Глубина 4261 метр

Паулсен Фредерик

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 СО₂ (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.

Подготовка аппаратов «Мир» к погружениям под лед

В то время, когда создавались аппараты «Мир», конечно, никто не думал о погружениях под лед в условиях Высокой Арктики. Однако, когда осуществление проекта стало реальностью, было уделено особое внимание модернизации отдельных систем аппаратов, а также разработке нового оборудования для установки на «Миры» с целью обеспечения возможно более высокой степени обеспечения погружений. Был разработан и установлен на аппараты дополнительный движительный комплекс, который был выполнен на базе бесщеточных электродвигателей постоянного тока, питающихся напрямую от аккумуляторных батарей через блок управления. Этот комплекс должен был играть роль аварийного в случае отказа работы основных движителей, имеющих гидравлические приводы. Идея заключалась в том, что аппарат должен в любом случае сохранять возможность движения в горизонтальной плоскости для поиска полыньи, из которой он ушел под воду. Кроме того, были разработаны две гидроакустические направленные системы, которые должны были указывать направление на судно обеспечения по пингеру, который опускался бы с его борта. В качестве базовой системы навигации предполагалось использовать стандартную гидроакустическую систему ГОА «Мир» с длинной базой. В отличие от обычной эксплуатации, когда гидроакустические маяки устанавливаются на дно, в ледовых условиях маяки планировали вывешивать под лед на капроновом фале через отверстия, пробуренные в льдине. Кроме того, решено было использовать гидроакустическую систему с ультракороткой базой, которая давала бы возможность определять направление на аппарат и дистанцию до него с судна обеспечения. Набор гидроакустических средств для навигационных определений ГОА «Мир» и определения направления на полынью в условиях неработающих гирокомпасов (на Северном полюсе) является оптимальным. Как показал опыт погружений, наиболее надежной системой навигации является система навигации с длинной базой, которая работала практически без сбоев. Система с ультракороткой базой работала нестабильно и позволяла определять местоположение аппарата лишь при проведении пробных погружений на глубину 1300 м. Однако во время основных погружений на Северном полюсе эта система ни разу не определила, где находятся аппараты «Мир». Основная ориентация ГОА «Мир» осуществлялась по системе с длинной базой. Курс, по которому аппарат должен идти к полынье, подбирался эмпирически по сокращению расстояний до маяков, опущенных под лед. Такая система позволила обоим аппаратам дважды выйти к судну обеспечения, а следовательно, и в полынью. Помимо названных разработок, была модернизирована балластная система ГОА «Мир». Учитывая низкие температуры в высоких широтах Арктики, было решено в системе водяного балласта использовать антифриз, смешанный с водой, чтобы предотвратить замерзание узких отверстий в клапанах, через которые вода поступает в балластные цистерны и откачивается из них. Второй инновацией было использование дополнительных стальных грузов, которые должны были сбрасываться с ГОА «Мир» по окончании работ на дне с тем, чтобы сэкономить энергию батарей, затрачиваемую для откачки водяного балласта при всплытии и необходимую, если поиск полыньи на поверхности затянется. Как показали погружения на Северном полюсе, новые разработки и модернизация систем ГОА «Мир» полностью оправдали себя и позволили провести погружения очень четко и с минимальными затратами времени.

Организационные трудности

Идея погружения на Северном полюсе родилась в 1998 г. в беседе с моими иностранными коллегами Доном Уолшем и Майком МакДауэлом, которые занимались организацией туристических рейсов на ледоколах в Арктику. Тогда обсуждался вопрос о перемещении аппаратов «Мир» на атомный ледокол и походе на нем к Северному полюсу. Тогда и возникла мысль использовать для организации погружений два судна – мощный атомный ледокол, прокладывающий путь в сплошном ледяном покрове, и судно, способное работать во льдах и выполнять роль носителя аппаратов. Предполагалось, что второе судно должно следовать за атомным ледоколом по проторенному во льдах пути.

