Батискаф

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Батискаф «Триест»
Схема батискафа «Триест»

Батиска́ф (Bathyscaphe) (от греч. βαθύς — глубокий и σκάφος — судно) — автономный (самоходный) подводный аппарат для океанографических и других исследований на больших глубинах. Основное отличие батискафа от «классических» подводных лодок состоит в том, что батискаф имеет лёгкий корпус, представляющий собой поплавок, заполненный для создания положительной плавучести бензином или иным малосжимаемым веществом легче воды, несущий под собой прочный корпус, как правило изготовленный в виде полой сферы — гондолы (аналог батисферы), в которой в условиях нормального атмосферного давления находятся аппаратура, пульты управления и экипаж. Движется батискаф с помощью гребных винтов, приводимых в движение электромоторами.

История[править | править вики-текст]

Подводные лодки, построенные по «классической» схеме имеют ограниченную глубину погружения, обусловленную не столько прочностью прочного корпуса (само существование батискафов, способных погружаться на многокилометровые глубины свидетельствует о том, что создание прочного корпуса не является технической проблемой), а тем, что на подводных лодках вытеснение воды из балластных цистерн производится сжатым воздухом, хранящимся на борту подводной лодки в газовых баллонах высокого давления. Как правило, давление воздуха в газовых баллонах составляет около 150—200 кг/см2. При погружении в морские глубины давление воды возрастает на 1 кг/см2 на каждые 10 метров. Таким образом, на глубине 100 м давление составит 10 кг/см2, а на глубине 1 500 м — 150 кг/см2. Фактически сжатый воздух, находящийся в газовом баллоне под давлением 150 кг/см2 на такой глубине уже не является «сжатым», и вытеснить воду из балластной цистерны уже не может. На глубине 11 тысяч метров («Бездна Челленджера») давление воды составляет около 1 100 кг/см2, соответственно воздух в газовых баллонах должен быть сжат до большего значения. Сконструировать газовые баллоны, трубопроводы, клапаны и иную арматуру, рассчитанную на давление более 1 100 кг/см2, имеющую при этом разумную для судна массу, размеры и 100 % надёжность, вероятно, технически невозможно.

Идея построить глубоководный аппарат, способный достичь предельных окенских глубин, пришла швейцарскому учёному Огюсту Пикару в довоенные годы при работе над первым в мире стратостатом FNRS-1. Огюст Пикар предложил построить судно, устроенное по принципу аэростата, стратостата или дирижабля. Вместо баллона, заполненного водородом или гелием, подводный аппарат должен иметь поплавок, заполненный каким-нибудь веществом с плотностью, меньшей чем плотность воды. Вещество при большом давлении не должно изменять свои физические и химические свойства, поплавок должен нести груз и при этом поддерживать положительную плавучесть судна. Погружение аппарата, получившего название батискаф, происходит с помощью тяжёлого груза (балласта), для всплытия на поверхность балласт сбрасывается. Первый батискаф FNRS-2 был построен Огюстом Пикаром в 1948 году.

Отвечая на вопрос, почему после стратостата он стал конструировать батискаф, Огюст Пикар отмечал,

что эти аппараты чрезвычайно сходны между собой, хотя их назначение противоположно.

Со свойственным ему чувством юмора он пояснял:

Возможно, судьбе было угодно создать это сходство именно для того, чтобы работать над созданием обоих аппаратов мог один учёный…

[1]

Конечно, конструирование батискафа — не забава для детей. Необходимо решить бесконечное множество сложнейших задач. Но ведь не бывает непреодолимых трудностей!

— Огюст Пикар

Конструкция[править | править вики-текст]

Конструкция батискафа FNRS-3
Схема батискафа ФНРС-3.JPG
1 — нос
2 и 6 — цистерны водяного балласта
3 — открытая рубка
4 — палубный люк
5 — заполняемая водой шахта
7 — корма
8 и 18 — отсеки, заполненные бензином
9 и 14 — аварийный балласт
10 — «вестибюль»
11 — люк в гондолу (с иллюминатором)
12 — «клетка»
13 — гондола
15 — бункеры с «дробью»
16 — иллюминатор
17 — прожектор
19 — компенсирующий отсек
20 — гайдроп

Батискаф состоит из двух основных частей: лёгкого корпуса — поплавка и прочного корпуса — гондолы.

