Смертоносные аккумуляторы
Мировой опыт эксплуатации подводных лодок (ПЛ), показывает, что аварии, связанные с различными техническими неисправностями и нарушениями требований эксплуатации аккумуляторных батарей (АБ), приводящие к пожарам и взрывам водорода, не являются крайне редким явлением в практике деятельности подводных флотов. За последние 70 лет они составляют не менее 3% от всех аварий и катастроф, происшедших на ПЛ.
Аварии и катастрофы с причинами подобного характера произошли в 1949–1988 годы на четырех дизель-электрических ПЛ ВМС США: «Кочино» (SS-345), «Помодон» (SS-486), «Грейбэк» (SSG-574) и «Боунфиш» (SS-582). Взрывы водорода и пожары в аккумуляторных ямах с жертвами среди подводников происходили на подводных лодках флотов и других стран, в том числе: подводная лодка ВМС Польши «Сеп» (тип «Ожел») – в 1974 году; подводная лодка ВМФ СССР М-258 (проект А-615) – в 1965 году; подводная лодка ВМС Франции «Дорис» (тип «Дафне») – в 1968 году; подводная лодка ВМС Великобритании «Альянс» (тип «Эмфион») – в 1971 году. Вполне вероятно, что именно по этой причине погибла в ноябре 2017 года и подлодка ВМС Аргентины «Сан-Хуан» (тип «Санта-Крус»).
Всего же за последние 70 лет на дизель-электрических подводных лодках (ДЭПЛ) произошло не менее восьми аварий, связанных со взрывом водорода, из которых две закончилась катастрофой. Так, 28 августа 1949 года на ДЭПЛ ВМС США «Кочино» из поврежденной аккумуляторной батареи произошла утечка водорода, что привело к взрыву и пожару. Около 14 часов моряки боролись за живучесть подводной лодки, но второй взрыв заставил их покинуть подводную лодку и эвакуироваться на ПЛ «Таск». Субмарина «Кочино» затонула на глубине 250 м. Более подробно аварии и катастрофы подобного рода рассмотрены в таблице.
Опыт ликвидации аварий, связанных со взрывом водорода на ПЛ, в различных флотах стран мира показывает, что сам факт взрыва, последующий пожар и их последствия, однако, редко приводит к катастрофе подводной лодки и потере всего экипажа. В большинстве случаев подводная лодка всплывает в надводное положение, пожар локализуются силами экипажа, а субмарина своим ходом или с помощью буксира переходит в безопасное место. При этом экипаж ПЛ в море может быть эвакуирован специально развернутыми спасательными силами или оказавшимися близко к аварии кораблями, гражданскими судами и даже подводными лодками.
Что же произошло с ДЭПЛ «Сан Хуан»
15 ноября 2017 года дизель-электрическая подводная лодка ВМС Аргентины «Сан-Хуан» вышла из порта Ушуайя с целью совершения межбазового перехода в пункт постоянного базирования в Мар-дель-Плата. На борту ДЭПЛ находились 44 подводника. В начале суток 15 ноября командир ДЭПЛ «Сан-Хуан» доложил на берег об аварии на борту ДЭПЛ и передал координаты своего местонахождения. Это был последний доклад с подводной лодки, когда она находилась в 240 милях от берега. С этого момента связь с подводной лодкой была потеряна.
По заявлению представителей ВМС Аргентины, причиной взрыва на борту пропавшей аргентинской подлодки «Сан-Хуан» могла быть высокая концентрация водорода. При этом возможность взрыва боезапаса (22 торпеды) аргентинской стороной исключалась по причине отсутствия торпед на борту ПЛ.
Ряд российских авторитетных военных экспертов согласились с этой версией и высказали предположение, что взрыв мог произойти из-за нарушений условий эксплуатации или неисправности самой аккумуляторной батареи (АБ). К первопричинам взрыва водорода, по опыту эксплуатации АБ, может в том числе относиться попадание на токоведущие части АБ морской воды, способной вызвать короткое замыкание и взрыв в условиях повышенной концентрации водорода в отсеках подводной лодки. Эта первопричина аварии на ПЛ «Сан-Хуан» рассматривается как наиболее вероятная.