Эта схема была принята как основополагающая, и в дальнейшем проработка проекта велась именно в этом направлении. В течение девяти лет проводилась работа по поиску финансирования. Кроме того, разрабатывалась методика обеспечения безопасности погружений аппаратов в ледовой обстановке. Финансирование проекта предполагалось осуществлять, главным образом, за счет спонсоров. Однако средств постоянно не хватало и воплощение проекта в жизнь откладывалось из года в год. Второй проблемой была занятость ледоколов, которые в летние месяцы сдавались в аренду, и получить их даже на короткий период времени в июле-августе было практически невозможно. Работы по модернизации аппаратов «Мир» и разработке дополнительного оборудования для обеспечения безопасности погружений в ледовых условиях велись постоянно, несмотря на то, что аппараты участвовали в выполнении других проектов по съемкам глубоководных фильмов и проведению научных исследований. Об этих новых разработках было сказано выше. В 2003 году проектом заинтересовался главный полярник России, вице-спикер Государственной Думы А.Н.Чилингаров. Он занялся поисками источников финансирования. Во время нашей встречи было намечено проведение экспедиции в 2007 году, который номинировался как Международный полярный год. В 2006 году было предложено использовать НЭС «Академик Федоров» в качестве судна-носителя аппаратов «Мир». В феврале того же года мы с Евгением Черняевым – пилотом аппаратов «Мир», слетали в Кейптаун, куда зашел НЭС «Академик Федоров» после очередного этапа работ в Антарктиде. Осмотрев судно, мы пришли к выводу, что оно подходит для обеспечения погружений ГОА «Мир-1» и «Мир-2». Судно имело два 50-тонных крана и большой трюм, в котором вполне могли разместиться аппараты «Мир-1» и «Мир-2». В лаборатории в кормовой части решено было установить оборудование навигации и связи. В марте 2007 года А.Н.Чилингаров, А.М.Сагалевич и К.А.Зайцев вылетели в Нью-Йорк для участия в заседании Клуба исследователей, посвященном Международному Полярному году. Там состоялась встреча с Фредериком Паулсеном и Майком МакДауэлом. На этой встрече решались вопросы финансирования проекта. Была достигнута договоренность о частичном финансировании экспедиции со стороны Ф.Паулсена. Экспедицию было решено проводить под эгидой Полярного фонда, возглавляемого А.Н.Чилингаровым, который взял на себя руководство проектом в целом. После встречи в Нью-Йорке у А.Н.Чилингарова начали проводиться регулярные совещания по организации экспедиции на Северный полюс с участием представителей ААНИИ, ИО РАН и Ледокольной службы Мурманского пароходства. На совещаниях обсуждались организационные, технические и финансовые вопросы. В начале апреля началась подготовка ГОА «Мир» к работам во льдах. В течение трех месяцев велась планомерная работа по подготовке аппаратов, модернизации их систем, приобретению запасных частей и расходных материалов. Была разработана схема дооборудования НЭС «Академик Федоров» с целью его использования как судна-носителя аппаратов «Мир». Эта работа выполнялась сотрудниками Лаборатории глубоководных обитаемых аппаратов Института океанологии, которые работали и на НИС «Академик Мстислав Келдыш» в Калининграде, где располагались «Миры», и на НЭС «Академик Федоров» в Санкт-Петербурге. Все делалось для того, чтобы обеспечить готовность всех технических средств к проведению погружений на Северном полюсе. Однако до последнего момента вопрос о проведении экспедиции до конца решен не был. В отсутствии бюджетного финансирования экспедицию предполагалось проводить на средства спонсоров. Этих средств было явно недостаточно. НЭС «Академик Федоров» должен был выйти из Санкт-Петербурга 10 июля 2007 года, а в первых числах июля вопрос о проведении экспедиции был еще открыт. Здесь сыграла роль предприимчивость А.Н.Чилингарова, предложившего пойти в погружение на Северный полюс депутату Государственной Думы В.С.Груздеву, который стал одним из спонсоров. Это было ключевым моментом.

Экспедиция началась

13 июля 2007 г. НИС «Академик Мстислав Келдыш» (НИС «АМК») и НЭС «АФ» встретились на рейде п. Балтийск. Аппараты «Мир-1» и «Мир-2» были спущены на воду с борта НИС «АМК», отбуксированы к НЭС «АФ» и подняты на его борт с помощью мощного 50-тонного крана. Вместе с аппаратами на борт НЭС «АФ» был передан контейнер с сопутствующим оборудованием. Аппараты «Мир» уютно разместились в трюме, где были установлены и агрегаты для обеспечения работоспособности аппаратов. После принятия на борт ГОА «Мир» и подводной команды НЭС «АФ» совершил переход в Мурманск, во время которого производилось дооборудование трюма с аппаратами, лаборатории навигации и связи, продолжалась подготовка «Миров» к подледным погружениям. 22 июля 2007 г. НЭС «АФ» пришло в Мурманск. Там готовился к походу на Северный полюс атомный ледокол «Россия», который должен был прокладывать путь во льдах нашему судну с «Мирами» на борту. Ледокол вышел из Мурманска 24.07.2007 г. к вечеру, НЭС «АФ» – на 12 часов позже. Встреча двух судов состоялась вблизи кромки льда, и далее они шли друг за другом до Северного полюса и обратно. По пути на Северный полюс необходимо было сделать пробное погружение ГОА «Мир-1» и «Мир-2» с целью испытания вновь установленной на них аппаратуры, а также чтобы отработать выходы аппаратов в полынью из-подо льда. Севернее островов Франца Иосифа на 83°с.ш. нашли довольно большую полынью в сплошном ледовом покрове толщиной около 0,5 м. Размеры полыньи – 150 х 80 метров. НЭС «АФ» вошел в полынью, одним бортом прижался ко льду, освободив большую часть водного пространства для погружения ГОА «Мир». Погружение началось в 10 часов утра 29 июля. Глубина в месте погружения – 1300 метров. В экипаже ГОА «Мир-1» – Анатолий Сагалевич (командир), Игорь Пономарев (борт-инженер). В экипаже «Мир-2» – Евгений Черняев (командир), В.Щадилов (борт-инженер). Аппараты быстро ушли под воду с интервалом 30 минут один после другого. Погружение до дна заняло около часа. Дно покрыто жидким пелитовым илом. Малейшее движение движителями поднимает осадок вверх, создает облака мути. За иллюминаторами – видимость нулевая. Откачавши водяной балласт и немного облегчившись, выходим из клубов мути, садимся на дно и отбираем образцы осадка с помощью специальных геологических трубок. Затем отбираем пробы воды в большой 30-литровый батометр, прописываем довольно однообразную поверхность дна на видеомагнитофон, пройдя несколько десятков метров. По пути встречаем двух скатов длиной около 30 см, несколько миниатюрных креветок. Довольно распространены офиуры размером 5–6 см, плотность поселения которых достигает 2–3 экз./кв. м. Встречаются галатурии, бесстебельчатые лилии, актинии. Конечно, наблюдения очень интересны и по существу уникальны, ибо мы первые исследователи, которые увидели дно в этой точке планеты под сплошным ледяным покровом. Но не нужно забывать о главной цели. Кроме того, лед на поверхности дрейфует, а с ним дрейфует и наша полынья. И надо все сделать вовремя и выйти на поверхность, не дав полынье уйти далеко от нас. Единственным ориентиром, связывающим наш аппарат с поверхностью, является гидроакустический маяк, спущенный с борта НЭС «АФ» на глубину 100 м.