• Стандарт VXI
• Техника
• Программы
• Применение
• Библиотека

ВНИИЭМ. Сорок лет в торпедном деле

Котов А.С.

Вслед за созданием первой отечественной электрической торпеды ЭТ-80, оправдавшей надежды как разработчиков, так и Военно-морского флота СССР, были развернуты работы по созданию новых торпед и двигателей для них. На государственном уровне было сочтено целесообразным для разработки торпедных электродвигателей создать специализированный отдел во Всесоюзном научно-исследовательском институте электромеханики (ВНИИЭМ), г. Москва.

ВНИИЭМ располагал мощным специализированным опытным электротехническим производством, позволявшим создавать экспериментальные и достаточно большие партии опытных образцов двигателей постоянного тока. Так в СССР начались планомерные разработки все новых и новых образцов двигателей, отвечавших растущим потребностям в скорости (мощность двигателей) и дальности (время работы) хода торпед. У руля этих технических разработок стоял талантливейший инженер и прекрасный организатор Ростислав Иванович Ласточкин. Без преувеличения можно сказать, что он был главным идеологом и главным конструктором всех электродвигателей для торпед и приборов ГПД. Для того чтобы понять, какая гигантская работа была проведена ВНИИЭМ за 40 лет (с 1945 по 1985 гг.), стоит только перечислять образцы двигателей, разработанных, изготовленных и всесторонне испытанных за эти годы.

Вот этот перечень (в скобках указана мощность двигателей кВт): ДП-2М (225), ДП-10М (7), ДП-10К (8,5), ДП-11 (38), ДП19У (190), ДП- 22В (155), ДП-25 (260), ДП-30 (100), ДП-32 (8,5), ДП-35 (83), ДП-42 (450), ДП-52 (150), ДП-58 (18), ДП-58Б (18) и, наконец, самый мощный в мире, наиболее напряжённый и совершенный из первого поколения торпедных электродвигателей постоянного тока — ДП31У (390).

Кроме этих базовых двигателей, имелись их модификации, приспосабливающие уже созданные двигатели к другим торпедам (различные щиты, валы, амортизация и другие конструктивные изменения или работа в других режимах), к другим режимам применения. Два из перечисленных двигателей (ДП-25 и ДП-35) так и не нашли применения в серийных образцах торпед, а двигатель ДП-42 довести последователям Р.И. Ласточкина до работоспособного состояния (из-за неудовлетворительной коммутации) так и не удалось.

Двигатель ДП-58 хоть и нашёл применение в одном из приборов ГПД, имеет крайне низкий КПД и большой вес, несмотря на высокую частоту вращения. Характерными особенностями двигателей являлись все повышающиеся от разработки к разработке электрические, магнитные и тепловые нагрузки, всё уменьшающиеся запасы прочности, применение лёгких сплавов в корпусных деталях.

В процессе создания двигателей было предложено много новых научно-технических решений, признанных изобретениями. Двигатели стали настолько узкоспециализированными, что их серийное производство могли осуществлять только два серийных завода СССР — Баранчинский электромеханический завод (БЭМЗ), пос. Баранчинский Свердловской области и знаменитый ленинградский завод «Электросила». Последнему было поручено освоение и серийное производство самого мощного на сегодня (в мире!) торпедного электродвигателя — ДП31У.

К числу наиболее важных специфических особенностей торпедных электродвигателей постоянного тока следует отнести:
- биротативное исполнение двигателя (не следует путать с бироторным исполнением двигателя, у которого каждый ротор вращается со своей частотой и в разные стороны, однако удвоения расчетной частоты вращения, как в биротативном двигателе, не происходит);
- применение торцевого токосъема «щетка - коллектор»;
- отказ от корпусного исполнения двигателя;
- применение термостойкой изоляции;
- специальных пропиток щеток для улучшения работы щеточно-коллекторного узла;
- специфические схемы соединения обмоток магнитной системы двигателя;
- последовательное (сериесное) возбуждение во всех отечественных двигателях;
- малый ресурс, составляющий в наиболее совершенном двигателе ДП-31У один режим полной длительности (13 минут)
и многие другие.

