Система изменения плавучести

При разработке обычных подводных лодок необходимая плавучесть достигается за счет объема прочного корпуса. Конечно, это возможно лишь потому, что масса единицы объема прочного корпуса лодки меньше плотности воды. В аппаратах же это не всегда имеет место. Если указанное соотношение не выполняется, то для получения положительной плавучести используются легкие (легче воды) заполнители с незначительным коэффициентом сжатия, помещенные в емкостях вне прочного корпуса. Иногда заполнитель применяют и в случае, когда прочный корпус аппарата даже несколько легче вытесняемого им объема воды. Назначением заполнителя при этом является компенсация массы размещенного, например, вне прочного корпуса оборудования (в противном случае объем прочного корпуса пришлось бы увеличить). Иногда при "легком" прочном корпусе предусматривается тяжелый балласт (аналогично свинцу в киле судна).

Приведем некоторые примеры. В аппарате "Элвин", прочный корпус которого обеспечивает положительную плавучесть, заполнитель (синтетический материал с включенными в него полыми титановыми сферами) служит для компенсации массы аккумуляторных батарей и другого наружного оборудования. В батискафе "Триест-2", имеющем "тяжелый" сферический корпус-гондолу, роль заполнителя выполняет бензин (около 130 тыс. л), размещенный в огромном поплавке из тонких металлических листов. Конечно, такой заполнитель взрывоопасен. Однако создание безопасных высокоэффективных заполнителей является пока сложной и дорогостоящей проблемой. Имеются сведения, что предпринятые в США попытки создать аппараты с глубиной погружения 6000 м без применения бензина в качестве материала, обеспечивающего необходимую плавучесть, окончились неудачей [40]. По другим данным, компанией Локхид все же получен заполнитель в виде полых стеклянных микросфер, склеенных синтетическим клеем, пригодный для использования на аппаратах с рабочей глубиной 6000 м [28]. Тем не менее единственными аппаратами, способными работать на этой глубине, до сих пор остаются только "бензиновозы" - батискафы "Триест-2" и "Архимед".

Итак, прочный корпус и заполнитель в целом решают задачу приобретения аппаратом нужной плавучести. Но этого мало. Аппарат должен еще уметь погружаться, корректировать глубину погружения в процессе работы и всплывать на поверхность. Для этого служит система изменения плавучести. Она не всегда одинаково выполнена на различных аппаратах, но по существу сводится к следующим компонентам. Погружение на рабочую глубину и всплытие аппарата на поверхность обеспечивает система цистерн главного балласта. Для точной балансировки аппарата на рабочей глубине, компенсации изменения плотности воды, изменения нагрузки (в случае, например если аппарат поднимает манипулятором какой-либо тяжелый предмет с грунта), а также для коррекции глубины в процессе работы служит уравнительная система водяного балласта. В батискафах "Триест-2" и "Архимед" нужная плавучесть достигается соответствующим изменением объема бензина в поплавке или веса железной дроби, удерживаемой электромагнитами в специальных бункерах. Система отдачи дроби из бункеров для регулирования глубины погружения применена также в аппаратах "Алюминаут", "Дип Квест", ДОВБ.

Дифферентовка аппарата осуществляется дифферентной системой, суть работы которой состоит в перекачке насосом воды (или ртути) из носовой цистерны системы в кормовую или наоборот. Такую систему имеют не все аппараты. Иногда 52 ее роль выполняет уравнительная система (например, в аппарате "Пайсис").

Но все же основное внимание уделяется безотказности всплытия аппарата на поверхность. В любых аварийных ситуациях всплытие на поверхность, обеспечиваемое нормальным функционированием балластной системы, должно выполняться экипажем неукоснительно. Вот что по этому поводу пишет К. Дональд, участник погружений батискафа "Триест-2" в Атлантическом океане: "На большой глубине малейшая неисправность может оказаться роковой. Мы контролируем наш спуск, непрерывно следим за показаниями приборов и при любой неисправности готовы освободиться от всего балласта и прервать погружение" [59, с. 770].

