Максимальная глубина погружения: водолаз, подлодка, батискаф
Мало кто задумывается о том, что тайны подводных глубин изучены мировой наукой немногим лучше, чем тайны ближнего космоса. Но для того, чтобы изучить глубоководный мир, необходимо обладать специальной аппаратурой и снаряжением, позволяющим погружаться в морские глубины. Какова же максимальная глубина погружения для современной техники? Давайте ознакомимся с научными данными по этому вопросу.
Наибольшая глубина погружения для водолазов
Подводный мир – не самая лучшая среда обитания для человека. Погрузившись в воду на глубину всего 1 метр, человек ощущает увеличение давления на свой организм. Вода плотно сдавливает тело, и дышать становится заметно труднее.
Работать на 5-метровой глубине могут только тренированные ныряльщики, а для покорения более глубоких слоёв воды требуется специальный водолазный костюм. Впрочем, некоторые дайверы могут погружаться на глубину в 100 метров и более в обычном костюме пловца и с аквалангом за спиной. Мировой рекорд такого погружения составил 320 метров. Именно на эту глубину опустился в 2005 году пловец-фридайвер из Франции Паскуаль Бернабе. С тех пор его рекорд не смог повторить ни один ныряльщик.
Что касается погружений в водолазном костюме, то здесь мировой рекорд тоже поставили французы. Это произошло в 70-х годах ХХ века, но подробности рекордного погружения до сих пор остаются государственной тайной Франции. Известно только, что водолазам из компании СОМЕХ, организованной известным исследователем морских глубин Жак-Ивом Кусто, удалось погрузиться на глубину около 700 метров. Рекорд был достигнут благодаря сложным дыхательным смесям и продуманному режиму погружения.
Максимальная глубина погружения подводной лодки
Возможность погружаться на большую глубину очень важна для подводных лодок, ведь она даёт возможность скрытно подобраться как можно ближе к противнику. Под толщей воды намного сложней засечь моторы лодки и поразить её торпедой. Поэтому между морскими державами постоянно идёт незаметное соревнование в создании глубоководных аппаратов, способных погружаться на большую глубину.
Первенство в этой области принадлежит нашей стране. В 1985 году был установлен мировой рекорд погружения для подводной лодки: субмарина проекта 685 «Плавник» смогла опуститься на глубину 1030 метров. Это была АПЛ «Комсомолец» под номером К-278, которая не только опустилась на глубину более километра, но и провела на этой глубине успешную стрельбу торпедами.
К сожалению, спустя четыре года эта лодка затонула в Норвежском море, по официальной версии – из-за пожара, возникшего на её борту во время плавания. Подробности и настоящие причины гибели субмарины «Комсомолец» остаются невыясненными до сих пор.
Наибольшая глубина погружения батискафа
Наиболее удобным аппаратом для изучения морских глубин до сих пор остаётся батискаф. От него не требуется хорошей плавучести, единственное требование – высокая прочность стенок, которые должны выдержать чудовищное давление огромной толщи воды.
Впервые на рекордную для человечества глубину, составляющую около 11 тысяч метров, опустился батискаф под названием «Триест», построенный учёными из США и Швейцарии. Акванавты пробыли на дне самой глубокой точки Марианской впадины всего 20 минут, а подготовка к погружению заняла около 8 лет. За это время был построен аппарат, толщина стенок которого составляла 1500 мм, а вес превышал 10 тонн. Рекордное погружение «Триеста» состоялось в 1960 году.
Спустя 52 года, в 2012 году, достижение было повторено американским кинорежиссёром Джеймсом Кэмероном. Аппарат, на котором он спускался, носит название Deepsea Challenger. Режиссёр совершил своё погружение в одиночку, при этом постоянно вёл съёмку и даже собрал на дне Марианской впадины образцы грунта.
Батискаф Titan должен был утонуть. Стоял лишь вопрос когда
Океанские глубины остаются малоизученными и опасными, и, хотя путешествие в водную толщу не является полетом в космос, к которому относятся с бо́льшим благоговением, на деле разницы не так много: в случае серьезной неполадки эвакуатор или спасатели добраться не смогут, а окружение смертельно опасно. Батискаф Titan и его создатели решили бросить вызов стихии, отправившись к «Титанику», хотя до погружения их предупреждали: последствия могут быть катастрофические.
Для справки
Проект стартовал в 2009 году, когда бизнесмены Стоктон Раш и Гильермо Зенляйн основали компанию OceanGate. Раш с детства увлекался подводным плаванием, рано стал обладателем лицензии коммерческого пилота, успел недолго проработать пилотом-испытателем, получил образование в аэрокосмической сфере. Некоторые источники описывают Раша как бывшего пилота самолета-истребителя, однако за штурвалом военного самолета мужчине полетать не пришлось: по его собственным словам, он не прошел отбор из-за зрения.
OceanGate началась с покупки подводного аппарата Antipodes, а затем компания приступила к проектированию и созданию собственных: Cyclops 1 для малых глубин и Titan для погружения к «Титанику». Второй должен был вывести OceanGate на рынок подводного туризма — и именно Titan увлек компанию на дно вместе со своим создателем и несколькими доверившимися ему людьми.
Характеристики Titan
Разработчиком батискафа является компания OceanGate Expeditions, которая и спроектировала «туристическое» судно для погружения на глубину до 4 тыс. метров. Его вес составлял чуть более 9,5 тыс. килограммов (грузоподъемность — 685 килограммов), скорость передвижения под водой с тягой на электрических моторах (по два для вертикальной и горизонтальной тяги) — около 5,5 км/ч. Корпус миниатюрной подлодки (ее габариты составляли 670×280×250 сантиметров) был выполнен из углеродного волокна толщиной 13 сантиметров, а сзади и спереди установили титановые купола с небольшим обзорным иллюминатором только спереди.
