План «С» как альтернатива EMALS

Первый авианосец XXI века CVN-78 G.Ford с катапультой EMALS
Евгений Шолков,
кандидат технических наук
Виктор Друшляков
О том, что превращает палубу в ВПП. Взлётно-посадочные системы авианосцев. Продолжение, начало в № 3-2014

Принято считать, что при создании новой техники и модернизации существующей, уровень инноваций не должен превышать 25%, иначе подобные разработки оказываются в зонах технологических рисков. Подобных примеров немало в судостроении ВМС США в XXI веке. Коварный соблазн разом создать на основе концепции «полностью электрический корабль» (all-electric ship) наиболее комплексно воплощен на борту стелс-эсминца Zumwalt (рис.1). Тут всё пропитано электричеством, начиная от полностью интегрированной системы электропитания, генерирующей и распределяющей вырабатываемую энергию, до ходовой системы корабля, вооружения и вспомогательных систем. Гребные винты корабля, вращаемые электромоторами, энергоёмкая система кинетического оружия – рельсотрон, новая мощная система лазерного оружия на свободных электронах – вот основные потребители в энергетической системе корабля. Новинка обошлась налогоплательщику США, по разным оценкам, от $4 млрд до $7,5 млрд, что значительно превышает стоимость атомного ракетоносца класса «Вирджиния» ($ 2,688 млрд).
Предполагалось, что этот монстр достигнет первоначального оперативного потенциала к 2016 г., однако к моменту написания этих строк первоначальные испытания выявили не только «детские», но и более серьёзные болезни – в первую очередь, отказы силовой установки корабля с потерей хода в районе Панамского канала. Система рельсотронного оружия далека от совершенства, а двухдиапазонный радар AN/SPY-4 вообще не отвечает заданию ТТХ и будет, в первую очередь, установлен на авианосце CVN-78 G.Ford (рис.2), ввод в строй которого задерживается более чем на год. Именно на этом первом авианосце XXI века ВМФ США мы сосредоточим наше внимание. Концепция all-electric ship (AES), избранная при проектировании этого корабля на основе проверенных технологий корпуса авианосца класса «Нимиц» (Nimitz class), оказала плохую услугу кораблестроителям. Это особенно проявилось при выборе основных энергоёмких систем, таких как: катапульта электромагнитного старта (EMALS), перспективный турбоэлектрический аэрофинишёр (AAG), двухдиапазонный радар (Dual Band Radar). На слушаниях в Конгрессе США в 2009 г. о ходе строительства CVN-78 G.Ford именно эти системы были отнесены к зоне повышенного технологического риска. На случай неуспеха с EMALS существовал даже Plan «В» по замене этой системы паровой катапультой (ПК), с чем заранее соглашались даже разработчики компании General Atomics. Познакомимся с закулисной борьбой, оставившей «за бортом» альтернативную систему запуска самолётов, в первую очередь, не по техническим преимуществам, а из-за довлеющего внимания к концепции AES. Удивляет тот факт, что основными игроками этой борьбы были не конструкторы и техники-кораблестроители, а военные чиновники.
Трудно себе представить, что в XXI веке будут открыты какие-либо новые физические принципы, способные привести к новым возможностям взлёта с палубы. Мы попытаемся убедить читателя, что ещё не исчерпаны резервы гибридных технических решений на известных физических принципах, потенциал которых способен в критических обстоятельствах конкурировать с системой EMALS на равных, и даже её превосходить.

