Юрий Берков

Мой подводный мир

Шрифты предоставлены компанией «ПараТайп»

© Юрий Берков, 2018

Книга предназначена для любителей подводной экзотики, инженеров-конструкторов подводной техники для спасания и судоподъёма с больших глубин, транспортировки грузов под водой. В книге представлены разработки автора и перспективы дальнейшего развития этих направлений.

Технические идеи в ней сопровождаются увлекательными рассказами из жизни водолазов-дайверов в недалёком будущем.

Книга может быть полезна студентам технических вузов, профессиональным водолазам-спасателям и дайверам.

18+

ISBN 978-5-4493-9910-6

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Оглавление

1. Мой подводный мир
2. Юрий Берков
3. Мой подводный мир
4. Предисловие
5. Введение
6. Глава 1. Основы водолазного дела
   1. Физиология водолазных спусков
   2. 1.2. Дыхательные аппараты
   3. 1.2.1. АКВАЛАНГ
   4. 1.2.2. ДЫХАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА
   5. ДЫХАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ ПОЛУЗАМКНУТОГО ЦИКЛА
   6. Рис. 10. Устройство аппарата МК-6
   7. 1.2.3. ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ВОДОЛАЗНЫХ СПУСКОВ
7. Глава 2. Человек в океане
   1. (рассказы и повести)
   2. 2.1. Океанариум
   3. 2.2. Экскурсия
   4. 2.3. Во Флориду
   5. 2.4. Водные забавы
   6. 2.5. Человек в океане
   7. 2.6. Подводная одиссея
   8. «Стив — дайвер»
   9. В подводном доме
   10. Подводные приключения
   11. Подводная охота
   12. Декомпрессия
   13. 2.7. Аттракционы
8. Глава 3. Подводная техника и технологии
   1. 3.1. Буксировщики водолаза
   2. 3.1.1. Сверхмалый буксировщик водолаза с плавниковым движителем
   3. Кинематическая схема буксировщика
   4. 3.1.2. Лёгкий маневренный буксировщик для дайверов
   5. 3.1.3. Средний буксировщик для дайвинга
   6. 3.1.4. Тяжёлый буксировщик водолаза для подводных работ
   7. 3.2. Подводный танкер
   8. 3.3. Подводные суда ледового класса
   9. 3.3.1. Подводный танкер ледового класса
   10. 3.3.2. Подводный сухогруз ледового класса
   11. 3.4. Мягкие ёмкости для перевозки жидких грузов
   12. 3.5. Гальюнное устройство водолаза
   13. 3.6. Система судоподъёма с больших глубин
   14. 3.7. Мягкая подводная база
   15. 3.8. Носители водолазов
   16. 3.8.1. Носители водолазов типа «С»
   17. 3.8.2. Носители водолазов типа «М»
   18. 3.8.3. Транспортировщики типа «Т»
9. Заключение

Юрий Берков

Мой подводный мир

2018 г.

Книга предназначена для любителей подводной экзотики (туризма, спорта, охоты), инженеров-конструкторов подводной техники для спасания и судоподъёма с больших глубин, транспортировки грузов под водой. В книге представлены разработки автора в указанных областях и перспективы дальнейшего развития этих направлений.

Технические идеи в ней сопровождаются увлекательными рассказами и повестями из жизни водолазов-дайверов в недалёком будущем.

Книга может быть полезна студентам технических ВУЗ-ов, профессиональным водолазам-спасателям и дайверам.

Предисловие

Зачем человек стремиться под воду, в эту враждебную ему, чуждую среду? Для этого есть несколько причин.

Во-первых, это любопытство, желание увидеть новый, незнакомый ему мир полный новых животных и растений, новых красок и подводных ландшафтов.

Во-вторых, это желание познать чувство невесомости, чувство полёта над земной поверхностью, чувство полной свободы передвижения во всех направлениях. Под водой человек чувствует себя в гидрокосмосе. Даже полный, тучный господин сможет почувствовать желанную свободу от своей земной тяжести.

Кроме того, это чисто спортивные водолазные погружения (дайвинг). Это желание укрепить своё здоровье, потренировать и закалить своё тело, занимаясь подводным плаванием, подводной охотой.

В-третьих, существуют и научные задачи в подводной среде по ихтиологии, геологии, ботанике, зоологии, археологии, экологии, спелеологии.

И, наконец, это народнохозяйственные задачи:

— поиск затонувших предметов;

— спасательные и судоподъёмные работы;

— подводные инженерные работы при строительстве мостов, пирсов, прокладке подводных кабелей и трубопроводов;

— транспортировка грузов.

А также задачи военные.

Впрочем, военные задачи выходят за рамки настоящей книги.

Как следствие изложенного, водолазное дело с каждым годом всё прочнее входит в нашу повседневную жизнь. Это требует развития и совершенствования, как самого водолазного снаряжения, так и средств передвижения человека под водой, средств поиска, спасания и судоподъёма, транспортировки грузов под водой.

За последние годы в мире немало сделано для развития средств освоения океана. Наша страна тоже имеет заслуги в этом направлении. Именно у нас в 1990 году впервые достигнута глубина погружения водолазов 500м. Именно наши акванавты жили и выполняли работы под водой на предельных глубинах в барокамерах в течение 32-х суток. Только у нас в России построено спасательное судно «Игорь Белоусов», обеспечивающее длительные работы водолазов на глубинах до 450м.

Но решены далеко ещё не все задачи. Именно на них я и хочу остановиться в своей книге.

Введение

Пытливый ум человека в течение многих сто­летий старался проникнуть в глубь моря и рас­крыть его тайны. Еще Аристотель за 300 лет до нашей эры пытался увидеть, что делается в мор­ской глубине. В XVII веке в море опустился немецкий физик Штурм. В XVIII веке совершил погружение в подводном колоколе английский физик и астроном Галлей. Однако до середины XIX века никому не удавалось узнать, что делается даже на такой небольшой глубине, как 50 метров.