Впоследствии ВМС Аргентины подтвердили первопричину аварии, сделав официальное заявление, что во время последнего сеанса связи командир аргентинской подлодки «Сан-Хуан» доложил о попадании воды в шнорхель во время зарядки аккумуляторных батарей, что привело к короткому замыканию в контактной группе АБ. Шнорхель – это выдвижное устройство подводной лодки, обеспечивающее работу дизеля под водой и использующееся для подачи в перископном положении атмосферного воздуха в дизельный отсек и удаления выхлопных газов дизелей (в отечественном флоте его называют РДП).
Военное ведомство Аргентины рассматривает и еще одну возможную причину аварии – техническую неисправность самой АБ. Так, ДЭПЛ «Сан-Хуан» в 2007–2014 годы прошла средний ремонт. В процессе ремонта были заменены двигатели и аккумуляторные батареи. Нетипично длительный срок среднего ремонта объясняется нехваткой финансовых средств и необходимого количества квалифицированного персонала. Более того, по сообщениям аргентинских СМИ, выяснилось, что при закупке аккумуляторов для подлодки «Сан-Хуан» были обнаружены нарушения. Проведенная Минобороны Аргентины проверка выявила, что была нарушена установленная процедура заключения контрактов на закупку аккумуляторов для подводной лодки «Сан-Хуан». В результате для подлодки были приобретены аккумуляторы с истекшим сроком гарантии. Вполне вероятно, что данные проблемы сказались на качестве ремонта электроэнергетической системы, а также подготовке ДЭПЛ «Сан-Хуан» к выходу в море.
В случае с ПЛ «Сан-Хуан» взрыв водорода вызвал и еще одну нештатную аварийную ситуацию – потерю герметичности корпуса, экстренное поступление морской воды в отсеки в результате взрыва водорода. В результате подводная лодка потеряла плавучесть и затонула. Таким образом, краткий обзор событий на ПЛ «Сан-Хуан» показал, что в короткий период на ней произошли как минимум три весьма опасные аварии. Две аварии АБ, связанные с попаданием через РДП морской воды на контакты АБ и последующим взрывом водорода, сопровождающимся пожаром. И одна авария, связанная с разгерметизацией корпуса ПЛ и поступлением морской воды в отсеки ПЛ, как следствие взрыва водородной смеси. Вся эта цепочка аварий и привела к катастрофе «Сан-Хуана».
Поскольку у ПЛ «Сан-Хаун» четыре отсека, а запас плавучести – не более 8–10%, то затопление любого из отсеков лишает ее возможности всплыть самостоятельно, даже с небольших глубин в несколько десятков метров. Если же подлодка провалилась за предельную глубину в районе океанской впадины и ее раздавило, шансов на спасение у экипажа не оставалось. Но ответить на вопрос, что же произошло на «Сан-Хуане», можно только после обнаружения ПЛ и осмотра внешней и внутренней части конструкции корпуса, а также всего оборудования ПЛ, изучения вещественных доказательств причин аварии, вахтенной документации, данных технического контроля и т.д.
На сегодня международная команда, участвующая в поисках пропавшей субмарины, насчитывает до 30 судов и самолетов, а также до 4 тыс. человек из 13 стран мира. Кроме России в поисковой операции участвуют Германия, Бразилия, Канада, Чили, Колумбия, Испания, США, Франция, Норвегия, Перу, Великобритания и Уругвай.
Россия направила в Аргентину специалистов 328-го экспедиционного поисково-спасательного отряда с телеуправляемым подводным аппаратом (ТПА) «Пантера Плюс» (опускается на глубину до 1 тыс. м), а также океанографическое исследовательское судно «Янтарь», оборудованное двумя глубоководными аппаратами, позволяющими проводить обследования на глубине до 6 тыс. м. За время участия в поисковых работах у побережья Аргентины специалистами службы поисковых и аварийно-спасательных работ ВМФ РФ, находящимися на борту буксира ВМС Аргентины «Ислас Мальвинас», произведено несколько десятков погружений ТПА «Пантера Плюс» на глубины от 125 до 1050 м для обследования дна. За этот период были обнаружены и классифицированы два затонувших рыболовецких траулера и два бетонных блока.
Как показывает опыт операций по поиску и спасению аварийных ПЛ различных стран, особенно много проблем возникает при их организации на начальном этапе. При этом теряется немало времени на оценку ситуации, различные консультации и согласования. А в этом деле, знает каждый подводник, дорога каждая минута. Лишняя потеря времени может обернуться потерей реальных возможностей спасти жизни подводников. В этой связи с целью повышения оперативности спасения аварийных подлодок без лишних согласований и консультаций в России предложили создать международный координационный центр по оказанию помощи аварийным ПЛ. Об этом заявлено на 54-м Международном конгрессе подводников, который прошел в июне 2017 года в Санкт-Петербурге. Все страны-участники, в том числе и Аргентина, российскую инициативу поддержали.
