КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СРЕДСТВ ОСВОЕНИЯ ГЛУБИНЫ

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СРЕДСТВ ОСВОЕНИЯ ГЛУБИНЫ

Первым сведениям о морских глубинах мы обязаны прежде всего водолазам-ныряльщикам. Еще в древности отдельные ныряльщики могли погружаться на глубину 30–40 м и находиться под водой 1–3 мин. Их водолазным снаряжением были груз и веревка, соединяющая ныряльщика с поверхностью. Позже для увеличения времени пребывания под водой ныряльщики стали применять особые устройства: кожаные мешки с воздухом, трубки, сообщающиеся с поверхностью, и опрокинутые вверх дном сосуды. Эти устройства, безусловно, сыграли свою роль в развитии водолазного дела и послужили прообразами современного водолазного снаряжения. Так, трубки, сообщающиеся с наружным воздухом, превратились впоследствии в водолазные шланги, кожаные мешки с воздухом — в дыхательные мешки, а опрокинутые вверх дном сосуды — в современные водолазные колоколы.

Первые водолазы-ныряльщики использовались в основном для добывания пищи и ценных раковин со дна моря. Но уже в те далекие времена они нередко выполняли различные работы под водой в мирных и военных целях, что подтверждают многочисленные документы и надписи на древнейших памятниках старины. Строительство подводных сооружений, обрезание якорных канатов, подводные засады, незаметное подкрадывание к противнику и его кораблям, форсирование водных преград — таков далеко не полный перечень военной деятельности водолазов того времени.

Легенды, дошедшие до наших дней, рассказывают, что Александр Македонский опускался в море в хрустальном колоколе на веревке. Много сведений о первых водолазах встречается в литературных памятниках древнего мира: у Гомера, Фукидида, Аристотеля, Плутарха, а также в трудах других историков, ученых и литераторов. Так, древнеримский писатель Вегеций в своей книге «О правилах военных» дает любопытное описание водолазного снаряжения своего времени. Водолаз имел кожаную маску с прорезями для глаз, в которые вставлялся прозрачный материал, вероятно, стекло. Вдыхая воздух через трубку, соединенную с воздушным кожаным мешком, водолаз мог перемещаться по дну водоема на глубине до 3 м.

Толчком для развития средств проникновения человека в морские глубины явилось усовершенствование искусственного способа подачи воздуха с поверхности водолазу, получившему возможность находиться под водой довольно продолжительное время и передвигаться по дну на расстояние, ограниченное лишь длиной воздушного шланга. При этом увеличивающееся с глубиной давление воды преодолевалось давлением воздуха и объем воздушной подушки практически не менялся.

Прототипом современного вентилируемого водолазного снаряжения явилось снаряжение, предложенное в 1719 г. Ефимом Никоновым, уроженцем подмосковного села Покровское. Оно состояло из обшитого кожей деревянного шлема, прикрепляемых на груди и на ногах грузов и воздушного шланга, подводимого в верхнюю часть шлема. Только спустя 110 лет, в 1829 г., русским мастером Гаузеном было предложено усовершенствованное водолазное снаряжение, считавшееся по тому времени лучшим в мире.

Водолазное снаряжение Гаузена состояло из водонепроницаемой одежды, металлического шлема и грузов. Воздух с поверхности подавался в верхнюю часть шлема по шлангу. В таком снаряжении водолаз мог довольно свободно передвигаться по дну и выполнять отдельные несложные работы.

Можно сказать, что вентилируемое водолазное снаряжение Гаузена применяется и по сей день. Конечно, за время, прошедшее с 1829 г., в водолазное снаряжение Гаузена внесено много усовершенствований, но принцип его действия и назначение отдельных частей остались неизменными.

Как известно, наличие воздушного шланга ограничивает свободу передвижения водолаза по грунту. В связи с этим в 1871 г. русский изобретатель Александр Николаевич Лодыгин разработал проект первого автономного водолазного снаряжения. Водолаз, работавший в этом снаряжении, не зависел от подачи воздуха с поверхности, так как необходимый для дыхания запас воздуха носил на себе. Воздух, использованный водолазом, очищался пропусканием через специальный химический поглотитель. Одновременно было предложено автономное водолазное снаряжение, снабженное запасом кислорода (вместо воздуха) и химического вещества для поглощения углекислого газа, выдыхаемого водолазом (рис. 1).

