Термины :: Батискаф
Батиска́ф – это небольшое подводное судно, предназначенное для погружения на экстремальные глубины. Основное отличие подводного батискафа от подводной лодки заключается в его конструкции: батискаф оснащен более легким корпусом сферичной формы и поплавком, стенки которого заполнены жидкостью, масса которой меньше воды, как правило, это бензин. Ход подводного батискафа осуществляется за счет вращения грибных винтов, приводящихся в движение электромоторами.
История создания батискафа
Впервые идея построить подводный батискаф возникла у швейцарского ученого Огюста Пикару еще до Второй мировой войны. Он первым предложил заменить баллоны со сжатым кислородом на поплавок с жидкостью, масса которой меньше массы воды. Инженерная мысль Пикару имела успех, и уже в 1948 году на воду был спущен первый прототип батискафа.
На создание аппарата подобного класса повлияла потребность в исследовании дна морей и океанов на большой глубине. Классические подводные лодки способны опускаться только на определенную ограниченную глубину. Что примечательно, конструкторы способны построить достаточно прочный корпус, даже для большой субмарины, который смог бы выдержать давление на экстремальной глубине. Однако до сих пор невозможно решить другую проблему, не позволяющую субмаринам опускаться на значительную глубину.
Для всплытия на поверхность воды традиционные подводные лодки используют сжатый кислород, который вытесняет воду из отсеков. Однако во время погружения более, чем на полторы тысячи метров, под воздействием тяжести воды кислород в баллонах теряет свои свойства, иными словами перестает быть «сжатым».
Существуют субмарины, способные опускаться на глубину в 2000 метров. Тем не менее, глубина погружения батискафа намного больше.
Погружение батискафа
Поплавок, заполненный бензином или другой жидкостью, дает возможность подводному батискафу удерживаться на поверхности воды и всплывать. После того, как цистерны наполняются водой, запускается процесс погружения батискафа на глубину.
В тех случаях, когда подводный батискаф зависает из-за чрезмерной плотности воды, чтобы опустить судно на дно, из поплавка выпускают выталкивающую жидкость. После этого процесс погружения батискафа возобновляется.
Опустить на дно батискаф не так сложно, но как его поднять обратно наверх? Для этого в подводных батискафах предусмотрены специальные отсеки, заполненные стальной дробью. Когда судну необходимо всплыть, дробь скидывается, и поплавок тянет батискаф на поверхность. Также на борту имеются баллоны со сжатым кислородом, чтобы ускорить всплывание батискафа на поверхность воды.
Глубина погружения батискафа
Как упоминалось выше, глубина погружения батискафа, намного больше, чем у других подводных аппаратов. Еще в 1960 году модифицированному батискафу «Триест» удалось погрузиться на рекордную глубину в 10919 метров. На удивление экипажа судна, даже на такой глубине они увидели рыбу.
Еще один интересный факт, касающийся погружения батискафа: первым человеком, опустившимся на самое дно мирового океана, является всем известный режиссер Джеймс Кэмерон.
Нашим судостроителям тоже есть, чем похвастаться. Сконструированный российскими инженерами подводный батискаф «Мир» опустился на дно Ледовитого океана. Глубина погружения батискафа составила 4261 м. После этого судно и его экипаж провели около часа на дне самого холодного и опасного океана на земле.
Чем заполнен поплавок батискафа
Беспоплавковый аппарат или батискаф?
Покорение больших глубин, как мы видим, стало возможным благодаря появлению батискафов. Затем развились беспоплавковые аппараты, которые обязаны своим появлением металлам, обладающим высокой удельной прочностью. Корпуса этих аппаратов играют роль поплавков и одновременно служат полезными объемами для размещения экипажа, приборов, оборудования. Чем прочнее материал, тем глубже может опускаться беспоплавковый аппарат.
Возникает вопрос: есть ли техническая и экономическая целесообразность в вытеснении батискафов путем создания высокопрочных материалов, пригодных для изготовления прочных корпусов аппаратов, способных погружаться на максимальные глубины?
Представим себе, что удалось получить такой прочный и в то же время легкий материал, что корпус, изготовленный из него, весит столько же, сколько и заполнитель поплавка одинакового с ним объема, т. е. их удельные веса равны. При этом корпус не разрушается, положим, на глубине 6000 м. Теперь попробуем сопоставить основные характеристики беспоплавкового аппарата и поплавкового — батискафа.