Внутри все максимально аскетично: пассажиров усаживали на пол, а вместо спинок сидений использовались стенки самого аппарата, часть пространства занимало оборудование. В батискаф могло поместиться до пяти человек (один из них — пилот), из удобств был лишь простейший гальюн за шторкой. Система жизнеобеспечения была рассчитана на работу в течение 96 часов, на что и надеялись, когда появилась первая информация о том, что с Titan что-то не так. Правда, даже в случае автоматического всплытия при возникновении внештатной ситуации батискафу нужно было оказаться в поле зрения спасателей: единственный люк корабля открывался только снаружи.
Для управления движением батискафа использовался геймпад Logitech, однако подобная практика весьма распространена: эти устройства прошли проверку временем, в них заложены широкие функциональные возможности, но при этом они отличаются низкой ценой (по этим причинам геймпады разных производителей используют даже военные).
Помимо этого, Titan был оснащен мощным внешним LED-освещением, набором видеокамер внутри и снаружи, а также сонаром и лазерным сканером для базовой навигации.
Titan не являлся полноценной подводной лодкой, он зависел от корабля поддержки на поверхности: батискаф был предназначен для погружения в определенной точке и перемещения на малые расстояния вокруг нее. Конструкция и мощность двигателей также диктовали условия погружения: Titan опускали на глубину 10 метров на специальной платформе, чтобы ему не пришлось бороться с волнениями ближе к поверхности, так же аппарат и всплывал.
Постоянной связи с батискафом не было: вода не позволяет использовать GPS и разные виды радиосвязи, так что все «переговоры» велись акустическими системами с очень ограниченными возможностями, это же касается и отслеживания положения Titan. Потеря этого канала связи в воскресенье, 18 июня, спустя 1 час 45 минут после начала погружения и стала точкой отсчета.
Слепили из того, что было, и не стали сертифицировать
Основатель OceanGate Стоктон Раш, который также находился в батискафе в момент катастрофы, ранее неоднократно заявлял о сотрудничестве с NASA, Boeing и Вашингтонским университетом при разработке аппарата и, в частности, его корпуса — того основного элемента, который обеспечивает безопасность пассажиров.
«Все может дать сбой: моторы, освещение. Но вы все равно останетесь в безопасности», — заявлял как-то Раш. Правда, реальность несколько расходилась со словами. На деле некоторые компоненты для батискафа покупали, например, у крупного ретейлера — компании Camping World (как минимум светильник для салона). В Вашингтонском университете после запроса журналистов сообщили, что не принимали участия в проектировании, разработке или испытаниях Titan.
Да, много лет назад соглашение на $5 млн было подписано, однако вскоре пути OceanGate и лаборатории прикладной физики Вашингтонского университета разошлись. Часть проекта была реализована, но она была связана с другой лодкой заказчика — тестовой платформой Cyclops, предназначенной для погружения на глубину до 500 метров. В период же с 2016 по 2022 год сотрудничество заключалось в аренде испытательных баков.
В агентстве NASA, которое Раш регулярно упоминал в промоматериалах («В Космическом центре Маршалла < …> будет разработан и собран корпус аэрокосмического класса», также основатель OceanGate заявлял о привлечении NASA к испытаниям новых подводных аппаратов из углепластика), указали на куда меньшую вовлеченность в проект. Оказалось, специалисты агентства действительно выступали консультантами инженеров OceanGate в отношении материалов и технологических процессов для применения при создании Titan. В то же время NASA никоим образом не участвовало ни в производстве, ни в испытаниях.
Самый короткий ответ дала компания Boeing: «Мы не были задействованы в проектировании и постройке лодки». Правда, после трагедии начали появляться новые подробности. По данным главреда Travel Weekly Эрни Вайссмана, OceanGate закупила у корпорации бывшее в употреблении углеродное волокно — «с очень хорошей скидкой, так как его уже нельзя было использовать для самолетов». Таким образом, материал, который в принципе считается не подходящим для глубоководных кораблей (на это постоянно указывали сторонние инженеры), мог иметь признаки усталости. Утверждать это нельзя, пока высказываются лишь предположения.
Указывали на потенциальные проблемы и другие эксперты. Так, Карл Стенли, специалист в области подводных аппаратов, после погружения на Titan в 2019 году направил в адрес Раша письмо, в котором указал на посторонние (и волнующие) звуки, усиливавшиеся по мере погружения в океанские глубины. Однако к его словам не прислушались.
В 2019 году компанию покинули ее второй сооснователь и несколько ключевых сотрудников, среди которых операционный директор OceanGate Дэвид Локридж. Топ-менеджер ушел после внутреннего конфликта с Рашем, которому не понравились выводы подчиненного о серьезных проблемах с безопасностью, кроме прочего, раскритиковавшего выбранный в качестве материала для корпуса карбон. Локридж предлагал провести дополнительные испытания на прочность, но ему отказали: мол, разработанные в OceanGate акустические сенсоры покажут, если что-то пойдет не так.
Проблемы затронули, по словам Локриджа, и небольшой обзорный иллюминатор в передней части субмарины: разработанный сторонней компанией, он был сертифицирован для погружения на глубину до 1300 метров. «Титаник» же находится на глубине 3800 метров, и, как следует из доступных документов, OceanGate отказалась платить за разработку иллюминатора, который бы можно было сертифицировать для требуемой глубины.
Попытка донести эту информацию до общественности (и инвесторов) стоила Локриджу места: его уволили моментально. Потом были суды, однако стороны о чем-то договорились, и работа на Titan продолжилась.
Всплыло еще одно обстоятельство: OceanGate пыталась заручиться поддержкой Marine Technology Society (MTS), существующего много десятилетий международного сообщества, объединяющего инженеров, технологов и иных профессионалов. Если коротко, их цель — обеспечивать осведомленность о морских технологиях, понимать и грамотно использовать. Вероятно, по этой причине в рекламных материалах OceanGate и были упоминания NASA, Boeing и других авторитетных компаний и организаций.
Но в MTS не купились. В организации подготовили письмо за авторством десятков экспертов, в котором критиковали подход OceanGate к разработке аппарата и, в частности, игнорирование общепринятых стандартов безопасности, а также попытки ввести в заблуждение общественность. Это не было маханием пальчиком — эксперты прогнозировали (PDF) последствия вплоть до катастрофических.