Рис. 1. Подводный пловец в акваланге.

В наши дни глубина погружения водолаза ограничивается 60—100 м. Что же мешает человеку погружаться на большие глубины? Для выяснения этого вопроса рассмотрим механическое и биологическое воздействие давления воды, оказываемое на организм человека при погружении.

Известно, что столб воды высотой 10 м создает давление, равное одной атмосфере. Так, на глубине 100 м на человека будет действовать давление в 10 атмосфер, вызванное давлением воды, плюс давление в 1 атмосферу, вызванное давлением воздуха. Однако это суммарное давление тканями человека воспринимается сравнительно легко, так как последние включают около 90 % воды, которая, как известно, практически несжимаема.

Особенно опасно, когда появляется разница в давлении, например, разница между наружным давлением и давлением воздуха внутри организма человека (в легких, в полости среднего уха). Вот почему в легкие человека должен подаваться сжатый воздух, давление которого соответствует наружному давлению.

Таким образом, одно лишь механическое воздействие воды не вызывает затруднений для проникновения человека в морские глубины, равные даже 3–4 км, начиная с которых механическое воздействие давления воды приводит к расстройству жизнедеятельности клеток организма (в связи с заметной сжимаемостью воды при давлении 300–400 атмосфер).

Многочисленные исследования показывают, что основным препятствием для проникновения человека на большие глубины является биологическое воздействие повышенного давления на организм, сказывающееся прежде всего в функциональных изменениях деятельности организма.

Известно, что действие любого газа на организм зависит не только от его содержания в атмосфере, но и от его давления. Заметим, что газ, находящийся в составе газовой смеси, производит давление независимо от других газов. Это давление, называющееся парциальным, зависит от процентного содержания газа и величины общего давления газовой смеси.

Вдыхаемый человеком воздух состоит из азота, кислорода, аргона, неона, криптона, гелия, углекислого газа и других газов. Однако, в то время как на долю азота приходится 78,13 %, кислорода 20,9 %, аргона и других газов 0,94 % вдыхаемой человеком смеси, на долю углекислого газа приходится всего лишь 0,03 %.

Рассмотрим влияние каждого газа на организм человека при повышении давления воздуха.

Физиологами установлено, что действие любого газа на организм человека зависит от величины его парциального давления, но не от процентного содержания. Так, на организм водолаза при увеличении парциального давления азот действует наркотически, хотя процентное содержание его в сжатом воздухе остается таким же, как и на поверхности.

При нормальном давлении воздуха парциальное давление азота, равное 608 мм рт. ст., практически не оказывает никакого влияния на организм человека. Однако с повышением парциального давления азота человеком овладевает возбужденное состояние, похожее на опьянение. Так, уже при 6 атмосферах давления воздуха водолаз нередко начинает петь песни, возбужденно разговаривать, беспричинно смеяться. При увеличении давления воздуха опьяняющее действие азота усиливается и у водолаза пропадает память, наступает расстройство движений рук и пальцев, появляются галлюцинации. С дальнейшим нарастанием давления воздуха водолаз, как правило, теряет сознание.

Особенно сильное воздействие азота на организм проявляется при давлении, превышающем 6–8 атмосфер. Следовательно, можно сказать, что глубина погружения человека в вентилируемом сжатым воздухом водолазном снаряжении из-за воздействия азота на организм ограничивается 60 м. В настоящее время для дыхания водолаза при спусках на глубины 60 м и более используется не оказывающий на организм человека заметного наркотического действия гелий в смеси с кислородом.

Парциальное давление кислорода в атмосферном воздухе составляет 160 мм рт. ст. (0,209 кг/см²). Практически установлено, что при парциальном давлении кислорода, равном 3 атмосферам и более, водолаз заболевает так называемым «кислородным отравлением».

Различают две формы кислородного отравления: легочную и судорожную. Легочная форма кислородного отравления развивается при длительном (более 10 ч) вдыхании сжатого воздуха, т. е. воздуха, в котором парциальное давление кислорода несколько повышено (до 2 атмосфер). Наиболее опасна судорожная форма кислородного отравления, наступающая при парциальном давлении кислорода, превышающем 3 атмосферы.

