Химия в бою

ПОМОЩНИКИ АТОМА

Когда говорят об атомном ракетоносном подводном флоте, обычно подчеркивают тот вклад, который внесла в его развитие физика. Действительно, благодаря атомным силовым установкам подводные корабли приобрели способность решать боевые задачи, длительное время не всплывая на поверхность. Однако это не исчерпывало всех проблем, возникавших перед учеными, инженерами, другими специалистами. Немало «поработать» пришлось и химии. Можно сказать больше: эта древняя и в то же время самая молодая наука сыграла решающую роль в превращении подводного корабля с баллистическими ракетами на борту в один из важнейших видов стратегического оружия.

Впервые в технике вопрос о необходимости создания искусственной атмосферы, пожалуй, встал именно перед конструкторами подводных лодок. Пополнение запасов кислорода в замкнутом объеме и удаление углекислого газа давалось не просто. Достаточно сказать, что лучшие дизель-электрические лодки могли непрерывно оставаться под водой не более трех суток. Теперь атомный подводный корабль в состоянии свыше двух месяцев не подниматься на поверхность, чтобы «глотнуть» воздуха. Как же этого удалось добиться?

Прежде всего напомним, что ядерный реактор полностью исключил потребление воздуха двигательной установкой. К тому же он снял жесткие ограничения на использование электроэнергии в подводном плавании. Стало возможным буквально в индустриальных масштабах решать проблему жизнеобеспечения экипажа. И все же трудностей оставалось немало. Чтобы их преодолеть, специалисты и обратились за помощью к химии.

Необходимый газовый состав атмосферы подводного корабля обеспечивает система регенерации воздуха. В ее состав входят кислородные баллоны и электролитические генераторы. Под действием постоянного тока в генераторах дистиллированная вода разлагается на кислород и водород. Одна такая установка, по данным зарубежной печати, способна производить до 70 кубометров кислорода в сутки. В качестве аварийного средства пополнения запасов кислорода химия предложила так называемые хлоратные свечи — цилиндрические шашки, спрессованные или отлитые из смеси хлората натрия, железного порошка и стеклянной ваты. При сгорании свечей хлорат натрия разлагается на поваренную соль и кислород. Одна свеча дает при этом до трех кубометров кислорода.

Удаление углекислоты в системе регенерации атомных подводных лодок США происходит в специальных химических реакторах — скрубберах. Их действие основано на способности жидкого органического вещества — моноэтаноламина — поглощать углекислый газ при пониженной температуре и снова выделять его при нагреве. Выделение углекислоты происходит в специальной камере скруббера — десорбере, откуда она удаляется за борт.

В аварийных условиях углекислый газ поглощает гидроокись лития. Она находится в контейнерах, через которые вентиляторами непрерывно прогоняется воздух.

Однако оказывается, еще недостаточно поддерживать в отсеках лодки заданную концентрацию кислорода и углекислого газа. Как показали исследования американских специалистов, воздух в отсеках содержит примеси почти 40 видов, половина которых относится к категории вредных для человека. Они образуются при работе различных систем и устройств корабля. Это окись углерода, окислы азота, фреон, водород, метан, аммиак и другие газы, а также взвеси. Борьба с ними на борту лодки ведется с применением обширного арсенала химических средств. Здесь и разнообразные фильтры — от древесноугольного, подобного тому, что используется в противогазах, до электростатических осадителей и каталитических реакторов.

Примером подобного реактора может служить установка для «дожигания» водорода и окиси углерода. Здесь нагретый воздух прокачивается через слой катализатора — гопкалита. При этом угарный газ окисляется в двуокись углерода, а водород — в пары воды. Очищенный воздух после охлаждения в теплообменнике возвращается в отсеки.

Многообразие и сложность химических процессов, привлекаемых для создания искусственной атмосферы на борту лодки, несут с собой и определенные трудности. Ведь всеми этими процессами нужно эффективно и согласованно управлять. Вот — почему специалисты стремятся отыскать новые, более простые способы и средства регенерации воздуха. В печати сообщалось, например, о разработке так называемого сульфатного цикла. Суть его заключается в том, что при электролизе сульфата натрия в особых условиях может выделяться кислород и одновременно поглощаться углекислый газ.

Не оставляют ученые попыток использовать для регенерации воздуха на подводных лодках и биологические процессы. Известно ведь, что растения на свету поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Правда, исследования специалистов, проводившиеся на некоторых видах водорослей, практических результатов тюка не дали: слишком велики по объему получаются такие биологические реакторы — 170 литров на человека. Изыскиваются и принципиально новые методы удаления углекислоты путем вымораживания, использования молекулярных газовых фильтров.

