Подводный аппарат
ПОДВОДНЫЙ АППАРАТ (а. submarine unit; н. Unterwassergerat; ф. appareil sous-marin; и. equipo submarino) — судно или техническое устройство, перемещающееся в толще воды и (или) по дну и используемое для научных исследований, поисковых и аварийно-спасательных операций, а также производственных работ под водой. В частности, подводные аппараты применяются для проведения геологических и геофизических измерений вблизи океанского дна с целью изучения геологического строения дна океана, состава слагающих его пород, поиска и разведки месторождений полезных ископаемых в Мировом океане, а также при эксплуатации месторождений, для осмотра и ремонта буровых платформ и т.п.
Подводные аппараты делятся на 3 основных класса: обитаемые нормобарические, обитаемые гипербарические и необитаемые (телеуправляемые). Подводные аппараты классифицируются также по типу выполняемых работ — на гидрофизические, геологические, поисковые, специализированные рабочие, осмотровые и др.; по характеру перемещений в водной среде — на буксируемые, плавающие, перемещающиеся (в т.ч. шагающие) по грунту; по способу подачи электропитания — на привязные, автономные и комбинированные; по глубине проведения работ — для малых глубин (до 600 м), средних глубин (до 2000 м) и глубоководные (свыше 2000 м).
К нормобарическим обитаемым подводным аппаратам относятся привязные и автономные исследовательские и транспортные средства, в герметическом корпусе которых поддерживаются параметры дыхательной смеси, близкие к нормативным атмосферным. Примером аппаратов этого типа является подводный аппарат "Пайсис", предназначенный для океанологических (в т.ч. геологических) исследований (рис. 1).
Он состоит из прочного металлического корпуса (обитаемого отсека), вокруг которого на трубчатой раме смонтированы отдельные элементы различных бортовых функциональных систем: движительно-рулевого комплекса, служащего для передвижения и маневрирования подводного аппарата на поверхности и под водой; электроэнергетической установки; системы погружения и всплытия, обеспечивающей значительное изменение плавучести путём заполнения водой или продувки воздухом цистерн главного балласта; уравнительно-дифферентной системы, позволяющей изменять в широких пределах угол наклона (дифферент), скорость погружения и всплытия подводного аппарата вплоть до зависания аппарата на выбранном рабочем горизонте. Аппарат снабжён также системами: гидравлики, служащей для привода забортного навесного оборудования и манипуляторов; научной информации, включающей в себя датчики океанологических параметров, регистрирующую аппаратуру и фототелевизионный комплекс; связи и навигации, необходимой для определения местонахождения аппарата и передачи информации с подводного аппарата на поверхность и обратно. Состав воздушной смеси, температура и влажность в обитаемом отсеке поддерживаются системой жизнеобеспечения. Для придания необходимой внешней формы аппарату служит съёмный легкий корпус. Упрощённой модификацией нормобарических обитаемых подводных аппаратов являются спускаемые на тросе с надводного судна батисферы и гидростаты — толстостенные наблюдательные камеры, способные выдерживать давление больших глубин, с иллюминаторами и входным люком, оснащённые светильниками, фотокиноаппаратурой, телефонной связью и измерительными приборами. Гидростаты в отличие от шарообразных батисфер имеют цилиндрическую форму со сферическими днищами. Для достижения предельных глубин (до 11 км) используются батискафы (рис. 2) — обитаемые подводные аппараты, состоящие из лёгкого стального корпуса-поплавка, наполненного для создания положительной плавучести бензином, и жёстко соединённой с ним батисферы (гондолы), в которой размещается экипаж, научные приборы и оборудование аппарата.
Реклама
Всплытие и погружение батискафа обеспечивается за счёт сбрасываемого переменного балласта. Однако, несмотря на возможность достижения предельных глубин, батискафы имеют малую манёвренность, а также значительную массу и габариты, что вызывает проблему транспортировки подводных аппаратов на большие расстояния.
В гипербарических обитаемых подводных аппаратах акванавт выполняет работу непосредственно в водной среде в условиях повышенного давления (см. Водолазные работы). К гипербарическим относятся обитаемые подводные аппараты с выходом водолазов в воду (рис. 3), в т.ч. мобильные подводные технические базы и лаборатории.