Парциальное давление кислорода в 3 атмосферы наступает на глубине около 140 м, значит, и глубина погружения человека в водолазном снаряжении, вентилируемом сжатым воздухом, ограничивается 140 м.

Несколько слов о насыщении организма водолаза индифферентными газами, в основном азотом. Индифферентные газы не участвуют в жизненных процессах и находятся в крови и тканях человека в растворенном состоянии. Количество растворенного в организме человека индифферентного газа пропорционально его парциальному давлению. С увеличением парциального давления индифферентного газа растворимость его в крови человека увеличивается. Растворенный газ разносится с кровью по всему организму, переходит в ткани и растворяется также и в них. Возвращаясь в легкие, кровь вновь насыщается газами и разносит их по всему организму. Так происходит до полного насыщения тканей индифферентными газами.

При понижении парциального давления газа описанный процесс идет в обратном порядке. Однако скорость насыщения и рассыщения неодинакова. Если насыщение организма газами происходит безболезненно, то при понижении давления (особенно при быстром понижении) газ из тканей выделяется так интенсивно, что кровь не успевает выносить его в легкие, и он задерживается в ней в виде мелких газовых пузырьков, которые, двигаясь вместе с током крови, закупоривают кровеносные сосуды, в результате чего может наступить паралич и даже смерть. Эту болезнь, называющуюся кессонной, можно предотвратить, совершая подъем водолаза с глубины постепенно, с остановками, во время которых газовые пузырьки растворяются в крови, и последняя успевает выносить газ в легкие. Постепенное снижение давления на организм водолаза называется декомпрессией.

Из приведенного выше анализа видно, что возможности спуска водолаза на большие глубины ограничены. Усиленные исследования, которые проводятся в США и в других капиталистических странах, показывают, что, применяя для дыхания различные смеси, человек может погружаться лишь на глубину до 200 м.

Правда, в последние годы отдельные исследователи погружались и на большие глубины. В связи с этим следует упомянуть о погружениях Ганса Келлера — молодого швейцарского математика, который совместно с известным врачом-физиологом Альбертом Бюльманом разработал новую теорию азотного наркоза. В противоположность общепринятой теории, согласно которой наркоз вызывается чрезмерным насыщением крови азотом, Келлер и Бюльман полагают, что причиной его является соединение кислорода высокого давления с большим количеством углекислого газа в крови. Основываясь на этом предположении, Келлер и Бюльман разработали теорию применения новых газовых смесей, а также некоторые технические приемы спусков и подъемов водолаза, благодаря которым Келлеру удалось сделать ряд погружений на глубину до 300 м; причем подъем с этих глубин производился в рекордно быстрое время. Так, подъем с глубины 155 м занял у Келлера всего 45 мин, в то время как по классической схеме декомпрессии он должен был длиться около 7 ч.

Исследования последних лет позволяют надеяться, что существуют неизведанные еще пути, следуя которыми, человек может проникать все дальше и дальше в глубь подводного мира.

Итак, глубина погружения в водолазном снаряжении ограничена вследствие физиологического воздействия давления воды на организм человека. Стало быть, достигнуть больших глубин можно лишь в жестких замкнутых камерах, способных выдерживать огромные давления. Поэтому подлинные глубоководные погружения стали возможны только в начале двадцатого столетия, когда человек сумел спроектировать и построить замкнутые, достаточно прочные камеры.

Первой близкой к современным камерой, по-видимому, следует считать подводную камеру Ганса Гартмана, которую он построил в 1911 г. Камера Гартмана была оборудована специальной оптической системой для фотографирования на расстоянии до 38 м. Для освещения камеры применялись аккумуляторные батареи. Углекислота, выделяемая при дыхании человека, поглощалась специальным прибором. В этой камере, спускаемой и поднимаемой на стальном тросе, Гартман сумел достичь глубины 458 м.

Следующей подводной камерой был советский гидростат, сконструированный в 1923 г. инженером Г. И. Даниленко (рис. 2).

Рис. 2. Гидростат Даниленко.