Водоизмещение. У беспоплавкового аппарата водоизмещение будет меньше. Заполнителю всегда требуется оболочка поплавка со сложной системой перепускных труб и арматуры, твердый балласт (его особенно много в случае применения жидкого заполнителя, например, бензина). Если к весу заполнителя прибавить вес этих конструкций и разделить на объем заполнителя (объем металла будет невелик, для простоты рассуждений мы его не учитываем), то удельный вес заполнителя как бы возрастет. Только балласт и конструкция поплавка «увеличивают» удельный вес бензина, по крайней мере, на 130 кгс/м 3 для глубины 6000 м и на 170 кгс/м 3 для глубины 10000 м. Эту цифру легко подтвердить расчетом.
Известно, что у Триеста, в поплавке которого находилось около 100 м 3 бензина, на каждый километр погружения проходилось сбрасывать тонну балласта, следовательно, 6000 кг на глубину 6000 м и 10000 кг на глубину 10000 м. Приращение удельного веса бензина составит 6000/100=60 кгз/м 3 и 10000/100=100 кгс/м 3 . Вес поплавка Триест — 15000 кг, учитывая, что у беспоплавкового аппарата вместо поплавка имеется легкий корпус, вес которого несколько меньше веса половины поплавка батискафа, получим приращение удельного веса бензина, обусловленного наличием поплавка, равное 15000/(2Х100)=75 кгс/м 3 .
Читатель может обвинить нас в тенденциозной оценке, ведь в случае применения заполнителя, менее сжимаемого, чем бензин, вес балласта уменьшится; уменьшится и надбавка к удельному весу заполнителя. Бензин фигурирует здесь случайно; действительно, существуют другие жидкие заполнители, менее сжимаемые, но зато более тяжелые. Например, водный раствор аммиака — нашатырный спирт — сжимается в одинаковой степени с водой, что позволило бы избавить батискаф от маневрового балласта. Однако удельный вес аммиака составляет почти 800 кгс/м 3 , и вследствие большой химической активности аммиак имеет массу неприятных свойств. Применение твердого заполнителя делает батискаф нетранспортабельным из-за сложности опорожнения поплавка.
Итак, пока что приходится говорить о бензиновом заполнителе.
Надежность. У беспоплавкового аппарата надежность выше, особенно при плавании на поверхности. Поплавок нельзя делать толстостенным, так как это сведет на нет эффективность применения бензина, а тонкостенный поплавок хрупок. Аварии ФНРС 2, а также Триеста перед его знаменитым погружением в Марианскую впадину произошли из-за хрупкости поплавка. Безусловно, надежность беспоплавкового аппарата выше и при плавании под водой, там, где она больше всего необходима.
При ударе о подводное препятствие гораздо легче повредит тонкостенный поплавок, чем прочный корпус.
Маневренность. Маневренность беспоплавкового аппарата несравненно выше поплавкового. Передвигаясь в трехмерном водном! пространстве, аппарат совершает одновременно вертикальные и горизонтальные перемещения. Вертикальный маневр батискафа при погружении связан с выпуском бензина, а при всплытии — со сбрасыванием твердого балласта, у беспоплавкового аппарата расходуется значительно меньше балласта, а выпуска бензина или другого вида заполнителя вообще можно избежать. После израсходования балласта и бензина, предусмотренных для выпуска, батискаф вообще теряет маневренность по вертикали — ему остается только всплывать.
Подготовка к погружению. Беспоплавковый аппарат проще готовить к погружению; отсутствие заполнителя, склонного к воспламенению, упрощает подготовку. Не случайно даже при самом интенсивном обслуживании, имевшем место при поисках Триестом подводной лодки Трейлер, батискаф смог погружаться не чаще одного раза в неделю.
Обитаемость. У беспоплавкового аппарата объем прочного корпуса равен объему поплавка батискафа — отсюда очевидно, насколько там просторнее.
Стоимость постройки и эксплуатации. Постройка беспоплавкового аппарата обойдется дороже постройки батискафа в первую очередь из-за дороговизны высокопрочных материалов и сложности изготовления из них корпуса. Зато стоимость эксплуатации беспоплавкового аппарата должна быть ниже; его можно сделать автономным и эксплуатировать как подводную лодку.
Глава III. Аппараты предельных глубин
Батискаф — подводный дирижабль
Батискафом называется подводный автономный аппарат, характерной особенностью которого является поплавок, представляющий цистерну, наполненную бензином. Благодаря поплавку батискаф стал рекордсменом по достигнутой человеком глубине погружения в обитаемом аппарате — 10919 м. Этот рекорд никому уже не побить, так как достигнутая глубина (с отклонением в десятки метров) является наибольшей глубиной Мирового океана. Интересно другое — еще ни один аппарат беспоплавкового типа не смог даже приблизиться к этой глубине.
Итак, батискаф — старейший, самый заслуженный из подводных аппаратов, детище профессора Огюста Пикара, — с успехом трудится в глубинах океана. С 1953 г. в нем погружались сотни ученых различных специальностей и национальностей, в том числе и советские.
Глобальное наступление на глубины океана, начатое сравнительно недавно, заставляет специалистов пересмотреть отношение к батискафу. Не исключено превращение этого типа подводного аппарата в машину для работы на предельных глубинах. Слово «батискаф» — греческое и в переводе означает глубинная лодка. Это слово уже стало признанным и прочно вошло в употребление во всех странах, однако батискаф мало чем напоминает лодку. Скорее — это дирижабль, но сооруженный для плавания не в воздушном, а в водном океане. Если обычный дирижабль поднимается со дна воздушного океана и после путешествия вновь возвращается вниз «на дно», то дирижабль-батискаф с водной поверхности опускается в глубь океана, достигает его дна и возвращается вверх опять на поверхность.
Коренное отличие батискафа от дирижабля состоит в том, что дирижабль, плавая в атмосфере, подвергается постоянному и сравнительно небольшому давлению воздуха (примерно равному 1 кгс/смг), тогда как батискаф, плавающий в гидросфере, подвергается переменному и очень большому давлению воды (возрастающему от 1 до 1000 кгс/см 2 и более). Поэтому, хотя по принципу действия батискаф напоминает дирижабль, своеобразные условия плавания в гидросфере предъявляют к конструкции батискафа совершенно иные и гораздо более жесткие требования, многие из которых современная техника еще не в состоянии выполнить полностью.
Батискаф, как и дирижабль, состоит из двух основных частей: легкого корпуса — поплавка, обеспечивающего положительную плавучесть, и жестко соединенного с ним прочного стального пустотелого шара — гондолы, в которой находятся аппаратура, пульты управления и экипаж, обычно состоящий из двух человек. Подобно тому как дирижабль для создания подъемной силы заполняют газом, который легче воздуха, отсеки корпуса-поплавка батискафа заполняют более легким, чем вода, бензином для создания положительной плавучести.
В зависимости от грузоподъемности объем корпуса-поплавка современных батискафов составляет 100-200 м 3 ; оболочку его — обшивку — сваривают из стальных листов толщиной 4-5 мм. Некоторые нетерпеливые читатели сразу же спросят: а почему давление воды на глубине не разрушает такой легкий корпус? Дело в том, что морская вода через специальные трубы может свободно проникать внутрь поплавка и заполнять нижнюю часть объема в одном из отсеков; поступление и выход воды компенсируют изменение объема бензина при его сжатии и расширении (вода входит в поплавок при погружении и выходит при всплытии, когда наружное давление падает). Таким образом давление внутри батискафа, вернее, в его поплавке, и снаружи всегда поддерживается одинаковым, и отсеки поплавка, кроме сдавливания материала стенок оболочки с обеих сторон, не воспринимают никакой нагрузки, даже если батискаф находится в воде, сжатой до 1000 кгс/см 2 .
Следовательно, поплавок должен обладать такой прочностью, чтобы выдерживать удары волн на поверхности при плавании своим ходом или на буксире. Он должен также иметь устройства для крепления тяжелой стальной гондолы, для погрузки его без бензина на борт большого судна, если предстоит исследование глубин в отдаленных районах океана.
А вот стенки гондолы, действительно, должны быть прочными, чтобы противостоять огромному давлению океанских глубин. Поэтому гондола выполняется в виде прочного стального толстостенного шара.
Тяжелая стальная гондола закреплена под заполненным бензином легким корпусом-поплавком в его средней части. Крепление осуществлено специальной системой тяг-подвесок, связанных с прочным набором легкого корпуса. Дело в том, что, несмотря на всю прочность шара-гондолы, он под влиянием громадных давлений сжимается на несколько миллиметров. Эта упругая деформация гондолы не должна передаваться на каркас корпуса-поплавка и должна компенсироваться некоторой эластичностью крепления. Для уменьшения сопротивления воды движению батискафа легкому корпусу-поплавку придана обтекаемая форма: его обводы напоминают обводы подводной лодки и обеспечивают хороший надводный ход на буксире. Носовые образования выполнены так, что батискаф всходит на волну не зарываясь в воду. Поплавок батискафа Триест имеет цилиндрическую форму: его создатели пошли на некоторое ухудшение мореходных качеств ради упрощения постройки. Форма поплавка батискафа ФНРС 3 напоминает подводную лодку.
Батискаф не имеет рулевого управления. Для повышения устойчивости на курсе и предохранения от бортовой качки по бортам ставят бортовые кили (в нижней части поплавка на средней трети его длины). У Триеста кили размещены внутри поплавка, поэтому снаружи пришлось установить специальный стабилизатор.
Легкая палуба батискафа несколько возвышается над корпусом поплавка для того, чтобы в надводном положении ее меньше заливало волнами. Попадающая под настил палубы вода через вырезы — шпигаты — легко скатывается за борт. Настил палубы выполнен рифленым, чтобы было удобнее ходить по нему (конечно, при надводном положении батискафа!). Вдоль палубы от рубки к оконечностям протянут стальной канат — леер, за который можно держаться в свежую погоду; здесь же на палубе имеются рымы для крепления буксирного или подъемного троса и кнехты для швартовки батискафа у причала или борта судна.
На небольшой мачте, укрепленной на палубе, или на краю рубки ставят вертушку электромеханического лага — указателя вертикальной скорости. На ФНРС 3 на той же мачте установлен и магнитный компас.
Посредине палубы, как и на обычной подводной лодке, расположена рубка с застекленным иллюминатором, обеспечивающим хороший обзор. Рубка предохраняет человека, открывающего или закрывающего входной люк, от брызг и волн, которые захлестывают батискаф даже при сравнительно небольшом волнении. На крышке рубки укреплена антенна. Сразу после всплытия батискаф может установить радиотелефонную связь с обеспечивающим судном или берегом.
В рубке расположен герметически закрывающийся входной люк в вертикальную шахту, через которую экипаж спускается в гондолу. Здесь же в рубке находится система воздушных труб с клапанами, при помощи которой можно продувать воду из балластных водяных цистерн, шахты и вестибюля после всплытия батискафа на поверхность или заполнять их при погружении.
Основная часть объема поплавка заполнена бензином. Поплавок разделен на отсеки бензонепроницаемыми переборками, которые одновременно придают жесткость всему корпусу. Отсеки соединены между собой трубами; центральные отсеки имеют сверху отверстия для заполнения их бензином, а кроме того, все отсеки снабжены отверстиями для выпуска воздуха. Через трубу внутрь центрального отсека снизу проникает вода и подпирает снизу бензин, сжимая его до давления, равного внешнему давлению воды, зависящему от глубины погружения. При всплытии и снижении внешнего давления сжатый бензин, расширяясь, выжимает воду наружу.
Один из бензиновых отсеков имеет вверху управляемый из гондолы выпускной клапан, благодаря чему экипаж батискафа, находящийся в гондоле, может частично выпускать бензин в том случае, когда нужно опуститься ниже или добиться, чтобы плавучесть батискафа была нулевой и он «застрял». В этом же случае, только сбросив часть переменного балласта, можно обеспечить движение батискафа вверх.
Внутри поплавка, в его кормовой и носовой частях имеются балластные цистерны; в надводном положении они заполнены воздухом и обеспечивают дополнительную плавучесть батискафу. Во время погружения обе балластные цистерны заполняются водой и позволяют батискафу погружаться под воду; совершенно очевидно, объем балластных цистерн должен быть строго рассчитан для правильного выполнения всех этих маневров при подводном и надводном плавании.
У батискафа ФНРС 3 в специальных нишах по обоим бортам поплавка, закрытых откидными дверцами, расположены две аккумуляторные батареи, которые служат основным источником электроэнергии. Батареи, имеющие значительный вес, выполняют также роль аварийного балласта. Не исключен случай, когда батискаф потеряет возможность всплыть со дна океана; это может произойти, например, из-за частичной потери бензина или если нижняя часть батискафа увязнет в илистом дне. Тогда благодаря действию специального дистанционно управляемого электромагнита держатели батарей будут освобождены, под тяжестью собственного веса батареи скользнут по направляющим вниз и упадут на дно, а облегченный батискаф устремится вверх.
В центральной части легкого корпуса размещены бункеры для маневрового балласта, представляющие (на ФНРС 3) вертикально расположенные цилиндрические цистерны. Дно этих цистерн имеет конусообразную форму с выпускным отверстием в центре, а на палубе предусмотрены горловины, через которые и происходит загрузка балласта. Маневровый балласт постепенно сбрасывают во время погружения для того, чтобы замедлить его. Сбросив определенную порцию балласта, можно остановить погружение, и батискаф неподвижно повиснет в воде. Как указывалось выше, чтобы осуществить дальнейшее погружение, нужно выпустить часть бензина.