Трудная зрелость CVN-78 G.Ford

Для нашего рассмотрения представляют интерес первые две проблемные технологии – EMALS и AAG, системы, образующие в составе авианосца взлётно-посадочный комплекс (ВПК) и максимально определяющие безопасность полётов с палубы от взлёта ЛА до его посадки. Оставив в стороне борьбу за поставку на корабль систем запуска, остановимся на техническом аспекте проблем ВПК. Один из авторов этих строк, имея учёную степень в области силовой преобразовательной техники, и знающий достоинства и недостатки паровой катапульты (ПК) как участник испытаний первой (и единственной) отечественной ПК, является несомненным сторонником разработки в России системы электромагнитного старта на основе линейного двигателя. Однако опыт разработки подобной катапульты в США, показавший принципиальную реализуемость и работоспособность EMALS, заставляет нас воздержаться от технологических скачков, ведущих к технологическим рискам. Наглядное тому подтверждение – хроника строительства и испытаний авианосца CVN-78 G.Ford, заложенного в 2009 году.
После предварительного отбора на конкурентной основе в 1999 г. ВМС США подписали контракты по программе РМА-251 на создание EMALS между двумя компаниями – General Atomics (GA) и Northrop Grumman (NG). В апреле 2004 г. было принято решение о развёртывании EMALS на перспективных авианосцах серии CVN-X, в основу которой был выбран вариант, предложенный GA. Кстати, позднее, в 2005 г., компания GA в рамках РМА-251 получила контракт на разработку перспективного аэрофинишёра (АФ) AAG на принципе электромагнитного рекуперативного торможения (рис.3).
В марте 2006 г., после поиска новых технических решений, компания GA получила дополнительные ассигнования на испытания макетных образцов на базе в Tupelo и подготовку испытательной площадки на полигоне в Lakehurst. Испытанная в Tupelo 12-ти метровая модель линейного двигателя с экранированной активной зоной статора не устраняла эффект EMI – выпучивание пульсирующего магнитного поля в зазоре статора. Возникает первый вопрос: как победителем конкурса стала компания, представившая явно «сырой» проект, не имевший перспективы? К 2008 г. на площадке Tupelo была испытана принципиально новая конструкция линейного электродвигателя (ЛЭД) – модель половинного масштаба, что открыло дорогу для монтажа натурной модели в Lakehurst. Смена протипа к 2009 году привела к 4-месячному отставанию в графике. Зимой 2009/10 года в испытательном центре был установлен наземный комплекс EMALS, полностью соответствующий размерам палубы авианосца. Однако уже первый «короткий» пуск на 10 м. привёл к опрокидыванию (реверсу) тяги линейного двигателя и разрушению стартовых механизмов. Устранение неполадок в программном обеспечении и ремонт разрушений привёл к очередному 3-месячному отставанию в графике работ. Это позволило после серии холостых пусков начать запуски тележек-нагружателей (dead loads). Проведя более 720 таких пусков, была подтверждена готовность к запуску реальных ЛА, составляющих авиакрыло авианосцев. Долгожданное событие состоялось 18 декабря 2010 г, когда истребитель-бомбардировщик F/A-18E Super Hornet массой 13,9 т взлетел со скоростью 330 км/ч. Дальнейшие испытания были прерваны до марта 2011 г.: выявились неравномерности (скачки) тяги между секциями ЛЭД – неточность аппроксимации кривой ускорения разгона. Возникает второй вопрос: проведя 720 пусков тележек-нагружателей с массами и конечными скоростями, соответствующими корабельным требованиям, неужели нельзя было отработать программное обеспечение по устранению этих неточностей? Мало кто обратил внимание на комментарий пилота-испытателя Daniel Radocaj, что в момент старта он испытал такой же рывок, как и на паровой катапульте (достигает 5g) – к этому моменту мы вернёмся во второй части этой статьи. Работы по корректировке управляющих программ затянулись на 5 месяцев.
После первых стартов в мае 2011 г. пришлось провести промежуточную корректировку управляющих программ и в июне продолжить серийные испытания. Программу испытаний вновь продолжил F/A-18E Super Hornet, выполнив серию из 14 взлётов. Далее состоялись запуски всех типов ЛА авиакрыла авианосца – по 63-65 для каждого типа. В процессе этой серии испытаний вновь было выявлено ударное ускорение при старте F/A-18E/F and EA-18G с подвешенными внешними топливными баками ёмкостью 2182 л. Наличие этого стартового удара не позволит этим самолётам с подвесными баками выполнять даже рутинные полёты с борта CVN-78. Во второй половине 2011 г. венцом этой серии стал взлёт истребителя пятого поколения F-35C Lightning II. Параллельно с этим началась загрузка энергетического оборудования EMALS на борт строящегося авианосца – результаты первых запусков в Lakehurst внушали неоправданный оптимизм.
В последующие два года, 2012-2013 гг., потребовалась основательная доработка систем EMALS – об этом свидетельствует число пусков, проведённых на испытательном полигоне: более 11 000 холостых пусков и 3036 пусков тележек-нагружателей – нарабатывалась статистика отказов. Можно предположить, что подобный объём испытаний также понадобился для проверки температурных режимов в повторно-кратковременных циклах. 2014 год был отведён для проверки совместимости с бортовым оборудованием АВ (452 пуска) для подготовки к тарировке ЭМК на борту АВ. Лишь спустя год на полигоне Lakehurst для комплексной проверки работоспособности всех подсистем была проведена серия из 22 пусков, часть из которых была признана неудачной, хотя в итоге была достигнута проектная конечная скорость – 333 км/ч.
И лишь спустя 16 лет после начала финансирования стартовой фазы работ, в июне 2015 г., начался ответственный этап бросковых испытаний тележек-нагружателей на борту CVN-78. В испытаниях были задействованы 15 тележек-нагружателей понтонного типа, что обеспечивало плавучесть при падении в воду Чесапикского залива. Массы тележек варьировали от 3,6 до 36,3 тонн. В разгар тарировочных испытаний двух катапульт командование ВМС США неожиданно объявило 25 сентября о прекращении испытаний и изменении графика поставки АВ CVN-78 G.Ford из-за ряда проблем, выявленных в ходе испытаний. После анализа результатов было принято решение завершить в ноябре испытания катапульты на угловой палубе. Как сообщил источник, близкий к прошедшим испытаниям, прекращение работ вызвано пожаром силового трансформатора подсистемы PPI (prime power interface) – связующего звена, обеспечивающего взаимодействие судовой распределительной сети с подсистемой EMALS накопления и хранения энергии. По некоторым данным, пожар в трансформаторе связан с неполадками в системе выпрямителей, выявленных во время сертификационных испытаний. Для замены этого трансформатора массой около 17,5 тонн потребовалось выполнить вырез в несколько м.кв. в силовом каркасе верхней палубы, что заняло несколько месяцев. При выходе из строя одной из трёх подобных систем катапульты остаются без горячего резерва, при этом считается, что срок их службы должен равняться длительности жизненного цикла корабля (50 лет). О продолжении испытаний и новом сроке ввода CVN-78 официальных сообщений не поступило.
Не менее проблемной и технологически рискованной для нового авианосца оказалась и система турбоэлектрического финишера (AAG), официальных сообщений о которой крайне мало. Как заявил директор оборонного ведомства DOT&E M.Gilmore «… AAG вряд ли способен поддерживать полёты высокой интенсивности, а его надёжность значительно ниже ожиданий и значительно ниже того, что нужно для достижения успеха в бою». И лишь 13 октября 2016 г. было объявлено о первой успешной посадке F/A-18E Super Hornet с помощью перспективного аэрофинишера AAG (рис. 4). Предшествующие испытания включали около 1200 торможений тележек-нагружателей и трёхсот торможений с пробежек ЛА – первое из них произошло 31 марта с помощью F/A-18E. Интересно, что разгон «мертвых грузов» (dead-load) проводился на тележках, снабжённых реактивными двигателями, по железнодорожным путям.
Следующим этапом запланированы монтаж и пуско-наладочные работы нового АФ на борту авианосца. Запоздалый успех не вызывает у командования ВМС доверия к системе с высоким технологическим риском. Известно, что ВМС уже просматривают некий план «В» для AAG, оценивая последствия возврата к хорошо проверенной системе Mark 7 для третьего корабля CVN-80. На сегодняшний день ВМС закупили два комплекта AAG: один установлен на G.Ford, а другой планируется на J.Kennedy. При этом рост стоимости составил 186% по сравнению с исходной базовой ценой. Представляется вероятным, что на CVN-78 посадочный блок будет оборудован смешанным составом аэрофинишёров: на первой позиции будет установлен AAG, а на последующих двух – полиспастно-гидравлический АФ Mark 7.