Корпус гидростата — клепаный цилиндр со сферическими донышками. Он имел иллюминатор с наружным освещением для наблюдения. Для аварийного всплытия в нижней части гидростата размещался балласт, привод отдачи которого приводился в действие изнутри камеры.

При помощи гидростата Г. И. Даниленко производились поиски затонувших кораблей. Так, в Черном море был найден английский корабль «Черный принц», а в Финском заливе — канонерская лодка «Русалка», затонувшая в 1893 г.

Определенный интерес представляет подводная камера, сконструированная в США в 1925 г. и рассчитанная на погружение до глубин 1000 м. Камера представляла собой двухстенный стальной цилиндр диаметром 75 см, под днищем которого находился балласт, удерживаемый электромагнитами. В воде камера могла вращаться вокруг вертикальной оси и наклоняться на небольшой угол для осмотра дна, что осуществлялось с помощью трех гребных винтов. Камера была оборудована приспособлениями для захвата морских организмов, просверливания отверстий в бортах судов и закладывания подъемных крюков. Внутри камеры размещались приборы для определения глубины, компас, электрические грелки, хронометр, фотоаппаратура, термометры для измерения температуры воды, телефон для связи с поверхностью. Экипаж из 2 человек мог находиться в камере под водой в течение 4 ч. Камера использовалась для исследования древних городов Карфагена и Позиллино, а также для отыскания затонувших кораблей. На глубину 1000 м эта камера так и не опускалась.

В 1929 г. американцы Д. Бартон и В. Биб, использовав опыт постройки предыдущей камеры, создали глубоководную камеру, названную ими батисферой[3]. В этой камере отважные исследователи опустились в 1930 г. в Атлантическом океане у Бермудских островов на глубину 240 м.

После значительного числа пробных погружений без людей и введения ряда усовершенствований в конструкцию и оборудование батисферы 15 августа 1934 г. Биб и Бартон совершили свое известное погружение на глубину 923 м. Эта глубина лимитировалась тросом, имевшим длину 1067 м. Следует отметить, что наблюдения, выполненные исследователями во время спуска, сыграли определенную роль для дальнейшего изучения морских глубин.

В 1937 г. в нашей стране под руководством академика Ю. А. Шиманского был спроектирован гидростат, являвшийся крупным научным и техническим достижением для своего времени.

Гидростат, предназначенный для спусков на глубину до 2500 м и рассчитанный на пребывание в нем двух человек в течение 10 ч, был оборудован научно-исследовательскими приборами общим весом 600 кг. Для визуального наблюдения, а также для производства фото- и киносъемок в корпусе гидростата имелись два иллюминатора. Погружение и всплытие гидростата осуществлялось самостоятельно. Для погружения в уравнительную цистерну принималась вода; регулировкой приема воды или ее откачки достигалось погружение или всплытие с желаемой скоростью. При необходимости всплытие гидростата могло быть ускорено отдачей двух твердых грузов весом до 150 кг. Для увеличения скорости погружения к гидростату дополнительно подвешивался груз на тросе длиной около 100 м, который одновременно предохранял камеру от ударов о дно моря или подводные препятствия.

Перемещение гидростата в горизонтальной плоскости осуществлялось с помощью гребного винта, приводимого в действие электрическим мотором мощностью 2 л. с. Скорость горизонтального перемещения составляла около 0,3 м/сек на расстояние до 3 км. Для вращения гидростата вокруг вертикальной оси служил инерционный механизм, состоящий из массивного маховика на вертикальной оси, приводимого во вращение электромотором мощностью 0,4 л. с. со скоростью около 45° в минуту. Вес гидростата составлял 10,5 т; его опускание на глубину 2500 м осуществлялось за 20 мин, а подъем с этой глубины за 10–15 мин.

В течение последних 20 лет гидростаты строились в ряде стран. Так, в 1944 г. в СССР был построен гидростат ГКС-6, автором проекта которого был инженер А. 3. Каплановский. В Японии в 1951 г. был построен гидростат «Куро-Сио», а в Италии в 1957 г. вступил в строй гидростат конструкции Галеацци. Построен был также гидростат и во Франции.