Тогда письмо, вероятно, не было отправлено адресату, однако его содержание стало известно Стоктону Рашу. По словам представителя MTS, в ответ тот заявил, что применяемые им технологии настолько инновационны, что не могут отвечать существующим стандартам безопасности — они их опережают, и поэтому узлы Titan не будут сертифицироваться.
Испытания Titan по погружению на 4000 метров все же решили провести. Правда, вскоре начали проявляться следы «циклической усталости» материала из-за постоянного изменения условий при погружении и всплытии, о чем сообщил сам Раш. Глубину погружения тогда на время изменили на 3000 метров, а затем корпус субмарины был отремонтирован и частично пересобран. На данный момент есть нюанс: доподлинно неизвестно, какой именно углепластик использовался в Titan в его последнее погружение — то ли «бэушный», то ли отлитый новыми подрядчиками.
А OceanGate начала полномасштабную коммерческую эксплуатацию батискафа в 2021 году, предлагая места за $250 тыс. — за эти деньги любой желающий мог взглянуть на «Титаник» воочию, не будучи исследователем. По словам Раша, от желающих отбоя не было: кто-то даже закладывал дом, чтобы приобрести билет.
«Мечты не имеют цены. Кто-то вожделеет Ferrari, кто-то покупает дом. Я хотела отправиться к „Титанику“», — цитировал в прошлом году журналист Дэвид Пог, отправившийся в многочасовое подводное путешествие на Titan, одну из пассажирок батискафа. Не останавливало их и то, что в договоре на оказание услуги было предупреждение: корабль не сертифицирован никем, при погружении можно получить увечья или погибнуть.
Тайминг трагедии
Пока специалисты выясняют все обстоятельства произошедшего, полноценный отчет появится позже.
Экспедиция стартовала 16 июня, судно с Titan покинуло порт в Ньюфаундленде. Семнадцатого числа все прибыли на место, и началась подготовка к погружению, которую запланировали на утро следующего дня. Погружение к «Титанику» началось с опозданием, оно должно было занять около двух часов. Поначалу все шло по плану, однако спустя 1 час 45 минут (в 09:45 по местному времени) связь с Titan оборвалась. Такое происходило и раньше, но серьезно волноваться начали, когда субмарина не появилась на поверхности по графику — в 15:00.
Спустя еще 1 час 40 минут команда исследовательского судна Polar Prince связалась с береговой охраной, сообщив об инциденте.
На следующий день, 19 июня, местность заполонили поисковые суда и самолеты, которые вели поиск Titan с помощью специального оборудования. Тогда появились прогнозы о том, что кислорода на субмарине осталось на 70—96 часов (если подводный аппарат цел).
Двадцатого июня патрульный самолет Lockheed P-3 Orion зарегистрировал регулярный шум в толще воды — лязгающие звуки, по сообщению прессы, появлялись каждые 30 минут. Двадцать первого числа был организован объединенный штаб для координации поисков. Вновь поступила информация о регистрации шумов в месте возможного нахождения Titan, туда направили подводного робота.
В шесть утра 22 июня должен был подойти к концу запас кислорода, а в три часа того же дня поисковики обнаружили обломки, указывающие на имплозию (взрыв, направленный внутрь) Titan. Тогда было объявлено, что выживших нет: погибли 61-летний основатель и гендиректор OceanGate Expeditions Стоктон Раш, акванавт Поль-Анри Наржоле, британский миллиардер Хэмиш Хардинг, пакистанский бизнесмен Шахзада Давуд и его 19-летний сын Сулейман.
На следующий день появилась реакция экспертов. Среди них был и Джеймс Кэмерон, который является не только режиссером, но и исследователем морских глубин. По его словам, он сразу предполагал, что пассажиры Titan погибли именно от имплозии в воскресенье, 18 июня. На это указывают и данные американских военных, которые в тот день зарегистрировали звук, похожий на подводный взрыв, но сообщили о нем позже.
Кэмерон в интервью раскритиковал конструкцию Titan — точнее, материал, из которого собран корпус. По его мнению и мнениям внутри профессионального сообщества, в определенный момент пассажиры поняли, что что-то пошло не так: вероятно, корпус субмарины начал трещать от нагрузки, информацию передавали и сенсоры. Не исключено также, что была предпринята попытка сбросить балласт и всплыть. Узнать, так ли это, вряд ли получится.
Режиссер (которому, кстати, Стоктон Раш предлагал принять участие в этой экспедиции, но получил отказ) озвучил мнение, высказывавшееся и ранее: «OceanGate не должна была делать то, чем занималась». И посетовал: мол, вновь нежелание прислушаться к голосу разума и специалистов привело к трагедии — так было с «Титаником», так случилось и с Titan.
Батискафы: прошлое, настоящее и будущее изучения океана
Батискаф — это подводное судно для исследования глубоководных районов океана. В отличие от большинства других подводных судов, батискафы вертикально опускаются на глубину с помощью балласта, а затем поднимаются обратно на поверхность с помощью его сбрасывания. Батискафы обычно используют для научных исследований и изучения морского дна и глубинных обитателей. Благодаря особой конструкции, батискафы способны выдерживать экстремальное давление на глубине, с которым не способны справиться многие другие аппараты, в том числе подводные лодки.
Первые глубоководные погружения и создание батискафов
Первые концепции подводных погружений были предложены в 17 веке, когда люди начали экспериментировать с простыми погружениями, используя воздушные колокола и другие ранние формы подводных судов.
В 19 веке инженеры и изобретатели начали разрабатывать более сложные устройства для глубоководных погружений. В этот период были созданы первые ныряльные колпаки и дайвинг-скафандры, которые позволяли людям спускаться на глубины до 60 метров.
Начало 20 века было отмечено созданием первых настоящих подводных лодок. Но наиболее значимым прорывом в исследовании глубин океана стало появление батискафов в 1930-х годах. Это были первые устройства, способные достичь экстремальных глубин, недоступных для предыдущих технологий.