А между тем…

ВМС США в очередной раз откладывают принятие на вооружение первого авианосца XXI века CVN-78 G.Ford. Об этом стало известно из отчёта Пентагона, опубликованного 26.07.2016 г., в котором сообщено о проблемах с системами взлётно-посадочного комплекса (ВПК) авианосца. Ко всему ещё добавились сложности в управлении воздушным движением в полётной зоне авианосца. Директор отдела испытаний Пентагона М.Gilmore заявил: «Если эти проблемы не будут решены, они существенно ограничат возможности CVN-78 по ведению боевых действий (рис.5). При этом, очевидно, взлётно-посадочную систему авианосца придётся менять». Это чиновник, правда, ничего не сказал об альтернативных системах. А может, он не раскрывает вариантов отказа от плана «В» – возврата к паровой катапульте и существовании нового плана – плана «С», перехода к гибридной катапульте, которой будет посвящена вторая часть этой статьи. В этих условиях обещанный ранее ввод в строй CVN-78 в ноябре 2016 г. уже не состоялся.
В сложившейся ситуации Министерство обороны США (DoD) 30.08.2016 г даёт распоряжение провести независимую экспертизу будущей боеготовности строящегося CVN-78. Из директивы следует, что проведённые испытания показали непригодность бортовых систем ВПК, которые «напрямую затрагивают воздушные операции». Замминистра DoD США Ф.Кендалл направил министру ВМС письмо, в котором утверждалось: «Задним числом стало ясно, что было преждевременно оснащать авианосец столь большим числом неопробованных технологий» (вспомним о «квоте» в 25%). При этом автор находит оправдание в том, что «оснащение корабля этими технологиями было принято ещё в 2001 г. при министре обороны D.Ramsfeld». Нашёл подтверждение тезис, что решение по этим технологиям принимали чиновники-военные 15 лет назад, а сейчас идут поиски «козла отпущения». Уместно напомнить, что авианосец планировалось ввести в строй еще в сентябре 2014 года, затем срок был передвинут на сентябрь 2016-го и наконец на 2017 год. Стоимость проекта за последние годы возрастала с $11,5 млрд до $13 млрд. По некоторым расчётам, эта цифра может достигнуть $15 млрд.
Проблемы с EMALS и AAG продолжают показывать серьёзные трудности с техническим обслуживанием систем, вызвавших в феврале 2016 г. резкую оценку в DOT&E (Комитет по оперативным испытаниям и оценке результатов), которая была предельно категоричной: «При отсутствии существенной доработки катапульты и аэрофинишёра эти системы не отвечают требованиям надёжности». Было отмечено, что обслуживание осложняется невозможностью проведения текущих ремонтов компонентов катапульты без выключения всей системы во время лётной эксплуатации. По данным DOT&E, эти системы не отвечают требованиям надёжности по протоколу MCBCF, которые предусматривают выполнение 4166 пусков катапульты на один неуспешный пуск, т.н. «холодный пуск». На сегодняшний день статистика неполная, но известно, что выполнено всего 340 успешных пусков EMALS до первого отказа, т.е., в 15 раз хуже требуемой надёжности. При этом мы не знаем, вошёл ли в эти показатели казус, описанный в «Navy Times» от 16 июня 2015 г. под заголовком «EMALS выдыхается в первом публичном запуске на борту G.Ford». Стало известно, что после пробных технических пусков двух тележек нагружателей (5 июня – два пуска массой 6,8 т и 10 июня – один пуск массой 8,1 т), видео которых эффектно выложены в YouTube, 15 июня была предпринята попытка официальной презентации: после предварительного холостого пуска должен был состояться запуск тележки-нагружателя. После стыковки тележки-нагружателя с тянущим челноком офицер катапульты дал команду к старту, оператор нажал кнопку «Пуск» и… на палубе ничего не произошло! Проблема не сразу стала очевидной. Не прояснилась ситуация и после заявления Matt Mulherin, президента Newport News Shipbuilding, который заявил, что «некоторые схемы показали недостатки» и далее: «…мы выявляем недостатки, чтобы устранять их». Точнее не скажешь. Командир авианосца G.Ford, капитан первого ранга John Meier обнадёжил: «…когда вы проходите программу испытаний – это не редкость… всегда возможны некоторые расхождения», отнеся это событие к незначительным неудачам, каждая из которых может закончиться «холодным пуском» – потерей самолёта.