Сотни лет человеческая фантазия населяла глубины морей различными мифическими существами и сказочными живот­ными, гигантскими мор­скими драконами и змеями, громадными спрутами, обладав­шими силой, достаточной, чтобы утащить в глубину парусное судно…

Вплоть до начала XX века ученым удавалось получать лишь самые незначительные и отрывочные сведения о наи­больших глубинах океана Оценивая результаты этих ранних работ, следует учитывать, что в те времена изучение глубин морей и океанов еще не было связано с интересами промысла, а равным образом — и с запросами науки. Но главная причина, тормозившая покорение глубин, заклю­чалась в том, что без целого арсенала всевозможных приспо­соблений, приборов и механизмов, которые принесла техника последних десятилетий, без специально приспособленных и оборудованных кораблей, снабженных сложной аппаратурой, человек был бессилен и не мог проникнуть в глубь океана, хотя с древнейших времен бороздил его поверхность на судах.

Море ревниво берегло тайны своих глубин.

Только с помощью современного водолазного снаряжения, батискафов, глубоководных самоходных подводных аппара­тов, а также тралов, телекамер, эхолотов и гидролокаторов человек преодолел многие трудности и в настоящее время достиг значительных успехов в изучении глубоководного мира.

Благодаря новейшим достижениям науки человеку уда­лось достичь дна глубочайших океанских впадин.

Многочисленными морскими экспедициями сделано много выдаю­щихся открытий: промерены глубины ряда районов океана, обнаружено, промерено и нанесено на карты большое число ранее неизвестных подводных гор и вулканов, а также под­водных хребтов и глубоководных желобов. Дно океана заснято на сотнях фотографий, давших, например, возможность под­считать количество железо-марганцевых конкреций и изучить условия их формирования. На больших океанских глубинах обнаружены сотни видов неизвестных науке животных. Обнаружена фауна самых больших глубин, названная ультраабиссальной, сохра­нившая черты древности и примитивности.

В Атлантическом и Индийском океанах установлено нали­чие экваториального подповерхностного противо-течения типа течения Кромвелла В разных местах океана обнаружены глу­бинные течения большой скорости. Составлены карты коли­чественного распределения в океане первичной продукции, планктона и бентоса

Проникновение в глубины океана — одна из наиболее увлекательных и многообещающих проблем современности. По научному и практическому значению она не только не уступает задаче овладения космосом, но и во многом ее пре­восходит.

Общее отставание науки об океане в прошлом и возникно­вение сегодня разнообразных научных и практических проб­лем обусловили необычайно быстрые темпы развитая совре­менной океанографии. Такое стремительное развитие интереса к морям и океанам вызвано не только практическими потреб­ностями. Многие современные науки — такие, как геология, геофизика, палеогеография, геохимия, палеоклиматология, био­логия — ищут в глубинах океана решение важнейших узловых проблем. Если, например, расшифровать особенности толщи отложений океанского дна, перед нами откроется вся история Земли за время существования океана.

Человека увлекает идея овладения минеральными, хими­ческими и биологическими ресурсами океана и разумной их эксплуатации. В водах океана растворены огромные химиче­ские ресурсы. Они буквально баснословны! Достаточно ска­зать, что в водах морей и океанов растворено несколько мил­лиардов тонн золота в десять раз больше серебра тория и молибдена в тысячи раз больше йода. Как это богатство из­влечь? Все эти вещества растворены в морской воде в малых концентрациях. Но примечательно, что многие обитатели моря обладают изумительной способностью поглощать и концентри­ровать в своем организме в огромных дозах определенные химические элементы, растворенные в морской воде в нич­тожной концентрации. Так, йод, который почти невозможно обнаружить в морской воде обыкновенным химическим ана­лизом, морские водоросли и некоторые животные накапли­вают в тысячи и сотни тысяч раз больше, чем его содержится в окружающей их воде. Другие организмы концентрируют радий, молибден, железо, медь, ванадий и иные элементы. Человеку предстоит раскрыть этот биохимический секрет мор­ских растений и животных и воспользоваться им. Этому ме­тоду принадлежит будущее.

Дно океана — это также почти незатронутый тайник со­кровищ в котором хранятся огромные запасы минерального сырья, очевидно, во много раз превышающие то, что дает суша. Под слоем донных осадков лежит тонкая подокеанская земная кора толщиной всего 5—6 километров (вместо 30—40 на суше). Именно здесь легче пробурить кору и добраться до верхней мантии Земли — этой первичной материнской основы большинства рудных ископаемых. Проблема верхней ман­тии — одна из важнейших проблем геологии. Решить ее — значит дать основу овладения человеком минеральными ре­сурсами, более мощными, чем имеющиеся в материковых массивах. Например, мировые запасы ценнейшего металла — кобальта — на суше определяются в один миллион тонн, а количество его, сосредоточенное только в железо-марганце­вых конкрециях дна океана, составляет миллиарды тонн.

Морской рыбный промысел — одна из наиболее древних форм добывания пищи. В настоящее время промысловые суда бороздят не только прибрежные воды, они уходят все далее в открытые просторы морей и океанов, но до сих пор, как и в древности, рыбный промысел остается охотой. Перед угрозой истощения природных ресурсов возникла неотложная задача перехода от промысла к разумно построенному хозяй­ству. Необходимо создавать подводные фермы, направленные не только на сохранение морских ресурсов, но и на их увеличение. Проводить мероприятия по борьбе с хищническим использованием морепродуктов, по охране во время их размножения, по акклиматизации и рыборазведению. Имеется уже немало примеров перехода в отдельных слу­чаях на культурные формы хозяйства. Все более широкий размах приобретает рыборазведение. В Китае и Японии искус­ственное разведение жемчуга и морских водорослей приняло характер хорошо поставленного хозяйства. Устричное хозяй­ство, а частично и мидиевое — теперь уже хорошо освоенная форма морского хозяйства. Достигнуты успехи и в акклима­тизации морских животных: тихоокеанские лососи пересажены в южное полушарие, кормовые беспозвоночные — в Каспийское море, съедобные моллюски — из одних частей океана в другие и т. д.