Однако истинный век глубоководных погружений начался в 1960-х годах с погружением батискафа «Триест» на глубину более 10 000 метров — в самую глубокую часть мирового океана, известную как Марианская впадина.
Современная концепция и дизайн батискафов в значительной степени обязаны работе французского морского инженера Огюста Пиккара. Вместе со своим сыном Жаком он создал батискаф, который получил название FNRS-2. Этот аппарат способен был спуститься на глубину до 1400 метров, что стало рекордом в 1934 году.
Как устроен батискаф
Раньше батискафы состояли из двух основных частей: небольшой кабины, которая предназначена для экипажа, и огромного «поплавка», заполненного бензином.
Кабина экипажа создана так, чтобы выдерживать огромное давление, которое увеличивается с глубиной. Давление на дне океана может достигать 1130 кг на квадратный сантиметр. Этого достаточно, чтобы раздавить обычные подводные лодки.
Поплавок же наполняли бензином, поскольку он легкодоступен, плавуч и, по сути, несжимаем. Несжимаемость бензина означает, что баки могут быть очень легко сконструированы, поскольку давление внутри и снаружи баков выравнивается.
Батискафы в их первоначальном виде использовали вплоть до 1980-х годов. Но в около 40 лет назад в глубоководных аппаратах смогли отказаться от громоздкого бензинового поплавка: положительную плавучесть стали создавать с помощью легкого, но прочного корпуса из современных материалов, а вместо бензина теперь используют синтактическу пену — пластиковый материл, заполненный газом.
Давление в Марианской впадине
Давление воды увеличивается примерно на 1 атмосферу каждые 10 метров глубины. Поэтому на глубине 10 000 метров давление составляет около 1000 атмосфер. Это эквивалентно весу 667 автомобилей, уложенных друг на друга и действующих на площадь в 1 м 2 .
Прошлое и настоящее глубоководных погружений
Еще недавно весь мир с замиранием читал новости об аппарате «Титан» американской компании OceanGate, с которым внезапно прервалась связь. У людей было много вопросов: «Какие есть шансы на выживание? Успеют ли найти аппарат до того, как закончится кислород?». Но специалисты по глубоководным погружениям (в том числе всем известный Джеймс Кэмерон) спустя сутки уже понимали, что шансов у экипажа не было: давление на глубине в 4000 метров такое, что в чудеса верить не приходилось.
После того, как гибель глубоководного аппарата из-за имплозии (сжатия корпуса) была подтверждена, сразу же всплыли данные о давних проблемах OceanGate с безопасностью. Мол, все об этом предупреждали: у них даже не было никаких сертификатов! Да и выбор углепластика в качестве материала корпуса изначально был плохой идеей.
Область коммерческих глубоководных погружений резко решили зарегулировать, чтобы избежать подобных инцидентов в будущем. Но давайте посмотрим, какие еще есть аппараты сейчас и на чем люди раньше погружались на морское дно.
Зачем нужно погружаться так глубоко
Сразу оговоримся, что речь пойдет о погружении на глубины ниже 2000 метров — условная точка, которую ученые относят к «глубоким водам». Если точнее, то это нижняя граница глубоководного термоклина. И дальше, вплоть до 11 000 метров — самой глубокой точки на планете, «Бездны Челленджера» в Марианской впадине. То есть причины погружения туристов с аквалангом в Красном море нас в рамках статьи точно не интересуют.
Но если серьезно, одна из основных причин по-настоящему глубоководных погружений, столь опасных для человека — это прикосновение к чувству неизведанного. Мы живем на планете и знаем почти все о суше, которая занимает только 29%. Остальные 71% поверхности покрыты водой — и они исследованы намного меньше. А если еще учесть глубину морей и океанов, в толще которой есть жизнь, то окажется, что мы почти ничего не знаем о 90% обитаемой области Земли!
«Я считаю, что мы не исследовали большую часть планеты. Люди называют морские глубины экстремальной средой, но это экстремальная среда только для нас. Для огромного количества живых существ — это типичная среда обитания на Земле. Поэтому исследовать глубоководные впадины не менее важно, чем другие планеты. Разве вам не хочется знать, что творится у вас на заднем дворе?» — говорит Майк Векчионе, биолог из Национального управления океанических и атмосферных исследований и Смитсоновского института.
Но кроме романтических чувств, есть и более прозаичные причины:
Причина 1: Геологическая — океаническое дно чем-то напоминает привычный нам вид: есть горные хребты, плато, вулканы, каньоны и гигантские абиссальные равнины. И как и на суше, в этих географических объектах содержится огромное количество редких минералов, но зачастую в более «концентрированном» виде из-за высокого давления и гидротермальных процессов. Их нужно обнаруживать и исследовать.
Например, полиметаллические сульфиды (иногда их называют массивными сульфидами морского дна) содержат медь, железо, цинк, серебро и даже золото. А еще есть так называемые «кобальтовые корки», содержащие никель, кобальт, медь и некоторые редкоземельные металлы, очень важные для производства тех же аккумуляторов. Специальный международный орган ООН по исследованию морского дна выдал десятки контрактов на разведку океанического дна площадью более 1,3 млн квадратных километров.
Причина 2: Сейсмологическая. Для некоторых стран изучение движения тектонических плит — вопрос выживания. Например, образование цунами происходит именно из-за движения пластов на дне океана. Если их можно было бы мониторить и точно предсказывать землетрясения, катастрофических последствий вроде аварии на Фукусиме можно было избежать.
Для этого ученые из Японского агентства геолого-морских наук и технологий (JAMSTEC) разрабатывают глубоководный аппарат для исследования дна. Если кратко, то аппарат будет брать образцы минеральных пород, а также поможет установить датчик точно в местах вероятного движения плит. Прежде всего его хотят использовать для изучения северо-восточного побережья острова Хонсю и возле островов Огасавара, на стыке Филиппинской и Тихоокеанской тектонических плит.
