книги из ГПНТБ / Диомидов М.Н. Покорение глубин

Подводный аппарат, снабженный гидролокатором бокового об­ зора, двигаясь вдоль дна, может сделать карту, подобную аэро­ фотосъемке, захватывая относительно широкую полосу дна. На этой карте углубления светлые, а выпуклости — темные.

Очень важную роль для подводного аппарата играет прибор звукоподводной связи. Он позволяет осуществлять беспроволочную телеграфную и телефонную связь с надводным судном, доставив­ шим аппарат к месту погружения, а также и с другим подводным аппаратом или подводной лодкой. Голосовая связь может вестись в принципе и на частотах человеческого голоса. В этом случае не требуется специальной приемной аппаратуры. Голос передатчика звучит прямо в воде. Этим пользуются, например, в бассейнах: при тренировке подводных пловцов включают музыку или пере­ дают команды. Передача звука в воду может быть осуществлена даже от надводного источника; звук усиливается (примерно вдвое), переходя из воздуха в воду, но зато при обратном переходе из воды в воздух звуковое давление ослабевает в несколько ты­ сяч раз.

Конечно, в системах звукоподводной связи излучатель и при­ емник на обоих концах «провода» опущены в воду. Переговоры ведутся на высоких частотах, что уменьшает расход энергии. Звук человеческого голоса при этом преобразовывается, как в обычном телефоне, только с большим числом преобразований. У обычного телефона цепь преобразований следующая: звук голоса — электри­

В арсенал акустических приборов подводного аппарата входят приборы для прослушивания и записи звуков моря и в первую очередь звуков, издаваемых рыбами и морскими животными. По­ знать язык морских рыб и морских животных— важнейшая за­ дача ученых-ихтиологов, планирующих в недалеком будущем организованное морское хозяйство. Изучение издаваемых подвод­ ными обитателями звуков поможет установить законы, объединяю­ щие рыб в косяки, выяснить значение тех или иных сигналов и, в конечном итоге, имитировать призывные звуки, что позволит управлять движением рыб. Многое уже выяснено. Установлено, что дельфины издают звуки в двух диапазонах частот: «разговор­ ные»— на сравнительно низких частотах и «навигационные» — вы­ сокочастотные, представляющие своеобразную гидролокацию. Опыты с дельфинами приобрели настолько широкий размах, что ученые в специальных океанариумах ведут «беседы» с дельфи­ нами, в результате которых устанавливается взаимопонимание.

Итак, перечисленные гидроакустические системы позволяют экипажу подводного аппарата видеть и слышать под водой даже в абсолютной темноте. Правда, акустическое видение создает ус­ ловную картину и поэтому не является основным при изучении подводного мира из аппарата. Да и стоило бы ради этого опус­ каться под воду! Акустические средства можно установить и на

232

надводном судне. Ценность изучения из подводного аппарата — возможность увидеть все собственными глазами через иллюмина­ торы и не только увидеть, но и запечатлеть виденное на пленке. В условиях абсолютной темноты на больших глубинах видеть и фотографировать можно лишь при искусственном освещении. В си­ стему наружного освещения входят прожекторы и лампы-вспышки; мощность прожекторов достигает нескольких киловатт, а лампвспышек— тысячи джоулей. Высокое давление воды за бортом ап­ парата заставляет конструкторов прятать хрупкие лампы в проч­ ные корпуса-фары. Наиболее передовым направлением следует считать конструирование ламп, выдерживающих давление: отпа­ дает необходимость в тяжелых корпусах для светильников и, глав­ ное, создаются благоприятные условия для охлаждения мощных ламп омывающей их водой. Кроме достаточной яркости, подвод­ ная лампа должна обладать спектром, близким к ультрафиолето­ вому, наиболее «дальнобойному» в морской воде.

Для визуального наблюдения на подводных аппаратах уста­ навливают оптические системы, позволяющие увеличивать изо­ бражение. Это важно для биологических исследований. Прибор представляет зрительную трубу с системой оптических линз, уста­ навливаемую на иллюминаторе. Широко применяются и телеви­ зионные установки, позволяющие сократить число иллюминаторов. Эти установки состоят из передающей части, размещаемой за бор­ том, и приемника, расположенного перед глазами наблюдателя. Эффективность телевидения зависит от освещенности и чувстви­ тельности передающих трубок. Имеются трубки с чувствительно­ стью, близкой к чувствительности человеческого глаза.

Основная задача, которая стоит перед конструкторами при­ боров для визуального наблюдения в воде,— достичь такой даль­ ности видения, которая превышала бы дальность видения челове­ ческим глазом. Для воздушной среды эта проблема давно уже решена.