Но не только рыбой богаты моря и океаны. Моря хранят неисчислимые запасы растительного и животного сырья в виде водорослей и различных беспозвоночных — моллюсков, ракообразных, червей и особенно планктона, способного очень быстро размножаться. Это неистощимый источник не только пищевого, но и технического, химического и медицинского сырья.

Но каковы бы ни были формы использования ресурсов океана, для овладения ими в будущем обязательно необходимо развитие подводной техники. Именно ей посвящено основное содер­жание этой книги.

Автор попытался совместить в ней свои технические идеи (изобретения) с рассказами об их применении в недалёком будущем. Однако для понимания этих идей, вначале необходимо познакомить читателя с физиологией водолазных спусков и устройством водолазного снаряжения.

Глава 1. Основы водолазного дела

Физиология водолазных спусков

Ткани человеческого организма состоят из мельчайших клеток с жидким содержимым, на 80% состоящим из воды. При давлении, соответствующем глубинам, доступным для водолаза в мягком скафандре, вода, а следовательно, и клетки тела, практически несжимаемы.

Известно, что давление измеряют в метрах водяного столба, причем с достаточной точностью можно считать, что давле­ние, создаваемое столбом воды высотой 10 м, равно давле­нию в одну атмосферу — 1 атм (или 1 кг/см²)

При погружении человека под воду на него, кроме воды, будет давить и атмосфера, т. е. воздух давлением в 1 атм. Таким образом, абсолютное давле­ние (ата) под водой на глубине 10 м будет равно 2 ата (2 кг/см²), на глубине 20 м — 3 ата и т. д.

Благодаря малой сжимаемости жидкости механическое действие давления воды на ткани человеческого тела не так уж опасно. Установлено, что механическое давление воды мо­жет привести к расстройству жизнедеятельности клеток орга­низма человека только примерно при 300 — 400 ата, что со­ответствует погружению на глубины 3 — 4 км.

В самом деле, рыбы и другие животные встречаются на всех глубинах Мирового океана, даже в Марианской в падине, глубина которой достигает 11 км. Правда, это особые глубоко­водные животные, рождающиеся на этих глубинах, но их организмы также состоят из клеток, сходных с клетками на­земных животных.

Американец Вильям Биби, опустившийся в батисфере на 923 м, видел на этой глубине обыкновенного кита; французы Гуо и Вильм на глубине 4000 м обнаружили белоглазых акул, а Жак Пикар и Дон Уолш на глубине 10919 метров видели креветку и рыбу.

Но если для человека не опасно давление, сжимающее части тела, не имеющие пустот, то сжатие полостей, заполнен­ных газами или воздухом, может привести к неприятным по­следствиям. При площади подвижной части грудной клетки и живота, равной у человека среднего роста 3000 см², уже на глубине 1 м эти органы подвергаются давлению 3300 кг. Не следует забывать, что нормально, на поверхности, на эти органы уже действует нагрузка 3000 кг (которую, кстати, мы не ощущаем).

Для уравновешивания этой сжимающей внешней силы в легкие водолаза подается воздух под давлением, равным давлению окружающей среды; благодаря такому выравнива­нию давлений изнутри и снаружи сжатие будут испытывать только стенки грудной клетки.

Хуже обстоит дело при сжатии воздуха, заполняющего среднее ухо и лобные пазухи. При быстром нарастании дав­ления происходит вдавливание барабанных перепонок и мо­жет вызвать их разрыв. Поэтому водолазу при спуске необ­ходимо делать глотательные движения или зажимать нос и надуваться; при этом сокра­щаются мышцы, раскрывающие устья евстахиевых труб*, и происходит выравнивание давления. При работе водолаза на постоянной глубине давление в среднем ухе становится равным наружному. При быстром подъеме, когда барабан­ные перепонки будут растягиваться в сторону слухового про­хода, выравнивание давления достигается тем же способом, что и при погружении.

Вообще, подъем водолаза с глубины может привести к не­приятным последствиям. При быстром подъеме водолаз может заболеть кессонной болезнью. Дело в том, что с увеличе­нием глубины погружения увеличивается весовое количество воздуха, вдыхаемое водолазом за один вдох.

* Евстахиевы трубы — это узкие каналы, соединяющие носоглотку со средним ухом.

Это следствие закона Бойля — Мариотта, по которому удельный вес газа прямо пропорционален давлению.

Одновременно увеличи­вается растворимость воздуха в крови. Кровь разносит воздух из легких по всему телу, постепенно насыщая все ткани га­зами в большем количестве, чем при атмосферном давлении. Степень такого насыщения тканей газами зависит от глубины спуска, от времени пребывания под водой и от характера ра­бот водолаза; различные ткани человеческого организма насы­щаются газами неодинаково.

При подъеме водолаза происходит выделение избыточного воздуха через легкие. При быстром подъеме пузырьки воз­духа, состоящие главным образом из азота (примесь кисло­рода и углекислоты незначительна), выделяются прямо в кровь (как в стакане с газированной водой); крупные пузырьки могут закупорить кровеносные сосуды и нарушить кровообращение отдельных частей орга­низма. Кроме того, увеличение общего объема крови вслед­ствие насыщения ее газовыми пузырьками может вызвать в разных частях тела растяжение и разрыв мелких кро­веносных сосудов. Симптомы кессонной болезни таковы: головокружение, боли в суставах и мышцах, кожный зуд. В тяжелых случаях могут наступать параличи отдельных органов.

Но оказывается, что кессонную болезнь можно предупре­дить: чтобы выделение азота из крови не было столь бурным, подъем водолаза следует производить с остановками (для декомпрессии). Продол­жительность и глубины остановок определяют по специаль­ным таблицам.

Следует напомнить, что киты тоже дышат атмосферным воздухом; ныряя, они быстро меняют глубину и, конечно, не делают остановок для декомпрессии. Однако киты не болеют кессонной болезнью. Объясняется это тем, что киты под водой не вдыхают сжатый воздух, а пользуются запасом воздуха в легких, который они вдохнули на поверхности; их кровь и ткани не перенасы­щаются воздухом, а следовательно, отсутствует и причина, вы­зывающая кессонную болезнь.

