WikiSort.ru - Не сортированное

Батиска́ф (Bathyscaphe) (от греч. βαθύς — глубокий и σκάφος — судно) — автономный (самоходный) подводный аппарат для океанографических и других исследований на больших глубинах. Основное отличие батискафа от «классических» подводных лодок состоит в том, что батискаф имеет лёгкий корпус, представляющий собой поплавок, заполненный для создания положительной плавучести бензином или иным малосжимаемым веществом легче воды, несущий под собой прочный корпус, как правило изготовленный в виде полой сферы — гондолы (аналог батисферы), в которой в условиях нормального атмосферного давления находятся аппаратура, пульты управления и экипаж. Движется батискаф с помощью гребных винтов, приводимых в движение электромоторами.

История

Для исследовательских целей во всем мире было построено около полутора десятков подобных аппаратов. Но все они обладали одним существенным недостатком — привязка к кораблю обеспечения не позволяла вести автономных исследований.

Поэтому в мире стали строить мини-подлодки для исследовательских целей. Одним из первых такое «ныряющее блюдце» построил Ж.И. Кусто в 1957 году. Затем его примеру последовали другие конструкторы. В частности, сотрудники ленинградского института Гипрорыбфлота создали в 60-е годы XX века для Тихоокеанского НИИ морского рыбного хозяйства и океанографии 305-тонную субмарину «ТИНРО-1», способную «нырять» на 300 м, плавать там в любом направлении со скоростью 9 узлов, зависать над грунтом и садиться на него.

Пока первенец ленинградцев осваивался в стихии, инженеры работали над вторым аппаратом для дальневосточников. И вот 12 ноября 1974 года капитан Михаил Гире задраил крышку входного люка на «ТИНРО-2». Эта мини-субмарина была примерно в шесть раз короче предшественницы, в два раза уже и весила всего 10 т, при этом свободно оперировала на 400-метровой глубине.

В августе следующего года на Балтике началась проверка экспериментального подводного аппарата «ОСА-3-600», созданного на сей раз в московском отделении Гипрорыбфлота. Его стальной сферический корпус с четырьмя крыльчатыми движителями походил на «ныряющее блюдце» Кусто. Зато маневренность у «осы» была отменной, а рабочая глубина доходила до 600 м.

Словом, у каждого нового аппарата неизменно улучшаются те или иные характеристики и, конечно, увеличивается глубина погружения. Однако преодолеть километры, отделяющие поверхность океана от дна, способны только батискафы (в переводе с греческого — глубоководные суда).

В 1959 году в ленинградском отделении Гипрорыбфлота были созданы батискафы «Б-5» и «Б-11». Цифра в названии указывала максимальную глубину погружения в километрах. По замыслу разработчиков, каждый из них предстояло оснастить механической рукой-манипулятором, ловушкой для морских животных. При этом команда состояла из трех человек и могла вести и научные исследования.

Спустя шесть лет ленинградцы оформили проект «ДСБ-11» — батискафа, с помощью которого предполагалось изучать тектонические процессы на океанском дне.

Велись подобные разработки и за рубежом. В частности, в 70-е годы американские исследователи получили в свое распоряжение глубоководный аппарат «Алвин», известный, к примеру, тем, что в ноябре 1979 года обнаружил на дне Калифорнийского залива «черных курильщиков» — подводные гейзеры, выбрасывающие перегретую и насыщенную минеральными веществами воду. Причем вокруг каждого «курильщика» были обнаружены неведомые ранее формы жизни.

А в 1986 году «Алвин» опускался на дно в районе гибели знаменитого «Титаника».

Гордостью же французов, в частности, является глубоководный аппарат «Наутил», способный работать на глубинах до 6 км. Титановый корпус позволяет команде из трёх человек вполне комфортно чувствовать себя на многокилометровой глубине.

Работает «Наутил» обычно в паре с подводным роботом «Робин», который при погружении располагается в носовой части аппарата. При достижении рабочей глубины робот начинает действовать самостоятельно, удаляясь от аппарата на длину соединительного кабеля (около 60 м).