При проведении комплексных биологических исследований важно знать условия существования наблюдаемых живых организ­ мов. С этой целью на подводных аппаратах устанавливают ком­ плекс приборов, регистрирующих параметры воды: соленость, плотность, температуру, химический состав, прозрачность, радио­ активность. Все данные записываются на самописцы с указанием положения аппарата относительно дна.

Координаты местонахождения подводных аппаратов приобре­ тают теперь глубокий смысл. Доподлинно известно, что дно оке­ ана— не однообразная равнина. Уже составлены карты дна уча­ стков Атлантического и Тихого океанов. В 1966 г. советские ученые составили подробную карту дна Индийского океана. Подобные карты позволяют заранее планировать исследования с помощью подводных аппаратов таких участков дна, которые представляют для ученых наибольший интерес.

В связи с этим большое значение приобрели навигационные системы исследовательских аппаратов, не говоря уже о спасатель­

233

ных, обеспечивающих выход аппарата в заданную точку, а также возможность определить координаты места.

Представление о навигационных системах глубоководных аппа­ ратов дает описание системы управления и подводной ориентации американского батискафа Триест II, установленной при его по­ следней модернизации.

Эта система, разработанная компанией «Сперри Джай Роскоуп», представляет полностью автоматический комплекс с приме­ нением датчиков высокой чувствительности и программирующего устройства с ЭВМ. В качестве воспринимающих элементов датчи­ ков скорости используются высококачественные гидролокаторы с малым радиусом действия, работающие на эффекте Доплера и замеряющие скорость относительно океанского дна в направлении трех координатных осей.

Подключение к этим датчикам гирокомпаса позволяет очень точно вести прокладку курса при движении под водой. Поправки и навигационное счисление будут вноситься по сигналам придон­ ных гидроакустических маяков, географические координаты ко­ торых устанавливаются с помощью надводных судов.

Современные глубоководные аппараты имеют весьма ограни­ ченный радиус действия. Для подводной ориентации Триеста II, как полагают, будет вполне достаточно трех гидроакустических приемоответчиков, установленных на дне на расстоянии 2—3 миль один от другого. Такая система гидроакустических маяков обеспе­ чит батискафу возможность подводной навигации на площади около 20 квадратных миль.

Каждый приемоответчик «запрашивается» с батискафа гидро­ акустическим сигналом строго определенной частоты, свойственной только данному подводному маяку. Ответный сигнал имеет одина­ ковую частоту у всех трех приемоответчиков. Специальные устрой­ ства на батискафе отмечают разницу по времени между «запро­ сом» и «ответом» и подсчитывают расстояние до соответствующего подводного маяка. Подобная система с использованием приемоот­ ветчиков позволит батискафу непрерывно уточнять свои коорди­ наты в процессе погружения.

В задании на разработку системы подводной ориентации для батискафа Триест II было оговорено, что ошибка в определении места не должна превышать 3 м. Это требование не могло быть выполнено путем корректировки географических координат, взя­

в четверть узла приводит к недопустимой погрешности в определе­ нии места. Выход из положения был найден в использовании ги­ дролокаторов, работающих на эффекте Доплера и отсчитывающих скорость батискафа непосредственно от морского дна, вместе с гирокомпасом «Сперри МК-27». Система «доплеровских» гидро­ локаторов, работающих совместно с гирокомпасом, как полагают, обеспечит точность навигационного счисления до 1% от пройден­ ного расстояния. Если учесть периодическую (каждые 15 мин)

234

корректировку счисления по сигналам подводных маяков (ориен­ тировка по заранее установленным гидроакустическим приемоответчикам дает ошибку в определении места ±1,5 м), то окажется что требуемая точность новой навигационной системы гаранти­ руется даже на максимальной скорости хода батискафа.

Излучающий и воспринимающий преобразователи, каждый из которых состоит из четырех гидроакустических элементов, жестко закреплены на корпусе батискафа. Излучающий преобразователь, работающий на частоте 600 кгц, генерирует четыре узких гидро­ акустических луча, направленных вниз под углом 30° к вертикаль­ ной плоскости в нос, в корму и к бортам батискафа. Восприни­ мающий преобразователь улавливает отраженные от морского дна гидроакустические сигналы и преобразует их в показатели скоро­ сти батискафа. Кроме того, отраженные сигналы преобразуются в серию следующих один за другим импульсов, темп которых за­ висит от скорости батискафа в данный момент.