Интересен в том же смысле рассказ гидронавта А. Рулева об аварийной ситуации, сложившейся во время погружения аппарата "Пайсис" в Черном море, закончившейся срочным возвращением на поверхность.

"- У меня что-то сыро стало! - вдруг нарушает молчание Карпович.

Действительно, на подушках, где он лежит, образовалась маленькая лужица. Воду из лужицы пробую на вкус, только так можно отличить морскую воду от конденсата, которым покрыт внутри прочный корпус, и сразу узнаю привычный горьковато-соленоватый вкус черноморской воды.

- Соленая...- сообщаю не совсем уверенно.

- Может быть, руки потные,- предполагает Сагалевич.

Втроем, как по команде, тщательно вытираем руки и пробуем еще раз. Теперь сомнения не может быть: нарушена герметичность обитаемой сферы. Привычно и быстро выполняем все операции, необходимые для всплытия. Мы их долго отрабатывали во время имитаций погружений на суше и много раз проигрывали в море. На высоких тонах запела насосная станция и начала отбивать ритм, облегчая с каждым ударом наш аппарат на несколько килограммов.

Место течи отыскиваем быстро. Им оказался кабельный ввод. Пульсирующая тоненькая струйка не представляет большой опасности, но правила требуют немедленного всплытия. Ведь никто не знает, как поведет себя гермоввод на больших глубинах" [30, с. 37].

Безотказность всплытия аппарата на поверхность обеспечивается рядом конструктивных решений. Если перечисленные выше компоненты системы изменения плавучести по какой-либо причине не сработали, или если действие их в какой-либо аварийной ситуации оказалось недостаточным, то для всплытия аппарата предусматривается сбрасывание аварийного балласта. Но сначала об упомянутых компонентах.

Система главного балласта включает, как правило, несколько цистерн, которые для всплытия аппарата продуваются сжатым воздухом. На аппарате ЛЕО-1 таких цистерн три. При этом подача воздуха для их продувки производится в каждую цистерну раздельно. Это исключает, например, напрасный расход сжатого воздуха в случае повреждения одной из них. Запас сжатого воздуха достаточен для продувки цистерн на максимальной рабочей глубине, хотя система в принципе предназначена для использования на поверхности.

Цистерны уравнительной системы, используемой главным образом в придонном слое, осушаются насосами, обеспечивающими необходимое на максимальной рабочей глубине давление. В аппарате ЛЕО-1 насос изготовлен полностью из некорродирующих материалов. Для обеспечения максимальной безопасности уравнительной системы этого аппарата все клапаны приема воды в цистерны дублированы установленными последовательно блокировочными запорными клапанами. Кроме того, в линии подачи воды в цистерны установлены аварийные запорные клапаны, которые перекрывают линию автоматически в том случае, если расход воды через клапан превысит заранее заданный уровень. Уравнительная система аппарата ЛЕО-1 имеет еще одну интересную особенность, повышающую его безопасность, - максимально снижен объем, который может быть залит водой в случае аварии в системе.

Всплытие аппаратов с рабочей глубины на поверхность в нормальных эксплуатационных условиях производится путем осушения (обычно насосом) цистерн уравнительной системы. В некоторых аппаратах уравнительные цистерны отсутствуют (например, в батискафах, в "Алюминауте" и др.), и та же цель достигается сбросом из бункеров железной дроби. Поясним вкратце устройство сброса дроби. Нижняя часть бункера имеет конусообразную форму; концевое отверстие его контролируется электромагнитным клапаном. В обмотку электромагнита подается постоянный ток, дробь намагничивается и образует пробку. При выключении электропитания магнита дробь высыпается из бункера. В схеме клапана предусматривается изменение полярности питающего тока для размагничивания дроби с целью предотвращения слипания ее в комки.

Для повышения скорости всплытия с рабочей глубины продуваются цистерны главного балласта.