Не лучше обстоят дела с надёжностью и у самого совершенного турбоэлектрического финишёра AAG, испытатели которого столкнулись с низким энергопоглощением гидротрансформатора и пониженным прогнозируемым сроком службы – 10 лет вместо 25. Согласно требованиям MCBCF, допускается один отказ на 16 500 циклов. Сейчас этот показатель не превышает 20. Понятно, что пилоты ВМФ не спешат записываться на службу на G.Ford. Представьте себе аварийное торможение после каждой 20-й посадки. Это нетрудно представить, вспомнив события ноября-октября 2016 г. на борту ТАВКР «Адмирал Кузнецов» у берегов Сирии.

План «С» – поиск альтернативы

Промежуточные результаты испытаний EMALS настораживают и разочаровывают, вынуждая Командование ВМС задуматься об альтернативе. Победив на конкурсе 1999 года, ЕMALS стала лидером этой гонки путём формального сопоставления наиболее явных преимуществ над «старушкой» С13 – паровой катапультой. Действительно, сравнивая эти показатели по эффективности преобразования энергии лишь в разгонном двигателе (РД), эти сопоставления разительны: у EMALS этот показатель достигает почти 95% – почти «вечный двигатель», а у С13 этот параметр чуть выше 6% – как у паровоза, с которым их роднит общее рабочее тело – пар. Сравнение по этим показателям настолько очевидно, что априори убеждают любого военного чиновника. Так думал и Donald Ramsfeld (министр обороны), принимая историческое решение в 2001 году. На самом деле, это сравнение не отличается корректностью. Если же проводить параллели по эффективности систем в общем тракте от ядерного реактора (парового котла) до разгонного двигателя, картина резко меняется на противоположную. В системе EMALS в реакторе для производства пара тепловые потери достигают 40%, далее в турбогенераторах, вращающих электрогенераторы потери распределяются в пропорции 64%/33% (механические/электрические), затем следуют различные коммутации, системы хранения и преобразования энергии с дополнительными потерями, что сводит на нет совокупные показатели электромагнитного старта – они составляют 6%. У паровой катапульты С13-2 промежуточных преобразований практически нет: от паровых котлов АВ Nimitz class пар через накопители – аккумуляторы пара поступает к РД, что выводит ПК в лидеры – её общая эффективность составляет 35%, почти в 6 раз выше. Неудивительно, что законодатели в Конгрессе с согласия GA допускали возврат (backfit) к ПК на АВ CVN-78, назвав этот переход Plan «В». Однако, конгрессмены лукавили в выборе альтернативы: к моменту объявления конкурса 1999 года уже существовала более передовая технология катапульты для существующих АВ Nimitz class и перспективных авианесущих кораблей, и даже относительно маломерных Wasp-класса. Прояви сенаторы технический кругозор, мог бы появиться план «С» – альтернатива EMALS на основе гибридной катапульты, с которой мы познакомимся ниже.

