Глубоководные обитаемые аппараты «Мир-1» и «Мир-2»

Глубоководные обитаемые аппараты «Мир-1» и «Мир-2» были построены в Финляндии на фирме «Раума Репола» по совместному советско-финскому проекту. Строительство аппаратов началось в мае 1985 года и закончилось в ноябре 1987 года. В декабре 1987 г. аппараты были испытаны в Атлантическом океане на глубинах 6170 м и 6120 м соответственно. В течение 20 лет эксплуатации с помощью аппаратов «Мир» выполнялся широкий спектр глубоководных операций. Был проведен большой объем научных исследований в различных районах Мирового океана. Главным направлением исследований было изучение гидротермальных полей на дне океана. Аппараты работали в 20 районах с гидротермальными полями в Тихом, Атлантическом и Северном Ледовитом океанах. Большой объем археологических исследований выполнен на затонувших объектах, таких как «Титаник» (3500 м), «Бисмарк» (4700 м), японская подводная лодка времен Второй мировой войны «I-52» (5400 м) и других. С помощью аппаратов производились глубоководные кино– и видеосъемки для художественных и научно-популярных фильмов. Было выпущено более 10 кинофильмов, наиболее известным из которых является знаменитый «Титаник» Джеймса Камерона.

Особое место в истории «Миров» занимают работы на затонувших атомных подводных лодках «Комсомолец» и «Курск», при обследовании которых решался широкий круг научных и подводно-технических задач. К настоящему моменту каждый из аппаратов «Мир» совершил более 400 погружений, 70 % из которых были совершены на глубины между 3000 и 6000 м. Аппараты показали себя как высоконадежные технические средства, способные решать практически любые задачи в глубинах океана. Однако до настоящего времени аппараты «Мир» никогда не работали под сплошным ледовым покровом. Конечно, решение этой задачи требовало и некоторой модернизации аппаратов, и разработки нового оборудования, которое позволило бы успешно провести такого рода погружения. Прежде чем перейти к изложению материала о погружениях на Северном полюсе, целесообразно рассмотреть вопросы, связанные с конструктивными особенностями «Миров» и с теми инновациями, которые были внедрены для выполнения весьма непростой задачи спуска на дно Северного полюса. Глубоководные обитаемые аппараты многие зарубежные специалисты называют минисубмаринами. Очевидно, это обусловлено некоторым их сходством с большими подводными лодками как по устройству, так и по методу эксплуатации – в режиме свободного плавания под водой без жестких или гибких связей (типа кабелей или тросов) с поверхностью или с судном обеспечения. Безопасность пребывания человека на большой глубине обеспечивает прежде всего прочный корпус; остальные элементы и системы аппарата предназначены для доставки прочного корпуса на заданную глубину, передвижения под водой и возвращения обратно на поверхность. В качестве источника энергии на большинстве современных ГОА используются аккумуляторные батареи. Прочный корпус, отдельные конструктивные элементы и базовые узлы систем объединяются связующей рамой в единую конструкцию, которая закрывается сверху легким корпусом, который обычно изготавливается из стеклопластика и придает аппарату обтекаемую форму. Такова общая конструктивная схема устройства обитаемого аппарата.

Конструкция глубоководного обитаемого аппарата «Мир»

глубина погружения 6000 м

экипаж 3 чел.

скорость 5 узлов

вес 18,6 т

размеры 7,8 х 3,2 х 3,0 м

1 обитаемая сфера

2 легкий корпус

3 балластные сферы

4 манипуляторы

5 выдвижные приборные штанги

6 мощные светильники

7 теле-, фотокамеры на поворотном устройстве

8 опорные лыжи

9 бункер с никелевой дробью (аварийный балласт)

10 боковой двигатель

11 насос высокого давления для откачивания водяного балласта

12 гидравлическая станция с электроприводом

13 боксы с аккумуляторами 120 вольт

14 боксы с аккумуляторы 24 вольта

15 главный двигатель

16 насадка главного двигателя

17 крыло

18 аварийный буй

Из книги А.М.Сагалевича «Глубина». «Научный мир», 2002 г.

