Инженер-кораблестроитель Г. НАДЪЯРНЫХ.
НАСУЩНАЯ ПРОБЛЕМА
Свыше 70 процентов поверхности земного шара занимает гидросфера, и ее основная часть - Мировой океан. Самые крупные континенты-только острова в необозримых просторах океана.
Вся история человечества связана в основном с освоением природных богатств суши, и земных недр, однако развитие цивилизации привело к таким масштабам использования континентальных ресурсов (биологических, минеральных, и энергетических), что на повестку дня стали вопросы о возможности истощения в обозримом будущем отдельных видов этих ресурсов. Серьезность таких прогнозов заставляет все больше внимания уделять изучению, и освоению богатств голубого континента земли - ее гидросферы.
Предварительные оценки показывают, что биологические ресурсы Мирового океана в несколько раз, а минеральные, и химические ресурсы в сотни, а по отдельным дефицитным видам сырья даже в тысячи раз превосходят земные запасы. При разумном использовании богатств океана можно будет обеспечить в перспективе растущие потребности всего населения нашей планеты.
Несмотря на очевидную важность проблемы освоения Мирового океана, которая по своему научному, и практическому значению не уступает проблеме освоения космического пространства, достижения в ее разрешении остаются более чем скромными. Так, например, около 80 процентов площади Мирового океана имеет глубины более 3 000 и, однако еще в середине прошлого века людям не удавалось непосредственно узнать, что делается на океанских глубинах свыше 50 м.
Длительный период океанографические исследования проводились в основном с помощью опускаемой на тросе аппаратуры для подводного фотографирования, и взятия проб грунта, а также с использованием гидроакустических приборов для эхолокации, и записи рельефа морского дна. Этими методами выполнен колоссальный объем измерений. И тем не менее уровень точности карт океанского дна, и океанских течений, особенно в глубоководных районах Мирового океана. находится на уровне точности картографии Земли двухвековой давности.
В настоящее время океанское рыболовство связано главным образом с использованием биологических ресурсов поверхностных слоев океана. Использование же минеральных, и геологических ресурсов океанского дна находится практически в начальной стадии.
Невольно возникает вопрос, почему океанские глубины, и океанское дно освоены еще в недостаточной степени, тем более, что общий прогресс науки, и техники позволил в короткие сроки достигнуть заметных успехов в освоении космического пространства.
Чтобы ответить на поставленный вопрос, надо сравнить условия движения аппаратов в космосе, и в водной среде, и выяснить, какие причины препятствуют созданию техники освоения океанских глубин.
ВРАЖДЕБНОСТЬ ПОДВОДНОГО МИРА
Прежде всего уточним, что значит освоить, какое-нибудь пространство, например, воздушное, космическое или глубины океана. Очевидно, освоение предполагает возможность с помощью обитаемого или автоматического аппарата перемещаться в заданной области пространства, и выполнять там определенные функции. При этом скорость перемещения аппарата, время пребывания в заданном месте, и его полезная деятельность (с учетом материальных затрат) определяют эффективность технического средства, разработанного для освоения пространства.
И космическим, и подводным аппаратам при движении в пространстве необходимо осуществлять вертикальные перемещения в поле тяготения Земли. При этом для космических кораблей преодоление сил тяготения связано с большим расходом энергии (топлива). Энергетические затраты особенно возрастают, если требуется зафиксировать положение космического корабля в заданной точке пространства. Из-за ограниченных запасов топлива время такого зависания не превосходит нескольких минут.
Силы тяготения действуют, и в водной среде, однако для подводных аппаратов проблема их остановки в равновесном положении в любой точке водного пространства разрешается достаточно просто.
Подводный аппарат перемещается в жидкой среде большой плотности. По этой причине действующие на него силы поддержания (или силы плавучести), которые по закону Архимеда пропорциональны плотности среды, и объему вытесняемой аппаратом жидкости, столь велики, что становится возможным создать подводный аппарат, вес которого равен архимедовой силе плавучести. При условии равенства этих сил аппарат в поле тяготения Земли под водой находится в статическом равновесии, и может зависать в любой заданной точке пространства без, каких-либо затрат энергии. Вертикальные же перемещения аппарата требуют минимального расхода энергии только для приема или удаления балласта, благодаря чему нарушается равновесие между силами веса, и силами плавучести аппарата, и осуществляется его погружение или всплытие.