Вредное действие азота не ограничивается кессонной бо­лезнью. При спуске водолаза, начиная с глубин 40 -50 м азот вызывает опьянение. Доказано, что азот при повышенном давлении является наркотиком. Изобретатель акваланга француз Жак Ив Кусто пишет, что уже с глубины 30 м он начинает чувствовать головокружение, после которого наступает вялость и сонли­вость. У некоторых людей азотное опьянение вызывает приступ весёлости, двигательной активности. Сильное азотное опьянение может вызвать обмо­рочное состояние и привести к гибели.

Чтобы избавиться от вредных последствий вдыхания азота, казалось бы, следовало исключить его из состава воз­духа, подаваемого водолазу, т. е. подавать чистый кислород, действительно необходимый для дыхания. Но, оказывается, организм человека не приспособлен к длительному вдыханию чистого кислорода. Продолжительное его вдыхание (более 2-х суток) даже при атмосферном давлении может вызвать заболевание воспале­нием легких. При абсолютном же давлении 3 ата (глубина 20 м) кислород ядовит. У водолаза, пользующегося кислородным прибором, при спуске на глубину более 20 м могут возникнуть судороги через 5 — 10 мин.

Все перечисленные препятствия к достижению больших глубин при достаточной тренировке, хорошем здоровье и со­блюдении правил спуска и подъема в какой-то мере преодо­лимы. Пожалуй, самым серьезным препятствием следует счи­тать трудность газообмена в легких при дыхании газовыми смесями, сжатыми под большим давлением. Так, на глубине погружения 150м удельный вес воздуха в 16 раз больше атмосферного. При такой плотности воздух с большим трудом протекает через узкие легочные пути. Пожалуй, выражение «нужен, как воздух», уже не подходит для водолазов, рабо­тающих на больших глубинах, где нужна газовая смесь, не имеющая тех свойств воздуха, которые вредно действуют на организм водолаза.

В годы второй мировой войны было применено оборудова­ние, позволяющее водолазу опускаться в мягком скафандре на глубину до 180 м. Достижению такой глубины способство­вало главным образом применение для дыхания гелиевокис­лородных смесей. В этих смесях гелий заменяет азот воздуха. Гелий — очень лёгкий нейтральный газ без цвета, запаха и вкуса. Благо­даря тому, что гелий диффундирует быстрее и менее раство­рим в крови, он более приемлем для дыхания, хотя не избав­ляет от опасности кессонной болезни.

Нужно отметить, что гелием разбавляют кислород для того, чтобы понизить его парциальное давление (парциальное давление газа равно произведению давления смеси на про­центное содержание газа в смеси). Как уже упоминалось кислород при абсолютном давлении свыше 3 ата ядовит, по­этому процентное содержание кислорода в гелиево-кислород­ной смеси должно быть таким, чтобы его парциальное давле­ние не превышало опасного предела. Так на глубине 200 м его содержание в гелиево-кислородной смеси должно составлять 1 — 2%.

Но гелий под высоким давлением тоже насыщает кровь человека и подъём с большой глубины требует длительной декомпрессии. Время подъёма с больших глубин зависит от длительности пребывания на них и может составлять от нескольких часов, до нескольких суток. Всё это время водолазы проводят в барокамерах, давление в которых постепенно снижают. Меняют и состав газовых смесей. За этим следят врачи-физиологи. Ошибки в режимах декомпрессии недопустимы, поскольку могут привести к декомпрессионной болезни и даже к летальному исходу для водолазов. Поэтому спуски на большие глубины достаточно сложны, дороги, опасны и неудобны. Всё это тормозит дальнейшее увеличение глубины погружения водолазов свыше 500 м. Так есть ли выход из этой ситуации? Сможет ли человек преодолеть 500 метровый барьер глубины?

Оказывается есть! Это отказ от применения газовых смесей и переход на жидкостное дыхание.

Жидкостное дыхание предполагает заполнение лёгких жидкостью, насыщенной растворённым в ней кислородом, который проникает в кровь. Наиболее подходящими веществами для этой цели рассматриваются перфторуглеродные соединения, хорошо растворяющие кислород и углекислый газ, имеющие низкое поверхностное натяжение, высокоинертные, и не метаболизирующиеся в организме.

Все это похоже на фантастический сюжет знаменитого фильма «Бездна», где на огромную глубину человек смог спуститься в скафандре, шлем которого был заполнен жидкостью. Ею подводник и дышал. Теперь это уже не фантастика.

Мало кто знает, что опыты по жидкостному дыханию на людях в нашей стране уже проводились и дали потрясающие результаты. Акванавты дышали жидкостью на глубине в полкилометра и больше. Вот только народ о своих героях так и не узнал.

Жидкостное дыхание применимо и в космосе. Чтобы космонавту выдержать перегрузки в сотни G достаточно погрузить его в жидкость. Тогда перегрузки превратятся в давление. Тут то и пригодится жидкостное дыхание.

А ещё жидкостное дыхание можно применить в театре. Представьте себе гигантский аквариум, в котором люди плавают как рыбы. Какие можно придумать сюжеты! И про подводную жизнь, и про космос (жизнь в невесомости), и на религиозные темы (жизнь на небесах).

И всё это осуществимо!

1.2. Дыхательные аппараты

1.2.1. АКВАЛАНГ

Многие из Вас, вероятно, видели очень интересные научно-попу­лярные кинофильмы «Голубой кон­тинент», «В мире безмолвия», «Мир без солнца» и художественный фильм «Человек-амфибия». Нельзя не восхищаться изумительными красками подводного мира, бесконечным разнообразием его обитателей и — особенно — той непринужденностью, с которой двигаются под водой люди. Проникнуть в этот таинственный мир, сделать его доступ­ным для любого человека, умеющего плавать, помогли аква­ланги.