Несколько особняком стоят глубоководные подводные аппараты Института океанологии имени П.П. Ширшова, базирующиеся на корабле науки «Академик Мстислав Келдыш».

Аппараты «Мир» были построены в 1987 году в Финляндии по совместному проекту Академии наук СССР и финского концерна «Раума-Репола». «Миры» рассчитаны на максимальную глубину погружения 6000 м. Это делает доступными для них 99 % акватории и дна Мирового океана — за исключением самых глубоких впадин.

Для противостояния давлению в 600 атмосфер отсеки прочного корпуса собраны из полусфер, отлитых из высоколегированной никелевой стали, которая оказалась вдвое прочнее, чем даже титановый сплав. По скорости подводного хода, возможности вертикального маневрирования, энергообеспечению и длительности пребывания под водой «Мирам» нет равных. В первую очередь это обеспечивается железоникелевыми аккумуляторами емкостью около 100 КВт/ч, что вдвое больше, чем у аналогов.

Со специальным обтекателем скорость аппарата доходит до 5 узлов. Обычно же для исследовательских работ достаточно и 3 узлов.

Гордость конструкторов — система балластировки, подобная той, что принята на подлодках: погружение и всплытие производятся путём заполнения водой и осушения балластных цистерн. Другие аппараты, как правило, всплывают за счёт сбрасывания балласта — крупной дроби из стали.

«Миры» оборудованы всеми необходимыми приборами для океанологических измерений, фото- и видеоаппаратурой. Силовые приводы и микропроцессорная система управления забортными манипуляторами позволяют и поднимать предметы весом до 80 кг, и весьма деликатно обращаться с биологическими объектами: на испытаниях оператор перекладывал сырое куриное яйцо, не повреждая его.

Связь с поверхностью поддерживается с помощью гидроакустической аппаратуры, что обеспечивает максимальную мобильность мини-подлодок. В особых случаях к аппарату можно пристыковать оптико-волоконный кабель для ведения «живой» трансляции с морского дна.

Запас кислорода и поглотителя углекислоты рассчитан на 10 часов работы экипажа из трёх человек плюс резерв на трое суток для аварийной ситуации.

Первое погружение на предельную глубину глубоководный обитаемый аппарат «Мир-1» совершил 13 декабря 1987 года. Экипаж в составе профессора И.Е. Михальцева, заведующего лабораторией научной эксплуатации глубоководных обитаемых аппаратов Института океанологии, доктора технических наук A.M. Сагалевича и финского пилота П. Лааксо опустился в Атлантическом океане до самого дна, на глубину 6170 м. На следующий день тот же экипаж, пересевший на «Мир-2», ещё раз опустился на дно Атлантики, достигнув глубины 6120 м.

В 1994 году американский World Technology Evaluation Center (центр, который регистрирует новейшие технологии) назвал «Миры» «...лучшими глубоководными обитаемыми аппаратами из когда-либо построенных в мире».

К 2007 году оба аппарата совершили более 300 погружений в рамках 35 научных экспедиций в трёх океанах. Они участвовали в самых разнообразных работах — от изучения таинственных «черных курильщиков» до герметизации корпуса затонувшей атомной подводной лодки «Комсомолец», лежащей на глубине 1700 м. А мировую популярность аппаратам принесли съёмки на затонувшем «Титанике» по заказу американских кинематографистов.

Чтобы доказать, что территория арктического дна геологически представляет собой часть Сибирской континентальной платформы, в сентябре 2007 года было совершено погружение «Мира-1» и «Мира-2» на дно Северного Ледовитого океана в точке географического Северного полюса.

Конструкция

Батискаф состоит из двух основных частей: лёгкого корпуса — поплавка и прочного корпуса — гондолы.

Поплавок (лёгкий корпус) имеет такое же значение, как спасательный круг для тонущего человека или как баллон с водородом или гелием у дирижабля. В отсеках поплавка находится вещество легче воды, сообщающее положительную плавучесть судну. На батискафах середины XX века использовался бензин, имеющий плотность около 700 кг/м³. Один кубический метр бензина способен удерживать на плаву груз весом около 300 кг. Чтобы выровнять гидростатическое давление внутри поплавка с давлением внешней среды — бензин отделён от воды эластичной перегородкой, позволяющей бензину сжиматься. Вероятно, в середине XX века кораблестроители не смогли найти вещество лучше бензина, а в батискафе Deepsea Challenger (2012 г.) применён композитный материал с содержащимися в нём полыми стеклянными сферами.