Однако регенерация решает лишь одну часть задачи поддержания состояния «подводной атмосферы» на уровне необходимых гигиенических требований. Не менее важную роль в обеспечении обитаемости изолированных от внешнего мира отсеков подводной лодки играет кондиционирование воздуха, то есть создание микроклимата, благоприятного для жизнедеятельности экипажа. Более того, в связи с тем, что при работе ядерной энергетики выделяется очень большое количество тепла, кондиционирование воздуха стало просто жизненно необходимым. Не удивительно, что на современных подводных лодках создаются целые фабрики холода. Их часовая производительность нередко превышает миллион килокалорий. Так, на американской атомной лодке «Тритон» вес системы кондиционирования достигает 500 тонн.

Рабочим веществом — хладагентом — для рефрижераторов подводных лодок служат различные химические вещества. Прежде всего это широко известный газ фреон, который используют и в бытовых холодильниках. Правда, токсичность некоторых производных фреона и шум, который сопровождает работу фреоновых компрессоров, заставили специалистов перейти к новым, бромисто-литиевым абсорбционным холодильным машинам.

Много и другой работы выпало на долю химии внутри подводного корабля. Взять хотя бы такую, на первый взгляд, мелочь, как окраска. Обычные масляные и эмалевые краски были забракованы. Кому не знаком их резкий запах, особенно сразу же после покраски? Правда, через некоторое время в хорошо вентилируемых помещениях он ослабевает, люди перестают его ощущать. Другое дело, когда такие краски применяют на подводных лодках. При длительном подводном плавании концентрация выделяемых ими вредных для человека газов неизбежно будет возрастать. Вот почему на американских атомных лодках, например, внутренние помещения окрашиваются акрильными латексными красками, которые перед покраской растворяются в воде. Они высыхают примерно за 20 минут, дают такой же блеск, как эмали, но не имеют запаха. Окрашенные акрильными красками стены хорошо моются. Этими же красками можно покрывать и внутренние палубы, так как красочный слой хорошо сопротивляется истиранию. Однако покрытия из акрильных красок разрушаются под действием морской воды и температуры свыше 70 градусов.

Химия дала и многие другие синтетические материалы, которые находят все более широкое применение на подводных лодках. Среди них — полиуретан, относящийся к классу конденсационных полимеров. Полиуретановым пенопластом заполняются труднодоступные проницаемые части между легким и прочным корпусами подводной лодки, внутренние полости рулей и стабилизаторов. Так, на лодках типа «Скипджек» объем заполняемых пенопластом полостей достигает 30 кубометров (рис. 4).

А самое главное, считают за рубежом, полиуретан незаменим в биологической защите ядерных энергетических установок. Он входит в состав боропласта, который изготовляется из полиуретановой пластмассы с добавлением полиэтиленовых или нейлоновых зерен, содержащих химический элемент бор. Как известно, бор эффективно поглощает нейтроны и, следовательно, обеспечивает защиту экипажа и аппаратуры от нейтронного излучения.

Полиуретановый пенопласт служит и для амортизации пусковых труб баллистических ракет, для теплоизоляции обшивки прочного корпуса изнутри подводной лодки и трубопроводов с холодной водой. Всего же на каждой атомной ракетной лодке, сообщала печать, используется для различных целей до 90 кубометров пенопласта.

Наконец, полиуретан применялся и еще в одной совершенно неожиданной, на первый взгляд, области. А именно, в смеси с сополимером бутадиена и акриловой кислоты, либо с присадками алюминия и перхлората аммония входил в — состав твердотопливной смеси для двигателей баллистических ракет «Поларис» А-1 и А-2. Таким образом, на современных подводных лодках полиуретан стал поистине универсальным материалом.

Совершенно необычен случай применения синтетики на исследовательской подводной лодке «Алюминаут». Эта лодка рассчитана на глубину погружения до 4500 метров. Секции ее прочного корпуса с обшивкой толщиной свыше 150 миллиметров из термически обработанного алюминиевого сплава нельзя было сваривать. Как же поступить? Инженеры-кораблестроители решили склеить секции друг с другом фенольным нитроклеем и стянуть болтами. Опыт оказался удачным.