Практически всё торпедостроение СССР в прошлом веке до начала 90-х годов было обеспечено разработками электродвигателей ВНИИЭМ. После скоропостижной смерти Р.И. Ласточкина в 1969 г. в возрасте 60 лет во ВНИИЭМ не оказалось, к сожалению, преемника, способного воспринять талант этого конструктора, его опыт, настойчивость и организаторские способности. На его место приходили по очереди различные (весьма образованные и очень культурные) люди — то специалисты из других отраслей, то организаторы производства, то просто (ну очень доверенные!) партийные работники. Но почти никто (см. ниже) из этих руководителей не смог внести даже едва заметного вклада в техническое совершенствование ТЭД.

Исключение составил только Георгий Александрович Жемчугов, развернувший в начале 80-х годов прошлого столетия работы по созданию вентильного двигателя — близкого аналога двигателя постоянного тока, отличающегося тем, что электромеханический узел коммутации был заменён тиристорным инвертором, управляемым датчиком положения ротора. Научно-исследовательские работы были доведены до лабораторно-стендовых и даже натурных испытаний двигателей, однако из-за экономического кризиса в стране работы были прекращены и не нашли в течение почти 30 лет никакого продолжения.

На самом первом этапе натурных испытаний вентильного двигателя (в составе ходового макета торпеды) на заводе «Гидропрбор», что в пос. Орджоникидзе вблизи г. Феодосии, довелось участвовать и мне. Со стороны ВНИИЭМ руководил работами прирождённый испытатель, отличный организатор работ, начальник лаборатории Лев Николаевич Стаскевич. Громадный опыт проведения испытаний двигателей постоянного тока позволял Л.Н. Стаскевичу решать многие новые вопросы и при испытаниях вентильных двигателей.

А натурные испытания ходового макета первого вентильного двигателя ВДП-1 на первых этапах работы совсем не заладились. Нас буквально преследовали неудачи. Да и как их могло не быть? Дело-то было совсем новое. Выстрел за выстрелом, а инвертор — преобразователь постоянного тока в переменный — всё не работает. Начали досконально разбираться, регулярно докладывая руководству: Л.Н. Стаскевич — Г.И. Жемчугову, а я - И.П. Островскому (в секторе которого я тогда работал).

Наиболее ярким было обнаружение факта повреждения структур тиристоров из-за неконтролируемой затяжки. Это было просто откровением. Ввели жёсткий контроль затяжки бугелей. То не проходила команда перехода на другой режим работы зависимого инвертора, то она почему-то не исполнялась. Работа была напряжённой и изматывающей. Заканчивали часто в 21-22 часа. В общем, вместе со Л.Н. Стаскевичем мы испили горькую чашу неудач, но понемногу выявлялись дефекты и мы шли и шли вперёд. Наконец моя командировка закончилась, и я уехал в Ленинград.

На смену мне приехал мой однокурсник по институту и коллега по работе Д.Б. Златопольский. Его смене повезло больше, так как основные беды мы «выгребли» вместе со Л.Н. Стаскевичем. В этот период удалось провести несколько результативных работ и Д.Б. Златопольский, естественно, приехал «со щитом». Всё это вполне естественно для первых этапов исследований любой сложной и новой техники. От моего тогда начальника И.П. Островского, после оптимистического доклада Д.Б. Златопольского, я услышал в свой адрес только одну фразу, мигом обесценившую наши (с Л.Н. Стаскевичем) работы: «Вот как надо работать, Александр Сергеевич!». Разумеется, в успехах бригады Д.Б. Златопольского был наш большой вклад, но кто это смог заметить? В конце 80-х годов работы были сначала приостановлены, а затем и преданы забвению.