Необходимо отметить, что очень часто глубоководные обитаемые аппараты называют батискафами. Однако это неверно. Батискафы были первым поколением автономных обитаемых аппаратов. На батискафах в качестве плавучего материала использовалась легкая жидкость – бензин. Батискаф имел огромный поплавок, в который перед погружением закачивалось до 200 тонн бензина, который в процессе погружения замещался водой и батискаф приобретал отрицательную плавучесть. По окончании работ на дне с батискафа сбрасывался твердый балласт (как правило, стальная дробь), и он начинал всплывать. В глубоководных обитаемых аппаратах в качестве плавучего материала используется твердый плавучий материал синтактик, основой которого являются стеклянные микрошарики, соединенные эпоксидной смолой в единое целое. Синтактик изготавливается в виде блоков, им может придаваться различная форма при отливке. Благодаря применению синтактика ГОА имеют небольшие габариты и вес и могут транспортироваться к месту погружения на борту научно-исследовательских судов. К настоящему моменту в мире имеется всего четыре ГОА, способных погружаться на глубину 6000 м: один во Франции («Наутилус»), один в Японии («Шинкай-6,5») и два в России – «Мир-1» и «Мир-2». Рассмотрим кратко конструкцию аппаратов «Мир». Прочный корпус ГОА «Мир» сделан из стали с высоким содержанием никеля. Две полусферы, изготовленные способом литья и прошедшие механическую обработку, соединены с помощью болтов. Сфера имеет три иллюминатора: центральный, внутренним диаметром 200 мм, и два боковых, диаметром 120 мм. Иллюминаторы обеспечивают хороший обзор при работе под водой. В качестве источника энергии используются никель-кадмиевые аккумуляторы, которые заменили применявшиеся первоначально железо-никелевые. Общий энергетический запас аппарата «Мир» составляет 100 кВт/час. Аппарат имеет три балластные системы.

Система главного балласта состоит из двух емкостей, изготовленных из стеклопластика. Общая их емкость – 1500 литров. При погружении аппарата емкости заполняются водой, благодаря чему его плавучесть становится близкой к нейтральной. Дальнейшая балластировка производится с помощью системы тонкого балласта, которая позволяет регулировать плавучесть в широких пределах, давая возможность погружаться и всплывать со скоростью до 35–40 м/мин и зависать на любом горизонте в толще воды. При всплытии на поверхность емкости системы главного балласта продуваются воздухом, придавая аппарату плавучесть +1500 кг и обеспечивая нормальную ватерлинию на волне. Система тонкой балластировки состоит из трех прочных сфер – двух носовых и одной кормовой – общей емкостью 999 литров. В ходе погружения аппарата в эти сферы принимается вода, которая позволяет регулировать его плавучесть. Для придания аппарату положительной плавучести вода из прочных сфер откачивается с помощью специальных насосов высокого давления.

Таким образом, аппараты «Мир» работают полностью на водяном балласте, в отличие от зарубежных глубоководных аппаратов, которые продолжают частично использовать принципы батискафов, т. е. сброс твердого балласта в виде чугунных чушек или мешков с песком. Насосы высокого давления снабжены гидравлическими приводами. Аппараты имеют три системы гидравлики. Первая, мощностью 15 кВт, управляет основным насосом высокого давления и движительным комплексом аппарата. Энергия аккумуляторных батарей преобразуется с помощью специального инвертора в энергию переменного тока, которым питается электродвигатель – привод гидравлической помпы. Управление насосом высокого давления и движительным комплексом осуществляется через систему клапанов, расположенных снаружи в масляной коробке и управляемых пилотом изнутри обитаемой сферы. Вторая система гидравлики устроена по аналогичной схеме, но имеет меньшую мощность – 5 кВт. Она управляет всеми внешними выдвижными устройствами: манипуляторами, штангами, бункерами и т. д., дифферентным насосом, перекачивающим водяной балласт из носовых сфер в кормовую и обратно, обеспечивая тем самым нужный угол дифферента аппарата. Кроме того, вторая гидравлическая система управляет вторым насосом высокого давления, который используется как аварийный: в случае отказа основного насоса или первой системы гидравлики второй насос позволяет откачать водяной балласт и обеспечить всплытие аппарата на поверхность. Третья система гидравлики аварийная, она дает возможность осуществить сброс некоторых частей аппарата в случае возникновения аварийной ситуации. Приводом гидравлической помпы в этой системе служит электродвигатель постоянного тока, который питается напрямую от основных аккумуляторов аппарата или от аварийной батареи. Необходимо отметить, что сброс отдельных элементов аппарата в случае аварийной ситуации может производиться и от второй системы гидравлики. С аппарата «Мир» могут быть сброшены следующие элементы.

