Перспективный авианосец РФ. Каким ему быть. Часть II. Катапульта: Паровая или электромагнитная?
Итак, коллеги, в первой части статьи о перспективном российском авианосце был сделан вывод о том, что если строить авианосец по уму, он однозначно должен быть с катапультным стартом. Но вот беда РФ сейчас и СССР ранее никогда не имел кораблей с катапультами.
Дабы не в даваться в дела давно минувших дней, уж совсем далеко, скажу, что около 50-ти лет назад англичанином было сделано изобретение — паровая катапульта. Она верой и правдой служила орудиям империалистической агрессии(тобишь, авианосцам) около 50-лет, но не так давно около 25-ти лет назад, мир заговорил о новых способах катапультного старта, а именно об электромагнитной катапульте.
В этой статье я попробую представить обоих кандидатов на палубу нашего перспективного авианосца, ну и провести сравнительный анализ, с пекцией именно на плоскость РФ, что нам выгодней, и что проще. Итак, «Он сказал «Поехали», и махнул рукой!»
Часть 1, Паровая Катапульта.
Не испытываю желания утомлять коллег историей о том, как палубная авиация пришла к созданию паровой катапульты, постараюсь быть краток — повторюсь, в 50-х годах прошлого века англицанами было сделано два открытия, кардинально изменившие облик авианосцев — 1. Наклонная палуба; 2. Паровая катапульта. Согласно этой идее были модернизированы все герои ВМВ — авианосцы класса «Эссекс». В отечественной практике история паровой катапульты берет свое начало с 1974г. — именно тогда было принято решение о строительстве авианосных кораблей. Работа над паровой катапультой велась коллективом под руководством Главного конструктора Анатолия Андреевича Булгакова, изготавливалась на Пролетарском заводе. Как сотрудником удалось спасти эту разработку — тема отдельной статьи, здесь же я не могу не найти ничего лучшего как разместить материал непосредственного участника тех работ Евгения Николаевича Шолкова.
Как видно, паровая катапульта была успешно создана в СССР. Более того, она могла бы (и должна была) быть поставлена на борт «Ульяновска», да и вообще могла бы быть создана значительно ранее(((
Часть 2, Электромагнитная катапульта.
В данной части рассмотрим пример катапульты EMALS, разрабатываемой ныне в США.
По разным источникам EMALS может содержать в себе 6 подсистем:
1.Подсистема PPI (prime power interface) – связующее звено, обеспечивающее взаимодействие судовой распределительной сети с подсистемой EMALS накопления и хранения энергии для работы разгонного блока;
2. Подсистема ESS (energy storage system) – комплекс устройств для накопления и хранения энергии от судовой сети между запусками ЛА и сброс этой энергии на устройства-преобразователи на интервале запуска;
3. Подсистема PCE (power conversion electronics) – комплекс силовых электронных преобразователей (выпрямителей, инверторов, систем управления), обеспечивающих конечное преобразование кинетической энергии подсистемы ESS в напряжение изменяемой частоты и амплитуды по заданному закону разгона ЛА;
4. Разгонный блок LMS (launch motor system) – линейный синхронный электродвигатель с активным ротором (на постоянных магнитах). Выполнен в компактном модульном исполнении, встроен в полетную палубу и выполняет функцию преобразования энергии от PCE в энергию бегущего электромагнитного поля для разгона ЛА после старта. LMS способен учитывать влияние параметров окружающей среды над полетной палубой и различные сценарии запуска. Обычное перемещение челнока взаимодействует с ЛА так же, как и у существующих катапульт. По достижению заданной конечной скорости ЛА линейный двигатель переходит в режим торможения пары ротор-челнок, а по завершению торможения переходит в реверсный режим для возврата ротора в исходное положение;
5. Подсистема LCS (launch control system) – модульный комплекс аппаратных средств на основе современных цифровых технологий. Для управления величиной тяги челнока, приложенной к ЛА, подсистема представляет собой управляющий контур с замкнутыми обратными связями по скорости и положению челнока на треке катапульты. Информация в контур управления поступает от линейки датчиков Холла, размещенных вдоль статора. Такая схема самоконтроля положения и скорости челнока позволяет поддерживать постоянный уровень тяги, снижая ударные воздействия на ЛА в момент старта;
6. Подсистема EDS (energy distribution system) – конечное звено системы распределения энергии от ESS к катапультам. Позволяет маневрировать между катапультами корабля ресурсами энергии, запасенной в системе накопления и хранения, а также оптимизировать суммарную установленную мощность подсистемы ESS. Содержит обычные электротехнические компоненты: кабели, шкафы, коммутирующие устройства энергии высоких уровней.
