CC BY
34Применение криогенных технологий в вооружении и военной технике
Полковник запаса Б.В. ГАЙДАР
Полковник запаса А.В. СТЕПАНОВ, доктор технических наук
АННОТАЦИЯ
ABSTRACT
Рассматриваются серийные и перспективные образцы вооружения и военной техники (ВВТ), имеющие в своем составе отдельные элементы, работающие или хранимые при температуре ниже 120 К. Показаны примеры применения криогенных технологий в образцах ВВТ. Предлагается разработать государственные программы научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР) по анализу применимости существующих и разработке недостающих криогенных технологий, критически важных для создания и эксплуатации такого ВВТ.
The paper examines production and advanced items of armaments and military equipment (AME) that contain elements operating or stored at temperatures below 120 K. It cites instances of using cryogenic technologies in AME items suggesting development of state R&D programs to analyze applicability of available and development of lacking cryogenic techniques critical to AME making and operating.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
KEYWORDS
Криогенная технология, вооружение и военная техника, программа НИОКР.
Cryogenic technology, armaments and military equipment, R&D program.
В ОБЩЕМ случае под криогенными технологиями можно понимать технологии, обеспечивающие возможность практического использования измененных в условиях криогенных температур химических, физических, механических и других свойств различных веществ. С 1921 года и по настоящее время под криогенной температурой принимается температура от 120 К (-153,15 °С) и до близкой к нулю. Ниже в статье будут рассмотрены серийные и перспективные образцы вооружения и военной техники, имеющие в своем составе отдельные элементы, работающие или хранимые при такой температуре.
Исторически первым примером применения криогенных технологий в серийном вооружении является использование жидкого кислорода
(температура сжижения при нормальном давлении 90,19 К (-182,96 °С)) в качестве окислителя топлива — этилового спирта для немецких балли-
стических ракет «Фау-2», достигавших гиперзвуковой скорости полета — 1700 м/с. После Второй мировой войны криогенные жидкие топлива в паре кислород/керосин применялись для заправки первых межконтинентальных ракет (советской Р-7 и американской Titan), а позже в комбинации кислород/водород, например, на ракетах-носителях космических многоразовых аппаратов Space Shuttle и «Энергия». Два вида отмеченных комбинаций жидкого топлива до сих пор широко применяются в различных ракетах-носителях, запускаемых космическими державами, в том числе для доставки на орбиту спутников военного назначения.
Стоит подчеркнуть, что как компонент топлива для ракетного или авиационного двигателя жидкий водород (температура сжижения 20,28 K (-252,87 °C)) имеет значительное преимущество по сравнению с высококипя-щими углеводородными топливами. Имея наименьшую молекулярную массу, топливо вида Н2+О2 обеспечивает наибольший удельный импульс Jg
где: С — константа;
Т — температура в камере сгорания;
М — молекулярная масса топлива.
При увеличении Jyd на 1 % дальность полета ракеты увеличивается на 5—6 %1. Современные ракетные двигатели имеют Jyd = 2500 - 4200 м/с, при этом большие значения удельного импульса соответствуют типам топлива на основе водорода. Но в то же время водород в присутствии других окисляющих веществ (например, воздуха или кислорода) горюч и крайне взрывоопасен и требует дорогостоящих технических и организационных мер для безопасного производства, хранения и транспортировки2.
В семидесятые годы прошлого века Совет министров и Академия наук СССР разработали комплексную меж-
ведомственную программу НИОКР «Холод», предусматривающую в том числе исследования в области водородной тематики. В рамках этой программы в авиационной промышленности предусматривалось создание ряда авиационных двигательных установок на жидком водороде, предназначенных также для гиперзвуковых и авиационно-космических систем.
Примером практически реализованного проекта по разработке таких двигателей является создание в 1988 году на базе самолета Ту-154 летающей лаборатории — Ту-155, два из трех двигателей которой работали на криогенном топливе3. Сначала один двигатель самолета был доработан под использование жидководород-ного топлива, позже второй — для работы на сжиженном природном газе (СПГ), температура кипения которого около — 111°С, что почти на 100 градусов выше требуемой для хранения жидкого водорода. Элементы заправочной системы для Ту-155 представлены на рисунке 1.
Рис. 1. Элементы заправочной системы для Ту-155
Ряд специальных испытаний Ту-155 в интересах Министерства обороны СССР проводился на базе аэродрома «Чкаловский». После распада СССР проект был закрыт.
С начала XXI века активно исследуются возможности криогенных технологий для применения в зарубежной
военной авиационной технике. Характерным примером этого является высотный беспилотный летательный аппарат (БПЛА) на жидком водородном топливе Phantom Eye (рис. 2), созданный американской компанией Boeing и совершивший первый полет в 2012 году. В качестве полезной нагрузки планировалась аппаратура разведки, целеуказания и связи, предполагалась возможность нахождения на высоте 18 км до 4 дней без дозаправки. В ходе летных испытаний также исследовалась возможность установки твердотельного лазера.
Рис. 2. Летательный аппарат на жидком водородном топливе Phantom Eye
Последний полет данного аппарата продолжительностью до 9 часов и на высотах до 16 км был проведен в 2014 году, после чего в 2016 году он был передан в музей испытательного центра ВВС США.
Вместе с тем исследования по созданию военных БПЛА с двигателями на криогенных топливах продолжаются как в США4, так и в ряде других стран, например, в Китае и Индии5. Перспективным направлением исследований в настоящее время является создание гиперзвуковых БПЛА на жидком водородном топливе6.
Еще одним химическим элементом, применяемым в военной авиации в жидкой форме, является кислород. Он используется в некоторых системах снабжения кислородом для обе-
спечения дыхания членов экипажа. Коэффициент расширения кислорода при смене жидкого агрегатного состояния на газообразное составляет 860 : 1 при температуре 20 °С. Это позволяет хранить его в жидком состоянии в криогенном сосуде малого объема, а при необходимости испарять с образованием большого объема газообразного кислорода.
Также жидкий кислород широко применяется на зарубежных подводных лодках (ПЛ) с анаэробными или воздухонезависимыми энергетическими установками (ВНЭУ). Боевая эффективность традиционных дизельных ПЛ ограничена необходимостью периодического всплытия (обычно — раз в 3—4 дня) для подзарядки аккумуляторных батарей. Применение ВНЭУ позволяет увеличить продолжительность подводного плавания до 20 и более суток. Основными типами современных анаэробных установок, обычно применяемых на ПЛ совместно с традиционными дизельными двигателями, являются двигатели Стирлинга и электрохимические генераторы. На рисунке 3 показана японская ПЛ типа «Сорю» с ВНЭУ на основе двигателя Стирлинга.
После Второй мировой войны криогенные жидкие топлива в паре кислород/керосин применялись для заправки первых межконтинентальных ракет (советской Р-7 и американской
Titan), а позже в комбинации кислород/водород, например, на ракетах-носителях космических многоразовых аппаратов Space Shuttle и «Энергия». Два вида отмеченных комбинаций жидкого топлива до сих пор широко применяются в различных ракетах-носителях, запускаемых космическими державами, в том
числе для доставки на орбиту спутников военного назначения.
Рис. 3. Японская ПЛ типа «Сорю» с ВНЭУ на основе двигателя Стирлинга
В подлодках с двигателями Стир-линга жидкий кислород используется в качестве окислителя для дизельного топлива. Перспективным видом топлива для применения на ПЛ с такими ВНЭУ считается СПГ7. В энергетических установках с электрохимическим генератором тока в качестве реагентов, поступающих из специальных резервуаров к электродам, используются водород и кислород. Наиболее применяемый способ хранения кислорода — в жидком состоянии, водорода — в форме ме-таллгидрида. В отличие от установок на гальванических элементах, требующих частой подзарядки, эти энергетические установки могут работать до тех пор, пока осуществляется подвод реагентов.