Прежде всего, это выступающие части конструкции (которыми аппарат может зацепиться на дне за тросы, кабели и т. д.): главный и боковые движители; крыло; кисти манипуляторов (в случае если что-то взято в кисть, а механизм ее разжимания не работает); аварийный буй, выходящий после отдачи от аппарата на поверхность на тонком нейлоновом тросике длиной 8000 метров; кроме того, может быть сброшен нижний аккумуляторный бокс основной батареи весом около 1000 кг. На аппаратах «Мир» имеется также система аварийного балласта (выше упомянута как третья балластная). В двух жестких стеклопластиковых контейнерах находится 300 кг никелевой дроби, удерживаемой электромагнитами, снятие напряжения с которых позволяет частично или полностью сбросить дробь и придать аппарату положительную плавучесть. Важной частью аппаратов является движительный комплекс. Главный кормовой движитель мощностью 12 кВт управляет движением в горизонтальной плоскости, обеспечивая повороты аппарата в пределах ±60°. Два боковых движителя мощностью 3,5 кВт каждый имеют поворотное устройство, которое позволяет поворачивать их в вертикальной плоскости в пределах 180°; благодаря этому возможно осуществлять вертикальное перемещение аппарата во время его движения вперед на главном движителе, а также – в горизонтальной плоскости в случае отказа главного движителя. Такое устройство комплекса обеспечивает гибкое управление аппаратом, придавая ему хорошую маневренность, что очень важно при работе у дна в условиях сложного рельефа или на донных объектах сложной конфигурации. Внутри обитаемой сферы во время погружения поддерживаются нормальное атмосферное давление и газовый состав воздуха. Система жизнеобеспечения включает кислородные баллоны с дозаторами, через которые атмосфера внутри сферы пополняется кислородом, и сборник углекислого газа со сменными кассетами, заполненными поглотителем СО 2 (обычно гидрат окиси лития или калия). Вентиляторы постоянно прогоняют воздух через поглотитель углекислого газа, а также через специальный фильтр вредных примесей, заполненный активированным углем и палладием. Таким образом осуществляется очистка атмосферы в кабине. Контроль за содержанием в ней различных компонентов производится с помощью специальных индикаторов, показывающих процентное содержание в атмосфере кислорода, двуокиси и окиси углерода. Имеются также мониторы давления, температуры и влажности внутри кабины. ГОА «Мир» оснащены современными средствами подводной навигации. Она позволяет определять точное положение аппарата под водой относительно донных гидроакустических маяков, постановка и калибровка которых осуществляется с борта судна по данным системы спутниковой навигации. Пилот может наблюдать траекторию движения аппарата под водой на дисплее, что создает несомненные удобства управления им при поисковых операциях, выходе на донные объекты и т. д. Система подводной гидроакустической связи обеспечивает беспроводную голосовую связь с судном на расстоянии до 10 миль. Гидролокационные средства позволяют вести поиск на дне мелких предметов размером до первых десятков сантиметров. Аппараты оборудованы гидрофизическими и гидрохимическими датчиками, специальными устройствами для отбора образцов и другой научной аппаратурой. Два идентичных манипулятора (правый и левый) с семью степенями свободы дают возможность отбирать различные образцы – от весьма хрупких до больших и тяжелых весом около 80 кг. ГОА «Мир» снабжены современной видеоаппаратурой для подводных видеосъемок, а также подводными фотосистемами. Аппараты оборудованы наружным свето– и радиомаяками, которые позволяют обнаруживать их на поверхности после всплытия: система радиопоиска на судне обеспечения принимает сигналы от радиомаяка и указывает направление на точку всплытия аппарата. Погружения на Северном полюсе под сплошной ледовый покров требовали специальной подготовки аппаратов «Мир»: модернизации некоторых систем, разработки нового оборудования, которое обеспечило бы выход ГОА из-под ледовой крыши в небольшую полынью на поверхности океана.