Согласно технического задания EMALS должна обеспечивать следующие параметры запуска летательного аппарата:
— конечная скорость летательного аппарата — 28-102,8 м/сек;
— отклонение величины тяги (усилие) менее 5%;
— энергия запуска ЛА — 122 МДж;
— длительность цикла запусков — 45 секунд;
— вес системы — менее 225 т.;
— объем системы — менее 425 куб.м.;
— макс. отклонение конечной скорости ЛА — +/- 1,5 м/сек.
Столь жесткие требования к отклонениям тяги и конечной скорости линейного двигателя EMALS выполнимы только на базе «следящего» электропривода(системы с обратной связи, причем по нескольким параметрам). В тоже время заданный уровень энергии запуска на 29% превышает конструктивный предел мощности паровой катапульты(конкретнее — удельной плотности накопления энергии паром).
Рассмотрим взаимодействие систем в комплексе за полный цикл между запусками.
Исходная энергия для питания системы EMALS поступает из корабельной сети через подсистему PPI, обеспечивая оптимальное распределение нагрузки на питающую сеть. Такое распределение выполняется в зависимости от уровней накопленной энергии в подсистемах ESS и потребности в ней к запуску очередной катапульты. На подсистему PPI также возлагаются функции снижения влияния всего комплекса EMALS на корабельную систему в части искажения формы питающего напряжения, а также фильтрацию высокочастотных помех, генерируемых силовыми преобразователями. Обеспечить энергию запуска, доходящую до 120 МДж, возможно только с помощью промежуточной системы предварительного накопления и хранения энергии с целью дальнейшего преобразования в механическую тягу челнока в течение 2-3 сек. отрезка запуска ЛА. Эту роль высокоэнергетического накопителя выполняет подсистема ESS. Как отмечалось выше, удельная плотность энергии пара стала принципиальным ограничением для дальнейшего увеличения мощности паровой катапульты.
Для подсистемы ESS в качестве накопителей энергии были выбраны маховичные массы, позволяющие накапливать кинетическую энергию с плотностью 18-28 кДж/кг. Нетрудно показать, что для обеспечения энергии запуска суммарная масса маховиков системы достигает 6 тонн. Кинетическая энергия маховика в момент запуска используется для вращения генератора, питающего систему EMALS. По сообщениям печати, по заказу компании General Atomics для подсистемы ESS компанией Kato Engineering был разработан и изготовлен двигатель-генератор способный запасти энергию до 60 МДж в маховичных массах ротора и преобразовать его в 2-3 сек. импульс электроэнергии порядка 60 МВт. Для сравнения, такую энергию потребляет городок на 12000 домов. Объем этого агрегата составляет 4 м. х 3 м. х 2 м. при общей массе до 36 т.
При накоплении кинетической энергии двигатель-генератор в двигательном режиме раскручивает ротор до 6400 об/мин. До начала полетов этот режим может быть достаточно продолжительным при сравнительно небольшой средней энергии, потребляемой из корабельной сети. С учетом затрат кинетической энергии ротора на один пуск эти потери должны восполняться из корабельной сети за 45 сек цикл запусков. В перерыве между запусками двигатель обеспечивает режим хранения кинетической энергии, поддерживая требуемую скорость вращения. Как показали расчеты, на авианосце G.R. Ford в составе каждой катапульты EMALS будут включены три подобных накопителя. При запуске ЛА двигатель-генератор переводят в режим генерирования электроэнергии при этом система должна обеспечить достаточную стабильность параметров по напряжению и частоте. Это обеспечивается расчетной избыточностью кинетической энергии. Так, скорость вращения ротора не должна терять боле 20%.