К настоящему времени, по прошествии 30 лет, эти перспективные (на время их создания) разработки, полностью морально устарели, так как резко изменилась элементная база (на смену тиристорам пришли транзисторы), возникли (за рубежом) совершенно новые концепции и научно-технические решения, о чём будет сказано дальше.

Следует отметить, что неожиданная кончина Р.И. Ласточкина произошла в то время, когда возможности принятого типа торпедных электродвигателей были практически полностью исчерпаны, а новый научно-технический задел к этому времени еще даже не начинал создаваться. Да и последующие несколько разработок электродвигателей постоянного тока, выполненных уже без Р.И. Ласточкина, нельзя признать удачными.

Наиболее яркий пример — это экспериментальный электродвигатель типа ДП-42. Мощность этого двигателя должна была составить 450 кВт (всего на 60 кВт больше, чем у ДП-31У при весе на 100 кг больше). То есть удельная мощность должна была быть всего 1,16 кВт/кг вместо 1,37 кВт/кг у ранее созданного двигателя ДП-31У, хотя известно, что удельные характеристики растут с мощностью за счёт всё меньшей доли конструктивных элементов в двигателе.

Здесь налицо было стремление получить повышенную мощность даже ценой снижения удельных характеристик. Такие характерные для оценки коммутационной напряженности параметры, как реактивная ЭДС и максимальное межламельное напряжение, лишь незначительно превышали уровень, достигнутый ранее в двигателе ДП-31У. Однако... длительные, кропотливые и изнуряющие работы разработчиков и испытателей по настройке коммутации на стенде ВНИИЭМ результатов не дали, и работы были прекращены.

Это в полной мере подтверждает вывод о том, что двигатель ДП-31У является по коммутационной и тепловой напряженности предельным и дальнейшее повышение мощности требует огромных трудовых и материальных затрат. В научном плане это показывает, что разработчики вышли на пологую часть S — образной логистической кривой в координатах «эффективность — стоимость» и требуется переход на новые принципы. Это и было сделано за рубежом, задолго до того, когда дальнейшие перспективы совершенствования будут исчерпаны.

Логистическая кривая «эффективность — стоимость» торпедных двигателей постоянного тока

Смысл этой кривой можно объяснить следующим образом:
— этап 1 характеризуется большими трудностями освоения пионерской разработки и очень низким, но нарастающим критерием «эффективность — стоимость»;
— этап 2 — стабильный рост характеристик и постоянный и высокий критерий «эффективность — стоимость»;
— этап 3 — всё замедляющийся рост характеристик при растущих затратах, низкое, всё более падающее, значение критерия «эффективность — стоимость».

Конечно, некоторого повышения предельной мощности и удельных характеристик можно было добиться, и применяя двигатели постоянного тока. И такие работы нами велись с участием ряда специалистов высших учебных заведений — Ленинградского политехнического института (теперь Санкт-Петербургский Государственный технический университет, СПбГПУ) и его Псковского филиала, Омского института инженеров транспорта, Брянского института транспортного машиностроения и других. Однако ожидаемый прирост характеристик был незначительным, а материальные и трудовые затраты несопоставимыми.

Особо следует остановиться на охлаждении двигателей. В авиационной электротехнике, где стремление к максимальному снижению массы электрооборудования близко к задачам торпедостроения, начиная с 60-х годов прошлого века, были развернуты работы по интенсификации охлаждения электрических машин (двигателей и генераторов). Был пройден ряд этапов охлаждения: интенсивный продув забортным (холодным) воздухом как наиболее простой способ, применение жидкостного охлаждения, испарительное охлаждение и их комбинации.

Авиационная промышленность могла себе позволить ведение работ в области электрических машин только потому, что внутри отрасли, осознав важность работ в области специализированных электрических машин, еще в 30-е годы ХХ века была создана собственная подотрасль — авиационное электромашиностроение, перед которой стояла задача создания узкоспециализированных электродвигателей и генераторов, максимально использующих специфические условия эксплуатации, характерные для авиации.

