Энергетические установки на основе электрохимических генераторов морских подводных объектов

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ 
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРОВ 
МОРСКИХ ПОДВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 

УДК 629.5.062 
ББК 39.455 
Э65 
 
 
Авторы: 
А. Н. Дядик, Н. П. Малых, В. А. Дядик, Е. Н. Алексин 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ, 
главный научный сотрудник, заместитель начальника отдела АО «Концерн «НПО «Аврора» 
В. В. Кобзев; 
доктор технических наук, профессор (ФГБОУ ВО «Государственный университет  
морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова») Б. В. Никифоров 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Э65  
Энергетические установки на основе электрохимических генераторов морских подводных объектов : монография / [Дядик А. Н. и др.]. – 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 404 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-2039-6 
 
Изложены основные положения по использованию современных воздухонезависимых энергетических установок на основе электрохимических генераторов на морских 
подводных объектах. Рассмотрены характеристики основного и вспомогательного 
энергетического оборудования этих установок. Представлены схемы расположения 
оборудования в отсеках морских подводных объектов. Изложены физические принципы работы энергетических установок морских подводных объектов. Даны методики 
расчета основных элементов этих установок. Показана последовательность энергетического расчета отсека с электрохимическим генератором автономного необитаемого 
подводного аппарата, включая работу энергоустановки в нестационарных режимах. 
Рассмотрены схемы и последовательность расчета гибридных энергоустановок в составе электрохимического генератора и литий-ионной аккумуляторной батареи. 
Для инженеров, студентов и курсантов, специализирующихся в области проектирования и эксплуатации воздухонезависимых энергетических установок на основе 
электрохимических генераторов морских объектов. 
 
УДК 629.5.062 
ББК 39.455 
 
 
ISBN 978-5-9729-2039-6 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Использование водорода в качестве основного энергоносителя приведет  
к созданию принципиально новой водородной экономики, станет научно-техническим прорывом, сравнимым по своим социально-экономическим последствиям с тем революционным воздействием на развитие цивилизации, которое 
оказали электричество, двигатель внутреннего сгорания, химия и нефтехимия, 
информатика и связь [1]. 
В соответствии с прогнозом, к концу XXI века децентрализованные системы, основанные главным образом на использовании водородных топливных 
элементов (ТЭ) и преобразователях солнечной энергии, будут обеспечивать половину потребностей мирового рынка в электроэнергии. 
Работы по водородной энергетике во многих странах относятся к приоритетным направлениям социально-экономического развития. 
Ведется активный поиск путей перевода большинства энергоемких отраслей промышленности, включая транспорт, на водородное топливо и электрохимические генераторы (ЭХГ) на основе использования топливных элементов [2, 3]. 
Проводятся интенсивные научно-исследовательские работы и разработки 
по использованию технологии топливных элементов (ТЭ) в качестве перспективных источников электроэнергии в военной сфере и в разнообразных робототехнических комплексах воздушно-космического, наземного, морского и подводного применений. 
Технология топливных элементов рассматривается силовыми структурами 
как одна из наиболее перспективных для создания высокоэффективных источников электроэнергии для робототехнических средств повышенной автономности: 
малозаметных беспилотных летательных аппаратов, автономных необитаемых 
подводных аппаратов и наземных безэкипажных технических средств различного назначения. 
Все инновационные мировые разработки в области создания комбинированных электроэнергетических установок (ЭЭУ) робототехнических средств 
морского, воздушного и наземного применения связаны с широким использованием новейших достижений в области создания электрохимических генераторов 
на основе топливных элементов. 
Причем (что относится ко всем размерностям боевых роботов, особенно 
малоразмерным) это связано с тем, что беспилотные аппараты на электрической 
тяге обладают рядом преимуществ: малошумностью, низкой тепловой заметностью, длительностью работы и стабильной вольтамперной характеристикой. При 
этом заправка топливом систем хранения ЭХГ производится быстрее, чем зарядка аккумуляторов. 
Ограниченное время работы робототехнических средств на аккумуляторах 
влияет на их применимость, включая такой показатель, как длительность использования. 
3

