Глубоководный аппарат Алюминаут

Подготовительные работы по созданию аппарата начались еще в апреле 1957 г. фирмой "Рейнольде Метало с исследования свойств алюминиевых сплавов, сверхпрочных сталей, титановых сплавов и стеклопластиков, пригодных для изготовления прочного корпуса глубоководной лодки. Эти исследования, закончившиеся в 1958 г., показали, что для данной цели больше всего подходят алюминиевые сплавы.

Глубоководный аппарат Алюминаут

На разных этапах работы были проведены многочисленные испытания моделей лодки, позволившие выбрать как наивыгоднейшую форму корпуса, так и его конструкцию. Необходимость совмещения ряда противоречивых требований (например, большая прочность и невысокая стоимость) обусловила создание проекта - аппарата очень простого по форме. Внешне аппарат напоминает огромную короткую торпеду: у него цилиндрический корпус, тупой закругленный нос; в сужающейся кормовой части установлены вертикальный и горизонтальный стабилизаторы. На этом, пожалуй, сходство кончается, так как Алюминаут имеет черты, роднящие его как с обычными лодками (надстройка, рубка, два входных люка), так и с аппаратом (в средней части установлены горизонтальный винт, применен твердый балласт).

Незначительная потеря твердого балласта на одно погружение - одно из основных преимуществ подводных аппаратов типа Алюминаут перед батискафом.

Вес батискафа в воде (его отрицательная плавучесть) по мере погружения увеличивается на 3% на 1 км погружения, в то время как вес Алюминаута по мере погружения уменьшается примерно на 0,07% на 1 км погружения. Уменьшение веса Алюминаута происходит из-за того, что плотность воды с увеличением глубины растет быстрее, чем обжатие корпуса аппарата.

Если Алюминауту при погружении придать первоначальную отрицательную плавучесть, равную по величине потере веса на заданной глубине погружения (для глубины 4500 м потеря в весе равна 220 кг), то по достижении этой глубины аппарат остановится, так как его плавучесть станет равной нулю.

Весовое водоизмещение Алюминаута - 81,0 т - меньше водоизмещения батискафов (напомним, что водоизмещение батискафа Триест более 100 г). При этом относительный вес полезной нагрузки (экипаж, научно-исследовательская аппаратура, запасы) гораздо больше и составляет 27%. Благодаря этому на Алюминауте предусмотрены необычные для глубоководных аппаратов удобства. Экипаж, состоящий из трех человек, имеет два спальных места, санитарный блок, запасы провизии и пресной воды, электрическую плитку для подогрева пищи и электрическую грелку.

Установка регенерации раздельная, т. е. выдыхаемый углекислый газ поглощается специальным химическим поглотителем, а кислород подается из кислородных баллонов.

По скорости и дальности перемещения подводного аппарата можно судить о его пригодности для научных исследований. Пожалуй, основным аргументом противников создания глубоководных флотилий является крайне незначительный объем пространства, которое можно обследовать за одно погружение дорогостоящего подводного аппарата. Только большие глубоководные лодки могут быть лишены этого недостатка благодаря более мощным энергетическим установкам и возможности обеспечения условий обитаемости.

Пока большинство глубоководных аппаратов имеет энергетические установки с одинаковой схемой - аккумуляторная батарея питает электроэнергией гребной двигатель, осветительные устройства и приборы. При выборе типа и емкости аккумуляторной батареи Алюминаута конструкторы задались дальностью плавания 180 км.

На Алюминауте установлена серебряно-цинковая аккумуляторная батарея. Ее недостатки - высокая стоимость и небольшой срок службы - вполне окупаются экономией полезного веса и объема. Полный запас электроэнергии батареи из 308 элементов- 333 квт-ч. При строительстве аппарата емкость батареи была уменьшена до 194 квт-ч, вследствие чего дальность плавания уменьшилась с 96 до 80 миль.

Гребные электродвигатели Алюминаута работают на постоянном токе напряжением около 115 в. Как известно, у таких двигателей можно изменять обороты относительно просто; они могут питаться электроэнергией непосредственно от аккумуляторной батареи, в отличие от двигателей переменного тока, применение которых влечет за собой необходимость установки преобразователя тока и вызывает дополнительные потери энергии. Положительным качеством электродвигателя переменного тока с короткозамкнутым ротором является его способность работать в воде, а вот электродвигатели постоянного тока приходится устанавливать в кожухе, залитом изоляционной жидкостью, которая изолирует токоведущие части от морской воды, служащей хорошим проводником электричества. Такие погружные электродвигатели благодаря хорошему охлаждению развивают вдвое большую мощность.

