На Темзе первая английская электрическая лодка, построенная инженером Деркигом, появилась только через 18 лет. Она могла брать на борт только несколько пассажиров. Русский консул, узнав об опытах англичан, посоветовал им связаться с академиком Якоби. В докладе институту гражданских инженеров в 1858 году создатель одного из таких судов Роберт Гунт сообщал, что он имел переписку с Б. С. Якоби.
Вслед за англичанами созданием электрических лодок занялись французы. На Парижской выставке в 1881 г. электротехник Труве демонстрировал небольшую электрическую лодку, на которой впервые в качестве источника энергии были применены аккумуляторы, а не первичные элементы. Подвесной ГЭД на этой лодке был связан с трехлопастным винтом посредством цепной передачи.
Среди первых работ следует отметить и труды австрийца Рекенцауна, направленные на «применение электричества к судодвижению». В 1881 г. им была создана первая пригодная к практическому применению шлюпка «Электрисити», которая могла везти 14 пассажиров со скоростью 14 км/ч.
Информация об изображении
Катер «Круиз Электрик» с подвесным электромотором «Аккумот» мощностью 4 кВт
Итак, начало «электрическому судодвижению» было положено. Электрические лодки стали строить во многих странах. 25 сентября 1885 г. седьмая английская аккумуляторная лодка «Вольта» в течение суток совершила переход из Дувра в Кале и обратно. Со средней скоростью 8,5 км/ч она двигалась около 8 часов. Мощность ГЭД «Вольты» была около 12 кВт, масса аккумуляторов достигала двух тонн. На борту шлюпки находилось 10 человек во главе с изобретателем Рекенцауном. Лодка шла так бесшумно, что на обратном пути натолкнулась на спящую чайку. Газеты восторженно описывали этот переход. Обиженный Труве заявил, что не в одной Англии занимаются электрическими лодками, что «Вольта» чересчур тихоходна. Еще два года назад Труве совершил переход из Парижа в Гавр со скоростью 16 км/ч, используя ка этот раз в качестве источника энергии первичные элементы. В дальнейшем в качестве источника энергии на электрических лодках использовались только вторичные элементы — аккумуляторы.
Катер «Круиз Электрик» с подвесным электромотором «Аккумот» мощностью 4 кВт
Электрические лодки вошли в моду. Лондонская аристократия заказывала себе суда одно другого роскошнее. Лодки с электродвижением стали непременными экспонатами различных выставок.
На Венской выставке 1883 г. англичане оказали 12,5-метровую шлюпку на 30—40 человек с ГЭД мощностью около 8 кВт. Скорость ее достигала 15 км/ч. На Чикагской выставке 1893 г. было представлено 54 тридцатиместных лодки для посетителей и 6 лодок для дирекции. Электрические лодки совершили более пятидесяти тысяч рейсов, перевезя более 800 тыс. пассажиров. На Берлинской выставке 1896 г. было представлено 12 электрических тридцатиместных лодок с двигателем мощностью 3,3 кВт.
Электрические суда использовались не только для увеселительных прогулок. В Англии лодка «Электрик» перевозила между арсеналами по 40 солдат в полном вооружении, а «Снарк» использовалась для питания светильников королевских пороховых заводов. В Бергене в 1894 г. была организована регулярная пассажирская паромная переправа челночного типа, на которой работали 8 лодок с ГЭД мощностью 2,2 кВт. Каждая проходила в день 60 км. Рейсы следовали каждые 5 мин, всего за день перевозилось 1800 пассажиров.
Самой быстроходной электрической лодкой была голландская «Кронпринц» (1897 г.), скорость которой доходила до 36 км/ч, а самой вместительной — 27,5-метровая английская лодка «Контесса» (1892 г.). Она перевозила 50 человек со скоростью 11,4 км/ч.
В России, на родине первой электрической лодки, после первых опытов Якоби, встретивших благосклонное внимание, наступило некоторое затишье. Имеются сведения, что одновременно с Якоби создавал электрический катер отставной петербургский чиновник Ф. Полубинский. Но болезнь, а также, по-видимому, недостаточное техническое совершенство задуманной электромагнитной машины, не позволили ему довести свои работы до практических результатов.
Когда за рубежом электрические лодки получили широкое признание и даже стали модой, для русского царя и морского министра в Англии были заказаны электрические катера. Технические условия на их постройку были разработаны русским Адмиралтейством. Когда же на одном из катеров в 1910 г. произошел взрыв гремучего газа, интерес августейших особ к электрическим лодкам остыл, к морским техническим комитетом они «для плавания императорских величеств» были признаны «неблагонадежными».
Несмотря на невнимание царских сановников к отечественным электрическим лодкам, в России все же проводились работы по их строительству. В Кронштадте в 1893 г. под руководством Е. П. Тверитинова, занимавшего тогда должность флагманского минного офицера по освещению, паровая шлюпка была переоборудована в электрическую. В качестве ГЭД на ней использовалась динамомашкиа, позволявшая 20-футовой шлюпке двигаться со скоростью 5 уз. 53 аккумулятора общей массой 2,5 т обеспечивали 8-часовой запас хода. Аккумуляторы были спроектированы и изготовлены в кронштадтских мастерских. Отмечалось, что управление шлюпкой осуществлялось только одним человеком.
Академик А. Н. Крылов в своих воспоминаниях писал: «Я был гардемарином в классах морского училища и плавал на деревянном корвете «Аскольд». Мы стояли перед концом кампании в Кронштадтской гавани; к корвету подошла шлюпка, на которой приехал главный командир — адмирал Шварц. Вызвав гардемаринов на стенку, он сказал: «Посмотрите, ка чем я приехал». Преподавателю минного класса лейтенанту Е. П. Тверитинову было предложено объяснить нам устройство электродвигателя и аккумуляторов как диковинку, впервые примененную для движения небольшой шлюпки. В России это была первая электрическая лодка ка аккумуляторах».
К навигации следующего года Е. П. Тверктинов сконструировал и построил новый тип аккумуляторов с улучшенными энергетическими показателями. Масса их составляла всего 1,25 т.
В 1886 г. известным русским электротехником В. Н. Чиколевым была построена аккумуляторная лодка для перевозки пороха по р. Охте с Охтенского порохового завода в склады.
Эксплуатировалась она более 15 лет.
Вопросы строительства аккумуляторных судов обсуждались на первом Всероссийском электротехническом съезде, ка котором с интереснейшим докладом «Краткий исторический очерк электрического судодвижения» в январе 1900 г. выступил Н. Н. Константинов. В своем докладе он сказал: «Вопрос об электрическом судодвижении, тесно связанный с вопросом об электрическом передвижении вообще, представляет определенный интерес, открывая широкий горизонт для творческой деятельности, к ждет своего решения в более удобоприемлемой и продуктивной форме».
Казалось, электрическим лодкам обеспечено широкое признание к блестящее будущее. Они на 25% вместительнее паровых, практически бесшумны, чисты к легки в управлении. Но, достигнув к концу прошлого века своего расцвета, строительство электрических лодок пошло на убыль, а затем почти полностью прекратилось. Причиной этому стало изобретение и внедрение двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Тяжелые аккумуляторы еще могли конкурировать с чадящими паровыми машинами и их ненасытными топками, но конкуренции с ДВС выдержать не смогли. Былая слава электрических лодок стала забываться, и с начала этого столетия электрические лодки почти не строились, хотя на крупных судах электродвижение несколько в ином виде (с использованием вращающихся генераторных агрегатов) получило известное признание.
ДВС вытеснил или сильно потеснил другие типы энергоустановок практически на всех видах транспорта. Устояли в конкурентной борьбе с ДВС только те виды транспорта, которые могут получать электроэнергию от сети — трамвай, троллейбус, электропоезд. Но над морем контактных проводов не протянешь, и сегодня практически для всех судовых двигателей единственным видом топлива являются нефтепродукты.
Обладая компактностью, высокой энергоемкостью обеспечивая высокую автономность, ДВС в то же время имеет ряд существенных недостатков: низкий КПД, использование дефицитного органического топлива, высокая шумность и вибрация, а главное — загрязнение окружающей среды. Еще в начале века говорилось о «безусловной чистоте и отсутствии дыма и копоти» на электрических лодках, «обстоятельстве весьма важном при рейсах по городским каналам, где каждый кубический метр выбрасываемых продуктов горения буквально отравляет воздух, и без того нездоровый для злополучных горожан». Эти слова справедливы и сейчас, именно это обстоятельство и заставляет вновь вспомнить об электрических лодках, тем более что время от времени мы получаем сообщения о разработках электромобилей, электробусов и даже электросамолетов.
Препятствием широкому применению электрических лодок остаются аккумуляторы. Удельные энергетические показатели современных аккумуляторов почти в сто раз уступают аналогичным показателям ДВС, поэтому прямая замена ДВС на аккумуляторное электродвижение с сохранением той же мощности и длительности работы сейчас просто невозможна. Однако более внимательный анализ назначения судна, условий его эксплуатации и требований, предъявляемых к маломерным судам и их энергоустановкам, приводит к выводу, что во многих случаях использование аккумуляторов было бы целесообразно уже в настоящее время.
Большинство маломерных судов используются для прогулок, рыбалки, охоты. Продолжительность поездок обычно невелика и составляет несколько часов чистого хода под мотором, так что во многих случаях емкости аккумуляторов для совершения этих поездок вполне достаточно. На парусных судах аккумуляторы можно использовать вместо балласта достигающего 40—50% массы судна. Применение электрических лодок с их бесшумными и практически чистыми моторами может уменьшить воздействие моторных лодок на окружающую среду.
Последние годы характеризуются некоторым оживлением в проектировании и строительстве аккумуляторных судов. Этому способствовал определенный прогресс в развитии электротехники и особенно полупроводниковой преобразовательной техники. Однако и в настоящее время есть проблемы, не позволяющие аккумуляторным энергоустановкам занять достойное место среди других типов энергоустановок.
Основным источником энергии для электрических лодок продолжают быть аккумуляторы. За последние десятилетия их удельные энергетические показатели улучшены в 1,5—2 раза, возросла продолжительность их работы: стартерных кислотных тяговых — до 500, щелочных тяговых — до 1000 циклов. Фактический срок службы аккумуляторов при грамотной эксплуатации составляет: кислотных — 3—4 года, щелочных — 5—7 лет и более.
Во многих странах разрабатываются электрохимические генераторы (ЭХГ), иначе называемые топливными элементами. Их удельные характеристики в несколько раз превышают соответствующие показатели существующих аккумуляторов, но современные ЭХГ еще далеки от широкого практического применения.
Учитывая ограниченную мощность аккумуляторов, схемы управления ГЭД на аккумуляторных лодках должны быть такими, чтобы емкость аккумуляторов расходовалась экономно. Если на первых электрических лодках основным регулятором частоты вращения ГЭД был реостат, в котором энергия безвозвратно терялась, то в настоящее время разработано много экономичных способов регулирования. Все эти способы основаны на использовании полупроводниковых (транзисторных или тиристорных) преобразователей подводимого от аккумуляторов к ГЭД напряжения.
Существующие зарядные устройства и методы заряда аккумуляторов основаны на установившихся, традиционных представлениях о процессах заряда, в то время как исследованы и в ряде случаев уже нашли широкое применение такие эффективные способы, как заряд асимметричным током, ускоренный заряд. Продуманная организация заряда аккумуляторов может положительно повлиять на равномерность загрузки электросети, что является важнейшей народнохозяйственной задачей. Однако вопрос практического использования аккумуляторов на катерах все же упирается в первую очередь в сами аккумуляторы. Дело в том, что у нас в стране купить аккумулятор в магазине может лишь владелец автомобиля. Но даже добыв такой аккумулятор, любитель окажется перед необходимостью менять его чуть ли не каждый сезон, поскольку автомобильные аккумуляторы для работы в режиме длительного разряда не предназначены и при глубоком заряде быстро выходят из строя. На Западе же для этой цели применяются специальные аккумуляторы длительного разряда.
Есть и другие проблемы, ждущие своего решения как промышленностью, так и самодеятельными изобретателями. Еще на первом электротехническом съезде было сказано, что «в области электрического судодвижения электротехнику и судостроителю представляется обширное поле для изощрения своей изобретательности».
Некоторые шаги в этом направлении уже делают. В журналах периодически появляются публикации о любительских и промышленных разработках самых различных вариантов лодочных электромоторов. Например, работы по конструированию подвесного электромотора проводились во Владивостоке в Дальневосточном высшем инженерном морском училище им. адмирала Г. И. Невельского2. Последняя модель подвесной электрической винто-рулевой установки «Элвинрус», изготовленной в ДВВИМУ, экспонировалась на ВДНХ СССР. К полуторавековому юбилею первого электрического бота в ДВВИМУ создана стационарная аккумуляторная гребная электрическая установка шлюпки. Подробнее о ней мы напишем после всесторонних испытаний.
В зарубежной литературе также имеются сведения о работах по созданию аккумуляторных лодок. Анализ отечественных и зарубежных публикаций за последние 15 лет по выполненным и разрабатываемым аккумуляторным установкам, а также по свидетельствам на изобретения позволяет выявить следующие основные тенденции развития электрических лодок.
Основным направлением в развитии малотоннажных электроходов является применение подвесных электромоторов. Наиболее часто такие электромоторы выполняются в верхней части винто-рулевой колонки в корме. В ряде случаев электрические подвесные моторы устанавливаются в носовой части судов.
До трети патентов по аккумуляторным судам относятся к установкам с погружными ГЭД, расположенными горизонтально в нижней части винто-рулевой колонки. Некоторые установки содержат не только погружные электродвигатели, но и погружные аккумуляторы, помещенные в герметичные контейнеры, расположенные по периметру корпуса лодки. В некоторых установках используют два подвесных мотора. Возможно также применение двух одинаковых раздельно управляемых ГЭД для повышения маневренности. Кроме основного, на лодке возможна установка ГЭД меньшей мощности для обеспечения малого хода. На лодках и катерах, занимающимися тралением, устанавливаются ГЭД, позволяющие развивать большой момент.
Имеются сведения о стационарных ГЭД, располагаемых внутри корпуса лодки на линии гребного вала.
В ряде патентов предлагается использовать энергию течения рек и ветра для заряда аккумуляторов. Для парусных яхт и шлюпок аккумуляторные установки находят применение в качестве вспомогательных. При ходе под парусом гребной винт может использоваться в качестве гидротурбины, приводящей во вращении зарядный генератор, которым может быть и сам ГЭД.
Мощность ГЭД аккумуляторных лодок, как правило, не превышает 1—2 кВт для основного и 0,3—0,5 кВт для вспомогательного (троллового) ГЭД. На отдельных электрических лодках применяются ГЭД относительно большой мощности: 6 кВт на французских тримаранах и даже 70 кВт иа английском гоночном глиссере, развивающем скорость до 60 уз.
Рабочее напряжение ГЭД принимается равным напряжению наиболее распространенных автомобильных аккумуляторов — 12 и 24 В. В отдельных случаях напряжение может быть выше: 72 В на французских тримаранах и 196 В на английском глиссере.
В подавляющем большинстве случаев на катерах, яхтах и других судах малого водоизмещения в качестве ГЭД используются электродвигатели постоянного тока с импульсным управлением. В отдельных случаях применяются ГЭД переменного тока, получающие питание от аккумуляторов через автономные инверторы. Автономный инвертор на транзисторах для ГЭД мощностью 1,5—3 кВт разработан и изготовлен в ДВВИМУ.
Всего за последние два десятилетия опубликовано около 70 патентов, из них 50 относятся к установкам с подвесными электромоторами, 11 — к вспомогательным установкам для парусных судов, 2 патента на установки, использующие энергию ветра и течения для заряда аккумуляторов. Остальные патенты — схемные решения стационарных аккумуляторных установок.
Нам кажется, что для обобщения отечественного и зарубежного опыта по аккумуляторным судам при комитете малотоннажного судостроения НТО км. акад. А. Н. Крылова в секции народнохозяйственных, туристских и спортивных судов было бы целесообразно создать отделение электродвижения малотоннажных судов
В первые дни XX века на первом Всероссийском электротехническом съезде были сказаны слова о том, что «остановиться в своем развитии электродвижение не может... и двадцатый век... поднимет и решит эту задачу более рационально». К сожалению, в дни 150-летиего юбилея первого в мире электрохода у нас нет в деле аккумуляторного электродвижения судов результатов, соответствующих столь значительному периоду времени. Но применение энергоустановок со статическими источниками энергии, в том числе с аккумуляторами, является более прогрессивной ступенью в развитии транспортной энергетики и перспективно по многим показателям, особенно по экономическим и экологическим. По мере дальнейшего улучшения технико-экономических показателей статических источников электроэнергии, разработки и внедрения эффективных систем управления аккумуляторными установками количество электрических лодок будет возрастать.
Примечания
1. Об этом можно прочитать и в интересной статье Д. М. Лернера «Первый в мире электроход» (сб. «Человек, море техника — 88», Л., Судостроение 1988).
2. Подробнее об этом см статью В. Ф. Веревкина «Подвесной электромотор на лодке» в №42 «КиЯ».