4.4. Мезоскафы
Первый период освоения Мирового океана с помощью подводных аппаратов характеризовался стремлением погрузиться как можно глубже, вплоть до максимальных на Земле глубин. Когда эта цель была достигнута, сразу оказалось, что существует широкий круг вопросов и задач, связанных с погружением на значительно меньшие глубины. Технически обеспечить такие погружения можно значительно проще, чем при использовании батискафной схемы спуска-подъема.
Для относительно малых, или как их назвал Огюст Пикар средних (по-гречески "мезос"), возможно использование принципа погружения подводных лодок.
Как известно, в подводных лодках погружение осуществляется за счет приема водяного балласта – в специальные балластные цистерны, встроенных в корпус лодки. Продувка цистерн сжатым воздухом приводит к освобождению цистерн, в которых вода замещается сжатым воздухом. Разница в весе водяного балласта и замещающего воздуха и создает главную часть подъемной силы. Другой частью могут быть гидродинамические подъемные силы, образующиеся на корпусе и специальных устройствах (хвостовом оперении, горизонтальных рулях) от движения лодки. Следует заметить, что свойства воздуха как легкого заместителя балластной воды снижаются с глубиной. Плотность воздуха в нормальных условиях 1,25 кг/м3, а плотность морской воды 1025 кг/м3. Оценивая приближенно сжатие воздуха по закону Бойля-Мариотта, легко заметить, что при давлении в 800 атмосфер плотность сжатого воздуха сравняется с плотностью воды (это, конечно, оценка, точные значения можно получить с учетом уравнения Менделеева-Клапейрона). Давлению 800 атмосфер соответствует глубина 8000 м. Это значит, что на этой глубине замена водяного балласта сжатым воздухом не даст подъемной силы.
Если сжимаемость конструкций аппарата меньше, чем сжимаемость воды, а так в подводных лодках всегда и бывает до расчетных глубин даже до 1000 м погружения, то использование сжатого воздуха для продувки балластных цистерн и гидродинамических сил возможно.
Более того, можно, используя современные конструкционные материалы, создать подводный аппарат с малой положительной плавучестью, погружение которого осуществляется с помощью гидродинамических сил. При прекращении движения под действием положительной плавучести аппарат будет всплывать. Эту идею высказал Огюст Пикар. Два аппарата для средних глубин были осуществлены сыном Огюста Пикара – Жаком. Ими стали мезоскафы "Огюст Пикар" и "Бен Франклин".
Первый из них представлял собой сорокаместный прогулочный аппарат в Женевском озере во время Всешвейцарской выставки 1964 года. Прочный корпус в виде цилиндра имел шпангоуты как у подводных лодок. Иллюминаторы и установленные по бортам, как в самолетах, кресла обеспечивали удачное расположение пассажиров и хороший осмотр подводной обстановки. Точная балластировка аппарата осуществлялась с помощью уравнительной системы. От батискафа сохранилась и аварийная система балласта в виде дроби в бункерах, открытие которых осуществлялось электромагнитными клапанами. Имея небольшую положительную плавучесть, мезоскаф мог заглубляться под действием упора маршевого движителя и горизонтальных рулей.
Мезоскаф "Огюст Пикар" ("PX-8") – первый туристический подводный аппарат был сконструирован Жаком Пикаром в 1964 году для швейцарской национальной выставки и был назван в честь отца конструктора выдающего швейцарского ученого Огюста Пикара.
Мезоскаф, как аппарат для исследования средних глубин, способного зависать в толще воды, был предложен Огюстом Пикаром в 1953 году. Однако проблемы с финансированием не позволили ему осуществить этот проект.
Его сын Жак Пикар использовал для реализации этой идеи швейцарскую национальную выставку 1964 года и предложил в 1961 году построить туристический подводный аппарат для погружения в Женевское озеро в качестве необычного аттракциона. К 1962 году Жак Пикар разработал основную часть технической документации, что позволило осуществить постройку за короткий срок.
Корпус был изготовлен заводом "Братья Джованьола" в Монте, мостик, балластные цистерны, хвостовая часть и другие конструкции, требующие механической обработки – механическим заводом в Веве. В феврале 1964 года собранный в Монте аппарат был по железной дороге доставлен к Женевскому озеру в Буве (в 20 км от Монте), где и был спущен на воду зимой 1964 года.
Его технические характеристики были такие: длина 14,82 м, диаметр корпуса 3,15 м, масса 165 т, полезная нагрузка 3…9 т, толщина корпуса 38 мм, мощность двигателя 75 л.с., скорость хода 6,3 уз, запас хода 200 км (при скорости 4,0 уз), количество пассажиров 40 человек, расчетная глубина погружения 300 м (при коэффициенте безопасности 5), экипаж 1–3 человека. Балластные цистерны объемом 24 м3, аккумуляторы и электродвигатель постоянного тока располагались внутри прочного корпуса. К нижней части аппарата прикреплялся киль (массой 17 т), что обеспечивало остойчивость при любых режимах работы. Балластная железная дробь имела массу 5 т. Пилотская кабина расположена в носовой части аппарата, на поверхности управление возможно из рубки.