Электронно-вычислительный комплекс на борту батискафа Триест II выполняет следующие функции; непрерывно пересчиты­ вает показатели скорости в продольном и поперечном направле­ ниях в так называемые навигационные координаты (т. е. относи­ тельно подводных маяков, географические координаты которых известны); вычисляет поправку на вертикальную скорость, пред­ ставляющую вертикальную составляющую поступательной скоро­ сти при небольшом дифференте на корму; корректирует и преоб­ разует ответные сигналы от подводных гидроакустических маяков.

Эти и некоторые другие вычислительные операции выполняются ЭВМ «Сперри МК-15», представляющей модификацию микроэлек­ тронного вычислительного устройства, разработанного для АИНС (авиационной инерциальной навигационной системы).

Управление горизонтальным движением батискафа осуществ­ ляется программирующим устройством, работающим в комплексе с ЭВМ. При маневре система вычисляет тягу, которую должен развить гребной винт, и изменение скорости, после чего подается -соответствующий сигнал на электродвигатель. В целом программа работы электродвигателя на данный маневр будет предусматри­ вать: импульс, сообщающий батискафу поступательное движение, работу на поддержание определенной скорости в течение соответ­ ствующего отрезка времени и импульс в направлении, противо­ положном движению, останавливающий батискаф в заданной точке. В период маневра непрерывно работает ЭВМ, решающая уравнение движения по мере изменения его параметров.

Программирующее устройство с ЭВМ обеспечивает также ре­ жим «зависания» батискафа в одной точке и весьма кратковремен­ ные перемещения из одной точки в другую.

Управление движением батискафа в вертикальной плоскости осуществляется балластной системой. При движении вблизи дна задача облегчается выбрасыванием гайдропа, причем угол между гайдропом и вертикалью при неизменной длине троса будет за­ висеть от величины плавучести батискафа; чем больше плавучесть,

235

тем меньше нормальное давление груза на дно и тем ближе гай­ дроп подойдет к вертикали.

До последней модернизации длина гайдропа выбиралась для каждого конкретного погружения, и «провалы» батискафа вблизи дна вследствие охлаждения бензина в поплавке компенсировались сбрасыванием балласта (стальной дроби). Эти два обстоятельства приводили к тому, что угол между гайдропом и вертикалью при движении вблизи дна всегда был незначительным, поэтому по на­ тяжению гайдропа нельзя было судить о силе плавучести бати­ скафа в данный момент.

При последней модернизации на батискаф была установлена лебедка, управляя которой оператор может изменять длину гай­ дропа и по натяжению в нем судить о силе плавучести батискафа.

Когда батискаф находится в покое, натяжение в гайдропе прямо указывает на силу плавучести. Возникающие при движении флук­ туации натяжения гайдропа вследствие неровностей дна и колеба­ тельных перемещений самого батискафа в вертикальной плоскости непрерывно вводятся в ЭВМ, которая обеспечивает выдачу пока­ заний по фактической плавучести батискафа.

Осредненные показатели автоматически сравниваются с задан­ ной плавучестью, величина которой введена заранее в программи­ рующее устройство, и разница воспроизводится по специальной шкале с нулевым делением. Оператору остается добиться совпа­ дения стрелки с нулевым делением путем сбрасывания балласта или стравливания бензина из поплавка. Таким образом, обеспечи­ вается точность удержания батискафа на горизонте в пределах 1,5 м по высоте.

Рассматривая подводный аппарат как транспортное средство для доставки в нужную точку Мирового океана научных работни­ ков, комплекса приборов для исследования воды, грунта дна и измерения характерных параметров, следует отметить значитель­ ные преимущества подводного аппарата по сравнению с надвод­ ным судном.

Подводный аппарат позволяет устанавливать датчики в нуж­ ном месте (например, в придонном слое воды), местоположение которых контролируется визуально. Возможны замеры большого числа параметров с одновременным взятием проб воды и грунта. Аппарат можно стабилизировать неподвижно относительно грунта, а в случае необходимости и относительно воды (как это имело место при дрейфе Бена Франклина) . Длина кабелей от датчиков до регистрирующих приборов на аппарате минимальная. Всех этих преимуществ лишен надводный способ исследования. Правда, в последнее время создаются системы, имеющие автономное пита­ ние и опускаемый вместе с прибором самописец. Однако такой опускной комплекс в итоге превращается в привязной подводный аппарат.

