Приборы подводного аппарата

Человеческий глаз плохо видит под водой. Даже в прозрачной воде при солнечном освещении дальность видения под водой не превышает 20-30 м, в мутной воде видимость снижается до долей метра. Недостаточная прозрачность воды - одна из причин, мешающих завоевать океан. Но если вода почти непрозрачна для света, то для звука она прозрачнее, чем воздух. Скорость звука в воде почти в пять раз выше, чем в воздухе, а дальность его распространения в определенных случаях достигает нескольких тысяч километров. Указанные обстоятельства привели к созданию серии акустических приборов, обеспечивающих видение, связь, измерение скорости движения, определение местоположения для подводных аппаратов.

Акустические приборы построены на двух основных принципах- эхопеленговании и шумопеленговании. Сущность первого принципа состоит в том, что прибор посылает в нужном направлении акустический сигнал, который, как следует из названия, в виде эха возвращается и принимается приборами: гидролокатором, эхолотом или звуковизором. Прибор, основанный на втором принципе, состоит только из приемной части. Это пассивный прибор - своеобразные уши; называется он гидрофоном.

Мысль об использовании звука для измерения высот и глубин возникла у русского ученого академика Я. Д. Захарова. В 1805 г., поднявшись на воздушном шаре, ученый крикнул в рупор, направленный вниз, и заметил время возвращения эха. Зная скорость звука и время его "путешествия" вниз и вверх, Захаров определил расстояние до земли. На этом же принципе основаны гидролокаторы и эхолоты, дальность действия которых колеблется от нескольких сотен и даже десятков метров до нескольких километров - в зависимости от мощности-излучателя и условий распространения звука в воде в данном районе. Прежде чем перейти к описанию задач, выполняемых акустическими приборами на подводном аппарате, полезно сказать несколько слов о звуке.

Звук - это колебание частиц среды, в которой он распространяется. Эти колебания характеризуются интенсивностью, давлением и частотой - числом колебаний в единицу времени. Поскольку человеческое ухо слышит звуки в диапазоне частот от 20 гц до 20000 гц, то звуки с частотами ниже 20 гц называются инфразвуками, а свыше 20000 - ультразвуками. Приборы подводных аппаратов работают в области ультразвуков. Для посылки звука в воду необходим источник; роль его выполняет преобразователь, в котором при прохождении электрического тока наводятся звуковые колебания. Он так и называется - акустический преобразователь. Акустический преобразователь служит также приемником в котором колебания воды преобразуются в электрические сигналы.

В гондоле батискафа Триест II

Теперь можно представить работу гидролокатора или эхолота посылка сигнала - прием эха, этот цикл повторяется в течение всего времени работы прибора. Показывающий прибор у гидролокатора может быть в виде экрана, на котором возникают и гаснут световые точки, обозначающие препятствия, рыб, или в виде записей на ленте самописца.

У эхолота, как правило, отраженные сигналы записываются на ленту, в результате эхолот, измеряющий глубину под килем аппарата, непрерывно "пишет" рельеф дна; если над грунтом плавают рыбы, эхолот "пишет" и их. На подводных аппаратах вибраторы (акустические преобразователи) эхолотов направлены вверх и вниз, вверх - чтобы измерять расстояние до поверхности воды, а также обнаруживать плавающие на поверхности предметы, представляющие опасность при всплытии аппарата.

Трудно удержаться, чтобы не упомянуть об эхоледомере - приборе, определяющем не только наличие льда на поверхности, но и его толщину, что позволяет подводным лодкам всплывать в полыньях, затянутых не очень толстым льдом. В настоящее время подводные аппараты подо льдом не плавают и эхоледомеры на них не ставят, однако в дальнейшем, когда появятся подводные траулеры, с их помощью, несомненно, займутся подледным ловом.

На принципе эхопеленгования работает звуковидение. Его отличие от гидролокации заключается в возможности получения на экране контуров и даже рельефа рассматриваемого предмета. Это происходит благодаря фокусировке отраженных от предмета акустических лучей на экране, представляющем собой массу миниатюрных акустических преобразователей. В результате каждый участок предмета преобразуется отдельно в электрический сигнал и попадает на экран телевизионной трубки.

Весьма важной характеристикой любого "видящего" прибора является так называемая разрешающая способность - минимальный размер предмета, который можно опознать на экране. Поскольку разрешающая способность прибора зависит от расстояния (с увеличением расстояния - падает), ее при сравнении приборов приводят к одинаковому расстоянию.

При создании акустических приборов для поиска подводных лодок главной задачей была максимальная дальность, для подводных аппаратов, ведущих исследование, - разрешающая способность приборов при средней дальности.

Ряд подводных аппаратов, построенных в США в 1967-1968 гг., вооружен новыми акустическими системами - гидролокаторами бокового обзора. Разрешающая способность таких систем достигает 15 см на расстоянии 40 м; эти локаторы представляют компромисс между высокой разрешающей способностью звуковидения при малой дальности и низкой разрешающей способности обычных гидролокаторов с большой дальностью. Акустические преобразователи (излучатели) такого гидролокатора расположены по бортам аппарата. Импульсы акустической энергии, посылаемые излучателями, представляют веерообразные лучи, узкие в горизонтальной плоскости и широкие в вертикальной. Используются частоты хот 10 до 500000 гц. Импульсы длятся 1/10000 долю секунды. Отраженный сигнал в конечном итоге записывается на ленту самописца. В результате на ленте появляется рельеф площади дна, именно площади, а не профиля, как при работе эхолота.

Подводный аппарат, снабженный гидролокатором бокового обзора, двигаясь вдоль дна, может сделать карту, подобную аэрофотосъемке, захватывая относительно широкую полосу дна. На этой карте углубления светлые, а выпуклости - темные.

Очень важную роль для подводного аппарата играет прибор звукоподводной связи. Он позволяет осуществлять беспроволочную телеграфную и телефонную связь с надводным судном, доставившим аппарат к месту погружения, а также и с другим подводным аппаратом или подводной лодкой. Голосовая связь может вестись в принципе и на частотах человеческого голоса. В этом случае не требуется специальной приемной аппаратуры. Голос передатчика звучит прямо в воде. Этим пользуются, например, в бассейнах: при тренировке подводных пловцов включают музыку или передают команды. Передача звука в воду может быть осуществлена даже от надводного источника; звук усиливается (примерно вдвое), переходя из воздуха в воду, но зато при обратном переходе из воды в воздух звуковое давление ослабевает в несколько тысяч раз.

Конечно, в системах звукоподводной связи излучатель и приемник на обоих концах "провода" опущены в воду. Переговоры ведутся на высоких частотах, что уменьшает расход энергии. Звук человеческого голоса при этом преобразовывается, как в обычном телефоне, только с большим числом преобразований. У обычного телефона цепь преобразований следующая: звук голоса - электрические импульсы (в проводе) - звук голоса; у подводного телефона: звук голоса - электрические импульсы - ультразвук (в воде) - электрические импульсы - звук голоса.

В арсенал акустических приборов подводного аппарата входят приборы для прослушивания и записи звуков моря и в первую очередь звуков, издаваемых рыбами и морскими животными. Познать язык морских рыб и морских животных - важнейшая задача ученых-ихтиологов, планирующих в недалеком будущем организованное морское хозяйство. Изучение издаваемых подводными обитателями звуков поможет установить законы, объединяющие рыб в косяки, выяснить значение тех или иных сигналов и, в конечном итоге, имитировать призывные звуки, что позволит управлять движением рыб. Многое уже выяснено. Установлено, что дельфины издают звуки в двух диапазонах частот: "разговорные"- на сравнительно низких частотах и "навигационные" - высокочастотные, представляющие своеобразную гидролокацию. Опыты с дельфинами приобрели настолько широкий размах, что ученые в специальных океанариумах ведут "беседы" с дельфинами, в результате которых устанавливается взаимопонимание.

Итак, перечисленные гидроакустические системы позволяют экипажу подводного аппарата видеть и слышать под водой даже в абсолютной темноте. Правда, акустическое видение создает условную картину и поэтому не является основным при изучении подводного мира из аппарата. Да и стоило бы ради этого опускаться под воду! Акустические средства можно установить и на надводном судне. Ценность изучения из подводного аппарата - возможность увидеть все собственными глазами через иллюминаторы и не только увидеть, но и запечатлеть виденное на пленке. В условиях абсолютной темноты на больших глубинах видеть и фотографировать можно лишь при искусственном освещении. В систему наружного освещения входят прожекторы и лампы-вспышки; мощность прожекторов достигает нескольких киловатт, а ламп-вспышек - тысячи джоулей. Высокое давление воды за бортом аппарата заставляет конструкторов прятать хрупкие лампы в прочные корпуса-фары. Наиболее передовым направлением следует считать конструирование ламп, выдерживающих давление: отпадает необходимость в тяжелых корпусах для светильников и, главное, создаются благоприятные условия для охлаждения мощных ламп омывающей их водой. Кроме достаточной яркости, подводная лампа должна обладать спектром, близким к ультрафиолетовому, наиболее "дальнобойному" в морской воде.

Для визуального наблюдения на подводных аппаратах устанавливают оптические системы, позволяющие увеличивать изображение. Это важно для биологических исследований. Прибор представляет зрительную трубу с системой оптических линз, устанавливаемую на иллюминаторе. Широко применяются и телевизионные установки, позволяющие сократить число иллюминаторов. Эти установки состоят из передающей части, размещаемой за бортом, и приемника, расположенного перед глазами наблюдателя. Эффективность телевидения зависит от освещенности и чувствительности передающих трубок. Имеются трубки с чувствительностью, близкой к чувствительности человеческого глаза.

Основная задача, которая стоит перед конструкторами приборов для визуального наблюдения в воде, - достичь такой дальности видения, которая превышала бы дальность видения человеческим глазом. Для воздушной среды эта проблема давно уже решена.

При проведении комплексных биологических исследований важно знать условия существования наблюдаемых живых организмов. С этой целью на подводных аппаратах устанавливают комплекс приборов, регистрирующих параметры воды: соленость, плотность, температуру, химический состав, прозрачность, радиоактивность. Все данные записываются на самописцы с указанием положения аппарата относительно дна.

Координаты местонахождения подводных аппаратов приобретают теперь глубокий смысл. Доподлинно известно, что дно океана- не однообразная равнина. Уже составлены карты дна участков Атлантического и Тихого океанов. В 1966 г. советские ученые составили подробную карту дна Индийского океана. Подобные карты позволяют заранее планировать исследования с помощью подводных аппаратов таких участков дна, которые представляют для ученых наибольший интерес.

В связи с этим большое значение приобрели навигационные системы исследовательских аппаратов, не говоря уже о спасательных, обеспечивающих выход аппарата в заданную точку, а также возможность определить координаты места.

Представление о навигационных системах глубоководных аппаратов дает описание системы управления и подводной ориентации американского батискафа Триест II, установленной при его последней модернизации.

Эта система, разработанная компанией "Сперри Джай Роскоуп", представляет полностью автоматический комплекс с применением датчиков высокой чувствительности и программирующего устройства с ЭВМ. В качестве воспринимающих элементов датчиков скорости используются высококачественные гидролокаторы с малым радиусом действия, работающие на эффекте Доплера и замеряющие скорость относительно океанского дна в направлении трех координатных осей.

Подключение к этим датчикам гирокомпаса позволяет очень точно вести прокладку курса при движении под водой. Поправки и навигационное счисление будут вноситься по сигналам придонных гидроакустических маяков, географические координаты которых устанавливаются с помощью надводных судов.

Современные глубоководные аппараты имеют весьма ограниченный радиус действия. Для подводной ориентации Триеста II, как полагают, будет вполне достаточно трех гидроакустических приемоответчиков, установленных на дне на расстоянии 2-3 миль один от другого. Такая система гидроакустических маяков обеспечит батискафу возможность подводной навигации на площади около 20 квадратных миль.

Каждый приемоответчик "запрашивается" с батискафа гидроакустическим сигналом строго определенной частоты, свойственной только данному подводному маяку. Ответный сигнал имеет одинаковую частоту у всех трех приемоответчиков. Специальные устройства на батискафе отмечают разницу по времени между "запросом" и "ответом" и подсчитывают расстояние до соответствующего подводного маяка. Подобная система с использованием приемоответчиков позволит батискафу непрерывно уточнять свои координаты в процессе погружения.

В задании на разработку системы подводной ориентации для батискафа Триест II было оговорено, что ошибка в определении места не должна превышать 3 м. Это требование не могло быть выполнено путем корректировки географических координат, взятых на поверхности, поправками на подводные течения. Дело в том, что ошибка в определении скорости течения, например, в четверть узла приводит к недопустимой погрешности в определении места. Выход из положения был найден в использовании гидролокаторов, работающих на эффекте Доплера и отсчитывающих скорость батискафа непосредственно от морского дна, вместе с гирокомпасом "Сперри МК-27". Система "доплеровских" гидролокаторов, работающих совместно с гирокомпасом, как полагают, обеспечит точность навигационного счисления до 1 % от пройденного расстояния. Если учесть периодическую (каждые 15 мин) корректировку счисления по сигналам подводных маяков (ориентировка по заранее установленным гидроакустическим приемоответчикам дает ошибку в определении места ±1,5 м), то окажется что требуемая точность новой навигационной системы гарантируется даже на максимальной скорости хода батискафа.

Излучающий и воспринимающий преобразователи, каждый из которых состоит из четырех гидроакустических элементов, жестко закреплены на корпусе батискафа. Излучающий преобразователь, работающий на частоте 600 кгц, генерирует четыре узких гидроакустических луча, направленных вниз под углом 30° к вертикальной плоскости в нос, в корму и к бортам батискафа. Воспринимающий преобразователь улавливает отраженные от морского дна гидроакустические сигналы и преобразует их в показатели скорости батискафа. Кроме того, отраженные сигналы преобразуются в серию следующих один за другим импульсов, темп которых зависит от скорости батискафа в данный момент.

Электронно-вычислительный комплекс на борту батискафа Триест II выполняет следующие функции: непрерывно пересчитывает показатели скорости в продольном и поперечном направлениях в так называемые навигационные координаты (т. е. относительно подводных маяков, географические координаты которых известны); вычисляет поправку на вертикальную скорость, представляющую вертикальную составляющую поступательной скорости при небольшом дифференте на корму; корректирует и преобразует ответные сигналы от подводных гидроакустических маяков.

Эти и некоторые другие вычислительные операции выполняются ЭВМ "Сперри МК-15", представляющей модификацию микроэлектронного вычислительного устройства, разработанного для АИНС (авиационной инерциальной навигационной системы).

Управление горизонтальным движением батискафа осуществляется программирующим устройством, работающим в комплексе с ЭВМ. При маневре система вычисляет тягу, которую должен развить гребной винт, и изменение скорости, после чего подается соответствующий сигнал на электродвигатель. В целом программа работы электродвигателя на данный маневр будет предусматривать: импульс, сообщающий батискафу поступательное движение, работу на поддержание определенной скорости в течение соответствующего отрезка времени и импульс в направлении, противоположном движению, останавливающий батискаф в заданной точке. В период маневра непрерывно работает ЭВМ, решающая уравнение движения по мере изменения его параметров.

Программирующее устройство с ЭВМ обеспечивает также режим "зависания" батискафа в одной точке и весьма кратковременные перемещения из одной точки в другую.

Управление движением батискафа в вертикальной плоскости осуществляется балластной системой. При движении вблизи дна задача облегчается выбрасыванием гайдропа, причем угол между гайдропом и вертикалью при неизменной длине троса будет зависеть от величины плавучести батискафа; чем больше плавучесть, тем меньше нормальное давление груза на дно и тем ближе гайдроп подойдет к вертикали.

До последней модернизации длина гайдропа выбиралась для каждого конкретного погружения, и "провалы" батискафа вблизи дна вследствие охлаждения бензина в поплавке компенсировались сбрасыванием балласта (стальной дроби). Эти два обстоятельства приводили к тому, что угол между гайдропом и вертикалью при движении вблизи дна всегда был незначительным, поэтому по натяжению гайдропа нельзя было судить о силе плавучести батискафа в данный момент.

При последней модернизации на батискаф была установлена лебедка, управляя которой оператор может изменять длину гайдропа и по натяжению в нем судить о силе плавучести батискафа.

Когда батискаф находится в покое, натяжение в гайдропе прямо указывает на силу плавучести. Возникающие при движении флуктуации натяжения гайдропа вследствие неровностей дна и колебательных перемещений самого батискафа в вертикальной плоскости непрерывно вводятся в ЭВМ, которая обеспечивает выдачу показаний по фактической плавучести батискафа.

Осредненные показатели автоматически сравниваются с заданной плавучестью, величина которой введена заранее в программирующее устройство, и разница воспроизводится по специальной шкале с нулевым делением. Оператору остается добиться совпадения стрелки с нулевым делением путем сбрасывания балласта или стравливания бензина из поплавка. Таким образом, обеспечивается точность удержания батискафа на горизонте в пределах 1,5 м по высоте.

Рассматривая подводный аппарат как транспортное средство для доставки в нужную точку Мирового океана научных работников, комплекса приборов для исследования воды, грунта дна и измерения характерных параметров, следует отметить значительные преимущества подводного аппарата по сравнению с надводным судном.

Подводный аппарат позволяет устанавливать датчики в нужном месте (например, в придонном слое воды), местоположение которых контролируется визуально. Возможны замеры большого числа параметров с одновременным взятием проб воды и грунта. Аппарат можно стабилизировать неподвижно относительно грунта, а в случае необходимости и относительно воды (как это имело место при дрейфе Бена Франклина). Длина кабелей от датчиков до регистрирующих приборов на аппарате минимальная. Всех этих преимуществ лишен надводный способ исследования. Правда, в последнее время создаются системы, имеющие автономное питание и опускаемый вместе с прибором самописец. Однако такой опускной комплекс в итоге превращается в привязной подводный аппарат.

Недостаток исследований из аппарата - высокая стоимость погружений в аппарате. Например, суточная стоимость фрахта аппаратов составляет для Стар III - 4560 дол., для Дипстар 4000 - 3850 дол., для Алюминаута - 5440 дол. Характерно, что погружения в Дипстаре на глубину 1220 м стоят меньше, чем в Старе на глубину 610 м. Эта разница достигается за счет большой частоты погружения первого аппарата.

Современные аппараты, как правило, снабжены океанографическим комплексом. Классический комплекс такого рода установлен на японском Синкае. Он имеет тракты для измерения: скорости звука, скорости придонных течений, солености, температуры, прозрачности, структуры грунта, радиоактивности, тепловых потоков, магнитного поля земли, гравитационного поля земли.

На других аппаратах набор измеряемых параметров океанографического комплекса варьируется в зависимости от полезной нагрузки аппарата и его энергетических ресурсов. На аппаратах Алвин, Алюминаут, Дипстар, Дипквест установлен комплекс фирмы "Биссет-Берман" - модель 9045, измеряющая соленость, температуру, глубину, скорость звука, направление и скорость течений.

Как правило, в океанографических комплексах регистрация измерений производится самописцем или на магнитную ленту. У прибора "Биссет-Берман" - обегающий контроль с циклом 2 с.

Точность измерений в этих комплексах довольно высока. Например, у упомянутого комплекса модели 9045 при измерении температуры от -2 до +36°С, солености 30-40 промиль, давлении 0-600 кгс/см² погрешность соответственно равна: ±0,02° С, ±0,02 промили, ±0,25%.

В дополнение к перечисленным приборам на аппаратах (Алвине, Архимеде, Синкае) установлены приборы для забора грунта. На этих аппаратах используются также батометры для взятия проб воды (в том числе и на Дипстаре).

Для измерения турбулентности и небольших скоростей течения на аппараты навешиваются мешочки с красящим веществом, которые в нужный момент протыкаются. На Алвине и Синкае устанавливаются устройства для захвата планктона - управляемые сетки-сачки.

Безусловно, возможность наблюдать и фиксировать виденное - наибольшее достоинство обитаемого аппарата, которое трудно переоценить. Иллюминаторы, светильники, фото- и кинокамеры, телевизионные установки подводных аппаратов дают богатейший материал для исследователей глубин.

На Бене Франклине установлены: две стереофотокамеры 35-мм, синхронизированные с лампами-вспышками. Емкость кассет - 3300 пар стереофотографий, две 70-мм стереофотокамеры имеют кассеты для 450 пар цветных фотографий, камеры совмещены с телевизионной системой, управляются дистанционно.

Как правило, съемочная аппаратура выносится из прочных корпусов аппаратов, что позволяет избежать фотографирования через толстый иллюминатор.

В заключение следует отметить, что оптимальным вариантом исследований следует полагать сочетание подводных и надводных исследований при использовании подводных аппаратов с носителем.