К концу ХХ века в авианосном флоте США сложилась ситуация, напоминающая послевоенные годы. Тогда в составе ВМФ остались около 20 прямопалубных авианосцев класса Essex, оснащенных пневмогидравлическими катапультами (ПГК), мощность которых уже не соответствовала возрастающим требованиям молодой реактивной авиации. Попытки удлинять или спаривать блоки ПГК в неуклюжих катапультах Н8 не приносили ощутимых результатов. Основным сдерживающим фактором была масса движущихся механизмов, соизмеримая с массой ЛА. Также безуспешны были варианты использования пороховых газогенераторов, как источников энергии в ПГК. Американские конструкторы тогда пытались использовать опыт германских конструкторов, создавших химический газогенератор для катапульты запуска крылатых ракет Фау-1 (энергия запуска возникала в результате реакции KMnO4 + H2O2).
Нынешняя ситуация с 10 атомными авианосцами Nimitz class также вызывает тревогу у Командования ВМС. В плановом порядке авианосцы выводятся на очередную модернизацию, подразумевающую замену существующих ПК С13-2, не удовлетворяющих возрастающим требованиям. Надежды на установку вместо С13-2 электромагнитных EMALS – backfit – несостоятельны по разным причинам. Основные из них: ограниченные энергетические возможности ядерных реакторов A4W, низкая надёжность новой системы по показанным результатам и сложности адаптации систем корабля под EMALS. Создатели гибридной катапульты внутреннего сгорания (КВС) – С14 в 1995 г. окончательно доказали возможность её установки на борт АВ Nimitz class, полностью используя существующий разгонный двигатель С13-2 с пусковым клапаном, дополняя её газогенератором на жидком топливе, что приводит к разгрузке парогенераторов силовой установки корабля. Таким образом, уже в 1995 г. на стол Командования ВМФ лег обновлённый проект ICCALS. Однако к 1998 г. фактически против гибридной катапульты был создан совместный с GA и NASA фонд (вернее, объединённый фронт) в пользу электромагнитного запуска. Участники этого фонда не выслушали доводов создателей принципиально новой катапульты. А они впечатляют!
По расчётам авторов проекта, применение КВС на существующих АВ Nimitz class путём обновления установленных ПК С13-2 позволит получить:
— значительное упрощение и сокращение объёма технического обслуживания;
— возможность постоянного и увеличивающегося ускорения, исключив рывок 5 g на старте, что увеличивает на 10% ресурс планера ЛА;
— система обладает мощностью выше всех существующих и перспективных;
— в результате полной управляемости процессом пуска расширяется диапазон масс запускаемых ЛА;
— снижение массы устанавливаемого оборудования почти на 350 тонн, которая находится на 15 м выше ватерлинии – это повышает остойчивость и маневренность судна за счет повышения метацентрической высоты, которая у АВ Nimitz class приближается к критической;
— освобождающиеся пространства от пароаккумуляторов, громоздких паропроводов и кросс-клапанов позволяют разместить кислородное оборудование С14;
— максимальное использование оборудования существующих С13-2 снижает общие и эксплуатационные затраты;
— достижение высоких конечных скоростей позволяет снять требования к скорости ветра над палубой и ходу корабля;
— снизить расход ядерного топлива за счёт разгрузки силовой установки корабля;
— расход дистиллята для работы катапульты снижается на 90%.
Приведём некоторые технико-экономические расчеты авторов проекта, убеждающие в существенном снижении затрат на установку и обслуживание КВС. По предварительным оценкам, в связи с упрощением и снижением требований к обслуживанию количество персонала может быть сокращено на 200 специалистов, что позволит экономить $64.000×200 = $ 12,800 млн в год, а за половину жизненного цикла корабля (25 лет) – $320 млн, что существенно окупает все предварительные затраты на замену С13-2 на КВС. Не менее впечатляюще выглядит экономия от 10% продления ресурса планера ЛА: при плановом сроке службы F18E/F в 20 лет авиакрыло из 65 самолётов стоит $58 млн × 65 = $ 3770 млн, а экономия в год составит $18,850 млн. Обновление четырех ПК С13-2 стоимостью $60 млн и сроком окупаемости 1,92 года даёт экономию за 25 лет эксплуатации $ 78 млн. Не будём утомлять читателей голыми цифрами, но по общему подсчёту автора проекта для 11 авианосцев это будет астрономическая сумма более $1″7 млрд.
Справка: Для отечественных «горячих голов», ратующих за скорейшее создание полноразмерной собственной ЭМК катапульты, стоит привести и такие цифры: затраты на установку четырех комплектов EMALS на борту G.Ford составят $810 млн, а установка КВС на борту этого же авианосца обойдётся всего в $60 млн. Повод подумать.
Хотя отдельные компоненты этих расчётов автора носят конъюнктурный характер, ряд позиций этой бухгалтерии по-американски вызывают доверие. Подводя итог, обладатель этого патента Clint Stallard убеждённо воскликает: «ВМФ не может себе позволить не устанавливать эту новую катапульту на существующих АВ Nimitz class и на будущих – G.Ford class. Пророчеству C.Stallard’а не суждено было сбыться: он проиграл схватку с чиновниками-военными в попытке добиться участия в конкурсе, объявленном в 1999 г., на право разработки и поставки катапульт для перспективных АВ CVN-X. Вот как описывает сам автор ход этого сражения. К этому времени ему противостоял объединённый фронт – Командование ВМС и Руководство NASA, создавшие совместный фонд финансирования разработки EMALS в рамках известной программы РМА-251. NASA в лице S.Bushmann заинтересовалось применением технологии электромагнитного старта для запуска космических аппаратов. Работая в компании Newport News Shipbuilding (NNS) во главе коллектива по разработке КВС, автор обратился за финансированием к ведущему сотруднику РМА-251 D.Bushway о выделении из бюджета этой программы $ 35 млн для постройки и тестирования образца КВС в качестве конкурента EMALS. NNS, почувствовав привлекательность предложения NASA, оказалось в деликатном положении перед этим космическим монстром, и работы по программе КВС были прекращены. Масла в огонь подлил очередной чиновник-военный, контр-адмирал R.Mahr – руководитель программы РМА-251, который посоветовал автору «не мутить воду» (рис.6).

Имея степень магистра наук в области аэрокосмической техники, контр-адмирал R.Mahr напрямую представляет интересы NASA в финансировании EMALS. Ярым сторонником этой системы неожиданно оказался и конгрессмен C.Smith, в избирательный округ которого входил и полигон Lakehurst, попадавший под угрозу закрытия в 2005 г. по программе ликвидации баз BRAC. C.Smith’у удалось вывести Lakehurst из-под удара в 2004 г., пообещав загрузить 3000 специалистов полигона программой EMALS, заручившись выделением из бюджета $ 20,6 млн. Конгрессмен, не скрывая своего интереса, заявил: «Это было своевременным, чтобы получить EMALS в бюджете на 2004 год, более чем за год раньше BRAС-2005. Я считаю, что EMALS был одним из ключевых причин, что Lakehurst не была закрыта». Против КВС восстало объединённое лобби EMALS. Последовали 13 лет забвения, хотя коллектив C.Stallard’а продолжал совершенствовать оборудование камер сгорания и по сегодняшний день ведёт работы по дальнейшему совершенствованию системы.