Акваланги относятся к легким водолазным аппаратам, позволяющим тренированному чело­веку опускаться на глубину 40 — 50 м, но рекордсмены по по­гружениям на большие глубины — французы Кусто и Дюма — опускались с ними на глубину около 100 м. Прогулки же на глубинах 10 — 20 м доступны каждому человеку, снабженному аквалангом.

Пловец с аквалангом имеет возможность своими глазами увидеть подводный мир и запечатлеть его на камеру, может охотиться на рыб и морских животных, стреляя гарпунами из специальных пневматических или пружинных ружей.

Акваланги получили самое широкое распространение среди дайверов. Кроме того, выпускается множество приспособлений, позволяющих человеку чувствовать себя на глубине как «рыба в воде»: Сухие и мокрые гидрокостюмы для пребывания в холодной воде, ласты для ног, увеличивающие скорость плавания, разнообразные шлемы и маски, герме­тичные фото и кинокамеры, глубиномеры, компасы и часы, различные ружья и пистолеты.

Число подводных охотников в тёплых южных морях уже настолько велико, что они начинают мешать судо-ходству. В связи с этим вдоль Средиземноморского побе­режья Франции пришлось выделить зоны, лишь в пре­делах которых разрешена охота с аквалангами.

Причину популярности ак­валанга нетрудно понять — она заключается в его простоте и до­ступности. Ак­валанг может приобрести каждый; он прост в изготов­лении и поэтому сравнитель­но дешев. Обслуживание ак­валангов также не сложно — оно заключается в заполне­нии баллонов сжатым возду­хом, что можно сделать руч­ным или электрическим ком­прессором.

Однако прототип современного акваланга был создан не для научных исследований и не для спорта: недаром он по­явился в 1943 г., когда шла война и гибли сотни английских, американских, немецких и других кораблей и транспортных судов. Изобретатели акваланга — французские моряки Жак Ив Кусто и Фредерик Дюма — очень много работали, помогая поднимать затонувшие суда. Ими была создана специальная школа по подготовке военных водолазов-аквалангистов. Не­обходимость работы на все больших глубинах заставила изо­бретателей непрерывно совершенствовать акваланг.

После войны Кусто и его товарищам удалось снарядить экспедицию на судне Калипсо. Летом 1952 г. их экспедиции повезло. Обследуя дно в окрестностях Марселя, один из водо­лазов случайно обнаружил на дне какие-то горшки. Это были амфоры — сосуды, в которых древние греки хранили вино и масло. Оказалось, что водолазы нашли древнегреческое судно, пролежавшее на дне две тысячи лет. Его полностью засосало илом. Чтобы освободить находку из песчаного плена, пришлось размывать ил водой, для чего была установлена специальная насосная станция. Насосы под большим напором подавали воду в шланги, направляемые водолазами. В ре­зультате упорного труда ил был размыт, и множество амфор и других очень интересных находок было поднято на по­верхность.

Известная по фильму «Голубой континент» итальянская экспедиция в Красном море поставила целью изучение хищ­ных рыб, которыми это море особенно богато. В об­щей сложности водолазы провели под водой 10000 часов, по­гружаясь на глубины 40 — 50 м. Они изучали повадки рыб, исем мире по фильму «В мире безмолвия». Невольно вспоми­наются слова одного из первых энтузиастов подводных путе­шествий Вильяма Биби: «Читатель, искренно советую тебе: если у тебя есть хоть малейшая возможность, добудь себе водолазное снаряжение, купи его, займи у кого-нибудь, ну хоть укради, если на то пошло, и опустись на дно океана, чтобы хоть раз в жизни собственными глазами увидеть эту картину»…

На рисунке 1 показано устройство акваланга, а его принципиальная схема на рис. 2. Необходимый запас воздуха под давлением 150 — 200 кг/см² накачивают в баллоны (например, емкостью 7 л каждый). Зарядка балло­нов производится через специальный штуцер и невозвратный клапан. При открытии запорного клапана воздух из баллонов по­ступает в редукционный клапан, снижающий его давление до 7 атм. Давление за редукционным клапаном можно изме­нять, регулируя затяжку его пружины. Далее воздух посту­пает в дыхательный автомат (иногда его называют «лёгочный автомат»), который на любой глубине уравно­вешивает давление вдыхаемого воздуха с давлением воды. Дыхательный автомат как бы дублирует работу легких. При вдохе во внутренней полости автомата давление понижается, и на­ружные стенки «легких» прогибаются, нажимая на рычаги, открывающие клапан, и в лег­кие поступает новая порция воз­духа; по достижении в них дав­ления, равного внешнему, стенки мембраны выпрямляются и клапан закрывается.

При выдохе воздуха давление в автомате выше наружного и клапан впуска закрыт.

Из дыхательного (или лёгочного) автомата вды­хаемый воздух поступает в тройник — клапанную коробку. Выдыхаемый воздух через невозвратный клапан вы­доха, выходит наружу. Тре­тий патрубок тройника имеет трубку, с помощью которой, плавая у поверхности, можно дышать атмосферным воздухом, не расходуя воздуха из балло­нов. Для перехода на атмосфер­ный воздух имеется специаль­ный переключатель.

Впрочем, имеются и другие конструкции аквалангов; объем и количество воздушных баллонов также могут быть разными. Существуют, например, акваланги с одним или тремя баллонами. Давление в баллонах тоже разное. Есть баллоны на 150 и 200 атм. В последнее время появились баллоны на 300 и 400 атм.

Маски также бывают различ­ного типа: иногда герметизируют только область глаз (очки) причем на нос ставят зажим. Или герметизируют глаза и нос (полумаска), а вдох осуществляют через загубник. Имеются маски, полностью закрывающие лицо (полнолицевые с загубником или обтюратором для дыхания). Тогда к маске прикрепляется клапанная коробка. Но при всем разнообразии конструкций аквалангов сохраняется дыхательный автомат, или «подводные легкие», давшие название всему аппарату.

В самом деле, если бы не было дыхательного автомата, автоматически подающего воздух в легкие всегда в необходимом количестве и под нужным давлением, не было бы и аппарата, превра­щающего человека в амфибию. Вид современного акваланга представлен на рис. 3.