Кривые для расчета скорости глубоководного аппарата Алюминаут: а - зависимость скорости от сопротивления движению и мощности. 1 - при движении по вертикали на ровном киле (всплытие - спуск); 2 - при движении в горизонтальном направлении; б - зависимость скорости вертикального всплытия от величины положительной плавучести. 1 - всплытие с малой глубины с пустыми цистернами водяного балласта; 2 - всплытие с большой глубины при отдаче твердого балласта; 3 - всплытие с малой глубины с пустыми цистернами водяного балласта без твердого балласта; 4 - всплытие с большой глубины при отдаче твердого балласта и отрывного киля; 5 - всплытие с малой глубины с пустыми балластными цистернами без твердого балласта и отрывного киля

По техническому проекту на аппарате предполагалось установить один гребной двигатель горизонтального хода мощностью 15 л. с, при постройке установлены два горизонтальных двигателя по 7,5 л. с.

Расчеты и испытания модели Алюминаута в опытовом бассейне позволили определить сопротивление корпуса, скорость свободного всплытия и характер колебаний корпуса при всплытии. На рисунке показаны кривые, представляющие графическое изображение зависимости сопротивления Алюминаута от скорости перемещения. Кривая 1 на рис. а и кривая на рис. б показывают одну и ту же зависимость сопротивления аппарата от скорости вертикального перемещения; разница лишь в диапазоне охватываемых сопротивлений и скоростей. Кривая 1 на рис. а ограничена скоростью, которая может быть достигнута работой винта, а кривая на рис. б продлена до более высоких скоростей, развиваемых при всплытии за счет отдачи балласта.

Кривая 2 - это зависимость сопротивления аппарата от скорости при горизонтальном перемещении.

Из сопоставления рассматриваемых зависимостей очевидно, что сопротивление Алюминаута при движении в горизонтальном направлении во много раз меньше, чем при вертикальном движении. Так, при скорости 4 уз сопротивление при горизонтальном перемещении равно 250 кгс, при вертикальном - 5500 кгс.

Отсюда можно сделать вывод, что если бы удалось заставить Алюминаут всплывать, поставив его вертикально - носом вверх, можно было бы добиться значительного повышения скорости всплытия (и соответственно погружения). Можно рассчитать скорость такого всплытия при отдаче всего балласта и с пустыми цистернами водяного балласта, т. е. при положительной плавучести 5500 кг. Оказывается, что в этом случае скорость составляет около 17 уз. Но при расчете взят крайний случай всплытия, соответствующий вертикальному положению корпуса Алюминаута. На самом же деле более вероятно наклонное положение, при котором скорость несколько меньше. А вот глубоководный аппарат Дипстар всплывает именно так - носом вверх.

Как показал опыт эксплуатации батискафов, при их всплытии наблюдается бортовая качка, средством борьбы с которой является установка скуловых (бортовых) килей. В связи с этим конструкторы Алюминаута провели тщательные испытания, в результате которых была получена зависимость периода качки от скорости всплытия. Оказалось, что с увеличением скорости всплытия период качки уменьшается, т. е. увеличивается число колебаний в единицу времени. Установлено также, что при скорости всплытия 1 м/с число колебаний корпуса аппарата в единицу времени, или частота колебаний, совпадает с собственной, т. е. присущей данному корпусу, частотой колебаний корпуса и при этом наступает резонанс, приводящий к значительному раскачиванию аппарата. При установке скуловых килей качка уменьшилась, однако сопротивление воды при всплытии аппарата в горизонтальном положении увеличилось примерно на 60%, отчего снизилась скорость всплытия.

Естественно, важнейшей проблемой, которую пришлось решать при проектировании Алюминаута, было обеспечение прочности и герметичности прочного корпуса при сохранении достаточного запаса положительной плавучести. По ряду соображений форма прочного корпуса принята цилиндрической вместо традиционной для глубоководных аппаратов сферической. Это упрощает технологию изготовления корпуса, улучшает использование его объема и обеспечивает меньшее сопротивление воды при горизонтальном перемещении аппарата.

В качестве материала принят алюминиевый сплав марки 7079-16, имеющий предел текучести 4500 кгс/см² и временное сопротивление разрыву 5450 кгс/см² при удельном весе менее 3000 кгс/м³. Недостатком этого сплава является то, что его нельзя сваривать, а корпус из свариваемых материалов оказался бы более тяжелым - невсплывающим. Поэтому отдельные части прочного корпуса пришлось соединять на болтах и клее. Существенным недостатком примененного сплава следует считать и его "нетерпимость" к присутствию в воде других металлов: возникающая при этом электрическая пара приводит к разрушению алюминия. Для предохранения от коррозии прочный корпус из алюминиевого сплава покрыт слоем антикоррозионного покрытия. Одновременно приходится всюду, где это можно, заменять сталь и бронзу алюминиевыми сплавами.