История разработки катапульты внутреннего сгорания

Первый вариант КВС, разработанный Reaction Motors, включал в качестве газогенератора – источника энергии – реактивный двигатель, сжигавший авиационный керосин JP-5 с впрыском забортной воды для генерации пара. Все расходуемые компоненты этого газогенератора были под рукой. Эта катапульта по версии авторов проекта получила название FireCat или катапульта внутреннего сгорания (КВС) – в соответствии с физическим процессом на стадии формирования рабочего тела. В порядке общей классификации ПК гибридный вариант получил индекс С14. Работы над КВС (патент США № 6007022) коллектив под руководством автора проекта Сlint Stallard начал в далёком 1951 г., а к 1959 г. полноразмерный действующий макет С14 был изготовлен компанией Reaction Motors и смонтирован в Lakehurst на Naval Air Warfare Center, где вскоре состоялись первые запуски палубных истребителей. Разработка КВС была продиктована увеличением массы запускаемых ЛА и исчерпанием ресурса модернизации ПК. В результате Navair получило принципиально новую разработку – КВС С14, работа которой не зависела от возможностей силовой установки корабля. После получения квалификации на этом полигоне ВМС заказал для строящегося первого атомного АВ CVN-65 Enterprise 4 комплекта С14, которые были изготовлены и отправлены на верфь Newport News Shipbuilding для монтажа. Однако, под давлением адмирала H.Ricover – «легендарный адмирал и безжалостный собеседник» – (рис.7), известного как «отец ядерного флота», было принято политическое решение в пользу ПК.
Решение в очередной раз принимал чиновник-военный, а не «величайший инженер всех времён», каким считал его Джимми Картер. Как пишет Сlint Stallard, «решение в пользу пара было принято в последний момент перед испытаниями». Свой выбор H.Ricover объяснил просто: «Я отвечаю за корабль на протяжении всей его жизни – с самого начала до самого конца».
«Как пишет автор проекта, доводом к отказу послужила ссылка на «недостаточную надёжность» предложенной катапульты. В то время АВ CVN-65 Enterprise находился в стадии строительства и обеспечивал достаточно пара от силовой установки, чтобы создать необходимую энергию запуска с помощью С13-2. В результате, внедрение пусковой установки C14 было остановлено в 1961 году.
Несмотря на неудачу, автор продолжал работать над её совершенствованием. Доработанный вариант КВС получил индекс ICCALS (Internal Combustion Catapult Aircraft Launch System) – катапульта внутреннего сгорания для стартовых систем самолётов. Была поставлена задача построить и продемонстрировать улучшенную модель с целью добиться права модернизировать на её основе существующие ПК С13 на авианосцах Nimitz class, не требуя пара от энергетической установки корабля, а используя источник энергии на основе газа сгорания. Была поставлена задача в четыре раза повысить мощность запуска по сравнению с ПК (которая достигла физического предела по мощности). Полное управление с обратными связями в процессе запуска устраняло первоначальный стартовый рывок (около 5g) до уровня 2-3g, продлевая жизненный цикл планера ЛА. Как известно, у ПК ускорение на треке катапульты постепенно падает по мере увеличения суммарного объёма паровых цилиндров – у КВС этот недостаток отсутствует при наличии управления в замкнутом контуре. Конечная скорость на треке контролируется и является управляемым параметром. Это свойство и значительный запас по мощности запуска снимает требования к ходу корабля и скорости ветра над палубой. Как пишет автор, «это позволяет запускать самолёты с корабля даже будучи привязанному к пирсу».

Достижения в области реактивного топлива, управление процессом горения и производства парогазовой смеси в течение последних 53 лет сделали этот революционный вариант технологии C14 управляемым и чрезвычайно надёжным. C.Stallard уверен, что ситуация с EMALS и здравый смысл заставят сформулировать план «С» – план возврата к FireCat. Об этом свидетельствует и его переписка в 2012 г. с британским министром обороны и поддержки технологий Peter Luff. Поводом для этой переписки стала неопределённость в подборе состава авиакрыла для строящегося авианосца R08 Queen Elizabeth (рис.8), ввод в строй которого перенесён на текущий, 2017 год.
Первоначальная конфигурация АВ предполагала наличие трамплина с возвышением 130 и прямой посадочной палубы для базирования истребителей КВВП пятого поколения F-35B. Однако в 2010 г. в британском Адмиралтействе переориентировались на истребитель F-35C с учётом возросшей дороговизны его С-модификации. Британские специалисты заинтересовались разработкой за океаном системы электромагнитного старта EMALS в попытке создать гибридную ЭМК на основе собственных наработок (см. «Авиапанорама» №6-2016г.). Этот концептуальный поворот мог обойтись британскому налогоплательщику в дополнительный $1 млрд. Пока оставим за кадром произошедший впоследствии очередной реверс в пользу КВВП F-35B для R08 Queen Elizabeth. По-видимому, в те дни (2011-2012 гг.) C.Stallard’у пришла идея предложить британскому Адмиралтейству и Министерству обороны в лице Peter Luff более перспективный вариант установки на Queen Elizabeth катапульты внутреннего сгорания ICCALS. С учётом установки двух катапульт и аэрофинишёров Mark 7 стоимостью $40-50 млн. экономия в бюджете могла достигнуть $950 млн. Привлекательность идеи заключалась ещё и в том, что комплектация нового оборудования состояла из фондов ВМФ США и коммерчески доступных и проверенных компонентов. О зрелости этого предложения свидетельствует и тот факт, что C.Stallard для реализации этой идеи предложил использовать демонтированные с АВ CVN-65 Enterprise (выведен из состава флота в 2012 г.) катапульты и аэрофинишеры. Автор утверждал, что «при получении запроса от ВМФ Великобритании, ПК и АФ, которые поддерживаются в идеальном состоянии, могут стать доступными для установки на борту авианосцев типа Queen Elizabeth» (рис. 9).
Министр Peter Luff в своих слабо аргументированных ответах приводил технически необоснованные возражения. Против ICCALS вновь противостоял объединённый фронт – альянс атлантической солидарности по обе стороны океана. Новое руководство Адмиралтейства по непонятным причинам в 2012 г. вновь вернулось к идее закупок КВВП F-35В.
Сохраняется слабая надежда на ренессанс катапульты внутреннего сгорания, как варианта для строящегося АВ Prince of Wales, на борту которого предполагается базирование F-35С – истребителей горизонтальной схемы взлёта-посадки. На руку этим надеждам могут сыграть и неубедительные показатели надёжности системы EMALS – план «С» ещё может быть реализован.