Переменный балласт представляет металлические (чугунные или стальные) шарики в виде дроби. Круглые частицы делают балласт «текучим», что и позволяет сбрасывать его малыми порциями, регулируя скорость погружения. Основные бункеры с переменным балластом размещены над гондолой (на ФНРС 3), поэтому дробь, высыпающаяся из бункера, грохочет по гондоле и тем самым дает знать экипажу о нормальном сбрасывании балласта.
На случай аварии, когда батискаф не может всплыть, предусматривается сбрасывание контейнеров с балластом нажатием кнопки, находящейся на пульте управления, или автоматически — при прекращении тока в электромагнитах.
В середине поплавка, в его диаметральной (средней продольной) плоскости, из рубки вниз проходит шахта, через которую экипаж с палубы по вертикальному трапу спускается в гондолу, находящуюся под водой. Внутри шахты, кроме трапа, проходят трубы для заполнения ее водой перед погружением и продувания воздухом после всплытия.
На всех построенных батискафах шахта не связана непосредственно с гондолой, а оканчивается под водой специальным помещением — вестибюлем, которое присоединено к гондоле. В передней стенке вестибюля имеется иллюминатор. Массивный входной люк гондолы при помощи специального привода открывается в сторону вестибюля; задраивается он изнутри — из гондолы — болтами. Люк должен обеспечивать абсолютную водонепроницаемость, поэтому его конструкция выполнена по принципу устройства иллюминаторного стекла, в виде конической пробки, водонепроницаемость которой возрастает с увеличением внешнего давления. В центре люка также имеется небольшой иллюминатор ( Иногда он называется навигационным окном) из плексигласа. Хотя вестибюль вместе с шахтой при погружении заполняется водой, навигационное окно в люке и легкий иллюминатор вестибюля позволяют хорошо просматривать пространство, что совершенно необходимо при движении вперед кормовой частью батискафа.
Входная шахта и вестибюль представляют легкую тонкостенную конструкцию. Они сообщаются с водой, поэтому, как и обшивка поплавка, уравновешиваются наружным давлением.
Батискаф приводят в движение два гребных винта, вращаемых электродвигателями, расположенными снаружи по бокам поплавка. Как уже упоминалось, батискаф не имеет руля, и его поворот осуществляется работой гребных винтов: если один винт будет работать на ход вперед, а другой — на задний ход, батискаф развернется почти на одном месте. Поворот осуществляется снижением частоты вращения того винта, в сторону которого хотят повернуть батискаф.
Электродвигатели имеют особую конструкцию, обеспечивающую бесперебойную работу на любой глубине. Они могут противостоять внешнему давлению благодаря тому, что выполнены по принципу устройства легкого корпуса-поплавка: их внутренние полости также заполнены жидкостью, через гибкие диафрагмы воспринимающей давление внешней среды. Эта жидкость неэлектропроводна, чем предотвращается замыкание на коллекторах. Включение и реверсирование этих двигателей производится с пульта управления, находящегося в гондоле.
Двигатели, наружное освещение и системы электромагнитного управления всей внешней аппаратурой получают питание от аккумуляторных батарей. Мощность и емкость батарей рассчитаны на несколько десятков часов автономного плавания батискафа над дном с выполнением фото- и киносъемок подводного мира в лучах яркого электрического света. Кроме главной батареи аккумуляторов, имеются вспомогательные, от которых получает питание внутреннее освещение гондолы.
В нижней части гондолы электромагнитной защелкой прикреплена длинная тяжелая цепь (или трос) — гайдроп, имеющий значительный вес. Гайдроп можно сбросить на дно, как балласт, при аварийном всплытии из глубин, но его главное назначение заключается не в этом. Посадка батискафа на дно океана — не менее ответственное дело, чем посадка самолета на землю. Регулирование скорости спуска сбрасыванием переменного балласта и выпуском части бензина еще не обеспечивает достаточно мягкой посадки на грунт. Кроме того, этот способ связан с расходом жизненно важных для батискафа запасов бензина и балласта. Поэтому в самый ответственный момент приближения гондолы ко дну остановку в непосредственной близости от дна обеспечивает гайдроп.
До этого времени гайдроп висит вертикально, выполняя роль постоянного балласта, но как только его нижний конец коснется дна и ляжет на грунт, вес лежащей части гайдропа станет автоматически «переноситься» с батискафа на дно; при малой скорости погружения это будет происходить до тех пор, пока батискаф не получит нулевую плавучесть и не повиснет неподвижно, как бы «упираясь» в дно висящей вертикально частью гайдропа.