На глубину. Что нужно, чтобы приблизиться к «Титанику»?

31 августа 2024 5 мин.

В прошлом году батискаф «Титан» разрушился на пути к затонувшему круизному лайнеру «Титаник». Создатели подводного аппарата анонсировали новые погружения, в этот раз в «Портал ада» (или Голубую дыру Дина в районе Багамских островов). Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета рассказали «Поиску», какие материалы подходят для создания батискафа, какие он должен нести нагрузки и как подводники поддерживают связь с поверхностью.
По словам кандидата технических наук, доцента кафедры «Динамика и прочность машин» ПНИПУ Петра МАКСИМОВА, батискаф — это специальное устройство, которое предназначено для работы в условиях значительных гидростатических давлений. Поэтому материалы, которые используют для его производства, должны быть прочными, способными выдерживать высокие механические нагрузки.
— Так из чего же делают батискафы?
— Для изготовления силовых элементов аппаратов изначально использовались конструкционные стали, а прочность корпуса обеспечивалась за счет увеличения толщины стенок, усиления конструкции в слабых местах. Но прочность не единственное требование к материалам подводного агрегата.
Батискафы проектируют таким образом, чтобы при погружении они могли автономно двигаться в толще воды и вблизи дна. Аппарат должен иметь нейтральную плавучесть, которая позволяет ему оставаться в равновесии на любой глубине. И поэтому появляется еще одно требование к материалам батискафа — легкость. В механике существует термин «удельная прочность» материалов — отношение предела прочности материала к его плотности. Чем у материала выше удельная прочность, тем меньшую массу может иметь выполненный из него конструктивный элемент.
Известно несколько классов материалов, использование которых в конструкции батискафа рационально: титановые, алюминиевые сплавы, пластмассы. Причем для разных элементов используются те, что наилучшим образом подходят для конкретных условий.
— А батискаф чем-то отличается от подводной лодки?
— Когда мы создаем новые конструкции, то всегда учитываем их назначение и функциональные требования. Подводные лодки должны быть незаметными с поверхности, вместительными, обладать необходимыми ходовыми качествами — маневренностью и скоростным передвижением в надводном и подводном положениях. В корпусе требуется создать пространство для полезной нагрузки, то есть размещения экипажа, силовых установок, вооружения, агрегатов, необходимых для жизнеобеспечения и функционирования лодки, — объяснил Петр Максимов.
— Поэтому для подводных лодок погружение дальше полукилометра от поверхности не требуется. А вот большие глубины предъявляют принципиально иные требования к конструктиву корпуса и его прочностным характеристикам, массе. Поэтому инженер должен сосредоточиться на выполнении основного требования — максимально большей глубине погружения — и адаптировать конструкцию именно под эту цель.
— Какие нагрузки должен выдержать батискаф, чтобы успешно спуститься к «Титанику»?
— Гидростатическое давление воды на рабочих для батискафов глубинах — это важнейший фактор. На поверхности Земли на нас действует давление воздуха, составляющее примерно 105 паскалей, мы считаем его равным одной атмосфере. Для сравнения: давление в автомобильном колесе — порядка 3 атмосфер, в дачном пропановом газовом баллоне — 16, а в баллоне автомобиля, использующем топливо на метане, — 200.
При погружении объекта в воду на него начинает действовать дополнительно гидростатическое давление столба жидкости, которое зависит как от глубины погружения, так и от плотности жидкости. Так как вода в тысячу раз плотнее воздуха, то дополнительное давление в 1 атмосферу достигается уже на глубине 10 метров. Соответственно, при погружении на 100 метров — 10 атмосфер, на 300 метров (глубина, доступная подводным лодкам) — 30.
Корабль «Титаник» сейчас находится в 3,7-3,8 км от поверхности, поэтому на печально известный любительский аппарат «Титан» давило с силой чуть менее 400 атмосфер (или 40 МПа). В 1960 году батискаф «Триест» совершил успешное погружение на дно Марианской впадины, выдержав более 1000 атмосфер.
Но при расчетах для батискафа необходимо учитывать не только прочность материалов, но и предельно допустимые нагрузки для всей конструкции, подчеркнул Петр Максимов.
— Давление воды на глубине 3,8 километра на порядок меньше, чем предел текучести стали. То есть сам материал легко его выдержит. Это видно на фотографиях лежащего на океанском дне «Титаника» — корпус корабля хорошо сохранился. Не выдержать нагрузки конструкция может в условиях, когда внутри нее действует атмосферное давление, пригодное для работы экипажа, а снаружи — огромное внешнее. И тогда силовой корпус аппарата лопнет, как воздушно-пузырьковая пленка, если сдавить ее пальцами.
О том, как экипаж батискафа может поддерживать связь с поверхностью, нам рассказал доктор физико-математических наук заведующий кафедрой общей физики ПНИПУ Анатолий ПЕРМИНОВ.
— Обеспечение связи с подводными лодками или батискафами, которые погружаются на большую глубину, — сложная инженерная задача, — сообщил ученый. — Дело в том, что обычные радиоволны высокой частоты, используемые для связи, очень быстро затухают в проводящей среде — воде, особенно соленой.
Использование радиоволн в ней ограничено расстояниями в несколько десятков метров. Для передачи радиосигнала с подводной лодки ей необходимо всплыть. Часто используется выдвижная антенна или радиобуй, который выпускается на поверхность и связан с подводной лодкой обычным проводом. Для глубоководных батискафов используют проводную связь, но для этого нужны высокопрочные материалы для изготовления кабелей.
— А подойдут для этих целей радиоволны очень низкой частоты?
— Можно, конечно, применять радиоволны очень низкой частоты — от 1 до 100 Гц — и большой длины, сравнимой, например, с радиусом Земли. Они достаточно легко проникают сквозь толщу воды и даже сквозь твердые породы. Но генерация таких волн, передача информации с их помощью требуют больших затрат энергии и передающих и приемных антенн огромных размеров — сотни метров и даже километры. Связь с помощью сверхдлинных волн медленная, а объем передаваемой информации сильно ограничен. Проекты радиосвязи с помощью таких радиоволн были реализованы только в СССР и США.
По словам исследователя, для передачи информации глубоководным объектам возможно использовать звуковые (акустические) волны, которые достаточно хорошо распространяются в воде. Но, как правило, такая связь является односторонней (от надводного или наземного источника к подводному) и не подходит для быстрой передачи больших объемов информации.