Казалось бы всё прекрасно! Живи и радуйся человек, способный плавать под водой как рыба. Но нет! Есть у акваланга и недостатки.

Главный недостаток — это открытая схема дыхания, при которой выдох водолаза производится в воду и сопровождается многочисленными пузырями. Это приводит к быстрому расходу воздуха, особенно на больших глубинах, когда воздух сжат, а лёгкие потребляют его в том же количестве, что и на поверхности. При минимальной физической нагрузке (в покое) объём лёгочной вентиляции водолаза обычно составляет 20 — 25 л/мин, а в случае повышения физической нагрузки (быстром плавании, например), объём лёгочной вентиляции возрастает, и может достигнуть 100 — 120 л/мин. Поэтому время пребывания водолаза под водой на малых глубинах при небольшой нагрузке обычно составляет 40 — 60 мин, а на глубинах 30 — 40 м — 20 мин и менее.

Кроме того, в акваланге кислород воздуха расходуется крайне не эффективно. Если во вдыхаемом из баллона воздухе содержится 21% кислорода, то в выдыхаемом он равен 18%. Т.е. расходуется всего 3% кислорода.

А ещё следует учесть, что воздух, заряжаемый в баллоны, должен быть абсолютно чистым, без примесей дыма и выхлопных газов. Потому, что последние на глубине, под давлением гораздо более токсичны, чем на поверхности. Поэтому иногда приходится ставить специальные фильтры для очистки воздуха, закачиваемого в баллоны.

Всё это заставило инженеров задуматься, а как повысить к. п. д. дыхательного аппарата? Как заставить его более экономно расходовать воздух и кислород? Как избежать закачки грязного воздуха? Для этого и были созданы дыхательные аппараты замкнутого и полузамкнутого циклов.

1.2.2. ДЫХАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА

За рубежом дыхательные аппараты замкнутого цикла называют ребризерами. Ребризер (от англ. Re — приставка, обозначающая повторение какого-либо действия, и англ. Breath — дыхание, вдох) — дыхательный аппарат, в котором углекислый газ, выделяющийся в процессе дыхания, поглощается химическим составом (химпоглотителем), затем смесь обогащается кислородом и подаётся на вдох. Русское название ребризера — изолирующий дыхательный аппарат (ИДА).

Первый такой аппарат был создан и применен британским изобретателем Генри Флюссом в середине XIX века при работе в затопленной шахте (значительно раньше акваланга). Кислородный ребризер замкнутого цикла имеет все основные детали, характерные для ребризера любого типа: дыхательный мешок, коробка с химпоглотителем (ХПИ), дыхательные шланги с клапанной коробкой, байпасный клапан (ручной) или дыхательный автомат, травящий клапан и баллон с редуктором высокого давления.

Принцип работы следующий: кислород из дыхательного мешка поступает через невозвратный клапан в легкие водолаза, оттуда, через другой невозвратный клапан кислород и образовавшийся при дыхании углекислый газ попадает в коробку с ХПИ, где углекислый газ связывается натриевой известью, а оставшийся кислород возвращается в дыхательный мешок. Кислород, заменяющий потребленный водолазом, подается в дыхательный мешок дыхательным автоматом, или байпасом, когда мешок сжимается при вдохе.

При погружении обжим дыхательного мешка компенсируется либо за счет срабатывания дыхательного автомата, либо с помощью ручного байпаса, управляемого самим водолазом. Надо заметить, что, несмотря на название «замкнутый», любой ребризер замкнутого цикла выпускает через травящий клапан пузырьки дыхательного газа во время всплытия. Чтобы избавиться от пузырей, на травящие клапаны устанавливают колпачки из мелкой сетки или поролона. Это простое устройство весьма эффективно и снижает диаметр пузырьков до 0,5 мм. Такие пузырьки полностью растворяются в воде уже через полметра и не демаскируют водолаза на поверхности.

Принципиальная схема аппарата замкнутого цикла приведена на рис. 4.

Впускной клапан на данной схеме и есть дыхательный автомат, который подаёт кислород в дыхательный мешок. Перепускной вентиль служит для прямого наполнения дыхательного мешка в обход редуктора, когда кислород заканчивается (типа байпаса).

Ограничения, присущие кислородным ребризерам замкнутого цикла, обусловлены в первую очередь тем, что в данных аппаратах применяется чистый кислород, парциальное давление которого и является ограничивающим фактором по глубине погружения. Так, в теплой воде при минимальной физической нагрузке. В военно-морском флоте НАТО такой предел составляет 12 метров, а в ВМФ России — 20 метров.

В России в 1973 г. был создан дыхательный аппарат ИДА-71, которым пользовались военные. Для выработки кислорода в нём использовалось вещество О₃. Это аналог пластин ВПВ, которые используются в регенеративных патронах для выработки кислорода на подводных лодках, только здесь оно засыпается в регенеративную коробку в виде гранул (за рубежом это вещество не выпускается). Кислородный баллон малой ёмкости — 1,3 л был необходим только для заполнения дыхательного мешка при погружении. Поскольку это кратковременный режим, а основной режим — плавание на постоянной глубине, то работало в основном вещество О₃, которого хватало на 5 — 6 часов плавания (в зависимости от температуры воды). Принципиальная схема дыхательного аппарата ИДА-71 приведена на рис. 5.

К ИДА-71 мог также подключаться дополнительный баллон, ёмкостью 1,3 л, с 40% азотно-кислородной смесью, который крепился на бедре водолаза. Он позволял водолазу работать на глубине до 40 м.

Баллон подключался и отключался автоматически, когда глубина достигала 18 — 20 м. После чего водолаз делал трёхкратную промывку дыхательного мешка и лёгких.

Аппарат имеет две дыхательные коробки — одна с веществом ХПИ, другая с О₃. Однако в холодной воде (около 0 градусов) вещество ХПИ и О₃ работают плохо (их надо предварительно «раздышать»). Поэтому водолазы часто обе дыхательные коробки заполняли веществом О_3. Оно тоже хорошо поглощает углекислый газ и увеличивает время работы аппарата. Внешний вид ИДА-71У, с полумаской и клапанной коробкой приведён на рис. 6.