Важным практическим шагом по обеспечению этой идеи стало возрождение в России специализации водолазов-глубоководников. Научно-исследовательским институтом спасания и подводных технологий совместно с экспедиционным аварийно-спасательным отрядом ВМФ России начата подготовка водолазов-спасателей к погружению на глубины свыше 400 м. Практические погружения водолазов-глубоководников начнутся уже летом этого года.
Источник
Электроэнергетические системы на подводных лодках
С начала XX века для подводного хода субмарины применяли электродвигатели, которые запитывались от аккумуляторов. Зарядка аккумуляторов производилась в надводном положении электрогенераторами, приводимыми в действие дизельными двигателями.
Появление атомных подводных лодок (АПЛ) после Второй мировой войны не привело к прекращению строительства дизель-электрических субмарин. Более малошумные, дешевые, способные действовать на мелководье, неатомные подводные лодки до сих пор стоят на вооружении большинства флотов мира.
ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО
Электроэнергетическая система дизель-электрических подводных лодок (ДЭПЛ), в классической схеме, состоит из аккумуляторных батарей, дизель-генератора, гребного электродвигателя, вспомогательных двигателей и других потребителей электроэнергии.
Двигателем подводного хода ДЭПЛ всегда был электромотор, питающийся от аккумуляторных батарей. Он не требует кислорода для работы, безопасен и имеет приемлемые вес и габариты. Но серьезным ограничением его применения является малая емкость аккумуляторов. По этой причине запас непрерывного подводного хода ДЭПЛ ограничен и зависит от режима движения. При движении экономичным ходом батареи требуется подзаряжать каждые 300-350 миль. А при движении полным ходом – каждые 20-30 миль. Иными словами, субмарина может двигаться в подводном положении без подзарядки со скоростью 2-4 узла трое и более суток или часполтора со скоростью более 20 узлов.
Поскольку на габариты и вес подводных лодок наложены серьезные ограничения, электромоторы и дизели совмещают в себе разные функции. Электромотор может работать как обратимая машина. Он потребляет электричество при движении или вырабатывает его для зарядки аккумуляторов. Дизель может быть двигателем, приводящим в движение винт или электрогенератор, и может быть поршневым компрессором, если его вращает электромотор.
После 1950-х годов практически исчезли ДЭПЛ, в которых дизель работал бы непосредственно на винт. Гребной винт теперь приводится в движение исключительно электродвигателем. (Это не относится к АПЛ, гребные винты которых приводятся в движение паровой турбиной). Дизель вращает только электрогенератор. Такая схема позволяет эксплуатировать дизель в постоянном, оптимальном режиме работы и дает возможность разделить гребные электродвигатели (ГЭД) и генераторы. Использование этих устройств в индивидуальном режиме повышает КПД обоих, а значит, увеличивает запас подводного хода. К недостаткам следует отнести двойное преобразование энергии – сначала механической в электрическую, затем обратно – и связанные с этим потери. Но с этим приходится мириться, так как основным является режим зарядки аккумуляторов, а не режим расхода на ГЭД.
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ДЭПЛ
Как было указано, на всех современных ДЭПЛ используется полное электродвижение. На большинстве лодок с полным электродвижением ранее примелись два двигателя: главный и экономического хода. В современных проектах их роль играет один мотор с двумя режимами работы. Перезарядка батарей осуществляется в надводном положении или на перископной глубине при помощи шнорхеля – устройства для работы двигателя под водой (РДП). Новым этапом развития ДЭПЛ стало использование топливных элементов на основе различных химических соединений. Это позволило, в частности, увеличить в пять – десять раз дальность непрерывного подводного плавания экономическим ходом и снизить шумность субмарины. Тем не менее пока установки на топливных элементах не обеспечивают требуемые оперативно-тактические характеристики ПЛ, прежде всего в части, касающейся выполнения скоростных маневров при преследовании цели или уклонении от атаки противника. Поэтому современные субмарины оснащаются комбинированной двигательной установкой. Для движения на высоких скоростях под водой используются аккумуляторные батареи или топливные элементы, а для плавания в надводном положении – традиционная пара «дизель-генератор – электромотор».
АНАЭРОБНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
Дальнейшее развитие неатомных подводных лодок связано с использованием анаэробных (воздухонезависимых) энергетических установок. Существуют четыре основных типа анаэробных ЭУ: дизельный двигатель замкнутого цикла (ДЗЦ), двигатель Стирлинга (ДС), топливные элементы или электрохимический генератор (ЭХГ) и паротурбинная установка замкнутого цикла. Наиболее перспективным направлением считается использование двигателей Стирлинга. Применение этого двигателя значительно повышает время пребывания лодки в подводном положении без серьезных потерь в других показателях.
Разработка субмарин с вспомогательными воздухонезависимыми ЭУ начались более 30 лет назад, но таких лодок было построено чуть более десятка – это шведский проект «Готланд», французский «Сага», японский «Сорю».
В настоящее время все подводные лодки ВМС Швеции оснащены ДС, а шведские кораблестроители уже хорошо отработали технологию оснащения этими двигателями подводных лодок. Использование ДС позволяет находиться этим субмаринам под водой непрерывно до 20 суток.
Источник
Конструкция и особенности серебряно-цинковых аккумуляторов
Разработки серебряно─цинковых аккумуляторов велись достаточно давно и были нацелены на преодоление недостатков кислотных и щелочных аккумуляторов. У последних низкая удельная ёмкость: 8 (кислотные) и 2 (щелочные) А-ч на килограмм. Кроме того, они имеют малый КПД, достаточно высокий саморазряд. Стоит отметить и невозможность их применения в условиях пониженного атмосферного давления. В серебряно─цинковых аккумуляторах удалось преодолеть эти недостатки. В этом материале мы постараемся разобраться в конструкции, принципе работы и эксплуатации серебряно─цинковых батарей.
Конструкция серебряно─цинковых аккумуляторов
Серебряно─цинковые аккумуляторы собираются в корпусе из пластика. В качестве отрицательного электрода используются пластины из смеси порошка цинка (Zn) и окиси цинка (ZnO). Положительными электродами являются пластины из оксида серебра (AgO). На изображении ниже можно посмотреть конструкцию серебряно─цинкового электрода.
Конструкция серебряно─цинковых аккумуляторов
Материал сепараторов тщательно выбирался для серебряно-цинковых аккумуляторов и имеет важное значение. При заливке электролита материал сепаратора отрицательного электрода набухает и препятствует оплыванию активной массы электрода. Кроме того, он мешает переносу коллоидных частиц серебра на пластины, противоположной полярности.
В результате такого подбора сепараторов пластины разной полярности имеют надёжную защиту от короткого замыкания. При этом имеется необходимая площадь соприкосновения пластин c электролитом. Когда формируется сборка пластин, то их плотно прижимают друг к другу и устанавливают прямо на дно корпуса. Никаких решёток для пластин в серебряно-цинковых аккумуляторах не применяется, поскольку материал электродов достаточно прочный и имеет высокую проводимость. Этот тип аккумуляторных батарей устойчив к ударному воздействию и вибрациям.
В серебряно-цинковых аккумуляторах протекает следующая обратимая реакция:
AgO + Zn ⇒ Ag + ZnO
Слева направо реакция идёт при разряде, справа налево протекает при заряде.
В таблице ниже приведены основные характеристики серебряно-цинковых аккумуляторных элементов.
| ЭДС, В | 1,85 |
| Рабочее напряжение, В | 1,55 |
| Теоретическая удельная энергоёмкость, Вт-ч/кг | 425 |
| Практическая удельная энергоёмкость, Вт-ч/кг | 150 |
| Рабочая температура, С | от -40 до +50 |
| Удельная энергоплотность, Вт-ч/куб. дм. | 650 |
Особенности эксплуатации серебряно-цинковых батарей
Этот тип аккумуляторных батарей имеет очень маленькое внутреннее сопротивление, а также большую величину удельной энергоёмкости. Основной отличительной особенностью серебряно-цинковых аккумуляторов можно назвать возможность высокой отдачи тока. На 1 А-ч ёмкости аккумулятора ток может достигать 50 ампер.
В процессе зарядки батареи образуется и окись серебра (AgO). Благодаря этому кривая напряжения при заряде и разряде идёт ступенчато. Отчётливо видны участки с более высокими значениями напряжения, которые соответствуют восстановлению (при разряде) или окислению (при заряде) серебра. При больших токах разряда ступенчатый характер изменения напряжения становится менее заметным.