Причина 3: Зоологическая. Впервые человек погрузился на дно «Бездны Челленджера» — это был Жак Пикар на батискафе «Триест» (об этом мы поговорим дальше). Но даже на глубине 10 916 метров он заметил живые организмы! Поначалу он решил, что это огромная камбала, но позже ученые предположили, что вероятнее это был морской огурец.
Это дало понимание ученым, что даже при давлении в 1000 атмосфер жизнь существует. Например, недавно в желобе Идзу-Огасавара вблизи берегов Японии сфотографировали морского слизня на глубине 8336 метров — это рекорд по глубоководной фотофиксаций живых существ (если такая номинация вообще существует, конечно). Да и вообще благодаря глубоководным погружениям ученые смогли открыть не один десяток новых представителей морской фауны.
Причина 4: Поисково-спасательная. Глубоководный аппарат серии «Триест-2» в 1965 году использовался ВМС США для обнаружения затонувшей атомной подводной лодки USS Thresher. Спустя год, в 1966 году другой аппарат «Элвин» использовался для обнаружения водородной бомбы, которую при авиакатастрофе В-52 потеряли возле берегов Испании.
Причина 5: Археолого-туристическая. С момента того, как затонул «Титаник», на месте его крушения хотели побывать многие. Проблема заключалась в том, что он лежал на глубине почти 4000 метров. В 1985 году Роберт Баллард впервые сумел опуститься и исследовать затонувший корабль, а в 1991 году наш знаменитый Евгений Черняев на аппаратах «МИР» спустился и исследовал корабль. Чуть позже он участвовал в подводных съемках фильма «Титаник» и погружался на дно вместе с Джеймсом Кэмероном.
Но как выяснилось, именно такой притягательный туристический объект, как «Титаник», представляет опасность из-за глубины залегания. Глубоководный аппарат «Титан» в 2023 году затонул во время погружения к «Титанику».
Почему нужен специальный глубоководный аппарат
На самом деле погружение на огромную глубину — достаточно сложный и опасный процесс, как и полет в космос. Об этом говорит хотя бы тот факт, что в «Бездне Челленджера» побывало меньше человек, чем на Луне.
Только борются при погружении не с гравитацией или трением о слои атмосферы, как при космических запусках, а с гигантским давлением водяного столба. На каждые 10 метров погружения давление увеличивается примерно на 1 атмосферу. Это означает, что на глубине 4000 метров, где лежит «Титаник», давление на корпус «Титана» составляло 400 атмосфер. Или если перевести в несистемную, но более понятную величину: 413 кг на сантиметр квадратный! Любые ошибки в проектировании будут фатальными, что и произошло с «Титаном».
Очевидно, почему человек в акваланге или в «трехболтовке» не сможет исследовать затонувший лайнер. Хотя надо отметить: есть уникумы, которые погружаются на 332 метра, что очень много — 33 атмосферы, давящие на на тебя, не шутка. Правда, автор рекорда — египетский дайвер — вынужден был всплывать аж 14 часов! В противном случае в его крови образовались бы пузырьки азота из-за слишком быстрого понижения давления — так называемая декомпрессионная болезнь, которая приводит к повреждению сосудов и внутренних органов по всему телу.
Частично проблему решают специальные водолазные костюмы, называемые нормобарическими, с жестким корпусом. В них поддерживается нормальное атмосферное давление (можно забыть про декомпрессионную болезнь), а корпус в современных моделях позволяет погружаться даже до 600-700 метров. Но по сути, это — маленькая подводная лодка, только человекообразной формы, с электроприводами в «суставах», которые питаются через внешний кабель-трос.
Но хотя это и удобно в плане манипуляция на глубине, все-таки 600 или 700 метров — маловато в рамках концепции глубоководного погружения. Нас интересуют глубины до 2000 метров и больше. Возникает вопрос: а почему с задачей не могут справиться обычные подводные лодки? Ведь у них прочный стальной корпус, системы жизнеобеспечения и все такое.
Но дело не в корпусе, потому что сделать его прочным не такая огромная проблема. Скорее дело в принципе работы. Основная задача подводной лодки — полная автономность и мобильность. Она должна быстро перемещаться под водой, в том числе оперативно изменяя глубину погружения. Для этого у подлодки есть балластные цистерны — в них набирается вода через кингстоны, и глубина погружения увеличивается. А чтобы всплыть, воду из этих цистерн надо выдавить: для этого из баллонов на борту подается сжатый воздух.
Чем больше давление снаружи, тем сложнее выдавить воду из балластных цистерн: в баллонах должен быть газ с давлением не меньше наружного. Соответственно, на глубине залегания «Титаника» давление должно быть больше примерно 400 атмосфер. Для погружения же на дно «Бездны Челленджера» давление газа должно было быть вообще свыше 1100 атмосфер!
Так что вопрос безопасной эксплуатации и хранения газа (в том числе надежности всей трубопроводной арматуры) при таких колоссальных давлениях долгое время вызывал вопросы. Да еще и при резком расширении газ охлаждается, что приводит к замерзанию клапанов и кингстонов.
Только уже в 2000-х годах появились технологии, которые позволили решить эту проблему. Например, многие слышали про атомную подводную лодку АС-31 «Лошарик» (ну или АС-12) из-за трагического инцидента на ее борту в 2019 году. Хотя официальные характеристики держатся в тайне, она якобы способна погружаться на глубины до 3000 метров и даже больше.
Техническое устройство «Лошарика» неизвестно, но для большинства подводных лодок на первое место выходит вопрос целесообразности. Для чего нужно развивать большую глубину и сильно увеличивать стоимость конструкции, не особо понятно. Обычно глубины погружения в 250-500 метров вполне достаточно для выполнения поставленных задач. Тем более для глубоководных исследований есть специализированные устройства — DSV (в англ. DSV — deep-submergence vehicle).
Глубоководные аппараты DSV всегда используются для исследовательских миссий, поэтому не являются такими автономными, как подлодки. При этом задачи быстро перемещаться под водой, маневрировать или резко менять глубину у них нет. Их доставляют к нужной точке в море или океане на научно-исследовательских судах, а дальше полностью контролируют их погружение и работу.