Весьма перспективно использовать в качестве наполнителя поплавка литий — металл с плотностью почти в два раза меньшей, чем у воды (точнее 534 кг/м³), это значит, что один кубический метр лития может удерживать на плаву почти на 170 кг больше, чем один кубический метр бензина. Однако литий — щелочной металл, активно реагирующий с водой, следует каким-то образом надёжно разделить эти вещества, не допустить их контакта.

Экипаж, системы жизнеобеспечения, приборы управления и научные приборы размещены в гондоле (прочном корпусе). Гондолы всех существующих батискафов представляют собой сферу, так как сфера — геометрическое тело, имеющее наибольший объём при наименьшей площади поверхности. Полая сфера при равной толщине стенок (в сравнении, например, с параллелепипедом или цилиндром равного объёма) будет иметь меньшую массу. Также сфера обладает абсолютной симметрией, для сферического прочного корпуса легче всего сделать инженерные расчёты. Так как на больших глубинах огромное давление воды сжимает гондолу, её наружный и внутренний диаметр несколько уменьшается. Поэтому гондола крепится к поплавку не жёстко, а с возможностью совершать некоторое смещение. Вся аппаратура внутри гондолы не прикреплена к стенкам, а смонтирована на раме, позволяющей стенкам беспрепятственно сближаться.

С целью увеличения обитаемого объёма увеличивать диаметр гондолы нерационально, так как это ведёт к увеличению общей высоты глубоководного аппарата. Перспективным направлением является строительство батискафов с полисферическим (составным из нескольких сфер) прочным корпусом.

Гондолы батискафов середины XX века изготавливались из прочной легированной стали. Перспективно применять более лёгкие материалы для прочных корпусов подводных аппаратов. Пригодность материала для постройки глубоководного аппарата определяется отношением допускаемого механического напряжения к удельному весу (удельная прочность); чем больше эта величина, тем глубже может погружаться аппарат. Поэтому несколько менее прочные, но зато гораздо более лёгкие, чем сталь, материалы, имеют преимущество перед сталью. К таким материалам относятся титановые и алюминиевые сплавы, а также пластмассы. Эти материалы не подвержены коррозии в морской воде.

Электропитание батискаф получает от аккумуляторов. Изолирующая жидкость окружает аккумуляторные банки и электролит, на неё через мембрану передаётся давление забортной воды. Аккумуляторы не разрушаются на огромной глубине.

Батискаф приводится в движение электрическими двигателями, движители — гребные винты. Электродвигатели защищаются таким же способом, как и аккумуляторные батареи. Если у батискафа отсутствует судовой руль — тогда поворот производился включением только одного двигателя, разворот почти на месте — работой двигателей в разные стороны.

Скорость спуска и подъём батискафа на поверхность регулируется сбрасыванием основного балласта в виде стальной или чугунной дроби, находящейся в воронкообразных бункерах. В самом узком месте воронки стоят электромагниты, при протекании электрического тока под действием магнитного поля дробь как бы «затвердевает», при отключении тока она высыпается.

Батискаф с поплавком, заполненным литием, будет иметь интересную особенность. Так как литий практически несжимаем, то при погружении относительная плавучесть батискафа будет увеличиваться (на глубине плотность морской воды возрастает), и батискаф «зависнет». Батискаф должен иметь компенсирующий отсек с бензином; для того, чтобы продолжить спуск, необходимо выпустить часть бензина, тем самым уменьшив плавучесть.