Создание глубоководного автономного робота с длительным и со 
сверхдлительным временем непрерывного активного функционирования является одной из наиболее приоритетных технологий развития морской робототехники. 
Это стало приоритетным в изучении лучших мировых образцов и освоении лучшего мирового опыта по созданию современных морских робототехнических комплексов (МРТК) – автономных необитаемых подводных аппаратов 
(АНПА). 
Основными факторами, определяющими повышение автономности морских подводных объектов (МПО), являются: 
– «энергетическая автономность» – наличие бортовых высокоэнергоемких 
источников энергии, обеспечивающих независимое, самостоятельное функционирование аппаратов в период длительных миссий;  
– «информационная автономность» – наличие бортовой высокопроизводительной интеллектуальной управляющей информационно-вычислительной системы, обеспечивающей длительное, самостоятельное выполнение МПО поставленной задачи (миссии); 
– «навигационная автономность» – наличие бортовой высокоточной навигационной системы, позволяющей без дополнительной обсервации (всплытия  
в надводное положение) осуществлять точную привязку МПО в период решения 
целевой задачи (миссии).  
В целом уровень автономности морского робототехнического комплекса  
в составе автономного необитаемого подводного аппарата определяется наличием надежных бортовых энергетических систем – источников электропитания, 
возможностью осуществления точной навигации и позиционирования, безопасным движением по маршруту и другими техническими средствами. 
Кроме того, важными факторами, определяющими эффективность решения задач МРТК-АНПА, поставленных на период проведения продолжительной 
по автономности миссии, являются [4]:  
– наличие бортовых высокоэффективных гидроакустических средств получения информации об окружающих и обследуемых объектах, внешней обстановке и окружающей среде;  
– наличие бортовых высокоскоростных, надежных каналов связи для подводной передачи информации, полученной в ходе выполнения поставленной задачи. 
Создание новых сложных комплексных образцов вооружения обычно 
начинается с определения оперативно-тактической модели их использования.  
В соответствии с ней разрабатываются оперативно-тактические требования к создаваемому образцу и тактико-техническое задание.  
В связи с этим очень важна роль анализа данных по всем критериям оптимальности (особенно «эффективность – стоимость»), поскольку здесь 
можно достаточно объективно определить будущие характеристики разрабатываемого изделия. При этом, например, уменьшение габаритов АНПА влечет 
за собой необходимость решения задач, связанных с наличием достаточного 
4

запаса энергии для обеспечения необходимой дальности и скорости хода, а 
также с оптимизацией увеличивающейся массы доставляемой полезной 
нагрузки.  
Повышенная автономность – свойство, существенно повышающее оперативно-тактические возможности МРТК-АНПА и открывающее для них новые 
перспективы применения, боевого использования совместно с надводными кораблями (НК) и подводными лодками (ПЛ). 
Для реализации подледных операций необходим автономный необитаемый аппарат повышенной автономности (АНПА-ПА) с высоким уровнем информационной автономности и ЭХГ в качестве электроэнергетического источника. 
Чтобы обеспечить адаптивность во время миссии, система управления 
АНПА-ПА должна иметь возможность интерпретировать данные гидроакустической аппаратуры и датчиков, установленных на борту (при решении задач 
съемки площадей, обнаружения и классификации) и принимать соответствующие решения, не имея руководителя с правом вето.  
Ограничение на объем информации, которая может быть передана оператору во время миссии, накладывает требование на уровень автономности систем 
управления АНПА-ПА. 
Важной задачей является разработка эффективной и надежной системы 
управления АНПА-ПА с элементами искусственного интеллекта, способной  
в автоматическом режиме обеспечить выполнение поставленного задания 
(миссии). Такая система управления должна адаптироваться к складывающейся ситуации, на которую оказывают влияние как внешние причины (разного рода препятствия и возможное противодействие), так и внутренние (неисправности бортового оборудования). Длительное подводное плавание предполагает существенное повышение показателей точности навигационного 
оборудования, а также надежности всех подсистем подводного робота. Аппараты такого типа должны обладать способностью к действиям в сложной навигационной обстановке (в том числе ледовой), а также в условиях интенсивного 
судоходства. 
Осенью 2017 г. в Кипорте (штат Вашингтон), в Военно-морском центре 
подводной войны было создано подразделение, которое занимается АНПА более 
«предметно» – отрабатывает тактику, боевое применение, разрабатывает уставы 
и наставления, анализирует слабые места в конструкциях, осуществляет испытания по военным программам и методикам. Подразделение получило название 
«Первая эскадра необитаемых подводных аппаратов» (Unmanned Undersea 
Vehicle Squadron 1, или UUVRON-1). Личный состав подразделения составляет 
инженерно-технический персонал подводных сил. По отдельным источникам 
информации ясно, что одна из важнейших задач подразделения – повышение 
уровня автономности АНПА на основе новых источников энергии с большим 
временем работы. 
Фактически в США приняли на вооружение технологию, способную осуществлять запуск из торпедного аппарата подводной лодки АНПА, управляемого 
5