Как это устроено

В общих чертах КВС – FireCat представляет собой гибридную катапульту, полностью использующую компоненты разгонного двигателя (РД) паровой катапульты С13-2, начиная от пускового клапана, парового двигателя и кончая гидротормозом. Энергия запуска формируется подсистемой генерирования смеси газообразных продуктов сгорания и водяного пара за счёт сжигания авиационного керосина JP-5 и обогащённого кислородом воздуха с впрыскиванием воды в поток газообразных продуктов сгорания для получения пара и охлаждения стенок камеры сгорания (рис.10). Нынешняя FireCat С14 является гибридом КВС 1950-х годов и совершенных технологий 2016 года, образуя комплекс ICCALS.
КВС обеспечивает точный текущий контроль управления ускорением с учётом массы и параметров ЛА в каждом запуске. Система газогенератора имеет форсунки с встроенными датчиками, обеспечивающими требуемую характеристику ускорения и мощность тяги, подобно современным автомобилям (рис.11). Технологии, заложенные в конструкцию камеры сгорания, основаны на известных проверенных технологиях в газогенераторах реактивных двигателей и современных электростанций. Эти газогенераторы полностью совместимы с разгонными паровыми двигателями паровых катапульт С13-1 и С13-2. Все другие компоненты ПК являются частью существующих систем С13-2 и подсистем, установленных на действующих АВ Nimitz class.
В предложенном варианте КВС топливом является авиационный керосин JP5 (Jet Propellant 5),используемый на судах ВМФ. Кстати: ВМС финансирует работы по превращению морской воды в керосин JP5.Себестоимость синтетического топлива ожидается $ 3-6 за галлон (галлон – 4,55 л). Окислителем при горении является воздух, обогащенный кислородом. Причём, кислородная станция добывает кислород не в криогенном цикле, а путём адсорбции под давлением. Известно, что атмосферный воздух на 80% состоит из нейтрального азота, поэтому интенсивность и устойчивость горения обеспечивается добавочным кислородом. Дефицита с топливом на борту АВ не существует – запасы авиационного керосина достигают 1000-1300 тонн. Современные кислородные системы PSA (адсорбции под давлением) с применением цеолитовых мембран способны производить до 200 тонн О2 с чистотой до 95% (рис.12). По расчётам, на один запуск расходуется около 30 л JP5 и 64 л кислорода. Промежуточный запас топлива хранится в 4 резервуарах общей ёмкостью до 1000 литров. Эти четыре танка для 4 катапульт занимают места меньше, чем один мотор-генератор системы накопления энергии EMALS.