На подводных лодках широко применяются различные пневматические конструкции, изготовленные из прорезиненных синтетических материалов. Это и надувные сходни, выдерживающие нагрузку до 700 килограммов, надувные шлюпки и даже надувные гимнастические кабины, которые предохраняют матросов, выполняющих упражнения, от ударов о детали лодки и ее устройств. Некоторые лодки имеют вентиляционные трубопроводы, собранные из поливинилхлоридных труб. Как видно, для подводного кораблестроения настала пора поистине триумфального шествия синтетики.

В ядерных энергетических установках подводных лодок США используются многие химические элементы и синтетические органические соединения. Среди них — ядерное горючее в виде обогащенного делящимся изотопом урана; графит, тяжелая вода или бериллий, используемые как отражатели нейтронов для уменьшения их утечки из активной зоны реактора; бор, кадмий и гафний, входящие в состав стержней управления и защиты; свинец, применяемый в первичной защите реактора наряду с бетоном; цирконий в сплаве с оловом, служащий конструкционным материалом для оболочек тепловыделяющих элементов; катионитные и анионитные смолы, используемые для загрузки ионообменных фильтров, в которых первичный теплоноситель установки — вода высокой степени очистки освобождается от растворенных и взвешенных в ней частиц.

Важная роль отводится химии и в обеспечении работы различных систем подводных лодок, например системы гидравлики, имеющей прямое отношение к управлению энергетической установкой. Американские химики долго работали над созданием рабочих жидкостей для этой системы, способных действовать при высоком давлении (до 210 атмосфер), безопасных в пожарном отношении и неядовитых. Сообщалось, что для предохранения трубопроводов и арматуры системы гидравлики от коррозии при обводнении забортной водой в рабочую жидкость добавляется хромат натрия.

Разнообразные синтетические материалы — пенопласта, синтетический каучук, поливинилхлорид и другие широко используются на лодках для уменьшения шума механизмов и повышения их взрывостойкость Из таких материалов изготовляются звукоизолирующие покрытия и кожухи, амортизаторы, звукоизолирующие вставки в трубопроводы, звукозаглушающие подвески.

Химические аккумуляторы энергии, например в виде так называемых пороховых аккумуляторов давления, начинают применяться (правда, пока еще в экспериментальном порядке) для аварийного продувания цистерн главного балласта. Твердотопливные заряды используются на ракетных подводных лодках США и для обеспечения подводного старта ракет «Поларис». При сгорании подобного заряда в присутствии пресной воды в специальном генераторе образуется парогазовая смесь, которая выталкивает ракету из пусковой трубы.

Чисто химические источники энергии используются на некоторых типах состоящих на вооружении и разрабатываемых за рубежом торпед. Так, двигатель американской быстроходной парогазовой торпеды Мк16 работает на спирте, воде и перекиси водорода. Находящаяся в разработке торпеда Мк48, как сообщалось в печати, имеет газовую турбину, работа которой обеспечивается твердотопливным зарядом. Некоторые экспериментальные реактивные торпеды снабжены силовыми установками, работающими на реагирующем с водой топливе.

В последние годы нередко говорилось о новом типе «единого двигателя» для подводных лодок, основанного на новейших достижениях химии, в частности на использовании как источника энергии так называемых топливных элементов. Подробно о них говорится далее, в специальной главе этой книги. Пока лишь укажем, что в каждом из таких элементов протекает электрохимическая реакция, обратная электролизу. Так, при электролизе воды на электродах выделяются кислород и водород. В топливном же элементе к катоду подводится кислород, а к аноду — водород, и ток, снимаемый с электродов, идет во внешнюю для элемента сеть, где его можно использовать для привода гребных электродвигателей подводной лодки. Другими словами, в топливном элементе химическая энергия непосредственно преобразуется в электрическую без промежуточного получения высоких температур, как в обычной цепочке электростанции: котел — турбина — электрогенератор.

Материалом для электродов в топливных элементах могут служить никель, серебро и платина. В качестве топлива возможно применение жидкого аммиака, нефти, жидкого водорода, метилового спирта. В качестве окислителя обычно используется жидкий кислород. Электролитом может быть раствор едкого калия. В одном западногерманском проекте топливных элементов для подводной лодки предлагается использовать перекись водорода высокой концентрации, при разложении которой получаются одновременно и топливо (водород) и окислитель (кислород).

Энергетическая установка с топливными элементами в случае ее применения на лодках позволила бы отказаться от дизель-генераторов и аккумуляторных батарей. Она обеспечила бы также бесшумную работу главных двигателей, отсутствие вибрации и высокий коэффициент полезного действия — около 60–80 процентов при перспективном удельном весе установки до 35 килограммов на киловатт. По расчетам иностранных специалистов, расходы па постройку подводной лодки с топливными элементами могут быть вдвое-втрое ниже затрат на строительство атомной подводной лодки.