Глубина 4261 метр Лизун Владимир Николаевич

Глубоководные обитаемые аппараты «Мир-1» и «Мир-2»

Глубоководные обитаемые аппараты «Мир-1» и «Мир-2» были построены в Финляндии на фирме «Раума Репола» по совместному советско-финскому проекту. Строительство аппаратов началось в мае 1985 года и закончилось в ноябре 1987 года. В декабре 1987 г. аппараты были испытаны в Атлантическом океане на глубинах 6170 м и 6120 м соответственно. В течение 20 лет эксплуатации с помощью аппаратов «Мир» выполнялся широкий спектр глубоководных операций. Был проведен большой объем научных исследований в различных районах Мирового океана. Главным направлением исследований было изучение гидротермальных полей на дне океана. Аппараты работали в 20 районах с гидротермальными полями в Тихом, Атлантическом и Северном Ледовитом океанах. Большой объем археологических исследований выполнен на затонувших объектах, таких как «Титаник» (3500 м), «Бисмарк» (4700 м), японская подводная лодка времен Второй мировой войны «I-52» (5400 м) и других. С помощью аппаратов производились глубоководные кино– и видеосъемки для художественных и научно-популярных фильмов. Было выпущено более 10 кинофильмов, наиболее известным из которых является знаменитый «Титаник» Джеймса Камерона.

Особое место в истории «Миров» занимают работы на затонувших атомных подводных лодках «Комсомолец» и «Курск», при обследовании которых решался широкий круг научных и подводно-технических задач. К настоящему моменту каждый из аппаратов «Мир» совершил более 400 погружений, 70 % из которых были совершены на глубины между 3000 и 6000 м. Аппараты показали себя как высоконадежные технические средства, способные решать практически любые задачи в глубинах океана. Однако до настоящего времени аппараты «Мир» никогда не работали под сплошным ледовым покровом. Конечно, решение этой задачи требовало и некоторой модернизации аппаратов, и разработки нового оборудования, которое позволило бы успешно провести такого рода погружения. Прежде чем перейти к изложению материала о погружениях на Северном полюсе, целесообразно рассмотреть вопросы, связанные с конструктивными особенностями «Миров» и с теми инновациями, которые были внедрены для выполнения весьма непростой задачи спуска на дно Северного полюса. Глубоководные обитаемые аппараты многие зарубежные специалисты называют минисубмаринами. Очевидно, это обусловлено некоторым их сходством с большими подводными лодками как по устройству, так и по методу эксплуатации – в режиме свободного плавания под водой без жестких или гибких связей (типа кабелей или тросов) с поверхностью или с судном обеспечения. Безопасность пребывания человека на большой глубине обеспечивает прежде всего прочный корпус; остальные элементы и системы аппарата предназначены для доставки прочного корпуса на заданную глубину, передвижения под водой и возвращения обратно на поверхность. В качестве источника энергии на большинстве современных ГОА используются аккумуляторные батареи. Прочный корпус, отдельные конструктивные элементы и базовые узлы систем объединяются связующей рамой в единую конструкцию, которая закрывается сверху легким корпусом, который обычно изготавливается из стеклопластика и придает аппарату обтекаемую форму. Такова общая конструктивная схема устройства обитаемого аппарата.

Конструкция глубоководного обитаемого аппарата «Мир»

глубина погружения 6000 м

экипаж 3 чел.

скорость 5 узлов

вес 18,6 т

размеры 7,8 х 3,2 х 3,0 м

1 обитаемая сфера

2 легкий корпус

3 балластные сферы

4 манипуляторы

5 выдвижные приборные штанги

6 мощные светильники

7 теле-, фотокамеры на поворотном устройстве

8 опорные лыжи

9 бункер с никелевой дробью (аварийный балласт)

10 боковой двигатель

11 насос высокого давления для откачивания водяного балласта

12 гидравлическая станция с электроприводом

13 боксы с аккумуляторами 120 вольт

14 боксы с аккумуляторы 24 вольта

15 главный двигатель

16 насадка главного двигателя

17 крыло

18 аварийный буй

Из книги А.М.Сагалевича «Глубина». «Научный мир», 2002 г.