В случае экстренного всплытия или отказа системы цистерн главного балласта и уравнительной системы предусмотрен сброс твердого аварийного балласта. Выполняется это вручную из обитаемого отсека. В конструкции аппарата ЛЕО-1 твердый балласт представляет собой свинцовые блоки, уложенные в специальные бункеры. Аналогичный отдаваемый свинцовый балласт предусмотрен на аппаратах "Элвин", "Алюминаут", "Дип Стар", "Си Клиф", "Тартл". Масса аварийного свинцового балласта зависит, разумеется, от типа аппарата и колеблется в довольно широких пределах. Так, масса этого балласта в аппаратах "Тартл", "Си Клиф" и "Элвин" составляет 45 кг, а в аппарате ЛЕО-1, имеющем примерно такие же габариты,- 408 кг [52]. Не зря, видимо, зарубежная печать сообщает, что при разработке аппарата ЛЕО-1 фирмой "Интернейшнл Хайдродайнэмикс" (США) особое внимание было обращено на надежность и безопасность и в первую очередь на способы возвращения аппарата на поверхность. Вообще все рабочие системы этого аппарата, как сообщается, выполнены по возможности простыми с обеспечением минимального времени управления ими, а наиболее ответственные из них продублированы или предусмотрены аварийные. В основу конструкции ЛЕО-1 положен десятилетний опыт эксплуатации аппаратов типа "Пайсис". Все положительные качества этих аппаратов были сохранены фирмой в новой разработке, а особое внимание было уделено вопросам безопасности конструкции.

Роль аварийного балласта может выполнить и дробь, предназначенная для управления плавучестью. На батискафе "Триест-2", например, полный сброс дробяного балласта компенсирует потерю бензина в двух смежных отсеках поплавка (поплавок батискафа для повышения живучести разделен переборками на отсеки). При потере питания в электросети батискаф автоматически освобождается от всей дроби и всплывает на поверхность.

Вообще при аварии на подводных аппаратах может быть сброшен самый различный балласт. Может быть слита ртуть из дифферентной системы, сброшен контейнер с аккумуляторной батареей, манипуляторы, двигатели и другое забортное оборудование. В той или иной степени все аппараты имеют такие возможности. Устройства сброса аварийного балласта рассчитаны на действие в любых условиях, при больших углах дифферента и крена. Как правило, они дублируются. Так, например, отдать балласт и аккумуляторную батарею на аппарате SP-3000 можно как с помощью гидравлической системы управления, так и вручную.

На аппаратах "Элвин", "Си Клиф", "Тартл" и других слив ртути выполняется с помощью пороховых зарядов, воздействующих на клапаны трубопровода дифферентной системы. Система отдачи аккумуляторной батареи на этих аппаратах построена таким образом, что при скольжении батареи вниз размыкаются электрические разъемы.

На аппарате ЛЕО-1 аварийный сброс двигателей и манипуляторов производится отдельной гидросистемой, давление в которой создается с помощью ручного насоса. Сам насос, запорные клапаны и резервуар с гидросмесью находятся внутри отсека управления.

Безопасность плавания вблизи грунта на большинстве аппаратов принципиально обеспечена уравнительной системой водяного балласта и вертикальными винтами. Однако часто во время погружений гидронавты предпочитают пользоваться только водяным балластом. Причина этого заключается в следующем. Огромные площади дна Мирового океана покрыты известковым и кремниевым илом (на долю твердого грунта приходится не более 5%). Нарушение целостности донного осадка, которое легко вызывается работой винтов и на которое практически не влияет работа системы водяного балласта, приводит к немедленному помутнению воды. Для того, чтобы взвешенные в воде частицы снова опустились на дно, требуются иногда годы [67]. Из-за мельчайших размеров осадочных частиц и отсутствия у них опорной способности подводный аппарат может не только вызвать винтами образование мутной завесы, но и, будучи "ослепленным", потерять ориентировку относительно грунта, погрузиться в осадочный слой и оказаться неспособным к передвижению и всплытию. В эту "ловушку" на глубине 1080 м попал, например, "Триест" с Огюстом Пикаром и его сыном Жаком на борту, но все же сумел освободиться, сбросив почти весь запас дроби (в бункерах ее было 16 т).