Как строят батискафы для погружения на самые экстремальные глубины

Из чего делают батискафы?

Батискаф — это не просто лодка, а специализированный аппарат, созданный для работы в условиях чудовищного давления на больших глубинах. Материалы для него должны быть не просто прочными, а сверхпрочными.

«Раньше силовые элементы делали из конструкционных сталей, просто наращивая толщину стенок и усиливая слабые места», — объясняет Петр Максимов, кандидат технических наук, доцент кафедры «Динамика и прочность машин» ПНИПУ.

Но батискаф должен быть автономным, уметь двигаться под водой и сохранять нейтральную плавучесть — то есть висеть в толще воды как рыба. А для этого нужна не только прочность, но и лёгкость. В инженерии есть важный параметр — «удельная прочность»: отношение прочности материала к его плотности. Чем он выше, тем легче и прочнее можно сделать корпус.

Поэтому сегодня рационально использовать несколько классов материалов: титановые и алюминиевые сплавы, современные пластмассы. Причём для разных частей аппарата выбирают свой материал — тот, что идеально подходит под конкретную задачу. Это как собирать пазл, где каждая деталь должна быть на своём месте.

Чем батискаф отличается от подводной лодки?

Всё упирается в назначение. Подлодка должна быть скрытной, быстрой, вместительной и способной месяцами нести боевую службу. Ей нужно место для вооружения, оборудования и экипажа. Погружаться глубже 500 метров для неё просто нецелесообразно — это усложнило бы конструкцию и ухудшило все остальные качества.

А батискаф создан для кратковременных (это ключевое слово!) погружений на предельные глубины. Ему не нужна высокая скорость или огромные грузовые отсеки. Инженер может сконцентрироваться на главном — сделать корпус, способный выдержать давление бездны. Всё остальное отходит на второй план. По сути, это узкоспециализированный инструмент для исследования, а не для войны или долгих походов.

Какие нагрузки должен выдержать батискаф, чтобы успешно спуститься к Титанику?

Главный враг — гидростатическое давление. На поверхности мы испытываем давление в одну атмосферу. Вода в тысячу раз плотнее воздуха, поэтому каждые 10 метров глубины добавляют ещё одну атмосферу.

«На 100 метрах — это уже 10 атмосфер, на 300 метрах (рабочая глубина подлодок) — 30», — уточняет Петр Максимов.

В 1960 году батискаф «Триест» достиг дна Марианской впадины, выдержав давление свыше 1000 атмосфер! Для сравнения: давление в автомобильной шине — около 3 атмосфер, в газовом баллоне — 16. Цифры, от которых захватывает дух, не правда ли?

При расчётах важно учитывать не только прочность самого материала, но и предельную нагрузку для всей конструкции. Разница в чём? Если сжать стальной кубик, он будет сопротивляться, пока внутренние напряжения не достигнут «предела текучести». После этого он начнёт необратимо деформироваться.

«Давление на глубине 3,8 км (где лежит «Титаник») на порядок меньше, чем предел текучести стали. Сам материал выдержит легко — тому доказательство относительно целый корпус «Титаника» на дне. Но может не выдержать конструкция аппарата, внутри которого — привычное для нас давление, а снаружи — давление бездны. Тогда корпус лопнет, как пузырёк воздушно-пузырьковой плёнки», — поясняет учёный.

К счастью, сегодня такие нагрузки можно точно рассчитать. Инженеры используют компьютерное моделирование, экспериментальные данные и сложные методики расчётов, чтобы предсказать поведение каждого элемента конструкции. Наука не стоит на месте.

Опускаться ко дну нужно постепенно?

Раньше для погружения использовали водолазные колокола или акваланги Жака-Ива Кусто. В этих случаях давление воды действует непосредственно на ныряльщика, и оно уравновешено — снаружи и внутри тела одинаково. Но организм не может адаптироваться к таким перепадам мгновенно. Поэтому при всплытии с глубины более 40-50 метров аквалангисты обязаны делать декомпрессионные остановки, иначе грозит кессонная болезнь.

«С батискафами и подлодками всё иначе. Экипаж находится внутри герметичного корпуса под привычным атмосферным давлением. Колоссальную разницу давлений снаружи и внутри принимает на себя конструкция аппарата. Поскольку внутренний объём не меняется, то и давление для людей не меняется. Никаких физиологических ограничений по скорости погружения или всплытия нет», — объясняет Петр Максимов. Вот вам и ответ: люди в стальной капсуле защищены от самой страшной силы океана.

Как экипаж батискафа может поддерживать связь с поверхностью?

«Обеспечить связь с объектом на большой глубине — задача архи-сложная, — говорит Анатолий Перминов, доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой общей физики ПНИПУ. — Обычные радиоволны в солёной воде затухают за десятки метров. Чтобы передать сигнал, подлодке нужно всплыть или выпустить антенну-буй».

Теоретически можно использовать радиоволны сверхнизкой частоты — они проникают сквозь воду и даже породы. Но для их генерации нужны гигантские антенны в километры длиной и колоссальная энергия.

Более реалистичный вариант — звуковые (акустические) волны. В воде они распространяются хорошо. Правда, такая связь, как правило, односторонняя и медленная — для передачи больших объёмов данных не подходит. Представьте: вы на дне океана, а связь с миром — через подводный «телеграф». Романтика, но с ограничениями.

Может ли гироскоп помочь при погружении?

Гироскоп — это устройство, которое помогает определять положение судна в пространстве. Классический механический гироскоп похож на юлу: его раскрученный ротор сохраняет ориентацию, как бы ни наклонялся корабль.

Сегодня в навигации всё чаще используют волоконно-оптические гироскопы. В них нет движущихся частей! Принцип работы можно сравнить с двумя бегунами, которые бегут по стадиону в противоположных направлениях, а хитрый тренер двигает финишную ленту. Разница во времени забега покажет, как двигался тренер.

«В таком гироскопе роль бегунов играют два пучка света, бегущих по оптическому контуру в разные стороны. Вращение контура меняет время их «пробега», и по этой разнице мы точно определяем угол и скорость поворота аппарата», — добавляет Константин Латкин, старший преподаватель кафедры общей физики ПНИПУ. Точность — на уровне света. Без таких технологий ориентироваться в полной темноте океанских глубин было бы невозможно.