Как человек первый раз спустился в бездну. Батискаф Огюста Пиккара

23 января 1960 г., произошло знаменательное событие: швейцарский исследователь Жак Пиккар и лейтенант ВМС США Дон Уолш совершили на батискафе «Триест» погружение в самую глубокую область мирового океана (Марианскую впадину Тихого океана) на глубину 10916 м. Это погружение прошло гораздо менее замеченным мировой общественностью, чем первый полет человека в космос, хотя значение его огромно для человечества, так как океан вместо двухмерного стал трёхмерным. А начинались всё так.

Первые глубоководные погружения.

В 1911 г. американский инженер Ганс Гартман на сконструированной им глубоководной стальной клепаной камере цилиндрической формы (гидростате) опустился в Средиземном море к востоку от Гибралтарского пролива на глубину 458 м. Камера, рассчитанная на одного человека, опускалась с судна на стальном тросе. Она имела специальный прибор, приспособленный для поглощения углекислого газа при дыхании человека, и электроосвещение от батарей в 12 В. Для наблюдений в стенке гидростата был иллюминатор, телефон в гидростате отсутствовал. Чертёж гидростата Гартмана показан на рис.1. Этот чертёж взят из патента США №1715978 «Аппаратура для подводных исследований», который был выдан Гартману 4 июня 1929г.

В 1923 г. в СССР Экспедицией подводных работ особого назначения (ЭПРОН) по проекту инженера Е.Г. Даниленко был изготовлен гидростат (рис.2), с помощью которого был найден английский военный корабль «Чёрный принц», затонувший в Балаклавской бухте Черного моря во время Крымской войны 1853-1856 гг. С помощью этого же гидростата в 1931 г. в Финском заливе Балтийского моря была найдена канонерская лодка «Русалка», затонувшая в 1893 г. при переходе из Таллина в Хельсинки.

Появление идеи создания батисферы (бати – глубоко, сфера – шар) относится к 1927-1928 гг., когда профессор Вильям Биб, руководитель отдела тропических исследований Нью-йоркского зоологического общества, начал разрабатывать проекты глубоководных аппаратов для исследования жизни на больших глубинах морей и океанов. Эта идея была основана на том, что способность любого сосуда противостоять давлению или иными словами его прочность, зависит не только от толщины его стенок, но и от формы сосуда. Сосуды с плоскими стенками при большом давлении оказываются самыми непрочными, сосуды цилиндрические - значительно прочнее, а самые прочные сферические.

В 1929 г. молодой американский инженер Отис Бартон спроектировал батисферу и совместно с Бибом её построили – стальной литой шар диаметром в 144 см с толщиной стенки 3,2 см и общим весом 2430 кг. Батисферу назвали «Век прогресса» и построена она была за личные средства Бартона.

В 1930 г. они опустились в батисфере на глубину 240 м. в Атлантическом океане у Бермудских островов. После ряда усовершенствований батисферы 15 августа 1934 г. Биби и Бартон (рис.3) совершили своё известное погружение там же на глубину 923 м. Общее давление воды на батисферу на этой глубине составляло 7016 т. Батисфера была снабжена телефоном и мощным прожектором. Для подачи в батисферу электроэнергии и для связи с судном имелся единый кабель, состоящий из четырёх проводов – двух электрических и двух телефонных. Наружный диаметр кабеля вместе с резиновой изоляцией был равен 28 мм. Чтобы предохранить кабель от разрыва под действием собственного веса, его пришлось привязать к тросу, несущему батисферу. Атмосфера внутри батисферы очищалась при помощи вентилятора, который прогонял воздух через кассеты с порошком хлорида кальция для удаления углекислого газа. А дозированные порции кислорода поступали от двух баллонов, ёмкостью по 600 л. Трос, на котором опускали батисферу, имел длину только 1067 м, что и ограничивало глубину погружения.

Несмотря на тщательную подготовку, опускание батисферы все же было сопряжено со значительным риском. Дело в том, что при волнении океана в тросе возникают дополнительные динамические напряжения, кроме того, на тросе, даже при слабом волнении, могут появиться петли, которые при затягивании могут привести к надлому или обрыву отдельных его проволок. Батисферы и гидростаты принесли огромную пользу в изучении морских глубин и пионеры этих погружений заслужено являются героями.

Однако полная зависимость гидростата и батисферы от корабля, с которого они погружались, вечная угроза потопления аппарата вместе с людьми, необходимость опускать вместе с ним трос заставили исследователей искать принципиально новое решение вопроса о глубоководных погружениях. Эта проблема была решена швейцарским ученым Огюстом Пиккаром (Auguste Antoine Piccard).

Огюст Пиккар и его стратостат FNRS-1.

Пиккар, еще будучи студентом Высшей политехнической школы в Цюрихе, проникся интересом к изучению моря. После завершения образования Пиккар занялся научной работой. Он разрабатывал теорию получения искусственных алмазов, изучал свойства урана-235 и радиоактивность, спроектировал универсальный сейсмограф, исследовал глетчеры и ледники Швейцарии и даже писал фантастические рассказы. Пиккар был своеобразным ученым, похожим на знаменитого героя Жюля Верна Паганеля. В 1922 г. он стал профессором прикладной физики университета в Брюсселе.