Во время выставки аппарат совершил 700 погружений в Женевском озере на глубину 100 м, а после закрытия ее еще 400 м. Общее количество пассажиров достигло, можно сказать, астрономической цифры 33000! И это без единого несчастного случая.
Корпус мезоскафа имел форму цилиндра, соединенного с полусферической передней частью и вытянутым хвостом. Гребной винт был размещен в конце хвостовой части, что позволяло мезоскафу развивать довольно большую скорость при малой мощности двигателя.
Двигатель соединялся с гребным винтом через набивочную коробку (как на большинстве подводных лодок).
Пассажирские кресла были расположены вдоль левого и правого борта по 20 в ряд. При этом около каждого кресла в корпусе имелся иллюминатор. Пилотская кабина с тремя креслами располагалась в передней части. Управление на поверхности осуществлялась с мостика с помощью вертикальными и горизонтальными рулями с гидравлическим приводом. Для защиты при входе и выходе пассажиров от попадания воды внутрь корпуса в верхней части аппарата расположена рубка.
После выставки в 1965 году "Огюст Пикар" (рис. 4.21, рис. 4.22) был продан крупной американской частной компании.
Вторым оригинальным аппаратом, предназначенным для долговременного изучения течения Гольфстрим, стал мезоскаф "Бен Франклин". История создания его следующая. В 1965 году Жак Пикар выступил в Вашингтоне в Национальном научном фонде, где предложил идею изучения Гольфстрима с помощью подводного аппарата, движущегося в потоке течения. В связи с этим Жак Пикар получил предложение американской фирмы "Граммен эркрафт инжениринг корпорейшн" о строительстве на заводе "Джованьола" в Монте подводного аппарата такого назначения.
В начале 1967 года строительство мезоскафа "РХ-15", именно так он назывался первоначально, началось. В апреле следующего года основные части аппарата были достроены и доставлены в Антверпен, где после окончательной сборки он был погружен на судно для отправки в США. В ноябре были проведены контрольные погружения и устранены отдельные технические недочеты.
Учитывая назначение мезоскафа, было решено присвоить ему имя Бена Франклина18, американского ученого и политического деятеля, давшего научное описание и составившего карту Гольфстрима в 70-годы ХVIII столетия.
По конструкции "Бен Франклин" (рис. 4.23) близок к "Огюсту Пикару". Его основные технические характеристики: длина 14,75 м, ширина 6,00 м, высота 6,3 м, диаметр прочного корпуса 3,15 м, масса 130 т, экипаж 6 человек, скорость 4 уз, глубина погружения 610 м, коэффициент безопасности 3.
Рис. 4.21. Схема мезоскафа "Огюст Пикар" (1964 г.): 1 – входная дверь; 2 – радиоантенна; 3 – гидроакустическая антенна; 4 – телевизионная камера; 5 – измеритель скорости хода; 6 – проход на нос; 7 – кислородные баллоны; 8 – световой позиционный маяк; 9 – носовое подводное крыло; 10 – иллюминаторы; 11 – гидролокатор; 12 – телевизионные иллюминаторы; 13, 15 – забортные светильники; 14 – кресла для пассажиров; 16 – электрощит; 17 – трап; 18 – гребной вал; 19 – горизонтальный руль; 20 – насадка гребного винта
Рис. 4.22. Фотография мезоскафа "Огюст Пикар" на постаменте
В течение месяца аппарат дрейфовал в Гольфстриме, экипаж во главе с Жаком Пикаром проводил гидроакустические исследования и научные наблюдения, пройдя около 1600 миль под водой на глубинах от 457 до 610 м (от Флоридского19 пролива до мыса Гаттерас20) со средней скоростью 9 км/час. Было установлено: скорость Гольфстрима в некоторых местах в 3 раза выше, чем считалось ранее; малое количество фауны; существование завихрений, мощные внутренние волны и другие интересные особенности.
Рис. 4.23. Схема мезоскафа "PX-15" ("Бен Франклин"): 1 – кормовой отсек; 2, 24, 27 – танки с питьевой водой; 3 – иллюминатор; 4 – отсек для отдыха; 5 – балласт; 6 – санузел; 7 – электрощиты; 8 – гидрофон; 9 – преобразователи; 10, 28 – цистерны с водой; 11 – пульт управления; 12 – рубка; 13 – камера; 14 – рубочный люк; 15 – сигнальные маяки; 16 – каюта отдыха; 17 – входной люк; 19 – генератор; 20 – научная аппаратура; 21 – маршевая мотогондола; 25 – аккумуляторные батареи; 26 – сонар; 29 – масляные резервуары; 23, 30 – воздухоочистители; 22, 31 – светильники; 32 – руль