Однако зависимость от корабля-носителя и необходимость опускания на трос-кабеле ограничивают использование гидростатов и батисфер и ставят под сомнение надежность их эксплуатации. Поэтому ученые и конструкторы считают, что ныне назрела необходимость в создании автономных подводных камер.

Проблема конструирования подобной камеры была решена швейцарским ученым Огюстом Пикаром[4]. Субсидируемый Бельгийским национальным фондом научных исследований, Огюст Пикар построил в сентябре 1948 г. батискаф ФНРС-2, способный погружаться на большие глубины.

В 1953 г. в Италии при непосредственном участии Огюста Пикара был построен новый батискаф «Триест», с помощью которого удалось достигнуть глубины 10 911 м.

В последние годы за рубежом проектируются и строятся самые разнообразные подводные камеры, отличающиеся друг от друга по своему назначению и техническим данным. В целях систематизации изложения материала авторы сочли необходимым классифицировать подводные камеры по наиболее существенным признакам (рис. 3):

Рис. 3. Классификация подводных камер.

А. В зависимости от глубины погружения:

— на подводные камеры больших глубин (глубоководные камеры), погружающиеся на 200 м и более[5];

— на подводные камеры малых глубин, погружающиеся менее чем на 200 м.

Б. В зависимости от обеспечивающего надводного судна — носителя:

— на неавтономные подводные камеры, связанные при погружении (всплытии) и работе с обеспечивающим надводным судном-носителем тросом или трос-кабелем;

— на автономные подводные камеры, которые погружаются, всплывают и передвигаются самостоятельно с помощью собственных энергетических установок.

Автономные подводные камеры по способу погружения и всплытия в свою очередь можно подразделить на три группы:

1-я группа — батискафы, погружение и всплытие которых происходит так же, как у дирижабля. Как известно, для подъема дирижабля отдают груз или отвязывают стропы, соединяющие дирижабль с тяжелым грузом на земле, а для приземления выпускают более легкий, чем воздух, газ из баллона. Точно так же погружаются и всплывают спроектированные на этом принципе подводные камеры: сначала выпускают более легкую, чем вода, жидкость из поплавка и камера при этом погружается, а затем для всплытия камеры отдают груз. Однако при проектировании подводных камер должно непременно учитываться давление воды, соответствующее глубине погружения. Отсюда вместо сжимаемого легкого газа в подводных камерах применяется практически несжимаемая жидкость, а сама гондола, где находятся люди, выполняется герметичной, способной выдерживать огромное давление воды.

2-я группа — подводные камеры, погружение и всплытие которых происходит так же, как у вертолета. Для погружения и всплытия камеры служит винт, вращение которого вокруг вертикальной оси создает тягу.

В зависимости от направления тяги подводная камера либо всплывает, либо погружается. Так как подобные камеры обычно рассчитываются на погружение до 5000–7000 м, их называют мезоскафами[6].

3-я группа — подводные камеры, погружение и всплытие которых осуществляется так же, как у обычных подводных лодок, т. е. с помощью заполнения или осушения балластных цистерн. При заполнении цистерн забортной водой подводная камера погружается, а при вытеснении воды из цистерны сжатым воздухом или газом — всплывает.

Подводные камеры, спроектированные на таком принципе погружения и всплытия, обычно называют научно-исследовательскими подводными лодками. Заметим, что продувание балластных цистерн сжатым воздухом или газом рационально лишь на глубинах менее 1500 м. Поэтому часто научно-исследовательские подводные лодки дополнительно к системе продувания балластных цистерн имеют еще вертикально расположенные винты и отдаваемый при необходимости твердый балласт.

Как неавтономные, так и автономные камеры больших и малых глубин могут быть обитаемыми (т. е. с людьми на борту) и необитаемыми. Успехи науки и техники позволяют создавать камеры, которые выполняли бы функции без нахождения в них человека, и такие камеры в настоящее время уже имеются. Тем не менее следует отметить, что большая часть построенных или проектируемых камер выполняется в обитаемом варианте. В дальнейшем, чтобы не затруднять изложения, авторы не станут подразделять камеры на обитаемые или необитаемые, однако при описании конкретных типов камер на это обстоятельство будет специально указываться.