Система аварийного всплытия представляет собой аварийный балласт, подвешенный на раскрывающихся замках. От раскрытия замки удерживаются электромагнитами, для сброса достаточно отключить электрический ток. Аналогичное крепление имеют аккумуляторные батареи и гайдроп — длинный расплетённый свободно свисающий стальной канат или якорная цепь. Гайдроп предназначен для уменьшения скорости спуска (вплоть до полной остановки) непосредственно у морского дна. Если аккумуляторы разряжаются — автоматически происходил сброс балласта, аккумуляторов и гайдропа, батискаф начинает подъём на поверхность.

Погружение и всплытие батискафов

• На поверхности батискаф удерживается за счёт отсеков, заполненных бензином и благодаря тому, что цистерны водяного балласта, шахта для посадки экипажа в гондолу и свободное пространство в бункерах с дробью заполнены воздухом.
• После того, как цистерны водяного балласта, шахта для посадки экипажа в гондолу и свободное пространство в бункерах с дробью заполняются водой, начинается погружение. Эти объёмы сохраняют постоянное сообщение с забортным пространством для выравнивания гидростатического давления во избежание деформации корпуса.
• Так как бензин (при высоком давлении) сжимается больше, чем вода, выталкивающая сила уменьшается, скорость погружения батискафа увеличивается, экипаж должен постоянно сбрасывать балласт (стальную дробь).

По наблюдениям Жака Пиккара и Дона Уолша (экипаж батискафа «Триест», погружение 23 января 1960 года на дно Марианской впадины) на глубине 10 км объём бензина в поплавке уменьшился на 30 % (то есть на 3 % на каждый километр спуска). Также следует принять во внимание уменьшение объёма бензина вследствие его охлаждения.

• При приближении ко дну нижний свободно свисающий конец гайдропа ложится на дно, часть его веса «снимается» с корпуса батискафа, увеличивается плавучесть. В определённый момент плавучесть становится «нулевой» и подводный аппарат неподвижно зависает на некотором расстоянии от дна.
• Если батискаф попадает в плотные слои воды и «зависает», выпускается часть бензина из компенсирующего отсека, погружение возобновляется. Также часть бензина выпускается, если батискаф «завис» на гайдропе довольно далеко от дна.
• После проведения научных экспериментов экипаж сбрасывает балласт (стальную дробь), начинается подъём. При необходимости аварийного всплытия может быть сброшен аварийный балласт, гайдроп и аккумуляторные батареи. Все эти детали удерживаются на корпусе батискафа замками с электромагнитами, достаточно отключить электрический ток. Также если аккумуляторы разряжаются — ток в электромагнитах исчезает, исчезает магнитное поле, замки раскрываются, происходит аварийный сброс.
• После всплытия на поверхность шахта для посадки экипажа в гондолу и цистерны водяного балласта продуваются сжатым воздухом, батискаф получает дополнительную плавучесть, экипаж покидает корабль.

Батискафы

• Первый батискаф FNRS-2 (Франция) был построен в 1948 году швейцарским учёным Огюстом Пиккаром (FNRS-1 был стратостат).
• FNRS-3 (Франция) — второй в мире батискаф. Первый в мире батискаф, который совершил десятки глубоководных погружений и с борта которого проведено большое количество научных исследований.
• «Триест» (Италия, Германия, куплен США). 23 января 1960 года на батискафе «Триест» сын Огюста Пиккара Жак Пиккар и лейтенант ВМС США Дон Уолш достигли дна Марианского жёлоба (11 022 м)^[1].
• «Триест-2» (США)
• «Архимед» (Франция)
• «Поиск-6» (СССР)
• «Цзяолун» (КНР)^[2]
• «Deepsea Challenger» (Частная компания)

Глубоководные беспоплавковые аппараты

Существуют глубоководные аппараты, не имеющие поплавка с бензином или иным малосжимаемым веществом легче воды. Положительная плавучесть при всплытии поддерживается только прочным корпусом. Погружение происходит благодаря балласту, по достижении нужной глубины часть балласта сбрасывается, для всплытия сбрасывается весь балласт.