И только в торпедном электродвигателе по-прежнему тепло практически не отводилось от двигателя, нагревая его все больше и больше с каждой новой всё более форсированной разработкой. Стоит ли гордиться тем, что температура обмоток двигателя ДП-31У достигает в конце работы 600 — 700' С, а сталь полюсов в конце работы светится от нагрева. Дальнейшее форсирование двигателей по электрическим и магнитным параметрам уё более приближает его к температуре, при которой магнитные свойства стали полностью пропадают (в так называемой точке Кюри).

Высокий нагрев ведет и к значительному падению КПД двигателя во время хода торпеды, и к нагреву окружающих двигатель агрегатов, транзитных кабелей, а самое важное — к одноразовому боевому режиму работы двигателя. Может показаться, что боевой торпеде и нужен всего один боевой режим, зачем же больше, тем более, что в практических торпедах и мощность двигателя, и время работы, как правило, сокращены? Однако 2-3 режима полной мощности и длительности необходимы для проверки параметров двигателя при приемо-сдаточных испытаниях.

Отсутствие интенсивного отвода тепла от существующих торпедных электродвигателей тем более кажется странным, если вспомнить, что мимо торпеды с огромной скоростью проносится самый идеальный на Земле хладагент — вода.

Таким образом, несмотря на отмеченные достижения в разработке торпедных электродвигателей, следует отметить, что научнотехнического задела для перехода на новые принципы создания торпедных двигателей долгое время во ВНИИЭМ не создавалось и к моменту, когда двигатели первого поколения полностью исчерпали себя (начало 70-х годов ХХ века), новые научно-технические решения отсутствовали.

Тем не менее это не умаляет заслуг главного конструктора Р.И. Ласточкина и ВНИИЭМ — головного и единственного в СССР до 1988 г. разработчика торпедных электродвигателей.

Как жаль, что фамилия Р.И. Ласточкина не увековечена, например, в названии отдела, которым он руководил, или в аббревиатурах торпедных электродвигателей, созданных под его непосредственным руководством, как это имеет место в авиационной и космической технике.
Каких затрат стоило введение в аббревиатуру торпедных электродвигателей имени и фамилии Р.И. Ласточкина? Например, РЛ-31У (Ростислав Ласточкин-31У). Никаких! Мы в нашей стране не уделяем должного внимания истинным творцам сложной техники при их жизни, забываем о их огромных, никем не оспариваемых заслугах даже после их ухода.

Развернутые в конце 70-х годов ХХ века работы по созданию двигателей переменного тока с сегодняшних позиций не могли дать существенного прироста удельных характеристик по ряду причин, а могли только отодвинуть предел по мощности. Система охлаждения была крайне неэффективной, а в ряде разработок использовалось только естественное охлаждение самовентиляцией. Частоты вращения двигателей оставались теми же, что и у биротативных двигателей постоянного тока, то есть весьма низкими (2 х 2000 об/мин, что соответствует расчётной, или относительной, скорости вращения 4000 об/мин).

Биротативное исполнение вело к необходимости значительную часть длины двигателя (у ДП-31У до 40 %!) отдавать токосъемному аппарату (коллектор и контактные кольца с щётками), причём число контактных колец на валу двигателя (при электромагнитном возбуждении) достигло 5 (3 — для подвода тока к вращающемуся «статору» и 2 — для подвода тока к вращающемуся ротору).

Элементная база для создания преобразовательных устройств не отвечала предъявляемым к ней требованиям (мощные транзисторы отсутствовали, а тиристоры, как элементы, требующие принудительного запирания, могли использоваться только в варианте вентильного двигателя при ограниченном диапазоне регулирования скорости и при наличии начального разгона двигателя, например, с использованием авторотации движителя при старте).