Поплавок (лёгкий корпус) имеет такое же значение, как спасательный круг для тонущего человека или как баллон с водородом или гелием у дирижабля. В отсеках поплавка находится вещество легче воды, сообщающее положительную плавучесть судну. На батискафах середины XX века использовался бензин, имеющий плотность около 700 кг/м3. Один кубический метр бензина способен удерживать на плаву груз весом около 300 кг. Чтобы выравнять гидростатическое давление внутри поплавка с давлением внешней среды — бензин отделён от воды эластичной перегородкой, позволяющей бензину сжиматься. Вероятно, в середине XX века кораблестроители не смогли найти вещество лучше бензина, а в батискафе Deepsea Challenger (2012 г.) применён композитный материал с содержащимися в нём полыми стеклянными сферами.

Весьма перспективно использовать в качестве наполнителя поплавка литий — металл с плотностью почти в два раза меньшей, чем у воды (точнее 534 кг/м3), это значит, что один кубический метр лития может удерживать на плаву почти на 170 кг больше, чем один кубический метр бензина. Однако литий — щелочной металл, активно реагирующий с водой, следует каким-то образом надёжно разделить эти вещества, не допустить их контакта.

Экипаж, системы жизнеобеспечения, приборы управления и научные приборы размещены в гондоле (прочном корпусе). Гондолы всех существующих батискафов представляют собой сферу, так как сфера — геометрическое тело, имеющее наибольший объём при наименьшей площади поверхности. Полая сфера при равной толщине стенок (в сравнении, например, с параллелепипедом или цилиндром равного объёма) будет иметь меньшую массу. Также сфера обладает абсолютной симметрией, для сферического прочного корпуса легче всего сделать инженерные расчёты. Так как на больших глубинах огромное давление воды сжимает гондолу, её наружный и внутренний диаметр несколько уменьшается. Поэтому гондола крепится к поплавку не жёстко, а с возможностью совершать некоторое смещение. Вся аппаратура внутри гондолы не прикреплена к стенкам, а смонтирована на раме, позволяющей стенкам беспрепятственно сближаться.

Схема глубоководного аппарата с полисферическим прочным корпусом

С целью увеличения обитаемого объёма увеличивать диаметр гондолы нерационально, так как это ведёт к увеличению общей высоты глубоководного аппарата. Перспективным направлением является строительство батискафов с полисферическим (составным из нескольких сфер) прочным корпусом.

Гондолы батискафов середины XX века изготавливались из прочной легированной стали. Перспективно применять более лёгкие материалы для прочных корпусов подводных аппаратов. Пригодность материала для постройки глубоководного аппарата определяется отношением допускаемого механического напряжения к удельному весу (удельная прочность); чем больше эта величина, тем глубже может погружаться аппарат. Поэтому несколько менее прочные, но зато гораздо более лёгкие, чем сталь, материалы, имеют преимущество перед сталью. К таким материалам относятся титановые и алюминиевые сплавы, а также пластмассы. Эти материалы не подвержены коррозии в морской воде.

Механические свойства некоторых конструкционных материалов
Материал Удельный вес,
г/см3
Допускаемое напряжение при растяжении,
кг/см2
Удельная прочность при растяжении,
кг/см2
Прочная сталь 7,85 10 000 1 290
Титановый сплав 4,53 6 000 1 310
Алюминиевый сплав 2,8 4 300 1 520
Пластмасса 1,7 3 000 1 770

Электропитание батискаф получает от аккумуляторов. Изолирующая жидкость окружает аккумуляторные банки и электролит, на неё через мембрану передаётся давление забортной воды. Аккумуляторы не разрушаются на огромной глубине.

Батискаф приводится в движение электрическими двигателями, движители — гребные винты. Электродвигатели защищаются таким же способом, как и аккумуляторные батареи. Если у батискафа отсутствует судовой руль — тогда поворот производился включением только одного двигателя, разворот почти на месте — работой двигателей в разные стороны.

Скорость спуска и подъём батискафа на поверхность регулируется сбрасыванием основного балласта в виде стальной или чугунной дроби, находящейся в воронкообразных бункерах. В самом узком месте воронки стоят электромагниты, при протекании электрического тока под действием магнитного поля дробь как бы «затвердевает», при отключении тока она высыпается.

Батискаф с поплавком, заполненным литием, будет иметь интересную особенность. Так как литий практически несжимаем, то при погружении относительная плавучесть батискафа будет увеличиваться (на глубине плотность морской воды возрастает), и батискаф «зависнет». Батискаф должен иметь компенсирующий отсек с бензином; для того, чтобы продолжить спуск, необходимо выпустить часть бензина, тем самым уменьшив плавучесть.