Аппарат выпускался с магнитным (стальным) и немагнитным (дюралюминиевым) кислородным баллоном. Немагнитный вариант нужен был инженерным войскам при разминировании участка побережья для высадки десанта.

Дыхательный аппарат ИДА-71 до сих пор является лучшим в мире по продолжительности пла-вания. За рубежом в подобных аппаратах с замкнутым циклом не применяют вещество О₃ для выработки кислорода. Оно считается опасным, поскольку при попадании воды, образует щёлочь и может вызвать химический ожёг лёгких. Вместо него используют баллон с кислородом ёмкостью 5 л и дыхательный автомат для его автоматической подачи.

Чтобы водолаз не испытывал затруднения дыхания (вызванное нехваткой объёма воздуха в дыхательном мешке, которая и включает дыхательный автомат) было решено осуществлять постоянную подачу кислорода через калиброванную дюзу со скоростью 1 — 1,5 литра в минуту. Этого хватает при малой физической нагрузке водолаза. Мешок при этом раздут и сопротивление дыханию минимальное. Травящий (предохранительный) клапан мешка постоянно выпускает мелкие пузырьки газа. При увеличении нагрузки периодически срабатывает дыхательный автомат, компенсируя нехватку кислорода. Такие дыхательные аппараты получили название полузамкнутые. На них мы остановимся ниже.

В последние годы в США стали выпускать дыхательные аппараты замкнутого цикла с электронным управлением составом дыхательной смеси. Внешний вид ИДА с электронным управлением представлен на рис. 7.

Впервые такой аппарат был изобретен Вальтером Старком и назывался Electrolung. Принцип функционирования состоит в том, что нейтральный газ (азот или гелий) подается ручным или автоматическим байпасным клапаном для компенсации обжима дыхательного мешка при погружении, а кислород подается с помощью электромагнитного клапана, управляемого микропроцессором. Микропроцессор опрашивает 3 кислородных датчика, сравнивает их показания и, усредняя два ближайших, выдает сигнал на соленоидный клапан. Показания третьего датчика, отличающиеся от двух других сильнее всего — игнорируются. Обычно соленоидный клапан срабатывает раз в 3—6 секунд в зависимости от потребления водолазом кислорода.

Погружение выглядит примерно так: водолаз вводит в микропроцессор два значения парциального давления кислорода, которые электроника будет поддерживать на разных этапах погружения. Обычно это 0,7 ата для выхода с поверхности на рабочую глубину и 1,3 ата для нахождения на глубине, прохождения декомпрессии и всплытия до 3-х метров. Переключение осуществляется тумблером на консоли ребризера. В процессе погружения водолаз обязан контролировать работу микропроцессора для выявления возможных проблем с электроникой и датчиками.

Конструктивно ребризеры замкнутого цикла с электронным управлением практически не имеют ограничений по глубине и реальная глубина, на которой возможно их использование, обусловлена в основном погрешностью кислородных датчиков и прочностью корпуса микропроцессора. Обычно предельная глубина составляет 150 — 200 метров. Других ограничений электронные ребризёры замкнутого цикла не имеют.

Основным недостатком этих ребризёров, существенно ограничивающим их распространение является высокая цена самого аппарата и расходных материалов. Важно помнить, что обычные компьютеры и декомпрессионные таблицы не подходят для погружений с электронными ребризерами, поскольку парциальное давление кислорода остается неизменным на протяжении практически всего погружения. С ребризерами такого типа должны использоваться либо специальные компьютеры (VR-3, VRX, Shearwater Predator, DiveRite NitekX, HS Explorer) или же погружение должно рассчитываться предварительно с помощью таких программ, как Z-Plan или V-Planer по минимально возможному парциальному давлению кислорода (при этом необходимо очень строго следить, чтобы значение парциального давления не снижалось ниже расчётного, иначе риск получить декомпрессионную болезнь многократно возрастает).

ДЫХАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ ПОЛУЗАМКНУТОГО ЦИКЛА

Аппараты с полузамкнутой схемой дыхания имеют более простое устройство, так как работают на готовых газо­вых смесях и не имеют сложных электронных устройств для ре­гулирования их состава.

Принцип их работы заключается в том, что газовая смесь непрерывно подается в систему дыхания, а образующийся ее избыток периодически травящий клапан стравливает в воду.

Схема циркуляции газовой смеси в аппаратах этого типа аналогична замкнутой схеме дыхания. Здесь газовая смесь также поступает на вдох из дыхательного мешка по трубке вдоха через клапанную коробку, выдыхаемая же смесь снова через клапанную коробку по трубке выдоха направляется в ре­генеративную коробку, из которой после очистки от углекис­лого газа и влаги она снова возвращается в дыхательный мешок.

По запасам газовой смеси аппараты этого типа не могут использоваться для спусков с поверхности на глубины более 100 м. В случаях глубоководных спусков их применяют для выходов водолазов из водолазного колокола или подводного аппарата.

Дыхательный аппарат FGG III фирмы «Дрегер» (ФРГ) яв­ляется автономным аппаратом с полузамкнутой схемой дыха­ния для спусков на глубины до 200 м. Особенностью аппа­рата является возможность присоединения шланга для подачи газовой смеси от внешнего источника, т. е. превращение его в шланговый. Масса аппарата составляет около 28 кг в заря­женном состоянии.

В зависимости от глубины спуска предусматривается исполь­зование трех газовых смесей, которыми предварительно заря­жаются газовые баллоны и которые в соответствующих дозах подаются в систему аппарата. Данные по составу смесей, до­зах подачи и допустимого времени пребывания на глубине приведены в табл. 3.1. Приведенные в таблице величины подачи газовой смеси даны в пересчете на нормальное давление.

Схема аппарата (рис. 8) предусматривает постоянную непрерывную подачу газовой смеси в систему дыхания, для чего аппарат имеет три дюзы, нужная из которых включается перед спуском.