Печать сообщала, что в США велись работы по созданию наземного прототипа лодочной энергетической установки с топливными элементами. В 1964 году начались испытания такой установки на сверхмалой исследовательской подводной лодке «Стар-1», мощность гребного двигателя ее всего лишь 0,75 киловатт. По данным журнала «Шиф унд Хафен», опытная установка с топливными элементами создана также в Швеции.

Большинство зарубежных специалистов склоняется к тому, что мощность энергетических установок этого рода не превзойдет 100 киловатт, а время их непрерывной работы 1000 часов. Наиболее рациональным поэтому считается применять топливные элементы прежде всего на сверхмалых и малых подводных лодках исследовательского или диверсионно-разведывательного назначения с автономностью около одного месяца.

Создание топливных элементов не исчерпывает всех случаев применения достижений электрохимии в подводном деле. Так, на атомных подводных лодках США применяются щелочные никель-кадмиевые аккумуляторы, при зарядке которых выделяется не водород, а кислород. На некоторых дизельных подводных лодках этой страны вместо кислотных аккумуляторных батарей применяют щелочные серебряно-цинковые аккумуляторные батареи, обладающие втрое большей удельной энергией.

Еще более высоки характеристики серебряно-цинковых аккумуляторов одноразового действия для электроторпед подводных лодок. В сухом состоянии (без электролита) они могут храниться годами, не требуя никакого ухода. А приведение их в готовность занимает буквально доли секунды, причем аккумуляторы могут содержаться в снаряженном виде 24 часа. Габариты и вес подобных батарей в пять раз меньше, чем эквивалентных им свинцовых (кислотных). Некоторые типы торпед, которые состоят на вооружении американских подводных лодок, имеют батареи с пластинами из магния и-хлорида серебра, работающие на морской воде и также обладающие повышенными характеристиками.

Химия — одна из наиболее бурно развивающихся отраслей науки. Ее достижения в создании новых материалов все чаще заставляют специалистов пересматривать возможности и перспективы решения разнообразных технических проблем. Не составляет исключения и подводное кораблестроение, в частности, такая его проблема, как увеличение прочности корпуса подводного корабля. На каждый квадратный метр поверхности подводной лодки, погрузившейся на глубину, скажем, 200 метров, давит столб воды весом свыше 200 тонн. А ведь современные подводные корабли уходят и на значительно большие глубины. Противостоять такому чудовищному гидростатическому давлению может лишь корпус из высокопрочной стали. Но только ли из стали?

Несмотря на высокую прочность, сталь тяжела, велика ее плотность. С этим недостатком конструкторы в ряде случаев уже не могут мириться. Известно, что в авиации, ракетной технике со сталью все увереннее соперничают титан и его сплавы. За рубежом предпринимаются попытки использовать этот новый металл в кораблестроении. Сообщалось, что в США построена малая экспериментальная подводная лодка с корпусом из титанового сплава длиной 16 метров.

Но у титана свои недостатки. Он с трудом поддается обработке, плохо сваривается обычными методами, чувствителен к ударным нагрузкам. Вот почему иностранные исследователи ищут преемника стали и среди неметаллических материалов. Тем более, что с появлением пластмасс стало возможным создавать материалы с заранее заданными свойствами. Однако прочности-то порой пластмассам не хватает. Пример подал бетон. Пронизанный стальной арматурой, он превращается в крепчайший железобетон. Попробовали подобный метод для пластмасс: в синтетическую смолу включили арматуру из стеклянного волокна — и родился стеклопластик.

Плотность его в четыре раза ниже, чем у стали, а прочность лишь незначительно меньше.

Стеклопластики уже нашли себе не одну область применения на подводных лодках. Из них, например, изготовляют надстройки и ограждения рубок, обтекатели выдвижных устройств (перископов, антенн, воздушных шахт) и легкие корпуса спасательных аппаратов (рис. 5). Применение таких пластмассовых надстроек и ограждений снимает заботы о коррозии, позволяет достичь экономии в весе высоко расположенных частей корпуса, а значит, повысить остойчивость корабля. Сокращаются расходы, поскольку ограждение из стеклопластика при массовом производстве, как сообщалось, обходится втрое дешевле алюминиевого.