Система аварийного всплытия представляет собой аварийный балласт, подвешенный на раскрывающихся замках. От раскрытия замки удерживаются электромагнитами, для сброса достаточно отключить электрический ток. Аналогичное крепление имеют аккумуляторные батареи и гайдроп — длинный расплетённый свободно свисающий стальной канат или якорная цепь. Гайдроп предназначен для уменьшения скорости спуска (вплоть до полной остановки) непосредственно у морского дна. Если аккумуляторы разряжаются — автоматически происходил сброс балласта, аккумуляторов и гайдропа, батискаф начинает подъём на поверхность.

Погружение и всплытие батискафов[править | править вики-текст]

Схема погружения и всплытия батискафа «Архимед»
  • На поверхности батискаф удерживается за счёт отсеков, заполненных бензином и благодаря тому, что цистерны водяного балласта, шахта для посадки экипажа в гондолу и свободное пространство в бункерах с дробью заполнены воздухом.
  • После того, как цистерны водяного балласта, шахта для посадки экипажа в гондолу и свободное пространство в бункерах с дробью заполняются водой, начинается погружение. Эти объёмы сохраняют постоянное сообщение с забортным пространством для выравнивания гидростатического давления во избежании деформации корпуса.
  • Так как бензин (при высоком давлении) сжимается больше, чем вода, выталкивающая сила уменьшается, скорость погружения батискафа увеличивается, экипаж должен постоянно сбрасывать балласт (стальную дробь).

По наблюдениям Жака Пикара и Дона Уолша (экипаж батискафа «Триест», погружение 23 января 1960 года на дно Марианской впадины) на глубине 10 км объём бензина в поплавке уменьшился на 30 % (то есть на 3 % на каждый километр спуска). Также следует принять во внимание уменьшение объёма бензина вследствие его охлаждения.

  • При приближении ко дну нижний свободно свисающий конец гайдропа ложится на дно, часть его веса «снимается» с корпуса батискафа, увеличивается плавучесть. В определённый момент плавучесть становится «нулевой» и подводный аппарат неподвижно зависает на некотором расстоянии от дна.
  • Если батискаф попадает в плотные слои воды и «зависает», выпускается часть бензина из компенсирующего отсека, погружение возобновляется. Также часть бензина выпускается, если батискаф «завис» на гайдропе довольно далеко от дна.
  • После проведения научных экспериментов экипаж сбрасывает балласт (стальную дробь), начинается подъём. При необходимости аварийного всплытия может быть сброшен аварийный балласт, гайдроп и аккумуляторные батареи. Все эти детали удерживаются на корпусе батискафа замками с электромагнитами, достаточно отключить электрический ток. Также если аккумуляторы разряжаются — ток в электромагнитах исчезает, исчезает магнитное поле, замки раскрываются, происходит аварийный сброс.
  • После всплытия на поверхность шахта для посадки экипажа в гондолу и цистерны водяного балласта продуваются сжатым воздухом, батискаф получает дополнительную плавучесть, экипаж покидает корабль.

Батискафы[править | править вики-текст]

Глубоководный обитаемый аппарат «Мир»

Глубоководные беспоплавковые аппараты[править | править вики-текст]

Существуют глубоководные аппараты, не имеющие поплавка с бензином или иным малосжимаемым веществом легче воды. Положительная плавучесть при всплытии поддерживается только прочным корпусом. Погружение происходит благодаря балласту, по достижении нужной глубины часть балласта сбрасывается, для всплытия сбрасывается весь балласт.

Теория глубоководного беспоплавкового аппарата[править | править вики-текст]

Зависимость относительного водоизмещения от прочностных характеристик (предела текучести) материала прочного корпуса

Предположим, что глубоководный аппарат представляет собой полый шар (батисферу), полностью погруженный в воду. Его дальнейшее положение определяется в соответствии с законом Архимеда:

  1. если масса шара G меньше массы вытесненной им воды V — то он всплывёт и будет плавать на её поверхности;
  2. если масса шара G больше массы вытесненной им воды V — то он утонет (достигнет дна);
  3. если масса шара G равна массе вытесненной им воды V — то он сможет плавать в толще воды.

Определим массу полого шара: G = \frac{1}{6} \pi (D^3 - d^3) \gamma_m

Определим массу вытесненной шаром воды (при полном его погружении): V = \frac{1}{6} \pi D^3 \gamma_v, где

D — наружный диаметр батисферы;

d — внутренний диаметр батисферы;

\gamma_m — удельный вес материала, из которого сделан корпус батисферы;

\gamma_v — удельный вес морской воды;

\pi — число «Пи».