Теория глубоководного беспоплавкового аппарата

Предположим, что глубоководный аппарат представляет собой полый шар (батисферу), полностью погруженный в воду. Его дальнейшее положение определяется в соответствии с законом Архимеда:

1. если масса шара ${\displaystyle G}$ меньше массы вытесненной им воды ${\displaystyle V}$  — то он всплывёт и будет плавать на её поверхности;
2. если масса шара ${\displaystyle G}$ больше массы вытесненной им воды ${\displaystyle V}$  — то он утонет (достигнет дна);
3. если масса шара ${\displaystyle G}$ равна массе вытесненной им воды ${\displaystyle V}$  — то он сможет плавать в толще воды.

Определим массу полого шара: ${\displaystyle G={\frac {1}{6}}\pi (D^{3}-d^{3})\gamma _{m}}$

Определим массу вытесненной шаром воды (при полном его погружении): ${\displaystyle V={\frac {1}{6}}\pi D^{3}\gamma _{v}}$ , где

${\displaystyle D}$  — наружный диаметр батисферы;

${\displaystyle d}$  — внутренний диаметр батисферы;

${\displaystyle \gamma _{m}}$  — удельный вес материала, из которого сделан корпус батисферы;

${\displaystyle \gamma _{v}}$  — удельный вес морской воды;

${\displaystyle \pi }$  — число «Пи».

Нас интересует толщина стенки батисферы, при которой возможно плавание в толще воды: ${\displaystyle S={\frac {D-d}{2}}}$

Поэтому приравняем оба уравнения (так как ${\displaystyle V=G}$ ) :

${\displaystyle {\frac {1}{6}}\pi (D^{3}-d^{3})\gamma _{m}={\frac {1}{6}}\pi D^{3}\gamma _{v}}$

Теперь разделим обе его части на произведение ${\displaystyle {\frac {1}{6}}\pi D^{3}}$ , после чего получим: ${\displaystyle (\gamma _{m}-{\frac {d^{3}}{D^{3}}})\gamma _{m}=\gamma _{v}}$

Теперь определим отношение ${\displaystyle {\frac {d}{D}}}$ , разделив предыдущее равенство на ${\displaystyle \gamma _{m}}$ , получим ${\displaystyle {\frac {d}{D}}={\sqrt[{3}]{1-{\frac {\gamma _{v}}{\gamma _{m}}}}}}$

Примем: удельный вес морской воды ${\displaystyle \gamma _{v}=1,025}$ , удельный вес стали ${\displaystyle \gamma _{m}=7,85}$ , тогда ${\displaystyle {\frac {d}{D}}=0,9544}$ , отсюда ${\displaystyle S={\frac {D-d}{2}}=D{\frac {{1}-{0,9544}}{2}}=0,0229D}$

Таким образом, для того, чтобы стальная полая сфера плавала в толще воды, толщина её стенки должна составлять ${\displaystyle 0,0225}$ наружного диаметра. Если стенка будет толще — батисфера утонет (ляжет на дно), если тоньше — всплывёт на поверхность.

---

Теперь рассчитаем, при каком давлении ${\displaystyle \mathrm {P} }$ будет раздавлена батисфера. Предположим, кораблестроители использовали довольно прочную сталь с допускаемым напряжением 5 000 кг/см² (обозначается ${\displaystyle \sigma }$ ):

${\displaystyle \sigma ={\frac {\mathrm {P} D}{4S}}}$  — элементарная формула прочности шара, испытывающего сжатие под давлением воды,

отсюда ${\displaystyle \mathrm {P} ={\frac {\sigma 4S}{D}}=5000\times 4\times 0,0229=458~kg/cm^{2}}$ . Данное давление соответствует глубине погружения 4 500 метров.

---

Если кораблестроители возьмут алюминиевый сплав с удельным весом ${\displaystyle \gamma _{m}=2,8}$ и ${\displaystyle \sigma =6000}$ кг/см², тогда ${\displaystyle {\sqrt[{3}]{1-{\frac {1,025}{2,8}}}}=0,86}$ , а ${\displaystyle S={\frac {{1}-{0,86}}{2}}=0,0705}$ , тогда ${\displaystyle \mathrm {P} ={\frac {\sigma 4S}{D}}=6000\times 4\times 0,0705=1692~kg/cm^{2}}$ . Данное давление соответствует глубине погружения 16000 метров, этого будет достаточно чтобы покорить «Бездну Челленджера» не в батискафе.