Основные преимущества этих аппаратов — возможность доставки акванавтов на значительные расстояния от места погружения и обеспечения длительной их работы под водой, а также возможность стыковки с камерами подводных технических комплексов и транспортировки в них обратно людей и оборудования. Конструктивно такие подводные аппараты во многом аналогичны нормобарическим обитаемым аппаратам и отличаются от них наличием водолазного отсека, предназначенного для транспортировки водолазов под давлением, соответствующим давлению окружающей среды на рабочем горизонте; баллонов для хранения газовых смесей системы жизнеобеспечения водолазов, большим количеством навесного оборудования и инструмента, а также источниками энергии значительной мощности.
К необитаемым подводным аппаратам относятся погружаемые под воду и управляемые с поверхности технические средства, оснащённые специальным оборудованием, приборами и инструментами, соответствующими характеру выполняемых задач. В этот класс входят разнообразные по назначению и конструкции привязные, буксируемые и автономные телеуправляемые подводные аппараты Типичным представителем этого класса является привязной телеуправляемый подводный аппараты "СФ-1" (рис. 4), состоящий из прямоугольной трубчатой рамы, на которой установлены цистерны положительной плавучести, дифферентная цистерна, баллон со сжатым воздухом для продувки балластно-дифферентной системы.
В центральной части рамы смонтированы контейнеры с электронной аппаратурой и станцией гидравлики. Движительный комплекс включает в себя винты горизонтального и вертикального хода. Аппарат оснащён буровым блоком, батометрами, фототелекамерами, датчиками физических и химических параметров воды, манипулятором. Сигналы с навигационных приборов (гирокомпаса, лага, эхолота и др.), установленных на подводном аппарате, по кабелю поступают в ЭВМ, расположенную на обеспечивающем судне, что позволяет управлять аппаратом с большой точностью. Буксируемые телеуправляемые подводные аппараты обычно не имеют движительных комплексов и дифферентных систем, а их перемещение осуществляется за счёт хода судна-носителя. Такие подводные аппараты в основном представляют собой гидроакустические и (или) фототелевизионные комплексы, предназначенные для съёмки и картографирования донной поверхности. Автономные телеуправляемые подводные аппараты (рис. 5) отличаются отсутствием кабельной линии связи и электроснабжения с судна-носителя.
При этом управляющие и информационные сигналы передаются по гидроакустическому каналу. Такие подводные аппараты обычно состоят из корпуса обтекаемой формы с размещёнными внутри блоками навигационных приборов и управления движительно-рулевого комплекса, источниками тока относительно большой энергоёмкости и развитыми бортовыми системами сбора и обработки информации.
Телеуправляемые подводные аппараты обычно имеют малые массу и габариты, обладают неограниченным временем работы под водой и высокой манёвренностью. Обитаемые подводные аппараты в отличие от телеуправляемых более универсальны по назначению, позволяют проводить уникальные визуальные наблюдения и отбор большого количества образцов донных пород.
Исторический очерк. К первым подводным аппараты относятся подводные лодки малого водоизмещения, построенные из дерева голландским механиком К. ван Дреббелем (1620) и русским изобретателем-самоучкой Е. Никоновым (1724). В 1776 была создана металлическая подводная лодка "Черепаха" американским инженером Д. Бушнеллом, с 30-х гг. 19 века аналогичные подводные аппараты стали строиться в России, Германии и Франции, Первоначально создавались нормобарические обитаемые привязные подводные аппараты. В 1911 американским инженером Г. Гартманом был построен первый гидростат, в котором с научными целями была достигнута глубина 640 метров. В 1923 в CCCP инженером Е. Г. Даниленко был создан гидростат, предназначенный для поиска затонувших судов. В 1927 на нём совершила погружение по геологической программе геолог М. В. Клёнова (первая женщина-гидронавт). В 1929 американские учёные У. Биби и О. Бартон сконструировали первую батисферу "Век прогресса", позволившую достигнуть глубины свыше 1300 м.
Первые расчёты и проекты автономных обитаемых подводных аппаратов были предложены в середине 30-х гг. советскими учёными К. Э. Циолковским и Ю. А. Шиманским. В 1948 первый автономный подводный аппарат — батискаф "ФРНС-2" был построен швейцарским учёным О. Пиккаром и при испытаниях без экипажа на борту достиг глубины 1400 метров. По проектам О. Пиккара во Франции и Италии были созданы в 1953 более совершенные батискафы "ФРНС-3" и "Триест" (в 1960 Ж. Пиккар и Д. Уолш достигли дна Марианской впадины).