Давайте теперь посмотрим на краткую историю глубоководных аппаратов и то, как менялась их конструкция.
Вехи в истории глубоководных погружений
Сами по себе пучины океана интересовали человечество очень давно. Первое систематическое глубоководное исследование было проведено экспедицией корвета «Челленджер» под управлением капитана Чарльза Томсона в 1858 году. Конечно, он не погружался под воду, а только исследовал глубины океана — на борту находились лучшие океанографы того времени. Собственно, именно этот корабль и обнаружил самую глубокую точку Земли — «Бездну Челленджера» в Марианской впадине, названную в честь него.
В 1925 году американский натуралист Уильям Биб предложил идею подводного аппарата, который мог бы доставить людей в глубины океана и понаблюдать за тем, что там происходит. По состоянию на конец 1920-х годов самая большая глубина, на которую люди могли безопасно погрузиться в водолазных шлемах, составляла всего несколько десятков метров. Подводные лодки того времени опускались максимум на 117 м, но не имели окон, что делало их бесполезными для цели Биба по наблюдению за окружающей обстановкой: например, обнаружения новых видов рыб.
Вместе с инженером Отисом Бартоном он спроектировал батисферу. Она имела отверстия для трех окон толщиной 76 мм из кварца — самого прочного материала, доступного на тот момент. Корпус был сделан из литой стали толщиной 25 мм и имел диаметр 1,45 м. Вся конструкция весила 2,25 тонны и опускалась на дно посредством троса. Так же и поднималась обратно.
Кислород подавался из баллонов высокого давления, находящихся внутри сферы, а внутри стенок сферы устанавливались емкости с натронной известью и хлоридом кальция для поглощения выдыхаемых CO2 и водяного пара. Пассажиры батисферы должны были прогонять воздух мимо этих лотков с помощью вентиляторов из пальмовых листьев. Внутри также был телефон и лампа — иначе как можно было бы что-то увидеть на глубине, где нет солнечного света? Трос крепился сверху, а телефонный и электрический кабели были запаяны внутри резинового шланга, который входил в корпус батисферы через сальник.
11 июня 1930 года батисфера достигла глубины 400 метров, а в 1934 году Биб и Бартон поставили рекорд того времени — 900 метров. После этого погружения не проводились ввиду их высокой опасности: если бы трос оборвался, то человек очутился бы в стальном гробу на глубине тысяч метров без шансов на спасение.
Следующей вехой стало появление батискафа. Швейцарский физик Огюст Пиккар вдохновился идеей батисферы — проникнуть в глубины океана. Но решил пойти дальше и сделать плавучий аппарат, похожий по принципу действия на дирижабль. Только вместо купола, заполненного легким газом вроде гелия или водорода, нужен поплавок. Сам аппарат будет иметь положительную плавучесть, но вместе с неким тяжелым балластом пойдет ко дну. Если нужно будет всплыть или уменьшить скорость погружения, балласт полностью или частично сбрасывается.
Но что выбрать в качестве аналога легкого газа? Самым простым решением был бензин — легко достать, да и плотность меньше воды, всего 700 кг/м3. Чтобы уравнять давление внутри поплавка с гидростатическим давлением снаружи, использовалась эластичная перегородка. Если окружающее давление увеличивалось, перегородка сжималась и повышала давление бензина.
Непосредственно человек находится в гондоле с иллюминатором. Имеет также форму сферы, просто по той простой причине, что сфера — тело, которое занимает максимальный объем при минимальной площади поверхности. Значит, при той же толщине стенок масса будет меньше.
В качестве балласта используется чугунная или стеклянная дробь. Дополнительно есть гребные винты, приводимые во вращение электродвигателем — для перемещений на небольшие расстояния. Питание двигателей, а также системы освещения, осуществляется от аккумулятора. По сути, с небольшими модификациями эта конструкция используется и в современных DSV, за исключением бензина — но об этом позже.
Первый батискаф FNRS-2 был построен Огюстом Пиккаром в 1948 году. К слову, до этого он сконструировал в 1932 году ФНРС-2 — первый в мире стратосферный аэростат. Неудивительно, что над обоими аппаратами работал один и тот же человек — они очень похожи по своей сути.
3 ноября 1948 года батискаф совершил пробное погружение на глубину 1400 метров, без человека в гондоле. Все прошло хорошо, и конструкция выдержала давление в 140 атмосфер: даже легендарный Жак-Ив Кусто присутствовал на испытаниях и похвалил аппарат. Но при буксировке в порт аппарат разбился во время шторма: приняли решение его не восстанавливать из-за серьезных конструктивных недостатков.
В начале 50-х годов аппарат купило ВМС Франции, отремонтировало и модернизировало. Так появился аппарат ФНРС-3, который в 1954 году побил все мыслимые рекорды погружения того времени: 4000 метров недалеко от берега Сенегала в Атлантическом океане.
В 1953 году Огюст Пиккар спроектировал новый аппарат, который получил название «Триест»: еще более интересный и совершенный. Конструктивно он изменился мало, однако был рассчитан на погружение на значительно большую глубину. Новая гондола имела чуть меньший размер: диаметр 2,16 метра, со стенками толщиной 127 миллиметров. По расчетам это позволило бы выдержать давление до 1250 атмосфер — то есть около 12 км. Дополнительно были добавлены цистерны с водой по бокам корпуса, чтобы аппарат мог погружаться быстрее, при этом сохраняя плавучесть и устойчивость.
В 1958 году аппарат приобрело ВМС США за 250 000 долларов и вознамерилось покорить самую большую глубину на планете. 5 октября 1959 года «Триест», находясь на борту грузового корабля «Санта-Мария», отплыл из Сан-Диего к Марианской впадине. 23 января 1960 года аппарат через 5 часов погружения очутился на дне «Бездны Челленджера». Экипаж состоял из двух человек: Жака Пикара (сына создателя аппарата) и Дона Уолша.
Не обошлось и без страшных моментов: на отметке 9000 метров треснуло внешнее стекло из плексигласа. Но запас прочности был хорошим, поэтому все обошлось. Всего «Триест» провел на отметке 10 916 метров 20 минут, при этом температура в гондоле опустилась до 7 °C.