---

• Приведённые расчёты не учитывают увеличение плотности морской воды на большой глубине, а также изменения её плотности, связанные с изменением температуры.
• Предполагается, что сфера сохраняет постоянный объём (не сжимается на глубине).
• Данные формулы справедливы только в том случае, если батисфера не несёт никакой полезной нагрузки (экипаж, приборы и так далее). В действительности предельная глубина погружения, с которой может всплыть на поверхность снаряжённый подводный беспоплавковый аппарат (с экипажем, оборудованием, приборами) окажется значительно меньше теоретической.

Представители

• «Ашера» (США)
• «Алюминаут» (США)
• «Бентос-300» (СССР)
• «Дениза» (SP-350) (Франция) — 1959 год
• «Алвин» (Alvin) (DSV-2) (США) — 1964 год
• «Стар-3» (США)
• «Джонсон Си Линк-2» (США)
• «Дип Квест» (США)
• «Дип Стар» (США)
• «Дип Стар-4000» (США)
• «Дуплас» (США)
• «Шелф Дайвер» (США)
• «Мермайд-3» (ФРГ)
• ВОЛ-Л1 (Великобритания)
• «Си Клиф» (Sea Cliff) (США)
• «Тартл» (США)
• «Бивер Марк-IV» (США)
• «Гаппи» (США)
• «Нектон-Бета» (США)
• «Бен Франклин» (США)
• «SP-3000 (Сиана)» (Франция)
• «Йомиури» (Япония)
• «Пайсис» (Канада)
• «Джонсон Си Линк» (США)
• «Юдзуки» (Япония)
• «TS-1 (PC-9)» (США)
• «Моана» (Франция)
• «PC-1602» (США)
• «Север-2» (СССР)
• «Нотил» (Nautile) (Франция)
• «Синкай 2000» (Shinkai 2000) (Япония)
• «Синкай 6500» (Shinkai 6500) (Япония)
• «Аргус» (Россия)
• «Русь» (Россия)
• ОСА-3 600 (СССР)
• Атомные глубоководные станции проекта 210 «Лошарик» — подводная лодка с полисферическим прочным корпусом, построенным по принципу батисферы (Россия) — 2003 год.
• «Приз» (Россия)
• «Консул»^[3] (Россия) — 2010 год.
• «Мир-1» и «Мир-2» (СССР, Россия) — 1987 год.
• Deepsea Challenger Первый частный батискаф с глубиной погружения 11 000 метров - 2012 год.

Интересные факты

• В 1967 году на обитаемый глубоководный аппарат «Алвин» совершила нападение рыба-меч. Достигнув дна на глубине 610 м у берегов Флориды, аппарат потревожил этого жителя океана, отдыхавшего на песчаном грунте. Меч пронзил внешнюю полистироловую оболочку лёгкого корпуса и застрял в ней, не повредив проходящий рядом электрический кабель. Как выяснилось, рыбу привлёк свет иллюминатора.
• 15 марта 1966 года тот же обитаемый глубоководный аппарат «Алвин» участвовал в поиске одной из трёх термоядерных авиабомб, аварийно сброшенных американским стратегическим бомбардировщиком B-52 в Средиземное море. Через 80 минут после погружения, на глубине 777 м экипаж аппарата заметил парашют, а затем и саму бомбу.

См. также

• Автономный необитаемый подводный аппарат
• Батисфера
• Водолазный колокол
• Мезоскаф
• Мезоскаф «Огюст Пиккар»
• Подводный аппарат
• Подводный самолёт (мезоскаф с подводными крыльями)

Сноски и источники

Литература

• Сахаров Б. Д. Аварии зарубежных глубоководных аппаратов. — Морской сборник № 6. — 1972. — 74 с.
• Юрнев А. П. Необитаемые подводные аппараты. — М.: Воениздат, 1975.
• Войтов Д. В. Подводные обитаемые аппараты. — М.: АСТ; Астрель, 2002. — 304, [32] с. — ISBN 5-17-005960-4; ISBN 5-271-03683-9. (в пер.)