Отметим еще одно существенное отличие условий движения в космосе, и в водной среде. Значительные удаления космических кораблей от Земли не требуют коренного изменения их конструкций, обеспечивающих прочность, герметичность, изоляцию, и защиту корпуса корабля. Это связано с тем, что даже на трассе полета Земля - Луна внешнее воздействие космической среды изменяется относительно мало.
Совсем по-другому обстоит дело при вертикальных перемещениях в водной среде. Вследствие большой ее плотности на подводный аппарат действует гидростатическое давление, непрерывно возрастающее по мере погружения. С увеличением глубины погружения на 10, и внешнее давление повышается на одну атмосферу. На глубине 6 000 и давление на квадратный сантиметр корпуса подводного аппарата достигает 600 кгс. При таких удельных давлениях на площадку размером с ладонь человека действует сила около 80 т. При еще больших погружениях, например, батискафа «Триест» на дно Марианской впадины, на его сферу диаметром около двух метров вода давила с силой свыше 30 000 т. Такие давления значительно превосходят нагрузки, которые испытывают, например, котлы - одни из наиболее напряженных конструкций современной техники.
При столь больших гидростатических давлениях даже через малые повреждения в корпус будет поступать так много воды, что аппарат начнет быстро погружаться, и после перехода его на глубину, большую критической, произойдет мгновенное разрушение корпуса.
Но не только высокие гидростатические давления создают трудности в освоении океанских глубин. Отсутствие кислорода во внешней среде требует применения на подводных аппаратах автономных источников энергии, а также специальных систем жизнеобеспечения личного состава. С уходом на глубину аппараты погружаются в полную темноту, и для внешних наблюдений необходимо искусственное освещение. В отличие от полетов в космосе имеются значительные затруднения в организации устойчивой связи, и обмене информацией между подводными аппаратами и надводными судами, а также в обеспечении точной навигации при сильных морских течениях.
Недаром американский космонавт С. Карпентер, принимавший участие в 1965 году в эксперименте подводной лаборатории «Силаб-II», после тридцатидневного пребывания на глубине 60, и заявил, что «подводный мир более враждебен человеку, чем космос»
ОБОБЩЕННАЯ ФОРМУЛА
Первые погружения человека на значительные глубины совершались в водолазных колоколах, батисферах и батистатах (у батистата прочный корпус цилиндрический, а не сферический) - в аппаратах, опускаемых на тросе с надводного судна (см. 6 - 7-ю стр. цветной вкладки). Так, как вес этих аппаратов превышает архимедовы силы плавучести в объеме аппарата, то его избыточный вес при спуске воспринимается тросом. Прочность этого троса накладывает основные ограничения на предельные глубины погружения опускаемых аппаратов. Такие аппараты из-за относительно жесткой связи с надводным судном, отсутствия маневренности, и собственного хода, из-за незначительной глубины погружения и ограниченности выполняемых ими функций не получили широкого развития.
В последние годы появились предложения по созданию несамоходных подводных станций, размещаемых непосредственно на морском дне (если вес их превосходит силы плавучести), или на якорях на заданной глубине (при обратном соотношении сил веса, и сил плавучести).
Для малых глубин погружения рассматривается возможность эффективного применения колесных и гусеничных подводных средств большого веса с обеспечением связи, и энергопитания с надводных судов (или наземных станций) по гибкому кабелю. В таких случаях можно существенно повысить энергетические возможности аппарата, длительность его пребывания под водой и полезную нагрузку.
Однако все упомянутые виды глубоководной техники не имеют свободы вертикальных или горизонтальных перемещений, и не отвечают в полной мере сформулированным выше требованиям к аппаратам, предназначенным для освоения пространства океанских глубин.
Какие же выводы следуют из рассмотрения тех специфических условий, в которых должен находиться подводный аппарат, способный решать широкий круг задач?
Конструкция подводного аппарата должна удовлетворять двум основным условиям вес его не должен превосходить суммы всех сил плавучести, определяемых законом Архимеда, иначе аппарат пс сможет всплыть на поверхность, а прочность аппарата должна быть достаточной, чтобы выдержать давление на намеченных для освоения глубинах, в противном случае аппарат будет раздавлен. Оба условия в известной степени противоречивы, так, как повышение прочности обычно связано с увеличением веса, которое не во всех случаях удается компенсировать увеличением плавучести.