При разработке редукторов для согласования повышенной частоты вращения двигателей с движителем не учитывались специфические условия работы торпедного оружия, что делало их громоздкими, а в ряде случаев и неработоспособными. Примером могут служить редукторы фрикционного типа, предложенные ВНИИЭМ (после ознакомления с одной из зарубежных статей, являющейся, по моему мнению, в части редуктора чистой воды дезинформацией) для одной из торпед малого калибра.

Разработчики, особенно двигателей для торпед калибра 534 мм, попрежнему тяготели к биротативному исполнению, не позволяющему существенно повысить удельные характеристики. Косвенной причиной этому служили и ведомственные барьеры. Предприятия Минэлектротехпрома СССР, в частности, ВНИИЭМ, были сильны в электромеханике, но не могли самостоятельно создать для сверхвысокоскоростного двигателя редуктор, да еще в торпедном (то есть чрезвычайно легком по весу) исполнении. Почему ЦНИИ «Гидроприбор» не взял на себя разработку торпедного редуктора,поручив создание высокоскоростного двигателя ВНИИЭМу, для меня остаётся загадкой до сих пор.

Интегральное объединение электродвигателя и редуктора в один агрегат - дело чрезвычайно сложное, если работы ведут два предприятия, да еще разной технической направленности. Разработки ВНИИЭМ в области биротативных вентильных двигателей сегодня можно было бы отнести к некоторому переходному решению между двигателями 1 поколения (двигатели постоянного тока) и II поколения (силовые установки с двигателями переменного тока и инвертором).

Однако и эти, не во всем продуктивные сдвиги в отечественных работах по созданию двигателей нового поколения, оказались прерванными, сначала из-за возобладавшей тенденции к созданию торпед только с тепловыми двигателями (по опыту США), а затем из-за начавшейся в стране перестройки и распада СССР, полностью остановивших все работы специализированных предприятий, а позже приведших и к переориентации этих предприятий на другие, востребованные, типы двигателей.

Говоря о поколениях торпедных электродвигателей, хотел бы изложить собственную, возможно, небезупречную, точку зрения.

I поколение (двигатели). Одновальные и биротативные коллекторные электродвигатели постоянного тока с самовентиляцией, неустановившимся тепловым режимом и (чаще) безредукторным приводом движителя.

I-II переходное поколение (двигатели). Одновальные и биротативные синхронные электродвигатели с электромагнитным возбуждением, самовентиляцией и неустановившимся тепловым режимом, зависимым инвертором и безредукторным приводом движителя.

II поколение (силовые установки). Одновальные высокоскоростные асинхронные (или синхронные при применении в роторе постоянных магнитов) электродвигатели с установившимся тепловым режимом, автономным или зависимым (транзисторным) инвертором и приводом движителя через редуктор.

Представителем II поколения являются двигатели фирмы «STN Atlas Elektronik» (Германия), которая прогнозирует, что до конца 30-х годов XXI века принятая концепция, реализованная в двигателях мощностью 300 кВт (торпеда DM2A4) и 120 кВт (торпеда MU-90/Impact), сохранится. Не может же за 30 лет смениться поколение двигателей ?

Каким будет III поколение торпедных силовых установок, сегодня, видимо, предсказать никто не сможет. Хотя некоторые намётки на новые решения, как видно из последних зарубежных работ, уже имеются — это названный за рубежом интегральный двигатель-движитель, вынесенный за борт торпеды, и дисковый вентильный двигатель с аксиальным магнитным потоком. Может быть, в недрах столь популярного сегодня термина «нанотехнологии» родятся новые материалы и принципы, о которых мы сегодня и не догадываемся.

Публикуется по изданию:
Котов А.С. Торпедные электрические двигатели достойны изумления (ТЭДДИ).
С.-Петербург, ОАО «Концерн Морское подводное оружие - Гидроприбор», 2011 - 258 с., илл.