Известно, что наиболее эффективный режим запуска ЛА должен обеспечивать постоянное ускорение, создавая минимальную нагрузку на планер и экипаж. В отличие от ПК, требующей 24-часового разогрева силовых цилиндров, РД КВС не требует этого, т.к. тепловые потери сведены к нулю. Применительно к КВС это означает необходимость постепенного увеличения потока газа во время хода челночно-поршневой группы (ЧПГ) для поддержания постоянного давления на дно ускоряющегося поршня. Т.о., необходимость постоянного увеличения объёма газа во время разгона зависит только от ускоряющегося объёмного расширения, как и скорость ЧПГ. С учётом сказанного, для поддержания постоянного ускорения путём увеличения скорости потока газа в зависимости от положения ЧПГ закон управления сводится к параболической зависимости. Для самого напряженного сценария запуска функция управления постепенно увеличивает выработку газа с коэффициентом около 30. Система камеры сгорания газогенератора выбирается с таким расчётом, что за время запуска общее изменение давления было не более половины начального значения. На выходе камеры сгорания давление регулируется в замкнутом контуре управления с обратными связями с целью обеспечить требуемую кривую запуска. Если учесть, что реакция камеры сгорания измеряется мс, то давление на дно поршней измеряется за десятки мс, т.е., система является быстродействующей, а временные задержки в ней определяются лишь механическими компонентами в контуре подачи топлива, что составляет порядка 0,1 с.
Таким образом, коллектив C.Stallard’а отказался от варианта FireCat, разработанного компанией Reaction Motors с турбореактивным двигателем в качестве газогенератора. Ими была разработана совершенная, полностью управляемая камера сгорания путём смешивания керосина JP5 и обогащённого кислородом воздуха. Камера сгорания в виде барабана снабжена множеством форсунок-инжекторов воды по образующим стенок цилиндра и крепится непосредственно перед пусковым клапаном, обеспечивая прямоток парогазовой смеси в РД. Это одновременно обеспечивает создание пограничного слоя водяных струй между стенками камеры сгорания и факелом горения. Оригинальная схема смешивания компонентов топлива обеспечивает надёжное горение, повышая эффективность газогенератора. При этом используется эффект сталкивающихся струй JP5 и воздуха-окислителя. В системе подачи компонентов установлены трёхходовые клапаны, перекрывающие подачу компонентов между пусками. В этом режиме осуществляется продувка форсунок воздухом для их охлаждения перед пуском. Продукты сгорания топлива смешиваются распылителем воды для получения пара, охлаждения стенок камеры и снижения температуры парогазовой смеси, доводя её до расчетных температурных параметров стенок цилиндров РД. Это позволяет устранить один из принципиальных недостатков С13-2. В отличие от ПК, требующей 24-часового разогрева силовых цилиндров, РД КВС не требует этого, т.е. тепловые потери сведены к минимуму. На пути совершенствования камеры сгорания разработчики столкнулись с явлением термоудара и его компенсацией. Пауза между пусками и длительностью запуска в 2,5-3,0 сек вызывает остывание стенок силовых цилиндров, что приводит к возникновению локальных напряжений в точках концентраторов напряжений. Эти явления компенсируются увеличением впрыска воды в пограничную зону, что снижает температуру парогазовой смеси до расчётного максимума. Одновременно проблемы термоудара компенсируются предварительным нагревом пусковых цилиндров пониженным режимом камеры сгорания.
Так как вырабатываемая энергия является функцией количества сжигаемого JP5, практически не существует физического предела генерируемой мощности – он зависит лишь от геометрических размеров камеры сгорания, которые могут быть варьируемы наращиванием цилиндрических секций. Как отмечалось, система управления подачей топлива охвачена обратной связью с датчиком давления в силовых цилиндрах, что позволяет выполнить управляемый запуск на всех уровнях мощности и обеспечить точные значения конечных скоростей. Нашла опытное подтверждение и надежность камеры сгорания с длительным периодом со 100% временем бесперебойной работы.
Для уменьшения длительности межпускового цикла специалисты предложили отказаться от громоздкой системы возврата ЧПГ (система тросов и лебёдка возврата) в стартовое положение, заменив на возврат пневматический, создавая вакуум в силовых цилиндрах со стороны пусковых клапанов.
Несколько слов о получении собственного кислорода-окислителя, генерируемого кислородной станцией, работающей циклически на принципе swing-адсобции под давлением PSA (Pressure Swing Adsorption). Между двумя баллонами повышенного давления установлены молекулярные сита – цеолитовые мембраны. Воздух высокого давления поступает через мембраны во второй баллон в виде кислорода до 95% чистоты. По мере повышения концентрации азота в первичном воздухе до расчётных значений, этот компонент удаляется для технических нужд. После продувки первичный баллон заполняется атмосферным воздухом. Подобный циклический процесс адсорбции позволяет избежать дорогостоящих криогенных технологий. По расчётам, срок службы цеолитовых мембран может доходить до 10 лет.
Катапульта внутреннего сгорания является полностью модульной и масштабируемой по длине РД в соответствии с требуемой энергией запуска. Если использовать РД катапульты С13, то требуемая длина рабочего хода может быть набрана из определённого числа секций силовых цилиндров. С другой стороны, добавляя дополнительные секции камеры сгорания, можно легко обеспечить старт ЛА массой более 45 тонн с конечной скоростью до 320 км/ч – это намного превышает параметры палубного F/A-18E с полными баками и боевой нагрузкой. На такой запуск расходуется до 77 кг топливной смеси с обогащенным воздухом. Отпадает надобность в дежурных танкерах для дозаправки после взлёта. По расчётам специалистов, в заданных геометрических размерах желоба РД длиной 105 м может быть развита мощность для запуска ЛА массой около 64 тонн.

Заключение

По замыслу специалистов компании Stallard Associates, катапультный комплекс ICCALS является единственной альтернативой EMALS – на авианосце CVN-78 и катапульте С13-2 – при модернизации АВ Nimitz class. Как полагают специалисты, это будет самый экономичный «Plan B» в случае неудачи с электромагнитным стартом в противовес Плану В, предполагающем замену на ПК С13-2. Во избежание путаницы мы предлагаем читателю термин «План С» – замена катапульты ЭМК на КВС. КВС способна своими возможностями вдвое превысить энергию запуска существующих катапульт. При существующем стандарте диаметра силовых поршней 533 мм длина разгонного трека может быть сокращена до 61 м при сохранении параметров запуска. Другой вариант позволяет уменьшить диаметр поршней до 305 мм (12″ – ствол главного калибра линкора) при существующей длине трека 105 м. Этот вариант обеспечивает уменьшение массы ЧПГ с 2830 кг до 1150 кг. При этом уменьшается кинетическая энергия ЧПГ в конце катапульты, а также облегчается работа и повышается ресурс гидротормоза, останавливающего ЧПГ. Полностью управляемый разгонный двигатель КВС позволяет обеспечить запуск большого диапазона масс перспективных летательных аппаратов, пилотируемых и беспилотных – от самых лёгких до ударных, подобно Х-47В и будущих тяжелых БПЛА.
Надеемся, что предложенный материал поможет отечественным специалистам определиться в выборе перспективного направления разработки системы палубного старта. Сравнительно лёгкая реализуемость КВС (ICCALS) может быть протестирована на полигоне НИТКА, где сохранился комплекс механизмов первой отечественной паровой катапульты С-1 («Светлана-1»). После серьёзной ревизии состояния парового двигателя станет возможной стыковка парогазового генератора в общую систему КВС. В заключение спешим успокоить многочисленных экспертов, озабоченных возможностью работы паровой катапульты в условиях Арктики. Предложенный вариант КВС полностью исключает гипотетическую возможность обмерзания наружных рабочих поверхностей катапульты.

Ваш комментарий будет первым

Написать ответ

Выш Mail не будет опубликован


*


Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика