Обитаемость подводного дома

Для маленького коллектива акванавтов возвышающееся над дном стальное убежище - действительно родной дом, в котором они- живут долгие дни и ночи в изоляции от привычного мира. Ежедневно они'проводят в нем около 20 ч: спят, едят, отдыхают, развлекаются, обрабатывают свои научные наблюдения и обслуживают технические устройства. Очень важно, чтобы жизнь акванавтов была полноценной, чтобы необычность обстановки как можно меньше сказывалась на их моральном и физическом состоянии. Поэтому в доме должны быть созданы условия, максимально приближающиеся к нормальным условиям на поверхности.

Как же должен быть сделан подводный дом, чтобы люди могли жить в нем удобно и безопасно?

Первое, на что обычно вы обращаете внимание, когда собираетесь переезжать на новую квартиру, - это ее планировка. Компоновка подводного дома - вопрос не менее важный. Пока есть два способа расположения помещений в большом подводном доме: линейный и свободный.

Помещения двух первых американских лабораторий "Силаб", например, были спланированы так же, как и внутренние помещения подводных лодок. Все "комнаты" располагались в одну линию, причем на одном конце дома был вход, а спальный отсек находился в противоположном конце. Остальные помещения (гардероб, склад снаряжения, душевые, санузел, лаборатория, камбуз и отсек управления) размещались между ними. Это обусловлено тем, что дом имел вид горизонтального цилиндра.

Типичные представители домов свободной компоновки - подводные лаборатории Кусто (исключая, конечно, "Диоген") и лаборатория "Тектайт". Французы избегали создавать проходные помещения. В жилом доме "Преконтинента-2", который по форме напоминал звезду, каждое помещение располагалось в одном из лучей, и все они имели выход в центральный отсек, который служил одновременно кают-компанией и постом управления. Дом-шар "Преконтинента-3" тоже не имел проходных комнат. Его бытовые помещения (спальня, туалет и душ) находились на первом этаже, тогда как отсек с управляющей аппаратурой, лаборатория и кают-компания--на втором.

Жить в подводных домах свободной компоновки, видимо, было удобнее, чем, скажем, в лабораториях "Силаб", хотя внутренний объем помещений, приходящийся "на душу населения", в обоих случаях был примерно одинаковым.

Подводным домам линейной компоновки легко придать удовлетворительные мореходные качества. Напротив, создатели "Морской звезды" и "Тектайта" меньше всего думали о том, что их творения должны плавать и погружаться в море. Приемлемое сочетание противоречивых требований мореходности и удобства компоновки пока еще не найдено. Возможно, это будет комбинация линейного расположения функциональных зон - жилой, лабораторной, водолазной и зоны управления - с каютной планировкой помещений внутри каждой зоны. Диаметр обитаемого корпуса в таком случае должен быть несколько больше, чем в существующих конструкциях.

Неудачная планировка дома осложняет не только жизнь в нем, но и работу. Один из участников опыта "Силаб-2" Том Кларк отметил, что "вестибюль" перед входным люком был слишком маленьким и тесным, а поэтому очень часто срывался график выхода акванавтов в воду. Место, отведенное для хранения снаряжения, было беспорядочно завалено, найти свой костюм стоило больших трудов.

Американские инженеры учли замечания акванавтов. При подготовке дома к эксперименту "Силаб-3" к старому корпусу был пристроен новый водолазный отсек объемом 28 м³, в котором удобно размещались не только готовящиеся к выходу водолазы, но и стеллажи со снаряжением и душевая. Руководство "Силаба" сознательно пошло на резкое ухудшение мореходных качеств лаборатории, лишь бы улучшить условия жизни и работы экипажа на дне. В более поздних конструкциях - "Тектайте" и "Игере" - большие водолазные отсеки предусматривались уже на этапе проектирования дома.

Важное место в жизни людей занимает приготовление и принятие пищи. Для обитателей подводного дома все имеет значение: что готовится, как и на чем. Пользование открытым огнем исключается ввиду повышенного расхода кислорода и загрязнения дыхательной смеси продуктами сгорания. Кроме того, часто горение просто невозможно из-за малого количества кислорода в смеси. До сих пор в подводных домах использовали обычные электроплиты. Вероятно, их будут применять и в дальнейшем, но не исключено, что может появиться и другой способ приготовления пищи, например, разогрев токами высокой частоты.

Пищевой рацион акванавтов подбирался на основе двух соображений. Во-первых, учитывались их собственные пожелания, во-вторых, при подборе меню принимались во внимание условия жизни в замкнутом объеме. Примеси, появляющиеся в атмосфере дома во время приготовления пищи, не должны быть токсичными и должны легко удаляться из смеси. Поэтому из рациона акванавтов пришлось исключить жареное мясо, яйца и ряд других продуктов.

В "Преконтиненте-3" Кусто сделал попытку использовать стандартные готовые обеды, использующиеся на авиационных линиях. Однако блюда из этих рационов подвергались отбору. По мнению профессора Вессье, составлявшего меню, примерно 3500 ккал, которые получали акванавты в сутки, вполне им хватало.

Командир экипажа 'Силаб-2' акванавт-астронавт Карпентер снимает пробу. Акванавты питались приготовленными заранее на судне обеспечения блюдами, которые они разогревали в подводной лаборатории на электрических плитках

Продукты хранились в глубоком холоде, при температуре до -40°, и перед приготовлением размораживались в специальной камере. Температура внутри нее была +2°.

Опыт длительного хранения замороженных продуктов успешно использовали японцы. На камбузе подводной лаборатории "Ситопия", введенной в строй в 1972 г., установлены склад-холодильник и оригинальный размораживатель, смонтированный в теплоизоляционной камере. Замороженные продукты подаются на ленточный конвейер, обдуваемый горячим воздухом; из выходного окна установки акванавты принимают уже разогретые, готовые к употреблению блюда.

Температурные условия играют большую роль в жизни человека, а в глубоководном доме, в условиях искусственной атмосферы, особенно. Гелий имеет гораздо большую теплопроводность, чем азот, и чтобы человек не ощущал холода, температура дыхательной смеси должна быть около 32° с незначительными отклонениями в ту или иную сторону. Поэтому подводный дом должен интенсивно обогреваться. В лаборатории "Силаб-1", например, использовались четыре обогревателя, выполненных в виде отдельных блоков. В "Силабе-2" обогреватели были вмонтированы в бетонный пол; их общая мощность составляла 25 кВт.

Стремясь понизить расход энергии на обогрев, инженеры уделяли много внимание проблеме ограничения теплообмена между домом и забортной водой. Из-за необычных физических свойств искусственной атмосферы эта задача довольно сложна: практически любая теплоизоляция быстро насыщается гелием и поэтому ее свойства ухудшается. Специалисты "Дрегера" решили задачу оригинально: обитаемый корпус "Гельголанда" был оклеен толстым слоем стеклопены не изнутри, а снаружи.

При постановках на глубинах свыше 100 м требования к системе поддержания температурного режима дома становятся весьма жесткими, поскольку температура забортной воды может быть близкой к нулю. Регулирование температуры в доме должно быть автоматическим, как, впрочем, и всех остальных параметров его атмосферы. При средней температуре внутри "Силаба-2", равной 30°, колебания были довольно значительными - от 27 до 40°, что вряд ли допустимо.

Как показал опыт, одного обогрева дома мало. Работая в холодной воде, акванавт замерзает настолько, что по возвращении в дом требуются специальные и довольно энергичные меры для его согревания. G этой целью широко используются пресные горячие души и инфракрасные печи.

Поддержание влажности внутри подводной лаборатории в приемлемых пределах - тоже весьма серьезная задача. Экспериментально установлено, что относительная влажность "гелиевой" атмосферы должна составлять около 60%. Если не принимать специальных мер, то в условиях подводной жизни влажность атмосферы будет стабилизироваться на уровне, превосходящем 95%, а это совершенно недопустимо.

Существуют два принципиально различных способа снижения влажности в замкнутом жилом объеме: конденсационный и адсорбционный.

Сущность первого способа заключается в том, что дыхательная смесь пропускается через теплообменник, в котором ее температура снижается до тех пор, пока из нее не выделится в виде конденсата достаточное количество влаги. Затем холодная смесь проходит через электрические нагреватели, где ее температура восстанавливается до нормальной. Так были устроены системы осушки лабораторий "Силаб", "Тектайт" и других. В качестве хладоагента в холодильных машинах применялись аммиак, фреон, рассолы. Встречались попытки использовать естественное охлаждение смеси до выпадения конденсата на специально выделенных не защищенных теплоизоляцией участках металлической поверхности корпуса, охлаждаемого забортной водой. - В устройствах осушки адсорбционного типа используется способность некоторых веществ, в частности силикагеля, жадно поглощать влагу из проходящей через него газовой смеси. Этот процесс происходит при обычной температуре.

При конденсационном способе требуется большой расход энергии на двукратную тепловую обработку дыхательной смеси. Использование холодильных машин в доме небезопасно - возможны утечки в атмосферу ядовитых паров хладоносителей. Напротив, при адсорбции избыточной влаги силикагелем расход энергии ничтожен; силикагель совершенно безвреден для человека. Но если в конденсационных устройствах рабочее тело не расходуется вовсе, то количество силикагеля, потребное для эффективной осушки атмосферы, очень велико. В подводной лаборатории "Гельголанд", например, его расход составлял около 50 кг в сутки. По-видимому, пока не будет решена проблема энергетически выгодного восстановления поглощающих свойств силикагеля прямо на борту подводного дома, конденсационному способу будут отдавать предпочтение, несмотря на его неэкономичность.

Наконец, самый главный вопрос - регулирование состава атмосферы дома и очистка ее от углекислого газа и вредных примесей. Пожалуй, ни к какому другому элементу подводного жилища не предъявляются более жесткие требования, чем к устройствам, обеспечивающим восстановление дыхательной смеси. Это вполне естественно - выход из строя системы регенерации чреват смертельной опасностью для экипажа. Ведь если серьезная неисправность будет даже вовремя обнаружена, немедленная эвакуация акванавтов с помощью водолазных колоколов или всплывающих камер может оказаться невозможной из-за неблагоприятных погодных условий на поверхности. Поэтому требование надежности регулирующей аппаратуры в условиях подводного и особенно глубоководного дома становится первостепенным.

Еще до начала первых опытов по длительному пребыванию человека в море физиологи знали, что состав дыхательной смеси должен меняться с глубиной постановки подводного жилища. По этому признаку в настоящее время выделяют три рабочих диапазона глубины: воздушный - до 10 м, азотно-кислородный - приблизительно до 40 м, гелиокислородный - свыше 40 м.

В воздушном диапазоне глубин акванавты, несмотря на удвоенное против нормального давление, могут дышать воздухом обычного состава. Это позволяет обновлять атмосферу дома, просто вентилируя отсеки сжатым воздухом, подаваемым с поверхности компрессором; излишки газа стравливаются в воду. По аналогии с водолазным снаряжением такую систему восстановления состава смеси называют разомкнутой.

На глубинах более 10 м во избежание отравления кислородом приходится снижать его содержание в атмосфере от 20% на глубине Юм приблизительно до 8% на глубине 40 м - лаборатория переходит на "питание" искусственной азотно-кислородной смесью. Вентилировать дом обогащенной азотом смесью по разомкнутой схеме нерационально-чистый азот довольно дорог. Систему регенерации атмосферы приходится усложнять.

Поддерживать на нужном уровне количество кислорода в смеси нетрудно - достаточно только понемногу подавать в отсеки дешевый сжатый воздух. Его расход в этом случае должен быть раз в десять меньше, чем в режиме вентиляции. Однако при этом не обеспечивается эффективное удаление углекислого газа и примесей. Приходится включать параллельно контуру воздушной вентиляции еще замкнутый контур химической очистки дыхательной смеси. По аналогии с дыхательными аппаратами такую систему регенерации атмосферы называют полузамкнутой. Подобная система успешно функционировала в экспериментах по программе "Тектайт".

Восстанавливать состав атмосферы азотно-кислородного дома можно и по замкнутому циклу. В этом случае вместо контура ограниченной вентиляции устанавливают устройство дозированной подачи кислорода в отсеки.

В подводных лабораториях гелиевого диапазона глубин используется только замкнутая система регенерации. И открытый, и полузамкнутый циклы на больших глубинах становятся непригодными: даже малые утечки смеси недопустимы, из-за очень высокой стоимости гелия. Кроме гелия в атмосфере глубоководного дома в незначительном количестве может содержаться азот. Дыхательная смесь "Силаба-1" и "Силаба-2", например, состояла из 80% гелия, 16% азота и 4% кислорода, а в подводной лаборатории "Игер". на глубине 159 м атмосфера содержала около 91% гелия, 7% азота и почти 2% кислорода. В дыхательной смеси "Преконтинента-3" азота не было вовсе.

Сложность поддержания заданного состава смеси заключается в том, что расход кислорода в доме изменяется довольно значительно в зависимости от того, сколько человек в данный момент находится в его отсеках, работают они или отдыхают и т. д. Несмотря на постоянное регулирование, содержание кислорода в атмосфере "Силаба-2", например, колебалось от 3,25 до 5,25%.

Если на современном этапе работ, когда в смеси еще довольно много кислорода - от 2% и выше, проблема поддержания его постоянного количества вызывает некоторые затруднения, то с увеличением глубин эти трудности существенно возрастут. Так, для глубины 250 м безопасное содержание кислорода составляет около 1%. Незначительные отклонения в ту или иную сторону от данного относительного количества кислорода в смеси вызовут резкие колебания абсолютной величины его парциального давления, что может привести к очень тяжелым последствиям. Поэтому необходима аппаратура, которая могла бы точно поддерживать на нужном уровне такое мизерное количество кислорода.

Возможность автоматически стабилизировать содержание кислорода в дыхательной смеси появилась у американских исследователей, по-видимому, после изобретения датчика парциального давления кислорода сотрудником корпорации "Вестингауз Электрик" Аланом Красбергом. В дальнейшем Красберг разработал и систему автоматического регулирования состава смеси.. Вначале такая система использовалась лишь в работах фирмы на комплексе "Кашалот", о котором мы расскажем в восьмой главе, и в качестве контрольной - в лабораториях "Силаб-1" и "Силаб-2". Сейчас подобные системы применяются достаточно широко.

Организмы людей, которые живут в подводном доме, все время выделяют углекислый газ и другие газообразные продукты жизнедеятельности. Ряд механизмов и устройств при работе также выделяет в- атмосферу дома газообразные примеси. Например, выключатели и другие контактные электроприборы являются источниками озона, а его действие на людей под большим давлением еще плохо изучено. Улетучивается краска, испаряются масла. Морская вода, плещущая в открытой водолазной шахте, приносит в дом сероводород, окись углерода и прочие вредные примеси. В дыхательной смеси "Силаба-1" были обнаружены пары метилового и этилового спирта, ацетальдегида, фреона, этилового эфира, муравьиной кислоты, сероуглерода, угольного ангидрида и многое другое - всего около 100 видов примесей. И это несмотря на то, что дом был полностью изолирован от поверхности и даже водолазам обеспечения категорически запрещалось входить в него - в доме находились только акванавты.

В первую очередь из атмосферы подводного дома должен удаляться углекислый газ, который поступает в нее в наибольшем количестве. Его можно удалять двумя способами: химическим и физическим. При использовании первого способа углекислый газ поглощается при пропускании смеси через вещества, связывающие его химически. В лабораториях "Силаб", например, углекислый газ поглощался с помощью гидроокиси лития. Физический способ удаления углекислого газа применяли в "Преконтиненте-3". С помощью специально разработанного криогенерационного устройства дыхательная смесь сжималась и охлаждалась до отвердения углекислого газа и других вредных примесей, а затем брикеты отвердевших примесей выбрасывались из дома в воду.

Оба способа очистки атмосферы в основных чертах сходны с рассмотренными выше способами осушки газовой смеси и обладают аналогичными достоинствами и недостатками. Вымораживание углекислого газа - очень энергоемкий процесс, но зато не требуется никаких материалов. Напротив, расход хим-поглотителя велик: в подводном доме с многочисленным экипажем при долговременной постановке потребное его количество составляет многие сотни килограммов, а то и тонны. Хранение поглотителя или доставка под воду свежего превращается в сложную проблему. Химический способ пока занимает господствующее положение в практике подводной жизни, но, видимо, придется в конце концов остановиться на устройстве, подобном вымораживателю "Преконтинента-3".

Токсичность вредных примесей, накапливающихся в дыхательной смеси, быстро возрастает с увеличением давления последней: примеси, которые допустимы в атмосфере, скажем, подводной лодки, могут стать смертельно опасными для акванавтов, живущих на глубине в несколько десятков метров. Поэтому уже однажды решенную задачу очистки атмосферы в замкнутых средах обитания" для подводных домов пришлось решать почти заново, обращая особое внимание на тщательность очистки и контроль качества дыхательной смеси.

В эксперименте "Силаб-1" состав атмосферы подвергся всестороннему исследованию. И тем не менее экспериментаторы все же упустили из виду один важный момент, который едва не привел к срыву работ по второму этапу "Силаба". Акванавты "Силаба-2" вскоре после -погружения начали жаловаться на головные боли. Со временем боли, ощущение тяжести в висках и даже одышка приобрели систематический характер. Эти симптомы настолько явно указывали на отравление организма окисью углерода, что было решено провести специальный анализ дыхательной смеси. И что же-несмотря на то, что перед заселением подводного дома атмосфера его была совершенно чистой, а экипаж не курил и не пользовался открытым огнем, в дыхательной смеси оказалось неожиданно большое количество угарного газа. Анализ случайно сохранившихся старых проб смеси позволил установить картину его накопления. В конце концов выяснилось, что источником окиси углерода были организмы самих акванавтов - факт для физиологов программы неожиданный. Фильтры-"дожигатели" СО до CO₂, немедленно установленные в подводном доме, уничтожили накопившийся ядовитый газ. G тех пор такие устройства стали обязательным элементом контура очистки дыхательной смеси. Кроме них в современных подводных домах используются фильтры, заряженные мощными адсорбентами, например, активированным углем, а также веществами, химически связывающими многочисленные вредные примеси.

Итак, чтобы существовать в подводном мире, человек должен располагать тоннами всевозможных припасов - пищей и пресной водой, химпоглотителем и силикагелем, многочисленными баллонами с кислородом, азотом, гелием, сжатым воздухом. Только пресной воды на горячий душ и бытовые нужды требуется около 50 л на человека в сутки! Но откуда же все это взять? Проблема снабжения и запасов оказалась одной из центральных проблем жизни под водой.