Ниже можно посмотреть сравнение некоторых характеристик серебряно-цинковых, никель-кадмиевых, свинцово-кислотных стартерных аккумуляторов для автомобиля.
| Тип аккумулятора | Режим разряда | Удельная ёмкость, Ач/кг | Удельная энергия, Вт-ч/кг | Удельная мощность, Вт/кг |
|---|---|---|---|---|
| Свинцово-кислотные | 5 минут 1 час 10 часов | 3,2-4,1 9-12,5 11-12,9 | 5,4-7 18-25 22-25 | 54-90 18-25 2,1-2,6 |
| Никель-кадмиевые безламельные | 5 минут 1 час 10 часов | 21 23 23 | 16,4 27,3 29 | 197 27,3 2,9 |
| Серебряно-цинковые | 5 минут 1 час 10 часов | 19-31 41-73 65-100 | 25-41 60-106 100-150 | 300-500 60-106 10-15 |
| Тип аккумулятора | Режим разряда | Удельная ёмкость, Ач/кг | Удельная энергия, Вт-ч/кг | Удельная мощность, Вт/кг |
Серебряно-цинковые аккумуляторы хранятся без электролита долгое время. Чтобы привести в рабочее состояние элементы этого типа, нужно:
- предварительно провести их визуальный осмотр для выявления механических повреждений и коррозии элементов;
- далее аккумуляторы нужно залить электролитом. Для этого используется раствор едкого калия в воде с плотностью 1,4 гр./см 3 , который насыщен окисью цинка;
- провести формировочные циклы заряд-разряд, а затем контрольный и рабочий заряд батареи.
После визуального осмотра и заливки электролита у всех элементов проверяется ЭДС. Для нормальной работы аккумулятора электроды должны пропитаться электролитом. Чтобы ускорить этот процесс серебряно-цинковые аккумуляторы помещаются в барокамеру. Предварительно у них снимаются крышки с заливочных отверстий.
Размер серебряно-цинковых аккумуляторов
Когда аккумуляторы залиты, то проводится их формировка. Эта процедура заключается в проведении двух полноценных циклов заряд-разряд. При этом нужно контролировать полноту заряда по времени или по напряжению элемента.
Напряжение серебряно-цинкового аккумулятора должно быть в интервале 2─2,1 вольта. Примерно через час после проведения зарядки величина ЭДС должна составлять 1,82—1,88 вольта. После заряда проводится разряд определенным током. Аккумулятор разряжается до напряжения примерно 0,6—1,25 вольта.
После того, как серебряно─цинковый аккумулятор залит электролитом, храниться он должен при температуре 5—10 С. В таком режиме лучше сохраняется целлофан сепаратора.
В таблице ниже представлены характеристики объёма моделей серебряно-цинковых аккумуляторов, выпускаемых российскими производителями.
| Маркировка аккумулятора | Вес АКБ с залитым электролитом, кг | Номинальная ёмкость (разряд 10 часов), Ач | Ток пяти минутного разряда, А |
|---|---|---|---|
| СЦ-0,5 | 0,024 | 0,85 | 2 |
| СЦ-1,5 | 0,035 | 1,8 | 3,5 |
| СЦ-3 | 0,095 | 4,5 | 35 |
| СЦ-5 | 0,16 | 7,5 | 60 |
| СЦ-12 | 0,195 | 14 | 80 |
| СЦ-15 | 0,245 | 16,5 | 95 |
| СЦ-18 | 0,3 | 20 | 120 |
| СЦ-25 | 0,47 | 27 | 150 |
| СЦ-40 | 0,72 | 45 | 180 |
| СЦ-45 | 0,76 | 50 | 200 |
| СЦ-50 | 0,84 | 55 | 250 |
| СЦ-70 | 1,35 | 80 | 400 |
| СЦ-100 | 1,6 | 100 | 600 |
| СЦ-120 | 1,9 | 130 | 650 |
| Маркировка аккумулятора | Вес АКБ с залитым электролитом, кг | Номинальная ёмкость (разряд 10 часов), Ач | Ток пяти минутного разряда, А |
Сфера применения серебряно-цинковых АКБ
Области применения серебряно-цинковых аккумуляторов обусловлены их характеристиками. В основном они применяются там, где требуются АКБ небольшого объема и массы. Ниже приведены основные области применения:
- Военная техника;
- Геофизическое и геологическое оборудование;
- Космическая отрасль;
- Авиационная техника.
Источник
