В прошлом году батискаф «Титан» разрушился на пути к затонувшему круизному лайнеру «Титаник». Создатели батискафа анонсировали новые погружения, в этот раз — к Голубой дыре Дина (он же «Портал ада») на Багамских островах. Ученые Пермского Политеха рассказали, какие материалы подходят для создания батискафа, почему эти аппараты опускаются глубже подводных лодок, какие нагрузки должен выдержать следующий «Титан», грозит ли экипажу кессонная болезнь при всплытии, как подводники поддерживают связь с поверхностью и могут ли технологии фотоники помочь с навигацией.
Из чего делают батискафы?
— Батискаф — это специальное устройство, которое предназначено для работы на больших глубинах в условиях значительных гидростатических давлений. Поэтому материалы, которые используют для производства батискафа, должны быть прочными, способными выдерживать высокие механические нагрузки. Для изготовления силовых элементов батискафа изначально использовались конструкционные стали, а прочность корпуса обеспечивалась за счет увеличения объема материала, толщины стенок, усиления конструкции в слабых местах, — рассказывает Петр Максимов, кандидат технических наук, доцент кафедры «Динамика и прочность машин» ПНИПУ.
Но прочность — не единственное требование к материалам подводного аппарата. Батискафы проектируют таким образом, чтобы при погружении они были автономны, имели возможность самостоятельного движения в толще воды и вблизи дна. Он должен иметь нейтральную плавучесть, которая позволяет ему оставаться в равновесии на любой глубине. И поэтому появляется еще одно требование к материалам батискафа — легкость. В механике материалов существует термин «удельная прочность» — отношение предела прочности материала к его плотности. Чем у материала выше удельная прочность, тем меньшую массу может иметь выполненный из него конструктивный элемент.
Так можно определить несколько классов материалов, использование которых в конструкции батискафа рационально: титановые, алюминиевые сплавы, пластмассы. Причем для разных конструктивных элементов батискафа используются соответствующие материалы, наилучшим образом подходящие для конкретных условий.
Чем батискаф отличается от подводной лодки?
Когда мы создаем новые конструкции, аппараты, особенно с уникальными свойствами для работы в экстремальных условиях, то всегда учитываем их назначение и функциональные требования. Подводные лодки должны быть незаметны с поверхности, обладать необходимыми ходовыми качествами — маневренностью и скоростным передвижением в надводном и подводном положениях. Они должны быть вместительными, чтобы хватило места разместить оборудование и экипаж в условиях длительного многомесячного плавания. Нужно пространство для полезной нагрузки, в том числе, вооружения, размещения внутри корпуса необходимых для жизнеобеспечения и функционирования лодки агрегатов, силовых установок и прочего.
— Поэтому для подводных лодок погружение глубже полукилометра не требуется. Большие глубины предъявляют принципиально иные требования к конструктиву корпуса и его прочностным характеристикам, массе. Это сказалось бы на всех ранее перечисленных целевых характеристиках, достижение которых в комплексе важнее, чем способность подводной лодки погружаться на запредельные глубины, — объясняет Петр Максимов.
Батискафы используются для кратковременного (и это важно) погружения, особых требований к скорости хода, объему грузовых отсеков не предъявляется. Поэтому инженер-конструктор может сосредоточиться на выполнении основного требования — максимально большой глубине погружения, и адаптировать конструкцию именно под это требование. Все остальные второстепенны.
Какие нагрузки должен выдержать батискаф, чтобы успешно спуститься к Титанику?
— Гидростатическое давление воды на рабочих для батискафов глубинах — это важнейший фактор. На поверхности Земли на нас действует давление воздуха, составляющее примерно 105 Па (Паскалей), мы называем это давление в одну атмосферу. При погружении в воду начинает действовать дополнительно гидростатическое давление столба жидкости, которое зависит как от глубины погружения, так и от плотности жидкости. Так как вода в тысячу раз плотнее воздуха, то дополнительное давление в 1 атмосферу достигается уже на глубине 10 метров. Соответственно, при погружении на 100 метров — 10 атмосфер, на 300 метров (глубина, доступная подводным лодкам) — 30 атмосфер, — рассказывает Петр Максимов.
Корабль «Титаник» сейчас находится в 3,7-3,8 км от поверхности, поэтому на «Титан», печально известный любительский аппарат, действовало давление чуть менее 400 атмосфер (или 40 МПа). В 1960 году батискаф «Триест» совершил успешное погружение на дно Марианской впадины — более 1000 атмосфер. Для сравнения: давление в автомобильном колесе порядка 3 атмосфер, в дачном пропановом газовом баллоне — 16, а в баллоне автомобиля, использующем топливо на метане, — 200.
При расчетах для батискафа необходимо учитывать не только прочность материалов, но и предельно допустимые нагрузки для всей конструкции. В чем разница: если прессом сжать стальной кубик, прикладывая к образцу некоторое давление, то в материале образца возникнут внутренние напряжения. Кубик будет сопротивляться внешним нагрузкам, пока эти напряжения не достигнут предела текучести материала — порядка 300-400 МПа. После чего пресс начнет необратимо сплющивать кубик.
— Давление воды на глубине 3,8 километра на порядок меньше, чем предел текучести стали. То есть сам материал легко выдержит подобное давление. Это подтверждается фотографиями лежащего на океанском дне Титаника: Корпус корабля хорошо сохранился. Нагрузки может не выдержать сама конструкция глубоководного аппарата в условиях, когда внутри нее действует атмосферное давление, пригодное для работы экипажа в нормальных привычных условиях, а снаружи — огромное внешнее давление. И тогда силовой корпус аппарата лопнет, как воздушно-пузырьковая пленка, если сдавить ее пальцами, — объясняет ученый Пермского Политеха Петр Максимов.