Недостаток исследований из аппарата — высокая стоимость по­ гружений в аппарате. Например, суточная стоимость фрахта аппа­ ратов составляет для Стар II I — 4560 дол., для Дипстар 4000—

236

океана, еще далеко не изучены и мало используются. Такое положение можно объяснить, с одной стороны, пока достаточными ресурсами суши, до сих пор удовлет­

воряющими потребности промышленности, а с другой — отсутст­ вием соответствующей подводной техники. Но уже приближается время, когда дно океана станет не только объектом всесторонних исследований, но и местом интенсивной производственной деятель­ ности человека.

Будущее океана создается сегодня в планах научно-исследова­ тельских работ и разработках многообразной подводной техники. Мысль ученых и инженеров все чаще обращается к простран­ ству, более близкому, чем космос, но столь же трудно дости­ жимому— к загадочным, темным и холодным глубинам Мирового океана.

Действительно, наш век — не только век освоения космоса, но и век проникновения в глубины океана и освоения его богатств. Перешагивая границу обыденного, наши современники проникают в подводный мир и, осваивая его, расширяют жизненное простран­ ство нашей планеты.

С развитием океанского хозяйства и индустрии неизбежно воз­ никает необходимость создания в гидросфере и на дне океана различных сооружений: промышленных комплексов, жилых поме­ щений, рудных карьеров, буровых агрегатов, подводных навига­ ционных станций, транспортных систем и т. д.

238

Уже сейчас перед учеными и инженерами встало множество задач, связанных с промышленным освоением сырьевых ресурсов океана. Наступит время, когда эти задачи нужно будет решать быстро с оптимальной технической и экономической целесообраз­ ностью. При решении этих проблем большую пользу могут при­ нести многие науки и, в частности, бионика моря, которая изучает биологические особенности организмов, обитающих в гидросфере с целью использования биологических знаний при решении инже­ нерных задач.

Развитие и становление бионики как самостоятельной науки открывает новые перспективы использования биологических си­ стем для подводного строительства, средств передвижения, связи, ориентации, видения в глубоководном мире и многих других за­ дач, связанных с развитием океанского хозяйства.

Будущее океанское хозяйство и индустрия потребуют решения очень сложных транспортных проблем. Как доставлять всевозмож­ ные грузы и обслуживающий персонал из глубин океана на поверх­ ность? Как упаковывать материалы, размещать их в небольших объемах таким образом, чтобы перевозить максимальное количе­ ство груза за один рейс? Для глубоководных транспортных средств, например, потребуется создать экономичные движители. Быть мо­ жет, интересные идеи подскажет конструкторам изучение реактив­ ного движения кальмаров, спрутов и каракатиц.

Вероятно, следует научиться «растить» на дне океана строи­ тельные конструкции с помощью кораллов, добывающих нужный материал прямо из окружающей среды.

Строительство промышленных комплексов на дне океана, его масштабы, методы и средства будут зависеть от уровня развития наземной строительной техники. Естественно, все лучшие методы, разработанные для наземной техники, будут использованы и в под­ водном строительстве. С другой стороны, специфические условия гидросферы заставят по-новому взглянуть на современные трудо­ вые навыки людей, работающих на суше, и пересмотреть отдель­ ные конструктивные узлы производственных сооружений, машин и инструментов.

Проникновение в глубины океана связано с необходимостью сооружения больших глубоководных кораблей и исследовательских станций. Эти подводные научные лаборатории должны обеспечить проведение длительных комплексных экспедиций ученых в глу­ бины океана. Весьма вероятно, что, находясь даже на большой глубине, люди в специальных глубоководных скафандрах смогут выходить из этих станций, чтобы на дне океана выполнять те или иные работы.

В арсенале глубоководной техники будущего должны быть бу­ ровые машины — для поисков и добычи полезных ископаемых в недрах морского дна, а также всевозможные специализирован­ ные агрегаты для добычи и погрузки руд, топлива и минералов, как свободно лежащих на дне, так и скрытых в толще осадочных пород.

239

Для подъема затонувших судов понадобятся ныряющие грузоподъемные суда. Очевидно, потребуется специальная техника для выполнения взрывных работ с целью обнажения рудного тела и сосредоточения раздробленной руды в определенном, более удоб­ ном для погрузки порядке.

По мере освоения ресурсов Мирового океана будет развиваться глубоководный промысловый и транспортный флот и необходимая для его движения в гидросфере навигационная система. Во мно­ гих странах разрабатываются проекты подводных танкеров и рудо­ возов, которые с построенными глубоководными исследователь­ скими аппаратами являются предвестниками подводных судов зав­ трашнего дня.

Своеобразие среды, в которой предстоит работать глубоковод­ ным судам, машинам и сооружениям, предъявляет к ним особые требования.

