути развития военной атомной энергетики за рубежом. Мы приводили в качестве примеров станции, созданные в США. Однако это не означает, что США обладают какой-то монополией на подобную технику. В наше время все больше стран включается в использование энергии атомного ядра для производства электричества. А это значит, что военные электростанции могут применяться не только в американской, но и в других армиях.