Другим важным направлением применения криогенных технологий в Военно-морских силах (ВМС) ряда стран является использование высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов в системах размагничивания корпусов военных кораблей с целью снижения заметности
от различных датчиков магнитного поля. По принципу действия такая система представляет собой электромагнитную катушку, которая генерирует магнитное поле таким образом, что оно компенсирует магнитное поле корабля. Основу стандартных размагничивающих систем составляют многотонные сети, образованные медными электрическими кабелями — петлями катушки, уложенными внутри корпуса корабля. Высокотемпературные сверхпроводящие кабели сделаны из специального многослойного материала, удельное сопротивление которого при охлаждении до криогенных температур в десятки раз ниже, чем у электротехнической меди. Обычно применяется охлаждение жидким гелием или азотом (соответствующие температуры кипения при нормальном давлении -268,95 °С и -195,79 °С). Это позволяет работать на плотностях тока, в десятки раз превышающих показатели обычных проводников при комнатной температуре. В целом такая система размагничивания по сравнению с традиционной позволя-
ет экономить 50—80 % веса за счет уменьшения длины кабелей и 25 % энергопотребления8.
Отдельно следует отметить все более широкое использование ВТСП кабелей в корабельных энергетических установках нового поколения, применяемых на ряде новейших кораблей ВМС США и Великобритании. Эти установки являются мощными электромоторами с обмотками из сверхпроводников, что обеспечивает создание очень сильного магнитного поля, невозможного при использовании обычного электромотора. Это позволяет существенно уменьшить объема мотора и в то же время значительно увеличить его удельную мощность. Такая корабельная энергетическая установка вырабатывает необходимое количество электроэнергии, обеспечивая одновременно и движение корабля (вращение гребных винтов), и функциональность оружия и других систем (управления, разведки, связи и пр.) в различных условиях оперативной обстановки, часто приводящих к неравномерной и даже непредсказуемой нагрузке на энергосистему корабля. В ряде случаев может потребоваться больше энергии, чем энергетическая установка способна произвести за единицу времени. Например, это возможно при комплексном применении новых энергоемких видов ВВТ (лазерного, электромагнитного и др.). В настоящее время исследуется эффективность различных способов реализации модулей-накопителей электроэнергии (в том числе водородных топливных элементов) для удовлетворения внезапно возникающих энергетических потребностей.
Таким образом, объединенные корабельные энергетические системы нового поколения и современные системы размагничивания корпусов военных кораблей создаются путем внедрения ряда перспективных
технологий и, в частности, криогенных технологий, обеспечивающих сверхпроводимость ВСТП кабелей в целях повышения энергетической эффективности и снижения массо-габаритных характеристик соответствующего оборудования.
Следующей областью применения криогенных технологий в военной технике являются охлаждаемые те-пловизионные приборы, устанавливаемые во многих системах оптико-электронной разведки, прицеливания, наведения и самонаведения, которые размещаются на самых разнообразных носителях — от спутников и ракет до танков и снайперских винтовок. Преимущество охлаждаемых приборов над неохлаждаемыми состоит в том, что они обеспечивают гораздо большую четкость, потому что могут определять мельчайшие изменения в температуре вплоть до 0,1 °C. Для охлаждения используются либо модульные микрокриогенные системы (МКС) на основе двигателя Стирлинга, при этом его максимальные габаритные размеры не превышают единиц сантиметров, либо применяются другие схемы охлаждения, требующие наличия термостатированных емкостей с расходуемым хладагентом. Современные МКС по-
Важным направлением применения криогенных технологий в Военно-морских силах ряда стран является использование
высокотемпературных сверхпроводящих материалов в системах размагничивания корпусов военных кораблей с целью снижения заметности от различных датчиков магнитного поля. По принципу действия такая система представляет
собой электромагнитную катушку, которая генерирует магнитное поле таким образом, что оно компенсирует магнитное поле корабля.
зволяют криостатировать фоточувствительные элементы фотоприемных устройств различного типа на температурном уровне в диапазоне от -183 до -213 °С. Криостатирова-ние необходимо для предотвращения тепловой генерации шумов, ухудшающих параметры приемников инфракрасного излучения. В качестве примера на рисунке 4 представлен охлаждаемый тепловизионный прибор Sophie-XF производства французской компании Thales.