В 1966 году аппарат «Триест» был снят со службы и заменен аппаратом «Триест-2». Конструкция гондолы почти не изменилась, но изменилась конструкция самого поплавка: он стал более обтекаемым и прочным. «Триест-2» проработал аж до 1984 года. Из знакового: например, участвовал в поиске затонувшей атомной подводной лодки USS Thresher.
Однако в 1964 году в США разработали новую модель DSV «Элвин», в которой использовался уже не бензин, а синтетическая пена, состоящая из микроскопических полых стеклянных шариков, залитых эпоксидной смолой — прямо как в современных аппаратах. Пена намного безопаснее (не выделяет опасных паров), имеет более низкую плотность и большую прочность на сжатие. Это позволяет существенно упростить конструкцию.
20 июля 1965 года Элвин совершил свое первое погружение с экипажем на глубину 1800 м. А 17 марта 1966 года использовался для обнаружения водородной бомбы мощностью 1,45 мегатонны, потерянной в результате авиакатастрофы В-52 ВВС США над Паломаресом, Испания — мы уже писали об этом выше. Бомбу нашли на глубине 910 м и подняли на поверхность 7 апреля.
С аппаратом произошел забавный факт: 6 июля 1967 года его атаковала рыба-меч на глубине почти 600 метров. «Элвин» она повредить не смогла, но зато застряла в корпусе: после всплытия ее приготовили на ужин (хотя это больше похоже на красивую легенду). Спустя 2 года аппарат по случайности затонул: оборвались тросы, удерживающие его при транспортировке.
В 1973 году его подняли и восстановили, заменив корпус из легированной стали на титановый, для большей прочности. А в 1974 году аппарат «Элвин» присоединился к масштабному французско-американскому проекту FAMOUS по исследованию Срединно-Атлантического хребта.
Примерно в то же время СССР тоже озаботился глубоководными исследованиями. В 1980 году было построено судно «Академик Мстислав Келдыш» для нужд Института океанологии АН СССР.
Примечательно, что во время первых экспедиций в Тихий и Индийский океаны использовались не советские глубоководные аппараты, а канадские, серии «Пайсис», с предельной глубиной погружения 2000 метров. К слову, они же использовались для уникальных исследований Байкала в 1977 году: пилотировал «Пайсисы» Евгений Черняев, помогавший Кэмерону снимать «Титаник». Вот что наш исследователь вспоминал:
«На Байкале еще можно работать и работать и изучать это все. К тому же там 70% эндемиков — животных, которые водятся только там, такие как омуль, хариус, байкальская губка, голомянка, рачки-бокоплавы и так далее»
В 1987 году появились наши знаменитые глубоководные аппараты «Мир-1» и «Мир-2», построенные при участии финской компании «Rauma-Repola». Изначально задача стояла создать аппарат, способный погружаться на глубину 6000 метров: дело в том, что ниже этой глубины находится менее 1,5% дна мирового океана. Наши ученые логично посчитали, что «овчинка выделки не стоит», и что сражаться за лишние 400-500 атмосфер запаса корпуса — глупо.
Однако проблема состояла в том, что корпуса DSV аппаратов производили из титана. А на тот момент отношения США с СССР испортились после начала войны в Афганистане, и американцы запретили экспорт любых технологий — в том числе технологию отливку сферы из титана. Нужно было найти альтернативу, и финны ее нашли.
Корпус аппаратов «Мир» диаметром 2,1 метр изготовили из мартенситной, сильно легированной стали с содержанием никеля в 18%. Она имела соотношение «прочность/плотность» на 10% лучше, чем титан, и при этом вдвое лучший предел текучести. Дополнительно при отливке сферы нашли способ, как уменьшить толщину стенок с 400 мм до 200 мм, не потеряв в прочности — зато масса уменьшилась на 70%. Из-за запрета пришлось дополнительно разрабатывать синтетическую пену в Финляндии, а не поставлять готовую из США — на поплавок ее ушло 8 м3. Под эмбарго попали и поставки многих систем автоматики.
Но как бы то ни было, в 1987 году аппараты прошли приемо-сдаточные испытания на глубинах в 6000 метров. После чего начали бороздить моря и океаны на борту «Мстислава Келдыша». За это время они:
Исследовали 25 гидротермальных источников на дне Тихого и Атлантического океанов.
Провели несколько погружений в районе гибели подлодки «Комсомолец», чтобы герметизировать торпедные аппараты с ядерными боеголовками, а также установить приборы мониторинга. Позже они же участвовали в ликвидации последствий гибели подлодки «Курск».
Снимались в восьми художественных и документальных фильмах, по большей части при участии Евгения Черняева и Джеймса Кэмерона («Титаник», «Экспедиция „Бисмарк“», «Призраки бездны: „Титаник“» и так далее).
Провели более 178 погружений на дно Байкала, на глубину до 1640 метров.
Погрузились на дно Северного Атлантического океана, впервые в истории — достигнув глубины в 4300 метров, выполнили отбор проб и установили на дне российский флаг.
Можно сказать, что глубоководные аппараты «Мир» — настоящие рок-звезды в деле освоения глубин океанов. Советуем посмотреть прекрасный документальный фильм о том, как проходили экспедиции к «Титанику» и «Бисмарку» на «Мстиславе Келдыше».
На чем сейчас проходят глубоководные погружения
Но давайте теперь посмотрим на современное положение вещей, какие аппараты используют сейчас и на какие глубины они погружались. Причем далеко не всегда речь идет о пилотируемых аппаратах — все чаще встречаются автономные (Autonomous underwater vehicle, AUV) и управляемые удаленно (Remotely underwater vehicles, ROV). Как говорится, «все зависит от задачи».
DeepSea Challenger. Аппарат был построен в Австралии в 2012 году инженером Роном Аллумом при содействии Rolex — наверное, поэтому на одной из рук робота были закреплены часы при погружении, в рамках рекламной акции.