Материалы для их изготовления должны быть особо прочными и абсолютно стойкими против коррозионного действия морской воды. Совершенно по-иному, чем в наземных условиях, должны быть решены проблемы изоляции токоведущих деталей и защиты приборов от внешнего давления, предохранения от износа тру­ щихся деталей, охлаждения, уплотнения соединений, теплоизоля­ ции и т. д.

Существующие наземные двигатели не могут работать в гидро­ сфере. Для автономных машин потребуется создание специальных двигателей, способных длительное время работать без заправки горючим и без кислорода. Очевидно, наиболее пригодными ока­ жутся двигатели, работающие на ядерном горючем.

Морские глубины почти непроницаемы для света и радиоволн. Звук является единственным видом энергии, который распростра­ няется в морской воде на значительно большие расстояния, чем в воздухе. Но благодаря неоднородности зоды звуковые волны искажаются. В океане звучит многоголосое эхо, как в зале с пло­ хой акустикой. Однако морским животным не мешают эти помехи, звук для них остается основным средством связи и ориентации. Главным средством видения и связи для глубоководных машин и аппаратов также станут гидроакустические приборы.

Глубоководные машины должны обладать высокой степенью надежности, и в основном они будут представлять автоматы, ра­ ботающие по заданной программе. Поэтому огромное значение имеют разработка совершенных средств телеуправления и кон­ троля и применение кибернетических машин.

Решение этих задач (а мы перечислили далеко не все про­ блемы) представляет определенные трудности и требует качест­ венно нового подхода. Совершенно очевидно: техника для поко­ рения глубин должна быть исключительно многообразной, и она будет развиваться в зависимости от тех задач, которые возникнут перед человеком при освоении ресурсов океана.

Представить все разнообразие техники будущего сейчас невоз­ можно, поэтому в настоящей главе мы приглашаем читателя не­

240

много пофантазировать и поразмышлять об устройстве лишь не­ которых средств и аппаратов, которые, безусловно, необходимы для того, чтобы человек по-хозяйски вошел в океан.

I Разведчики глубин

При изучении океана очень важную роль играют общие научные исследования, не преследующие какой-либо конкретной практиче­ ской цели. Особенность таких исследований заключается в том, что нельзя заранее предсказать, с какой именно проблемой столк­ нется исследователь, какие результаты он получит и как можно использовать их практически. Значение общих и многосторонних научных знаний об океане неизмеримо велико, потому что от их накопления будет всецело зависеть успех последующих необходи­ мых для развития промышленности прикладных исследований, на­ правленных уже на получение конкретных результатов.

Именно поэтому сейчас и как можно быстрее очень важно про­ водить всесторонние исследования Мирового океана на всей его поверхности и глубине. Чтобы познать океан, нужны подробные сведения о географическом распределении его физических и био­ логических структур. Надо знать географию и геологию дна, ско­ рость, направление и силу течений, температуру и соленость воды, распределение рыб, животных, растений и т.д. Но этого мало: нужно познать характер изменений, происходящих в океане с те­ чением времени, и взаимную связь между отдельными явлениями.

Мы живем на суше и о явлениях, происходящих на ней, знаем немало. Мы знакомы с реакцией растений и животных на смену времен года, дня и ночи, мы хорошо изучили влияние характера почвы, влажности и температуры на развитие растений и живот­ ных. Нам известна взаимосвязь многих важнейших явлений при­ роды, наблюдаемых человеком в течение многих столетий и тыся­ челетий. Подобных знаний об океане у нас нет.

До сих пор исследовательское судно редко становилось в океане на якорь и вело наблюдение не дольше нескольких дней. А ведь длительные комплексные наблюдения за физическими и биологи­ ческими явлениями, за развитием растительных и животных орга­ низмов в течение продолжительного периода на одном и том же месте, но на разных глубинах просто необходимы. Несмотря на то, что океан велик и вести в нем наблюдения чрезвычайно трудно, исчерпывающие сведения о жизни океана можно и необходимо по­ лучить в течение ближайших лет. Для этого надо поставить на службу средства автоматики, радиоэлектронику и вычислительные машины. Уже сейчас автоматически действующие приборы и элек­ тронно-счетные машины собирают, регистрируют и обрабатывают миллионы разрозненных сведений, выдавая их обобщение в гото­ вом виде для составления карт, анализов, прогнозов.

Для получения исчерпывающих сведений о всех явлениях, про­ исходящих в толще океана, на его просторах устанавливаются автоматически действующие буйковые станции. Это разведчики-