На экспериментальной лодке США «Дельфин» с глубиной погружения до 600–900 м из стеклопластика изготовлены баллоны сжатого воздуха. Иностранная печать отмечает такие качества этих баллонов, как вдвое меньший вес сравнительно с металлическими, повышенную ударостойкость, неподверженность коррозии и немагнитные свойства их материала. Из стеклопластика изготовлены также корпуса твердотопливных двигателей баллистических ракет «Поларис» А-2 и А-3.

Известны случаи и непосредственного применения эпоксидных смол на подводных лодках. Например, ими покрывают алюминиевые обтекатели выдвижных устройств, чтобы предохранить их от коррозии. Сейчас в США проводятся всесторонние лабораторные и полу-натурные испытания моделей отсеков прочного корпуса, которые выполнены из конструкционных пластмасс, также преимущественно относящихся к стеклопластикам.

Вместе с тем еще в 1964 году печать сообщала о проводимых в США работах по созданию сверхпрочного материала из волокон бора и эпоксидных смол. Ожидалось, что этот материал будет прочнее стали и легче алюминия. При этом указывалось, что, несмотря на его дороговизну, новый материал может найти применение в корабельных конструкциях. Другой сверхпрочный материал создавался американскими специалистами на основе эпоксидных смол и войлока из тончайших сапфировых усиков.

В последние годы в зарубежной печати много пишут о возможном использовании силикатного стекла для постройки прочных корпусов глубоководных аппаратов (рис. 6). Оказалось, что его прочность возрастает с увеличением глубины погружения. Так, по данным журнала «Кроузнест», на глубине более 6000 метров стеклянная сфера становится впятеро прочнее, чем на поверхности воды.

Когда на стекло наносили слой пластиката толщиной немного более 3 миллиметров, значительно уменьшалась его чувствительность к ударам. Упрочнения стекла и повышения его стойкости по отношению к ударным нагрузкам и изгибным напряжениям достигали также путем специальной химической обработки поверхности стеклянных сфер.

Свое первое практическое применение стеклянные сферы нашли в так называемых синтактических пеноматериалах. Эти пенопласты представляют собой смесь стеклянных микросфер с эпоксидной смолой или иным связующим материалом. Они имеют плотность около 600 кг/м³ и способны противостоять давлению воды на глубинах до 6 тысяч метров. Синтактические пенопласты уже используются для заполнения пространства между легким и прочным корпусом на ряде глубоководных аппаратов США. Как сообщала печать, в лаборатории ВМС США разрабатывают методы использования этих материалов в трехслойных корпусных оболочках в качестве прослойки между двумя слоями стеклопластиков. Иностранные специалисты считают, что в недалеком будущем подобные конструкции будут применяться и при постройке подводных лодок.

Существует еще одна область применения химии в подводном кораблестроении. Речь идет о снижении гидродинамического сопротивления подводных объектов, позволяющем улучшить их скоростные качества. Одним из перспективных направлений здесь считают введение водных взвесей полимеров в пограничный слой движущихся под водой тел, на-пример торпед. Журнал «Дэйта» пишет, что при подаче через носовую часть торпеды раствора относительно слабой концентрации (0,2 процента) скорость хода торпеды в условиях натурного эксперимента возрастала за три секунды на 45 процентов (рис. 7).

По сообщению газеты «Нэйви таймс», специалисты лаборатории английского адмиралтейства в Хасларе считают возможным применение полимеров и для повышения скоростных качеств боевых кораблей. Эксперименты с моделью эсминца, имевшей систему подачи раствора полимера через щели в обшивке, — показали, что даже при весовой концентрации раствора на уровне тысячной доли процента сопротивление трения модели снижалось на одну треть.

В 1968 году англичане приступили к подготовке аналогичного натурного эксперимента на базовом тральщике. В обшивке этого корабля прорезаны два ряда щелей: один в носу, другой — немного в корму от штурманской рубки. Кроме того, установлены бак для полимерного порошка, приемные клапаны для забортной воды, особая цистерна, в которой непосредственно на корабле будет приготовляться раствор полимера в морской воде, и насос для подачи раствора в пограничный слой корабля. В случае успеха этого опыта, отмечалось в печати, описанный способ снижения сопротивления может быть применен и на подводных лодках.

Сейчас еще трудно сказать, когда именно будут реализованы на практике все те возможности, которые открывает конструкторам подводных лодок современная химия. Но совершенно очевидно, что полное использование ее достижений служит необходимым условием прогресса в подводном кораблестроении, как, впрочем, и во многих других областях науки и техники нашего времени,