Необходимо отметить, что очень часто глубоководные обитаемые аппараты называют батискафами. Однако это неверно. Батискафы были первым поколением автономных обитаемых аппаратов. На батискафах в качестве плавучего материала использовалась легкая жидкость – бензин. Батискаф имел огромный поплавок, в который перед погружением закачивалось до 200 тонн бензина, который в процессе погружения замещался водой и батискаф приобретал отрицательную плавучесть. По окончании работ на дне с батискафа сбрасывался твердый балласт (как правило, стальная дробь), и он начинал всплывать. В глубоководных обитаемых аппаратах в качестве плавучего материала используется твердый плавучий материал синтактик, основой которого являются стеклянные микрошарики, соединенные эпоксидной смолой в единое целое. Синтактик изготавливается в виде блоков, им может придаваться различная форма при отливке. Благодаря применению синтактика ГОА имеют небольшие габариты и вес и могут транспортироваться к месту погружения на борту научно-исследовательских судов. К настоящему моменту в мире имеется всего четыре ГОА, способных погружаться на глубину 6000 м: один во Франции («Наутилус»), один в Японии («Шинкай-6,5») и два в России – «Мир-1» и «Мир-2». Рассмотрим кратко конструкцию аппаратов «Мир». Прочный корпус ГОА «Мир» сделан из стали с высоким содержанием никеля. Две полусферы, изготовленные способом литья и прошедшие механическую обработку, соединены с помощью болтов. Сфера имеет три иллюминатора: центральный, внутренним диаметром 200 мм, и два боковых, диаметром 120 мм. Иллюминаторы обеспечивают хороший обзор при работе под водой. В качестве источника энергии используются никель-кадмиевые аккумуляторы, которые заменили применявшиеся первоначально железо-никелевые. Общий энергетический запас аппарата «Мир» составляет 100 кВт/час. Аппарат имеет три балластные системы.

Система главного балласта состоит из двух емкостей, изготовленных из стеклопластика. Общая их емкость – 1500 литров. При погружении аппарата емкости заполняются водой, благодаря чему его плавучесть становится близкой к нейтральной. Дальнейшая балластировка производится с помощью системы тонкого балласта, которая позволяет регулировать плавучесть в широких пределах, давая возможность погружаться и всплывать со скоростью до 35–40 м/мин и зависать на любом горизонте в толще воды. При всплытии на поверхность емкости системы главного балласта продуваются воздухом, придавая аппарату плавучесть +1500 кг и обеспечивая нормальную ватерлинию на волне. Система тонкой балластировки состоит из трех прочных сфер – двух носовых и одной кормовой – общей емкостью 999 литров. В ходе погружения аппарата в эти сферы принимается вода, которая позволяет регулировать его плавучесть. Для придания аппарату положительной плавучести вода из прочных сфер откачивается с помощью специальных насосов высокого давления.

Таким образом, аппараты «Мир» работают полностью на водяном балласте, в отличие от зарубежных глубоководных аппаратов, которые продолжают частично использовать принципы батискафов, т. е. сброс твердого балласта в виде чугунных чушек или мешков с песком. Насосы высокого давления снабжены гидравлическими приводами. Аппараты имеют три системы гидравлики. Первая, мощностью 15 кВт, управляет основным насосом высокого давления и движительным комплексом аппарата. Энергия аккумуляторных батарей преобразуется с помощью специального инвертора в энергию переменного тока, которым питается электродвигатель – привод гидравлической помпы. Управление насосом высокого давления и движительным комплексом осуществляется через систему клапанов, расположенных снаружи в масляной коробке и управляемых пилотом изнутри обитаемой сферы. Вторая система гидравлики устроена по аналогичной схеме, но имеет меньшую мощность – 5 кВт. Она управляет всеми внешними выдвижными устройствами: манипуляторами, штангами, бункерами и т. д., дифферентным насосом, перекачивающим водяной балласт из носовых сфер в кормовую и обратно, обеспечивая тем самым нужный угол дифферента аппарата. Кроме того, вторая гидравлическая система управляет вторым насосом высокого давления, который используется как аварийный: в случае отказа основного насоса или первой системы гидравлики второй насос позволяет откачать водяной балласт и обеспечить всплытие аппарата на поверхность. Третья система гидравлики аварийная, она дает возможность осуществить сброс некоторых частей аппарата в случае возникновения аварийной ситуации. Приводом гидравлической помпы в этой системе служит электродвигатель постоянного тока, который питается напрямую от основных аккумуляторов аппарата или от аварийной батареи. Необходимо отметить, что сброс отдельных элементов аппарата в случае аварийной ситуации может производиться и от второй системы гидравлики. С аппарата «Мир» могут быть сброшены следующие элементы.