Прошло немало времени прежде чем Пиккар (рис.4) нашел дело своей жизни – создание аппаратов, расширяющих пределы достижимого мира.

Для изучения космических лучей в верхних слоях атмосферы Пиккару был нужен аппарат для подъёма на такие высоты и он создал такой аппарат – стратостат.

Прототипом стратостата являлся аэростат – воздушный шар с открытой кабиной. Высота подъёма аэростата была ограничена физическими возможностями пилотов: с ростом высоты воздух становился разряженным и давление падало; а также уменьшалась плотность воздуха, при этом объём оболочки аэростата оставался неизменным и его подъёмная сила падала.

Пиккар предложил герметизировать гондолу, а заодно и кабины самолётов. В авиации его идея была воспринята как чистая фантазия, но это не помешало ему воплотить её в стратостате. Падение плотности атмосферы Пиккар решает компенсировать переменным объёмом оболочки, которая частично заполнялась газом. С ростом высоты газ увеличивался в объёме и расправлял оболочку. Соответственно увеличивалась аэродинамическая подъёмная сила. На расчетной высоте оболочка стратостата, на старте напоминавшая грушу, принимала форму шара.

Финансируемый Бельгийским национальным фондом научных исследований (Fonds National de la Recherché Scientifique), Пиккар в 1930 г. построил свой стратостат, названный в честь этого фонда FNRS-1 (рис.5).

27 мая 1931 г. Огюст Пиккар и его ассистент по университету Пауль Кипфер совершили первый в истории полет в стратосферу из города Аугсбург, Германия, достигнув высоты 15785 м. 18 августа 1932 г. Пиккар совершил второй рекордный полёт вместе с бельгийским ученым Максом Козинсом; высота подъёма составила 16201 м.(рис.6) Во время этих полётов Пиккар собрал важные сведения о верхних слоях атмосферы и космических лучах.

Батискаф FNRS-2 Огюста Пиккара.

В середине тридцатых годов прошлого столетия ученый осознал, что аппарат, построенный по концепции «баллон с герметической гондолой» - батискаф (Bathyscaphe - от греческого βαθυς – глубокий и σκάφος – судно) – подводный автономный, самоходный, обитаемый корабль может быть использован для океанографических и других исследований на больших глубинах.

Предложенный Пиккаром в 1937 г. принцип действия батискафа был простым. Для погружения под воду надо создать аппарат, который был бы с балластом тяжелее воды и потому тонул, а без балласта – легче воды и всплывал.

Однако для создания батискафа одной идеи было недостаточно. В 1937-1939 гг. при Брюссельском университете была создана лаборатория высоких давлений, в которой началась разработка батискафа: вычертили проект, были заказаны и получены отдельные детали. Но тут грянула война и работа была приостановлена. Она возобновилась в 1946 г. и спустя два года батискаф был построен на верфи «Компании торгового флота» в Антверпене и начались испытания. Все работы по созданию батискафа, как до войны так и после, финансировал уже упомянутый Бельгийский национальный фонд научных исследований, в честь которого батискаф назвали FNRS-2 (рис.7).

При разработке, изготовлении и испытаниях батискафа перед Огюстом Пиккаром (рис.8) возникли достаточно сложные первоочередные научно-технические задачи, решить которые было необходимо, а именно:

- рассчитать и обеспечить положительную плавучесть поплавка и соединенного с ним стального пустотелого шара–гондолы, в которой находятся аппаратура, пульты управления и экипаж, обычно состоящий из двух человек;

- так как оболочку поплавка нужно было изготовить из тонких стальных листов (тяжелая оболочка поплавка сделала бы плавучесть батискафа отрицательной), возникла проблема защиты корпуса поплавка от давления воды на глубине, возрастающего от 1 до 1000 атм. и более, которое могло бы на глубине разрушить такой легкий корпус;

- обеспечить защиту экипажа и аппаратуры, находящихся в гондоле от огромного давления на глубине;

- обеспечить управляемость плавучестью батискафа;

- обеспечить экипаж батискафа необходимым для дыхания кислородом и оградить от вредного воздействия углекислого газа.

Поставленные задачи были успешно решены. Камера плавучести (поплавок) батискафа была сварена из тонких стальных листов и состояла из шести изолированных отсеков. Заполнена она была 32000 литрами легкого бензина плотностью 0,7, что обеспечивало плавучесть батискафа без балласта. Для решения проблемы «каким же веществом с плотностью меньше воды надо наполнить поплавок?» Пиккар последовательно просмотрел три категории веществ: газы, твердые тела и жидкости. Газы отпали с самого начала. Объём газов сильно зависит от давления, на большой глубине вода сжимает их и выталкивающая сила этих газов быстро падает. Твердые тела обладали рядом преимуществ перед жидкостями – они не могли вытечь и были несжимаемыми. Поэтому Пиккар перебрал различные виды твердых веществ, оценивая их пригодность. Предъявляемым требованиям удовлетворяли только литий и парафин. Однако производство лития ограничено, а у парафина слишком велик удельный вес. Оставались жидкости; нужна была жидкость с удельным весом в определенных пределах, дешевая и не меняющая своих основных свойств в широком интервале давлений и температур. Пиккар перебрал множество сортов жидкостей, прежде чем окончательно остановился на использовании в поплавке бензина, как максимально отвечающего всем требованиям (рис.9).