Часть 3, Сравнительные характеристики, и немного аналитики.
Непосвященным покажется странным, но электромагнитная катапульта — основой её является линейный электрический двигатель — по составу значительно проще паровой: в её составе отсутствует лебедка возврата, гидротормоз, громоздкая ЧПГ массой в 5 тонн, системы смазки и разогрева. Подсистема накопления, хранения и преобразования энергии с помощью маховичных масс и двигатель-генератора не представляют ничего нового, известны еще с 19-го века — отличаются лишь параметры мощности(60-80 МДж). По занимаемому объёму и массе эта система сопоставима с пароаккумуляторами. Сверхмощные инверторы-преобразователи энергии — это технологии 80-90-х прошлого века — сейчас это вопрос решен на гораздо больших мощностях и нашими атомщиками, и европейскими(компания Siemens – у них, кстати, американцы инверторы и покупают для своей катапульты). Новизну разработки EMALS, безусловно, венчают современные информационные технологии — цифровые управляющие контроллеры.
Итак, пробежимся по системам, что у нас есть, и как это сделать, и что нам нужно.
1. Подсистема PPI (prime power interface) — грубо говоря, система связи катапульты с бортом корабля шкафы, автоматы и пр. — никаких проблем в создании такой системы в РФ не вижу;
2. Подсистема ESS (energy storage system) – система накопления механической энергии и перевода ее в электрическую. Думается мне, что тут проблем возникнуть не должно. В крайнем случае, можно поступить так же как американцы — для них эту систему полностью разработали японцы(Kato Eng.). Ну а двигатели/генераторы указанной мощности у нас есть точно, остается решить проблему с центровкой маховика такой массы(около 6т.) при таких оборотах(6400 об/мин) и необходимых подшипников.
3. Подсистема PCE (power conversion electronics) — как уже говорилось, система инвенторов, в основном. Технологии прошлого века, или самим разработать, или купить, вполне доступны на рынке гражданской продукции.
4. Разгонный блок LMS (launch motor system) — проще говоря, видимая часть катапульты, линейный двигатель. Вот это, на мой взгляд для нас самое сложное — самостоятельная разработка в ближайшие годы невозможна в принципе — ибо нет ни опыта, ни специалистов. Единственный вариант, который мне кажется небезнадежным — сотрудничество с французами. У них огромный опыт в создании высокоскоростных поездов по технологии МагЛев(магнитной левитации), почему бы нам не построить такую дорогу по маршруту Москва Сити — Шереметьево??? А заодно приобрести технологии, а это уже половина дела.
5. Подсистема LCS (launch control system) — если перевести с англицкого официального на русский простонародный — система обратной связи. Работает следующим образом — в зависимости от параметров ЛА(скорости, перегрузки и пр.) и окружающей среды(силы ветра, наклона палубы, задымленности палубы — если неатомный, и пр.) выдает, на, ее, системы взгляд, оптимальные параметры запуска — т.е усилие, скорость и ускорение на линейном роторе. Обычный следящий привод, такие системы у нас есть, причем гораздо более крутые. Тут проблем не вижу никаких.
6. Подсистема EDS (energy distribution system) — система сброса остатков неиспользованной энергии, а также оптимизации энергиии. По-любому, проектируется под конкретный корабль, т. е. Нам ее делать самим, под наш авианосец.
Вывод: Хотя, как показано в 1-ой части статьи, паровая катапульта была успешно создана в нашей стране, на сегодняшний день этот уникальный опыт практически утрачен — создавать придется заново, а какую создавать — паровую или электромагнитную??? На мой неискушенный взгляд создать электромагнитную будет ничуть не сложнее, чем паровую, а по некоторым моментам даже проще. Поэтому мой вывод одназначен — только электромагнитная. Кроме того у паровой катапульты есть еще одно принципиальное ограничение, делающее еее бесперспективной в ХХI веке — полиспастно-гидравлические аэрофинишеры достигли своего предала по принимаемой массе снизу, что с учетом развития БПЛА, автоматически делает их морально устаревшими. Но об этом — в следующей части статьи, о системах посадки.
источник: Евгений Шолков "Авиакосмическое обозрение" 04-2012