по оптоволоконному кабелю на значительное расстояние или осуществляющего 
самостоятельную миссию. Такие аппараты будут изучать ледяной покров, слои 
воды, а также выполнять акустические задачи. 
Длина оптоволоконного кабеля управления и передачи информации от 
НПА на ряде зарубежных ПЛ может достигать шестидесяти километров. При 
групповом использовании совместно с автономными аппаратами управляемый 
аппарат будет передавать на подводную лодку информацию, которую ему будут 
передавать автономные АНПА. Группировка будет работать тем эффективнее, 
чем выше будет автономность каждого аппарата (включая время на развертывание и возвращение на борт носителя). Лучше будет обеспечиваться скрытность 
комплекса. 
Отсутствие специализированных спуско-подъемных устройств предопределяет снижение общей стоимости выполнения задачи за счет отказа от специализированных судов обеспечения, высокой степени готовности и мобильности 
АНПА к доставке в район выполнения работ. 
ВМС США активизированы работы в области создания крупногабаритного боевого АНПА LDUUV (Large Displacement Unmanned Undersea Vehicle).  
С этой целью научно-исследовательским управлением ВМС (ONR) концептуальных исследований оценки альтернатив (Evaluation of Alternatives) должны быть 
определены оперативно-тактические и тактико-технические требования к боевому АНПА, перечень необходимых технологических исследований, предварительная стоимость его жизненного цикла и др. 
Вместе с тем командование американских ВМС уже обозначило свои 
предварительные общие требования к данному классу подводных аппаратов. 
Согласно этой концепции, крупногабаритный АНПА (длина около 6 м, диаметр 
от 1,6 до 1,8 м, рабочая глубина погружения до 250 м, скорость хода до 6 уз) 
должен будет в течение не менее 70 суток (включая время на развертывание и 
возвращение в пункт базирования) выполнять боевые и специальные задачи в 
удаленных морских (океанских) районах. Основу его бортового вооружения 
должны составить четыре 324-мм торпеды и выставляемые гидроакустические 
датчики (до 16 единиц). Как предполагается, такие аппараты будут применяться 
с береговых пунктов, надводных кораблей, а также из шахтной пусковой установки (ШПУ) многоцелевых ПЛА типа «Virginia» (начиная с третьей подсерии), 
а также с атомных подводных лодок с крылатыми ракетами (ПЛАРК) типа 
«Ohio» [5]. Требования к массогабаритным характеристикам аппарата во многом 
определяются размерами ШПУ этих лодок (диаметр 2,2 м, высота 7 м). После 
завершения демонстрационных испытаний прототипа данного АНПА, создаваемого на базе аппарата «Proteus» (масса 3,7 т, масса полезной нагрузки 1,6 т, 
длина 7,6 м, продолжительность работы 92 ч при скорости 6 узлов) совместной 
разработки фирм «Bluefin Robotics» и «Colambia Group», в 2021 г. было начато 
предсерийное производства 10 аппаратов.  
В целом программа характеризуется повышенными технологическими и 
финансовыми рисками. Так, по предварительным оценкам, стоимость серийного 
6