Малогабаритный, легкотранспортируемый обитаемый подводный аппарат для малых глубин ("Ныряющее блюдце") впервые был построен в 1959 под руководством французского океанолога Ж. Ива Кусто. Начиная с 60-х гг. в различных странах интенсивно строятся малогабаритные автономные обитаемые подводные аппараты. Если в 1970 в мире насчитывалось 45 обитаемых подводных аппаратов, то в 1986 — более 300 аппаратов. Большая часть автономных обитаемых подводных аппаратов рассчитана на глубины до 1500 метров. Для увеличения глубины с начала 80-х гг. стальные обитаемые сферы обитаемых подводных аппаратов заменяются более лёгкими титановыми. Строительство в 1967 (в США) первого гипербарического подводного аппарата "Дип Дайвер" положило начало развитию подобных аппаратов с выходом водолазов в воду. Создаются мобильные крупнотоннажные (до 800 т) подводные исследовательские и технические аппараты, обеспечивающие работу и отдых водолазов в режиме длительного пребывания под давлением.
Предшественником современных телеуправляемых аппаратов является подводный аппарат "КУРВ-I", разработанный в 1965 в США для проведения поиска и подъёма затонувших объектов на поверхность. В последующие годы появились телеуправляемые подводные аппараты нового поколения, имеющие увеличенную глубину, более совершенную фототелевизионную и гидроакустические аппаратуру, а также манипуляторные устройства (например, "КУРВ-II", "КУРВ-III", "Теленавт-1 " — США, "Манта" — CCCP). Производство подводных аппаратов этого типа постоянно увеличивается (в 1970 в мире насчитывалось 26 телеуправляемых подводных аппаратов, к 1986 создано более 400 аппаратов). В 80-х гг. создаются полностью автоматические автономные телеуправляемые подводные аппараты с рабочей глубиной погружения 6000 м.
Среди привязных телеуправляемых подводных аппаратов за рубежом с начала 80-х гг. получили распространение малогабаритные (до 800 мм), лёгкие (до 100 кг) и мобильные привязные аппараты (типа "PCB-225" и "Скорпио" — США; "Трек" — Канада), для доставки которых к месту работы используются специальные подводные боксы-носители, связанные с обеспечивающим судном кабелем-тросом, а с аппаратом тонким кабелем нейтральной плавучести, не оказывающим влияние на его динамику. На последующих образцах телеуправляемых подводных аппаратов (типа "ТРОУ" — Канада и "СФ-1 " — ФРГ) устанавливаются балластные системы, увеличивающие манёвренность аппаратов и позволяющие осуществлять жёсткую посадку на грунт для производства бурильных работ.
Одним из первых необитаемых буксируемых подводных аппаратов явился океанологический комплекс "Дип тоу", созданный в 1963 в США. В последующие годы были созданы буксируемые подводные аппараты ("Ангус", "ДСС-125", и "Арго" — США, "Звук" — CCCP), позволяющие осуществлять поисковые операции, картографирование и фотосъёмку дна. В начале 80-х гг. в ФРГ был построен буксируемый геологоразведочный подводный аппарат "Манка-01", предназначенный для отбора и экспресс-анализа проб железомарганцевых конкреций.
Первые геологические исследования с применением подводных аппаратов были проведены в 1962 с борта французского батискафа "Архимед" в жёлобе Пуэрто-Рико (около 9000 м). В последующие годы выполнялись обследования береговых каньонов, коралловых рифов, полей железомарганцевых конкреций и фосфоритов. С 70-х гг. было организовано несколько американских и французских геологических экспедиций по изучению океанических рифтовых зон (в 1973 — Срединно-Атлантического рифта, в 1978-79 — зоны восточно-Тихоокеанского поднятия и Галапагосского рифта).
Первые советские геологические экспедиции с использованием подводного аппарата типа "Пайсис", "Звук", "Манта" были проведены на озере Байкал (1977), в Красноморском рифте (1979-80) и рифте Рейкьянес в Атлантическом океане, в Тихом океане (80-е гг.).