Эти два противоречивых условия удобно рассматривать совместно, если уравнение равновесия - равенство сил плавучести и веса аппарата - записать в следующем обобщенном виде:
В этом выражении слева выделен вес корпуса аппарата (Рк). В зависимости от удельного веса, и характеристик прочности материала, из которого изготовлен корпус, величина веса корпуса будет характеризовать возможность аппарата выдерживать определенные гидростатические давления и погружаться на заданную глубину. Другими словами, чем больше вес корпуса, тем больше достижимая глубина погружения.
Под знаком суммы слева собраны веса (Pi) всего остального оборудования подводного аппарата, в том числе энергетической установки, различных устройств, топлива, твердого балласта, команды, и т. д. Чем больше этот вес, тем выше функциональные возможности подводного аппарата в освоении океанских глубин, то есть тем больше скорость его хода, длительность пребывания под водой, выполняемая полезная работа, и др.
В правой части обобщенной формулы стоит архимедова сила плавучести прочного корпуса (yV - произведение удельного веса воды на объем прочного корпуса), а также сумма сил плавучести всех остальных непроницаемых конструкций, находящихся вне прочного корпуса. Вся правая часть, и определяет тот предельный вес, который может иметь подводный аппарат.
Эта обобщенная формула позволяет выяснить, как же можно удовлетворить двум основным требованиям, создавая различные конструкции подводных аппаратов для освоения океанских глубин.
ПРЕОДОЛЕНИЕ ТРУДНОСТЕЙ
Анализ обобщенной формулы начнем в приложении к подводным лодкам. К таким аппаратам, как известно, предъявляются весьма высокие требования в отношении их функциональных возможностей, то есть к скорости хода, эффективности оружия, длительности пребывания в море, условиям обитаемости личного состава, и др. По этим причинам вес всего, что должно находиться на подводной лодке, оказывается (при самом строгом его ограничении) весьма большим и, как правило, превышает вес корпуса. Естественно, стремясь уменьшить общий вес подводной лодки, конструкторы пытаются добиться этого, и за счет снижения веса самого корпуса. Именно с целью получения наименьшей величины веса корпуса его делают в виде цилиндра со сферическими оконечностями, так, как при такой форме корпус под действием внешнего давления работает только на сжатие при полном использовании всего материала. Сопротивляемость внешнему давлению определяется толщиной, и диаметром корпуса, а также прочностными характеристиками материала. С другой стороны, от размеров корпуса, а также удельного веса материала, из которого он изготовлен, зависит, и его вес.
Полный вес корпуса со всеми корпусными конструкциями обычно составляет 0,35 - 0.40 от общего веса подводной лодки. В этом случае при применении для корпусов подводных лодок высокопрочной легированной стали (с пределом текучести более G0 кгмм:2) они могут погружаться на глубину около 300, и (по зарубежным данным).
Если принять во внимание высокие функциональные возможности подводных лодок, то такие глубины погружения следует считать значительными.
При проектировании подводных лодок бывают случаи, когда улучшение условий размещения личного состава, создание для команды кают, столовых, медицинских, и других помещений вызывает появление в корпусе избыточных объемов, а значит, избыточной плавучести. Нарушается основное уравнение равновесия, и вследствие превышения сил плавучести подводная лодка теряет способность погружаться.
Однако в этом случае задача компенсации избыточной плавучести не вызывает затруднений, и решается, как правило, за счет увеличения толщины корпуса, а, следовательно, и его веса либо за счет приема твердого балласта.
Наибольшие трудности возникают при решении обратной задачи, когда в процессе проектирования устанавливается нарушение основного условия равновесия из-за превышения сил веса над силами плавучести, а полученная в проектных расчетах предельная глубина погружения подводной лодки оказывается недостаточной.
В этом случае решение задачи наиболее просто достигается за счет уменьшения веса энергоустановок, оружия, и всей остальной «начинки» подводной лодки до такой степени, чтобы восстановить условие равновесия. Используя снижение веса оборудования подводной лодки для увеличения толщины, и веса корпуса, можно существенно повысить, и глубину её погружения.
При этом неминуемо соответствующее снижение других ее характеристик.