Прежде всего, это выступающие части конструкции (которыми аппарат может зацепиться на дне за тросы, кабели и т. д.): главный и боковые движители; крыло; кисти манипуляторов (в случае если что-то взято в кисть, а механизм ее разжимания не работает); аварийный буй, выходящий после отдачи от аппарата на поверхность на тонком нейлоновом тросике длиной 8000 метров; кроме того, может быть сброшен нижний аккумуляторный бокс основной батареи весом около 1000 кг. На аппаратах «Мир» имеется также система аварийного балласта (выше упомянута как третья балластная). В двух жестких стеклопластиковых контейнерах находится 300 кг никелевой дроби, удерживаемой электромагнитами, снятие напряжения с которых позволяет частично или полностью сбросить дробь и придать аппарату положительную плавучесть. Важной частью аппаратов является движительный комплекс. Главный кормовой движитель мощностью 12 кВт управляет движением в горизонтальной плоскости, обеспечивая повороты аппарата в пределах ±60°. Два боковых движителя мощностью 3,5 кВт каждый имеют поворотное устройство, которое позволяет поворачивать их в вертикальной плоскости в пределах 180°; благодаря этому возможно осуществлять вертикальное перемещение аппарата во время его движения вперед на главном движителе, а также – в горизонтальной плоскости в случае отказа главного движителя. Такое устройство комплекса обеспечивает гибкое управление аппаратом, придавая ему хорошую маневренность, что очень важно при работе у дна в условиях сложного рельефа или на донных объектах сложной конфигурации. Внутри обитаемой сферы во время погружения поддерживаются нормальное атмосферное давление и газовый состав воздуха. Система жизнеобеспечения включает кислородные баллоны с дозаторами, через которые атмосфера внутри сферы пополняется кислородом, и сборник углекислого газа со сменными кассетами, заполненными поглотителем СО 2 (обычно гидрат окиси лития или калия). Вентиляторы постоянно прогоняют воздух через поглотитель углекислого газа, а также через специальный фильтр вредных примесей, заполненный активированным углем и палладием. Таким образом осуществляется очистка атмосферы в кабине. Контроль за содержанием в ней различных компонентов производится с помощью специальных индикаторов, показывающих процентное содержание в атмосфере кислорода, двуокиси и окиси углерода. Имеются также мониторы давления, температуры и влажности внутри кабины. ГОА «Мир» оснащены современными средствами подводной навигации. Она позволяет определять точное положение аппарата под водой относительно донных гидроакустических маяков, постановка и калибровка которых осуществляется с борта судна по данным системы спутниковой навигации. Пилот может наблюдать траекторию движения аппарата под водой на дисплее, что создает несомненные удобства управления им при поисковых операциях, выходе на донные объекты и т. д. Система подводной гидроакустической связи обеспечивает беспроводную голосовую связь с судном на расстоянии до 10 миль. Гидролокационные средства позволяют вести поиск на дне мелких предметов размером до первых десятков сантиметров. Аппараты оборудованы гидрофизическими и гидрохимическими датчиками, специальными устройствами для отбора образцов и другой научной аппаратурой. Два идентичных манипулятора (правый и левый) с семью степенями свободы дают возможность отбирать различные образцы – от весьма хрупких до больших и тяжелых весом около 80 кг. ГОА «Мир» снабжены современной видеоаппаратурой для подводных видеосъемок, а также подводными фотосистемами. Аппараты оборудованы наружным свето– и радиомаяками, которые позволяют обнаруживать их на поверхности после всплытия: система радиопоиска на судне обеспечения принимает сигналы от радиомаяка и указывает направление на точку всплытия аппарата. Погружения на Северном полюсе под сплошной ледовый покров требовали специальной подготовки аппаратов «Мир»: модернизации некоторых систем, разработки нового оборудования, которое обеспечило бы выход ГОА из-под ледовой крыши в небольшую полынью на поверхности океана.