образца (без оружия и выставляемых датчиков) может составить не менее  
$75 млн, а затраты на его эксплуатацию в течение 20 лет – около $700 млн.  
В области морских вооружений в США, на основе объединенной системы 
подводного наблюдения и разведки Integration Underwater Surveillance System 
(IUSS), осуществляются широкомасштабные работы по формированию нового 
поколения системы противолодочной войны и ее ударного ядра – оперативного 
соединения противолодочной обороны (Task Force ASW). Главная ее задача – создать надежные условия для ликвидации в кратчайшие сроки носителей межконтинентальных ракет морского базирования – атомных ракетных подводных лодок 
стратегического назначения, уничтожение малошумных дизельных подводных 
лодок в прибрежных районах и обеспечения доступа к побережью своих морских 
десантных сил. 
Предполагается, что система FORCEnet будет полностью сформирована в 
2020-е гг. Учитывая новые геополитические реалии, а также перспективы их развития, командование ВМС США радикально пересмотрело свои взгляды на характер ведения будущей войны на море, поставив своей главной целью минимизировать риск собственных человеческих и материальных потерь за счет решающего технологического превосходства в морском подводном оружии и технических средствах наблюдения. По мнению зарубежных специалистов, в этой 
войне роль боевых роботов (космических, воздушных, морских) будет только 
нарастать. 
Концепция превращения к середине XXI века войны на море в войну роботов впервые была опубликована еще в начале 70-х гг. прошлого века. В настоящее время эта концепция в США превращена в постоянно корректируемую государственную программу «The NAVY UUY Master Plan» на реализацию, которой 
выделяются значительные средства. Только в США на разработку боевых автономных необитаемых подводных аппаратов «Manta» выделено $560 млн. Поступление серийных образцов боевых АНПА на вооружение существующих  
и перспективных боевых кораблей планируется реализовать до 2030 г. 
Автономные подводные роботы (они же АНПА) предназначены для решения широкого круга задач в интересах своего корабля-носителя, оперативных 
формирований флота, высшего командования и даже высшего политического руководства страны. Это такие группы задач, как: 
– противолодочная война; 
– минная война; 
– радиоэлектронная борьба; 
– обеспечение информационного превосходства в сетецентрической 
войне. 
Использование АНПА в противолодочной войне может включать следующие задачи: 
– обнаружение и уничтожение подводных лодок, других подводных целей 
с применением торпедного оружия, неуправляемых ракет, а в перспективе и высокоскоростных (суперкавитирующих) боеприпасов;  
7

– обнаружение и длительное сопровождение подводных лодок, что обеспечивает функцию так называемого мобильного целеуказания (в перспективе эта 
технология может вырасти в полностью автономную систему, состоящую из 
многих уровней функционирования);  
– АНПА в перспективе может использоваться как самостоятельное, интеллектуальное противолодочное оружие. 
Современные методы ведения войны на море в значительной степени основаны на необходимости максимально точного знания обстановки, а также театра военных действий. В этой связи автономные и управляемые по оптоволоконному кабелю НПА рассматриваются специалистами ВМС в качестве наиболее важного элемента в технологиях получения и передачи больших потоков информации (в реальном масштабе времени). Здесь преимущества автономных 
НПА сильно проявляются на передовых позициях и особенно в мелководных 
районах, где действия подводных лодок или сильно затруднены, или невозможны. Этими мерами, по взглядам специалистов ВМС США, обеспечивается 
принцип «превосходства в знаниях» над противником «knowledge superiority», 
позволяющий резко увеличить шансы на победу оперативных формирований 
ВМС в отдаленных районах. 
В настоящее время в Вооруженных Силах ведущих мировых держав, в том 
числе и России, возобладала идеология сетевого (сетецентрического) подхода к 
построению боевых систем, включая и системы наблюдения, отличающегося 
наличием сетевой организации взаимодействия между источниками информации, узлами принятия решений и средствами исполнения решений. 
В ВМФ РФ также реализуется концепция создания отечественных интегрированных сетевых систем подводного наблюдения (ИССПН) [6]. 
Назначением ИССПН является обнаружение и сопровождение подводных объектов заданных классов в назначенном районе с заданной эффективностью. 
Эффективность функционирования ИССПН достигается за счет интеграции всех средств подводного наблюдения, входящих в состав ИССПН, на основе 
реализации принципов единого информационного пространства и сетецентрического управления. 
На ИССПН возлагается решение следующих задач, стоящих перед ВМФ 
РФ: 
а) в ближней морской (прибрежной) зоне:  
– обеспечение боевой устойчивости отечественных ракетных подводных 
лодок стратегического назначения (РПЛ СН), осуществляющих развертывание и 
боевое патрулирование в назначенных районах;  
– обеспечение защиты от проникновения в территориальные воды РФ многоцелевых иностранных подводных лодок, вооруженных крылатыми ракетами, 
а также диверсионных групп;  
– защита экономических интересов РФ в подводной сфере; 
 