Этот путь привел к созданию экспериментальных подводных лодок. Так, например, на экспериментальной подводной лодке «Долфин» (США), построенной в I968 году, оставлен только один торпедный аппарат для глубоководных испытаний оружия, применена дизель-электрическая энергоустановка для кратковременного режима подводного хода с малой скоростью, и сокращен личный состав. Полученная при этом экономия в весе использована для увеличения толщины корпуса, который был сделан двойным, и уменьшенного диаметра. Хотя для корпуса подводной лодки «Долфин» применена такая же сталь, как и для обычных подводных лодок, ее глубину погружения удалось увеличить примерно до 900 м
Дальнейшие шаги в направлении увеличения прочности корпуса, а, следовательно, и его веса за счет снижения полезной нагрузки привели к созданию аппаратов с большими глубинами погружения, но с ограниченными функциональными возможностями их использования.
Этот путь имеет свой предел, определяемый тем состоянием, когда вес всего полезного оборудования (SPi) становится равным пулю. Однако и в этом случае общий вес корпуса не должен превышать суммы сил плавучести.
Для каждого вида материала, и конструкции корпуса подводного аппарата можно указать предел, исключающий физическую возможность дальнейшего увеличения глубины погружения, даже при отсутствии всякого оборудования внутри корпуса.
С целью решения проблемы увеличения предельных глубин погружения целесообразна разработка новых марок высокопрочных сталей. По возможен и другой путь преодоления трудностей использовать для изготовления корпуса более легкие материалы, удельная прочность которых, то есть отношение предела прочности к удельному весу, значительно превышает удельную прочность сталей. Эта идея была реализована в 1964 году при постройке малой исследовательской подводной лодки «Алюминаут» с глубиной погружения 4 500 м. Ее корпус (диаметром 2,1 м) выполнен из алюминиевого сплава с пределом текучести 45 кг!мм2.
По характеристикам удельной прочности для глубоководных подводных лодок весьма перспективными считаются титановые сплавы, и стеклопластики, удельный вес которых соответственно в 1,7 и в 4,6 раза меньше, чем у стали. По зарубежным данным, технологическое освоение этих материалов позволит достигнуть для подводных лодок глубин около 2 000 м, а для глубоководных аппаратов - до 4 000 - 6 000 м. Однако поисковые работы, связанные с применением этих материалов для глубоководной техники, еще не вышли из стадии экспериментальных исследований.
Еще большие перспективы в достижении предельных глубин океана связывают со стеклокерамическими материалами. Эксперименты на стеклянных сферах показывают, что хрупкие стеклянные, и керамические материалы в условиях сильного сжатия характеризуются большой твердостью и высокой прочностью при сравнительно небольшом весе. При значительных напряжениях сжатия местные изгибающие или ударные нагрузки не приводят к появлению растягивающих напряжений, и разрушению стеклокерамической конструкции, так, как в этих условиях они вызывают только «некоторую неравномерность в распределении напряжении сжатия. Преимуществом этих материалов считается также возможность создания из них прочных, прозрачных сфер глубоководного аппарата, обеспечивающих широкий обзор. (Любопытно, что, согласно легенде, впервые именно в прозрачном стеклянном сосуде, прикрепленном цепями к судну, на глубину до 40 и опускался Александр Македонский.)
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ПЛАВУЧЕСТЬ
С увеличением заданной глубины погружения приходится из условий прочности делать корпус все толще, и толще, а это, естественно, приводит к утяжелению аппарата. И если для изготовления корпуса использовать стали, применяемые сегодня в мировом судостроении, то уже для сравнительно небольших глубин погружения не удастся сохранить основное условие равновесия из-за недостатка архимедовых сил плавучести. Тем самым технологически отработанные материалы ограничивают возможные глубины погружения.
Выход из такого положения может быть найден, если разработать специальные системы для создания дополнительных сил плавучести. При этом, понятно, нужны такие системы, которым самим не страшны большие гидростатические давления.
Именно по такому пути пошел известный французский исследователь в области аэронавтики О. Пикар, предложивший еще в 1938 году проект батискафа - своеобразного дирижабля, предназначенного для плавания не в воздушном пространстве, а в глубинах океана. Первый батискаф (ФНРС-2) был построен только в 1948 году. После подтверждения эффективности этой конструкции в 1953 году во Франции строится усовершенствованный батискаф ФНРС-3, который достиг глубины 4 050 м, а в Италии батискаф «Триест», позволивший Ж. Пикару (совместно с Д. Уолшем) в 1960 году опуститься -на предельную глубину океана - около 11 000 м.