Сегодня ученым по силам рассчитать подобные нагрузки. При проектировании батискафов используются знания о материалах, инженерные методики расчета конструкций, экспериментальные исследования, методы численного моделирования — для предварительной оценки напряженного-деформированного состояния корпуса и если невозможно создать условия для проведения натурных экспериментов.
Опускаться ко дну нужно постепенно?
Сперва для спуска на дно применяли водолазные колокола без нижней стенки, но с пригодной для дыхания атмосферой внутри. Позже Жак-Ив Кусто придумал акваланг, позволяющий длительное время находиться под водой. В описанных случаях внешнее давление воды в полном объеме действует на самого ныряльщика. Это давление уравновешено: оно одинаково как снаружи, так и внутри человека, потому его воздействие не приводит к гибели.
Но из-за физиологических процессов у человека изменение давления не должно происходит быстро. Нашему организму требуется длительное время, чтобы «привыкнуть» к такому давлению. Именно по этой причине аквалангисты, погружающиеся на глубину более 40-50 метров, должны при всплытии строго соблюдать график декомпрессии, делать заранее рассчитанные по глубине и времени остановки, иначе может возникнуть кессонная болезнь. И чем больше глубина, тем дольше проходит адаптация. Например, в 2018 году российские военные водолазы установили рекорд спуска на глубину — 416 метров. Но это потребовало двух недель постепенной декомпрессии, в течение которых водолазы жили в специальных барокамерах.
— Принципиальное отличие подводных лодок и батискафов в том, что экипаж не подвержен внешнему давлению в сотни атмосфер. Внутри судна давление как на поверхности, люди находятся в привычных условиях. Огромные нагрузки, возникающие за счет разности давлений за бортом и внутри, воспринимаются конструкцией самого аппарата. Так как при погружении внутренний объем аппарата не изменяется, то не изменяется и внутреннее давление. Поэтому никаких ограничений, связанных с физиологией человека, нет, — объясняет Петр Максимов.
Как экипаж батискафа может поддерживать связь с поверхностью?
— Обеспечение связи с подводными лодками или батискафами, которые погружаются на большую глубину, — это сложная инженерная задача. Дело в том, что обычные радиоволны высокой частоты, используемы для связи, очень быстро затухают в проводящей среде, которой является вода, особенно соленая. Использование радиоволн в такой среде ограничено расстояниями в несколько десятков метров. Для передачи радиосигнала с подводной лодки ей необходимо всплыть. Часто используется выдвижная антенна или радиобуй, который выпускается на поверхность и связан с подводной лодкой обычным проводом.
Для глубоководных батискафов используют проводную связь, однако, в этом случае необходимо использовать высокопрочные материалы для изготовления кабелей, — рассказывает Анатолий Перминов, доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой общей физики ПНИПУ.
Для связи с подводными объектами можно использовать радиоволны очень низкой частоты — от 1 до 100 Гц и большой длины, сравнимой, например, с радиусом Земли. Такие волны достаточно легко проникают сквозь толщу воды и даже сквозь твердые породы. Но генерация таких волн, передача информации с их помощью требует больших затрат энергии и передающих и приемных антенн огромных размеров — сотни метров и даже километры. Связь с помощью сверхдлинных волн медленная, а объем передаваемой информации сильно ограничен. Проекты радиосвязи с помощью этих радиоволн были реализованы только в СССР и США.
Для передачи информации глубоководным объектам возможно использовать звуковые (акустические) волны, которые достаточно хорошо распространяются в воде. Как правило, такая связь является односторонней — от надводного или наземного источника к подводному, и не подходит для быстрой передачи больших объемов информации.
Технологии фотоники для навигации батискафа — можно ли использовать?
Гироскоп — это механическое устройство, которое позволяет наблюдать изменения направления движения и угол наклона предмета (или судна), на котором оно установлено. Внешне гироскоп напоминает юлу или волчок, которые принимают вертикальное положение во время вращения. У устройства есть ротор, который быстро крутится внутри круглой рамы. Она состоит из двух колец, одно вращается вокруг вертикальной оси, другое — горизонтальной. Если ротор раскрутить, он будет сохранять свое положение в пространстве, несмотря на то, как сместилась рама. То есть в случае крена судна, гироскоп покажет угол его наклона.
В стратегических навигационных системах большой интерес представляет волоконно-оптический гироскоп. Он позволяет определять изменение угла поворота объекта (во времени) по трем степеням свободы. Каждая из них соответствует трем геометрическим осям (x, y и z) контуров в форме окружностей. В составе такого гироскопа, в отличие от механического, нет движущихся деталей.
— Принцип действия можно сравнить со следующей ситуацией. Два спортсмена со схожей физической подготовкой решили пробежать круг по стадиону в двух разных направлениях. Но хитрый тренер начал тихонько перемещать финишную ленту в пользу первого из них. Конечно же, один спортсмен пробежит круг немного быстрее другого, но по разнице во времени забега можно понять, с какой скоростью двигался тренер с финишной лентой. В волоконно-оптическом гироскопе роль таких «спортсменов» играет свет, распространяющийся по контуру в двух разных направлениях. Сам контур, вращаясь, меняет время обхода себя для двух пучков света, — объясняет Константин Латкин, старший преподаватель, инженер кафедры общей физики ПНИПУ.