Завершая обзор примеров применения криогенных технологий в вооружении и военной технике, необходимо отметить следующее. В статье рассмотрены достаточно известные примеры использования таких технологий. Однако есть образцы ВВТ без элементов, работающих в условиях криогенных температур, но требующие для функционирования материалы, полученные в таких условиях (например, технические и редкие газы, выделенные в результате криогенного разделения воздуха и применяе-
мые в лазерных установках). Кроме того, существуют разнообразные методы криогенного охлаждения, широко используемые для обеспечения требуемой функциональности различных систем двойного назначения, таких как вычислительная техника (например, квантовые компьютеры), радиотехника (пример — криостати-руемая радиоприемная аппаратура) и т. д. Все это говорит о большом числе существующих направлений использования криогенных технологий в военном деле. Более того, создание самых перспективных образцов — гиперзвуковых БПЛА, ПЛ с высокой автономностью и малой заметно-стью, корабельных энергетических установок с меньшими массогаба-ритными характеристиками, но лучшей энергетической и эксплуатационной эффективностью, мощных газодинамических лазеров, способных решать задачи противовоздушной и противоракетной обороны — обязательно потребует применения таких технологий.
Рис. 4. Охлаждаемый тепловизионный прибор Sophie-XF производства французской компании Thaïes
Следующей областью применения криогенных технологий в военной технике являются охлаждаемые тепловизионные приборы, устанавливаемые во многих системах оптико-электронной разведки, прицеливания, наведения и самонаведения, которые размещаются на самых разнообразных носителях — от спутников и ракет до танков и снайперских
винтовок. Преимущество охлаждаемых приборов над неохлаждаемыми состоит в том, что они обеспечивают гораздо большую четкость, потому что могут определять мельчайшие изменения в температуре вплоть до 0,1 °^
Таким образом, в сложившихся условиях предлагается вспомнить опыт СССР и разработать программы НИОКР, подобные программе «Холод», с участием научно-технического совета Военно-промышленной комиссии Российской Федерации и Совета Российской академии наук по исследованиям в области обороны. Целями программ должны быть анализ применимости существующих и разработка недостающих криогенных технологий, критически важных для создания и эксплуатации вооружения и военной техники. В рамках программ следует распреде-
лить выполнение их элементов по научно-исследовательским организациям и предприятиям промышленности с учетом опыта и текущей компетенции, обеспечить координацию усилий для достижения целей и соблюдения сроков и стоимости выполнения программы. Только таким путем удастся не отстать от потенциальных противников, а в ряде случаев с учетом имеющихся научно-технических заделов и опередить их в повышении боевых возможностей новых образцов ВВТ путем применения самых передовых криогенных технологий.
ПРИМЕЧАНИЯ
1 Домашенко А.М. Проектирование и использование криогенных систем для топлив стартовых комплексов. М.: Изд-во МЭИ, 2018. 150 с.
2 Свод правил СП 162.1330610.2014. «Требования безопасности при производстве, хранении, транспортировании и использовании жидкого водорода». 2014. 170 с.
3 Андреев В.А., Борисов В.Д., Климов В.Т. Внимание: газы. Криогенное топливо для авиации. М.: Изд-во «Московский рабочий», 2001. 224 с.
4 Fuel Cells Bulletin. 2019. № 8. С. 5.
5 Martin, Mike Yeo, Nigel Pittaway, Usman Ansari, Vivek Raghuvanshi and Chris. «Hypersonic and directed-energy weapons: Who has them, and who's winning the race in the Asia-Pacific?» Defense News. 18 March 2021. URL: https://www.defensenews.com/ global/asia-pacific/2021/03/15/hypersonic-
and-directed-energy-weapons-who-has-them-and-whos-winning-the-race-in-the-asia-pacific/ (дата обращения: 29.06.2021).
6 Clement Charpentreau. Boeing, Hypersonix to study hydrogen-powered hypersonic vehicle. URL: https://www. aerotime.aero/boeing-hypersonix-study-hypersonic-hydrogen-powered-hypersonic-vehicle/ (дата обращения: 29.06.2021).
7 Хоанг, Куанг Лыонг. Воздухонеза-висимые энергетические установки на основе двигателей Стирлинга. Молодой ученый. 2020. № 38 (328). С. 19-24. URL: https://moluch.ru/archive/328/73652/ (дата обращения: 29.06.2021).
8 Высоцкий В.С., Занегин С.Ю., Зуб-ко В.В., Потанина Л.В., Фетисов С.С. Использование высокотемпературных сверхпроводящих кабелей для размагничивания крупных масс. Кабели и Провода. 2019. № 1 (375). С. 4—7.