Конструкция батискафа состоит из двух основных частей прочной сферической гондолы (диаметром около 2м, и толщиной оболочки около 100 мм), и большого поплавка (толщина обшивки около 5 мм).
Прочная гондола, рассчитанная «на давление предельных глубин, имеет большой вес, значительно превосходящий архимедовы силы плавучести, определяемые ее объемом. Прикрепленный к гондоле поплавок батискафа при заполнении его жидкостью с удельным весом меньшим, чем у воды (например, бензином), обеспечивает дополнительные силы плавучести (они равны произведению объема поплавка на разность удельных весов воды, и бензина), достаточные для подъема всего аппарата вместе с прочной гондолой на поверхность океана.
В нижней части поплавка конструкция допускает сообщение заполняющей его жидкости с морской водой. Это нужно для выравнивания гидростатического давления с внешней, и внутренней сторон оболочки на любых глубинах погружения батискафа. Благодаря этому нет необходимости обеспечивать высокую прочность поплавка, и его конструкция может быть выполнена максимально легкой-только из условий удержания бензина в заданном объеме
И хотя прочная сфера гондолы батискафа сделана из обычных высокопрочных сталей, этому аппарату удалось достигнуть предельных глубин океана. Однако при большом объеме бензинового поплавка, и малых размерах гондолы аппарат типа батискафа имеет плохие маневренные качества, малую скорость хода, незначительное время пребывания под водой, возможности его использования ограниченны.
Чтобы повысить технические характеристики глубоководных аппаратов, в последнее время изыскиваются возможности создания более эффективных систем дополнительной плавучести за счет заполнения поплавка легкими, и мало сжимаемыми жидкостями. Ведутся работы, и по созданию жестких поплавков, заполненных несжимаемым твердым материалом с удельным весом меньшим, чем у воды. В качестве таких материалов используются композиции, получившие название синтактических. Они состоят из полых стеклянных микросфер, между которыми находятся связующие синтетические смолы, выдерживающие без усадки большие давления.
Применение таких материалов (с удельным весом 0,5 г/с.и3), а также полых алюминиевых сфер для систем обеспечения плавучести американского глубоководного аппарата «Элвин» позволило существенно повысить его технические возможности.
Необычной конструкцией подводного аппарата с динамической силой погружения является так называемый мезоскаф, который можно рассматривать, как аналог вертолета в подводных глубинах. Мезоскаф проектируется заведомо с превыше48
пнем сил плавучести над силами веса. Его погружение осуществляется за счет тяги вертикального гребного винта, при остановке которого мезоскаф всплывает. В отличие от других подводных аппаратов вертикальные перемещения мезоскафа требуют дополнительных энергетических затрат, что снижает его функциональные возможности. Однако такой ценой мезоскаф приобретает высокую надежность, и безопасность. В случае выхода энергетических систем из строя всплытие мезоскафа происходит автоматически, без использования систем погружения - всплытия, или систем аварийной отдачи твердого балласта.
Краткий обзор разновидностей глубоководных аппаратов в зависимости от соотношения их веса, и архимедовых сил плавучести показывает, что проникновение человека на предельные глубины океана, а тем более освоение этих глубин, связано с большими техническими трудностями. При этом, чем больше глубины погружения, тем скромнее функциональные характеристики глубоководных аппаратов, тем меньше возможностей полезной деятельности человека на этих глубинах.
По этой причине проблема освоения Мирового океана потребует интенсивной работы не только в области создания новых высокопрочных конструкционных материалов, но, и в области создания специальных технических средств, в том числе средств энергетики, и жизнеобеспечения, связи, и ориентации, средств точной навигации, освещения обстановки, манипуляторов большой грузоподъемности, дистанционной, и телеуправляемой аппаратуры. Ко всем этим видам глубоководной техники предъявляются требования очень высокой надежности при минимальном весе, что сближает их с аналогичными видами космической техники. Можно полагать, что общий научно-технический прогресс в развитии космических средств поможет, и в решении сложного комплекса проблем освоения глубин Мирового океана.