Нас интересует толщина стенки батисферы, при которой возможно плавание в толще воды: S = \frac{D - d}{2}

Поэтому приравняем оба уравнения (так как V = G) :

\frac{1}{6} \pi (D^3 - d^3) \gamma_m = \frac{1}{6} \pi D^3 \gamma_v

Теперь разделим обе его части на произведение \frac{1}{6} \pi D^3, после чего получим: (1 - \frac{d^3}{D^3}) \gamma_m = \gamma_v

Теперь определим отношение \frac{d}{D} по формуле \sqrt[3] {1 - {\frac{\gamma_v}{\gamma_m}}}

Примем: удельный вес морской воды \gamma_v = 1,025, удельный вес стали \gamma_m = 7,85, тогда \frac{d}{D} = 0,955, отсюда S = \frac{D-d}{2} = \frac{{1}-{0,955}}{2} = 0,0225

Таким образом, для того, чтобы стальная полая сфера плавала в толще воды, толщина её стенки должна быть в 0,0225 раз меньше наружного диаметра. Если стенка будет толще — батисфера утонет (ляжет на дно), если тоньше — всплывёт на поверхность.


Теперь рассчитаем, при каком давлении \Rho будет раздавлена батисфера. Предположим, кораблестроители использовали довольно прочную сталь с допускаемым напряжением 5 000 кг/см2 (обозначается \sigma):

\sigma = \frac{\Rho D}{4S} — элементарная формула прочности шара, испытывающего сжатие под давлением воды,

отсюда \Rho = \frac{\sigma4S}{D} = 5000 \times 4 \times 0,0225 = 450~kg/cm^2. Данное давление соответствует глубине погружения 4 500 метров.


Если кораблестроители возьмут алюминиевый сплав с удельным весом \gamma_m = 2,8 и \sigma =6000 кг/см2, тогда \sqrt[3] {1 - {\frac{1,025}{2,8}}} = 0,86 , а S = \frac{{1}-{0,86}}{2} = 0,0705 , тогда \Rho = \frac{\sigma4S}{D} = 6000 \times 4 \times 0,0705 = 1800~kg/cm^2. Данное давление соответствует глубине погружения 18 000 метров, этого будет достаточно чтобы покорить «Бездну Челленджера» не в батискафе.


  • Приведённые расчёты не учитывают увеличение плотности морской воды на большой глубине, а также изменения её плотности, связанные с изменением температуры.
  • Предполагается, что сфера сохраняет постоянный объём (не сжимается на глубине).
  • Данные формулы справедливы только в том случае, если батисфера не несёт никакой полезной нагрузки (экипаж, приборы и так далее). В действительности предельная глубина погружения, с которой может всплыть на поверхность снаряжённый подводный беспоплавковый аппарат (с экипажем, оборудованием, приборами) окажется значительно меньше теоретической.

Представители[править | править вики-текст]

Схема глубоководного аппарата «Алвин»

Интересные факты[править | править вики-текст]

  • В 1967 году на обитаемый глубоководный аппарат «Алвин» совершила нападение рыба-меч. Достигнув дна на глубине 610 м у берегов Флориды, аппарат потревожил этого жителя океана, отдыхавшего на песчаном грунте. Меч пронзил внешнюю полистироловую оболочку лёгкого корпуса и застрял в ней, не повредив проходящий рядом электрический кабель. Как выяснилось, рыбу привлёк свет иллюминатора.
  • 15 марта 1966 года тот же обитаемый глубоководный аппарат «Алвин» участвовал в поиске одной из трёх тремоядерных авиабомб, аварийно сброшенных американским стратегическим бомбардировщиком B-52 в Средиземное море. Через 80 минут после погружения, на глубине 777 м экипаж аппарата заметил парашют, а затем и саму бомбу.

См. также[править | править вики-текст]

Сноски и источники[править | править вики-текст]

  1. М. Н. Диомидов, А. Н. Дмитриев Покорение глубин. — Ленинград: Судостроение, 1964. — С. 226-230. — 379 с.
  2. Кравчук П. А. Географический калейдоскоп. — К.: Радянська школа, 1988. — 144 с. — (Научно-популярное издание). — 130 000 экз. — ISBN 5-330-00384-9.
  3. Статья о погружении аппарата на глубину 3759 метров на сайте Академии наук КНР  (англ.)
  4. Батискаф «Консул» будет бороздить морские глубины в составе ВМФ России — ОРУЖИЕ РОССИИ, Каталог вооружения, военной и специальной техники

Литература[править | править вики-текст]

  • Сахаров Б. Д. Аварии зарубежных глубоководных аппаратов. — Морской сборник № 6. — 1972. — 74 с.
  • Юрнев А. П. Необитаемые подводные аппараты. — М.: Воениздат, 1975.