Газовая смесь, находящаяся в баллонах, подается в редук­тор, который снижает ее давление до постоянной величины, и из него — к дозирующему блоку. В этом блоке смесь проходит через одну из открытых дюз в дыхательный мешок вдоха, в котором, как и в других аппаратах, благодаря его эластич­ности, поддерживается давление, равное давлению окружаю­щей среды.

При недостатке поступления смеси в мешок, например, при погружении, ее добавляют водолазам ручным байпасом. Га­зовую смесь от внешнего источника подают также в мешок вдоха по присоединенному к нему шлангу.

Цикл циркуляции смеси при дыхании обусловливается на­личием двух дыхательных мешков: при вдохе смесь поступает по трубке вдоха через клапанную коробку и загубник в легкие водолаза, а при выдохе — также через загубник и клапанную коробку по трубке выдоха в дыхательный мешок выдоха, из ко­торого через коробку ХПИ, где она очищается от угле­кислого газа и влаги, попадает в мешок вдоха.

Избыток газовой смеси, который накапливается из-за ее не­прерывной подачи в систему дыхания, вытравливается травя­щим клапаном в воду. Точно так же происходит вытравлива­ние смеси при её расширении, что бывает при подъеме водо­лаза на меньшую глубину.

Устройство аппарата (рис. 9). Все части аппарата, за исключением клапанной коробки с дыхательными трубками и манометра, размещены в корпусе, который представляет со­бой жесткий пластмассовый (полистирол, усиленный фиброгласом) футляр.

Дыхательный аппарат МК-6 фирмы «Дженерал электрик» (США) предназначен для спусков с поверхности на глубины до 75 м, при этом для прохождения декомпрессии к нему мо­жет присоединяться дополнительный кислородный баллон.

Схема дыхания в аппарате предусматривает постоянную подачу газовой смеси, состав которой устанавливается при за­рядке в зависимости от глубины спуска, из баллонов через редуктор и дюзу, регулирующую количество газа, в систему ды­хания (см. табл.). Последняя обычна для автономных аппара­тов и включает два дыхательных мешка, коробку поглотителя и клапанную коробку с дыхательными трубками.

Избыток газовой смеси вытравливается в воду травящим клапаном, установленным на мешке выдоха. При недостатке газовой смеси, например, при увеличении глубины погружения, ее может добавлять водолаз, для чего в аппарате установлен ручной байпас, перепускающий газовую смесь в обход дози­рующей дюзы.

Таблица.

Устройство аппарата (рис.10) отличается тем, что дыхательные мешки располагают на груди водолаза, а осталь­ные части — на спине, смонтированными на раме. Основные части аппарата: газовые баллоны, блок дози­ровки, дыхательные мешки, коробка поглотителя и клапанная коробка с дыхательными трубками.

Газовые баллоны сделаны из алюминиевого сплава емкостью по 6 л с рабочим давлением 20,59 МПа (210 кгс/см²).

Рис. 10. Устройство аппарата МК-6

Баллоны соединены трубками с общим запорным вентилем, имеющим штуцер для присоединения зарядной трубки. Запор­ный вентиль соединен с редуктором, снижающим давление га­зовой смеси, поступающей из баллонов, до постоянной вели­чины. Газовая смесь из редуктора поступает в блок дозировки.

Перед спуском редуктор регулируется так, чтобы давление подаваемой им газовой смеси соответствовало требуемой подаче через блок дозировки. Для подачи 8 л/мин газовой смеси по­стоянное давление должно быть 0,549 МПа (5,6 кгс/см²), по­дачи 12 л/мин — 0,961 МПа (9,8 кгс/см²) и подачи 21 л/мин — 1,236 МПа (12,6 кгс/см²).

Блок дозировки имеет три дюзы с сетчатым фильтром. В за­висимости от потребности может подаваться 8, 12 или 21 л/мин газовой смеси в зависимости от ее давления в редукторе. Во­долаз может подавать газовую смесь ручным пускателем.

Дыхательные мешки, сделанные из эластичной резины, имеют емкость около 4 л каждый. Мешки крепят к нагрудной подкладке шестью поворачивающимися застежками каждый. Каждый из мешков имеет по два присоединительных штуцера, с дыхательными трубками и трубками, соединяющими их с коробкой поглотителя. На мешке выдоха, кроме того, установлен травящий клапан, вытравливающий в воду излишки газовой смеси.

Коробка поглотителя имеет сверху два штуцера для при­соединения дыхательных трубок, а снизу крышку, крепящуюся четырьмя барашками. Внутрь коробки вставляют патрон, со­держащий около 2 кг поглотителя углекислого газа. Патрон поджимается пружиной к внутренней части штуцера выхода очищенной газовой смеси. Выдыхаемая водолазом газовая смесь попадает в зазор между корпусом коробки и патроном, затем, проходя через патрон снизу вверх, очищается от угле­кислого газа.

В России в 2006 г. также был создан дыхательный аппарат ДА-21 полузамкнутого/ замкнутого цикла (рис. 11).

Он содержит два баллона с 60% кислородно-азотной смесью (называемой на западе нитрокс), под давлением 300 кгс/см² и дыхательный мешок объёмом 8 л, что обеспечивает возможность плавания водолаза на глубине до 20 м в течение 4-х часов при полузамкнутом цикле дыхания, и кратковременные погружения на глубину до 40 м. Сопротивление дыханию в этом случае не превышает 50 мм вод. столба.

При переходе на замкнутый цикл дыхания в баллоны заряжают чистый кислород. Но сопротивление дыханию при этом возрастает до 100 мм вод. столба, время пребывания водолаза под водой увеличивается до 6 ч, а глубина погружения снижается до 8 -10 м.

Возможен переход на замкнутый цикл дыхания и при 60% кислородно-азотной смеси, но при этом парциальное давление кислорода в дыхательном мешке будет постепенно падать из–за того, что водолаз потребляет чистый кислород, а взамен из баллона подаётся смесь кислорода с азотом. Поэтому содержание азота в дыхательном мешке будет постепенно нарастать (ведь он не расходуется). Чтоб