На дне камеры плавучести Пиккар предложил сделать отверстия. При погружении батискафа морская вода давит на корпус поплавка; одновременно вода через эти отверстия проникает внутрь камеры и сжимает бензин. В результате давление снаружи поплавка и внутри него всегда поддерживается одинаковым, оболочка поплавка не воспринимает никакой нагрузки, кроме сдавливания материала оболочки с обеих сторон одинаковыми силами; деформации оболочки камеры плавучести не происходит, даже если батискаф находится в воде сжатой до 1000 атм. Наличие отверстий не приводит к ощутимой утечке бензина, так как он (как более легкое вещество) заполняет верхнюю часть камеры. Вода, проникшая во внутрь камеры, естественно, будет только внизу. При подъеме батискафа происходит расширение бензина и через отверстия, расположенные в нижней части камеры, в первую очередь будет вытесняться вода, проникшая в камеру при погружении.

Стальная гондола защищала экипаж от давления толщи воды. Гондола FNRS-2 была изготовлена в Бельгии, имела внутренний диаметр 2000 мм и толщину стенок 90 мм. Весила она 10 т на суше и около 5 т в воде; её удерживал в равновесии поплавок батискафа. Крепление гондолы к поплавку осуществлялось с помощью специальных тяг – подвесок. Дело заключалось в том, что, несмотря на всю прочность шара-сферы, он под влиянием громадного давления воды сжимался на несколько миллиметров. Эта упругая деформация, которая не должна была передаваться на каркас поплавка, компенсировалась некоторой эластичностью креплений. Регенерационная установка воздуха была рассчитана на пребывание в гондоле двух человек в течение 24 часов. Для возможности наблюдений гондола имела два иллюминатора с внутренним диаметром 100 мм со стеклами, выполненными из полированного плексигласа толщиной 150 мм.

Управляемость плавучестью батискафа обеспечивалась путем выпуска части бензина и при помощи металлического балласта, который подвешивался на электромагнитах вне батискафа. При помощи двух винтов, приводимых во вращение электродвигателями, батискаф мог в течение 10 часов двигаться вдоль дна со скоростью в один узел.

Для смягчения посадки батискафа на дно под гондолой на гайдропе (тяжелая цепь) был подвешен груз, вес которого рассчитан так, что при опускании груза на дно, погружение батискафа прекратится, и он остановится на расстоянии от 1 до 3 м от дна.

Следует сказать, что в некоторых важных аспектах использования конструкция батискафа FNRS-2 была недоработана. К месту погружения его нужно было перевозить в трюме судна. Батискаф был сконструирован так, что входить в гондолу на плаву было невозможно – он не имел шахты, поэтому экипаж должен был занимать свои места перед спуском батискафа на воду. После этого к батискафу подвешивали балласт и краном опускали на воду, но операция по подготовке его к погружению на этом не заканчивалась: нужно было заполнить бензином шесть отсеков поплавка, что обеспечивало способность батискафа всплывать из глубины.

После всплытия батискафа на поверхность, исследователи, находящиеся в гондоле, опять-таки не могли её покинуть самостоятельно, пока с батискафа не будет слит бензин и он не будет поднят из воды. С целью своевременного обнаружения всплывшего батискафа судном-базой на нём (батискафе) был установлен специальный ультразвуковой аппарат.

Тем не менее 15 сентября 1948 г. батискаф FNRS-2 погрузили в Антверпене в трюм бельгийского грузового судна «Скальдис», которое отплыло к берегам Африки, в район Дакара, выбранный не случайно – близость больших глубин позволяла провести испытания батискафа без помех. По приходу в Дакар было решено погружаться у островов Зеленого мыса.

25 октября 1948 г. профессора Пиккар и Моно погрузились на батискафе FNRS-2 на глубину 25 м. Батискаф пробыл под водой всего 16 мин, но Пиккару и Моно пришлось провести взаперти (в гондоле) около 12 часов: столько времени понадобилось, чтобы выполнить операции по подготовке батискафа к погружению, а потом, после всплытия, к его подъёму из воды.

Второе погружение батискафа состоялось 3 ноября 1948 г. в бухте Санта Клара у острова Фогу (рис.10). Батискаф опускался без людей на автопилоте и достиг глубины 1400 м.

Погружения батискафа FNRS-2 показали правильность идей Пиккара, заложенных в основу конструкции глубоководного дирижабля. Стали очевидны и основные недостатки его конструкции: неприспособленность к самостоятельному плаванию на поверхности моря и невозможность выхода членов экипажа из гондолы до подъема батискафа на судно. На преодоление этих недостатков было затрачено несколько лет упорного труда.

Автор: Ю.В. Чернихов