 
8

б) в дальней морской (океанской) зоне:  
– обеспечение боевой устойчивости отечественных ПЛ, маневрирующих в 
назначенном районе в готовности для нанесения удара крылатыми ракетами по 
территории противника либо по соединениям надводных кораблей;  
– контроль районов развертывания стратегических подводных лодок противника;  
– контроль подходов к военно-морским базам и очагам международной 
напряженности;  
– контроль районов, представляющих экономический интерес для РФ,  
в частности районов, в которых поиск и добычу углеводородов на шельфе осуществляют российские компании. 
Несмотря на очевидные достижения разработчиков в области создания 
подводных аппаратов, существуют значительные трудности технического характера, решение которых требует применения нестандартных инженерных решений и внедрения инновационных технологий. К одной из наиболее критичных из 
них относится создание компактной энергетической установки (ЭУ), обеспечивающей большую автономность аппарата и электропитание потребителей расширенной номенклатуры. Наиболее перспективными в этом плане представляются ЭУ на основе электрохимического генератора.  
Другая задача – разработка бортового навигационно-поискового комплекса и системы управления с элементами «искусственного интеллекта», обеспечивающих эффективную оценку подводной и надводной обстановки, а также 
уклонение от различных препятствий (в том числе сложно обнаруживаемых  
и идентифицируемых промысловых тралов и морского льда). Кроме того, актуальны выбор подсистемы охлаждения вычислительного комплекса и необходимость минимизации эксплуатационных рисков, связанных с обрастанием корпуса, обеспечением живучести, взрыво- и пожаробезопасности. 
В настоящее время в рамках подпрограммы LEUVP (Long Endurance Undersea Vehicle Propulsion) рядом фирм на конкурсной основе разрабатываются 
энергетические установки на базе ЭХГ на топливных элементах водородно-кислородного типа для 533-мм крупногабаритного АНПА. 
Одним из направлений работ, относящихся к использованию ЭХГ на борту 
подводного аппарата, является создание систем хранения и подачи реагентов  
к топливным элементам. Такие системы должны отвечать высоким требованиям 
по надежности, безопасности эксплуатации, а также иметь небольшие массогабаритные показатели.  
Значительных успехов в этой области добилась фирма «Sierra Lobo» 
(НИОКР по данной тематике ведутся с начала 2000-х гг.), разработавшая систему 
хранения и подачи кислорода для обеспечения функционирования ЭХГ (мощностью 10 кВт) 533 миллиметровые АНПА.   
В свою очередь, группа компаний под руководством «Nextek Metirielz»  
в рамках заключенного контракта с научно-исследовательским управлением 
ВМС разрабатывает ЭХГ с бортовым генератором водорода (газ вырабатывается 
9

из жидкого углеводородного топлива JP-I0 с использованием не содержащего 
благородных металлов оксидного катализатора). 
Таким образом, дальнейшее интенсивное освоение богатств Мирового океана и защита морских рубежей Родины невозможно без использования морских 
подводных объектов, действующих по заложенным в них программам с элементами искусственного интеллекта. 
К морским подводным объектам отнесем неатомные подводные лодки 
(НАПЛ), автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА) и другие средства подводного плавания, подводные добычные комплексы. 
 
 
 
 

 
10