Подводный аппарат содержит более 180 бортовых систем, включая батареи, двигатели, системы жизнеобеспечения, 3D-камеры и светодиодное освещение. Все питается современными литий-ионными аккумуляторами.В качестве поплавка используется современная синтетическая пена — Isofloat, заполняющая корабль на 70% (про бензин на «Триесте» можно забыть).
26 марта 2012 года Джеймс Кэмерон, пилотируя корабль, достиг дна «Бездны Челленджера» спустя 52 года после путешествия «Триеста». На дне он провел более 6 часов, провел съемки и без происшествий вернулся на поверхность. После этого был передан в дар Обществу Океанографии в Сиднее.
Limiting Factor. Построен компанией Triton Submarines (США, Флорида) при финансировании Виктора Весково за 37 млн долларов. Можно сказать, что он — этакий Илон Маск в деле погружения на дно океанов.
Корпус сделан из титана и рассчитан на двух пассажиров. Способно развивать боковую скорость до 2-3 узлов за счет использования пяти гребных винтов, а также вращаться вокруг своей оси. Причем судно сертифицировано на погружение в любую точку океана — при испытаниях корпус выдержал давление свыше 1400 атмосфер.
Limiting Factor прославился тем, что принял участие в «Экспедиции пяти океанов». В рамках нее он погрузился в самые глубокие точки всех океанов на планете Земля, в том числе 7 июня 2020 года — на дно «Бездны Челленджера». Кстати, на борту была женщина, бывший астронавт Кэтрин Салливан.
Кстати, аппарат действует до сих пор и является рекордсменом по глубине погружения из всех DSV, находящихся в эксплуатации. Например, в 2021 году он совершил погружение к кораблю USS-Johnston, лежащий возле Филиппин на глубине 6 460 метров — тоже рекорд.
«Консул» (проект 16811, АС-39). Про «Лошарик» мы говорили. Но кроме него, в России есть еще один проект производства «Малахит». Проектирование начали еще в 1989 году, в 90-х притормозили строительство из-за недостатка финансирования. Но в 2000-х вернулись к нему, и в 23 ноября 2011 аппарат поступил на службу ВМФ России.
Аппарат имеет традиционный для DSV титановый корпус (лучшее соотношение массы и прочности), экипаж состоит из двух человек. Подтвержденная глубина погружения — 6 200 метров.
Nautile. Французский аппарат, построенный в 1984 году и способный погружаться на глубине 6000 метров — напомним, что 98% дна Мирового океана располагается на этой отметке. Способен вместить трех человек. Имеет длину 8 м, оснащен фото- и видеокамерами, а также прожекторами и роботизированными руками для сбора образцов. Время автономной работы — до 8 часов.
Судно использовалось для погружения к «Титанику», к затонувшему в 2002 году танкеру «Престиж, а также поиска черного ящика разбившегося самолета рейса 447 Air France.
Кстати, Nautile не был первым глубоководным аппаратом Франции — в 1961 году на воду спустили батискаф «Архимед». В 1964 году он опустился на глубину 8400 метров в Атлантическом океана, неподалеку от Пуэрто-Рико, а также принимал участие в проекте FAMOUS. Выведен из эксплуатации в 1970 году.
Shinkai. Первые модели японских DSV были введены в эксплуатацию еще в 1970 году. Первоначально мог погружаться только до 1500 метров, но в 1990 году появилась модель Shinkai 6500, с подтвержденной глубиной 6000 метров — он успешно используется до сих пор. Забавный факт: для его популяризации был выпущен даже отдельный набор Lego.
Спустя год появился дистанционно управляемый аппарат (ROV) Kaikō. С 1995 по 2003 год 10-тонный подводный аппарат совершил более 250 погружений, собрав 350 биологических видов (в том числе 180 различных бактерий). Также в 1995 году он достиг «Бездны Челленджера» — на 17 лет раньше Challenger Джеймса Кэмерона, но без пилотирования человека. Потом он погружался на глубину почти 11 км еще несколько раз. В 2003 аппарат затонул.
Striver. КНР начала строить первые DSV класса Sea Pole еще в 2008 году, стараясь не отставать от остального мира. Они были способны погружаться на глубину до 7000 метров, и построено было сразу несколько модификаций.
Однако самым известным их аппаратом является Striver, введенный в эксплуатацию в 2020 году. Он вмещает трех членов экипажа и рассчитан на погружение на максимальную глубину в 11 000 метров. Он успешно доказал это, 10 ноября 2020 года опустившись на дно «Бездны Челленджера» с тремя учеными на борту. Там он провел ряд испытаний, собрав образцы грунта при помощи роботизированных рук, а также гидравлического бура.
Matsya 6000. В 2021 году мир увидел и индийский глубоководный аппарат. Основная его задача: поиск полезных ископаемых на морском дне, в рамках глобального проекта. Пока что он прошел только предварительные испытания без экипажа на глубине 600 метров, но по расчетам титановый корпус спокойно выдержит глубину и 6000 метров.
В итоге вопрос изучения океана не такой простой. Да, мы знаем рельеф и глубину дна, но в сумме видели в океане только 3-3,5% его многообразия. DSV аппараты опускаются на дно намного реже, чем космические корабли летают в космос.
Этому есть простое объяснение: космос престижнее, в него инвестируют намного больше денег. Хотя потенциал глубоководных погружений в плане исследования биологических видов или обнаружения полезных ископаемых кажется более интересным, чем попытки найти что-то в бесконечно пустом космическом пространстве.
«Например, в геологических образцах, которые мы поднимали со дна океана, находилась почти вся таблица Менделеева. Мы могли находить такое количество меди, что на суше такого не встретишь. У океана огромный потенциал для добычи полезных ископаемых», — говорит в интервью Анатолий Сагалевич, разработчик аппаратов «Мир»
И уж точно там нет той жизни, которая находится в голубых водах нашей планеты. Потенциально человечество может открыть еще десятки новых видов, которые будут полезны, например, в медицинских применениях. Возможно, глубоководные погружения не так романтичны, как полет на космическом корабле. Но разве это так уж важно?