При определении толщины стенок прочного корпуса (152 мм) принималось, что разрушение корпуса произойдет на глубине 6400 м. Учитывая, что предельная глубина погружения Алюминаута равна 4500 м, получим коэффициент запаса прочности 1,4. Во время постройки толщина стенок была принята 165 мм, отчего коэффициент запаса прочности увеличился до 1,5. При надежном действии системы всплытия принятый запас прочности вполне достаточен.

Несомненно, Алюминаут представляет очень интересный опыт создания глубоководного беспоплавкового аппарата. Судя по длительности проектирования и постройки, создание аппарата с такой огромной глубиной погружения - нелегкое дело. На примере этого аппарата видно, как с появлением новых прочных материалов батискаф постепенно "оттесняется" на все большие глубины, но о батискафах мы поговорим ниже.

Аппарат Алюминаут спущен на воду 1 сентября 1964 г.

Алюминаут используется в качестве "плавающего стенда". Например, в течение января 1967 г. было сделано пять погружений на глубину 305 м, продолжительность каждого из них не превышала 10 ч. В процессе погружения были проведены контрольные сбрасывания на дно стальных шаров с целью определения степени ухудшения видимости при взмучивании ила.

В 1966 г. аппарат участвовал в поисках затонувшей у берегов Испании водородной бомбы. В соревновании с Алвином он проиграл: бомба, как известно, была обнаружена Алвином. Можно предположить, что Алюминаут менее приспособлен к поискам. Снабженный электродвигателями аппарат не может плавно менять скорость, перемещения, как говорят, от нуля до максимума.

Гидродвигатели, установленные на Алвине в качестве гребных двигателей, допускают, наоборот, бесступенчатое изменение частоты их вращения. Понятно, чтобы искать такой относительно небольшой предмет, как водородная бомба, да еще частично зарывшийся в грунте, необходимо идти с минимальной скоростью, останавливаясь в "подозрительных" местах. При этом сыграло роль и большое водоизмещение аппарата - 80 г против 13,5 т у Алвина.

Подводный аппарат, построенный для больших глубин и потому имеющий большое водоизмещение из-за тяжелого корпуса, не может конкурировать на "мелком месте" с аппаратом, рассчитанным на существенно меньшие глубины.

Применительно к Алюминауту следует сделать поправку: на его водоизмещение повлиял и увеличенный против Алвина вес исследовательского оборудования, в состав которого входят два манипулятора и две телевизионные установки, а у Алвина приборы предназначены только для навигации. Общая полезная нагрузка Алюминаута - 1800 кг, куда входит и экипаж в составе 4-6 человек (минимальная численность экипажа - 3 человека).

Сопоставление двух указанных аппаратов со столь различной глубиной погружения представляет все же интерес, так как эти аппараты знаменуют два различных направления в аппаратостроении. Алюминаут знаменует "подлодочное" направление, Алвин - чисто "аппаратное". И хотя для доставки к месту погружения и тому и другому необходимы специальные надводные базы, "подлодочное" направление проигрывает. Алюминаут из-за большого водоизмещения приходится буксировать к месту погружения, а Алвин перевозят на борту судна-носителя.

Кроме трудностей, связанных с буксировкой, особенно в плохую погоду, возникает много проблем с обслуживанием оборудования аппарата, установленного за пределом корпуса и потому находящегося в воде. При обслуживании подводного аппарата после его постановки на палубу носителя перед каждым погружением можно тщательно осмотреть все системы аппарата. Наружное оборудование Алюминаута могут осмотреть лишь аквалангисты. О его разборке и сборке, промывке и смазке не может быть и речи. Значит, оборудование должно иметь высокую надежность. И тем не менее, аппараты большого водоизмещения продолжают строить. Они необходимы, а способ их наивыгоднейшей эксплуатации будет, несомненно, найден.

В 1967 г. Алюминаут работал по определению прозрачности и видимости в воде. На плато Блейк с помощью Алюминаута были подняты образцы железомарганцевых конкреций весом около 90 кг. В 1969 г. на глубине 1880 м ученые проводили комплексные геологические, биологические и ихтиологические исследования.

Не все шло гладко и у этого аппарата. В мае 1969 г. Алюминаут лишился блока приборов, который сорвался на глубине около 300 м. Продемонстрировав профессиональную выучку, командир аппарата, используя приборы, в частности гидролокатор бокового обзора, нашел потерянные приборы и, захватив 127-килограммовый блок манипулятором, поднял его на поверхность. В июне 1969 г. Алюминаут остропил потерпевший аварию Алвин, после чего Алвин был поднят на поверхность.