На сколько погружается атомная подводная лодка. Глубина погружения человека. Какой насос нужен для скважины

1.3.3. Глубина погружения Еще одну особенность хотел бы изложить здесь же. Связь под землей возможна и при более глубоком погружении под землю: радиосвязь под землей почти в равном качестве будет осуществляться как при помещении обоих корреспондентов на глубину 2 метра (в

Дышите глубже: человек спускается на глубину, недоступную атомным подводным лодкам.

Роман Фишман

Мы живем на планете воды, но земные океаны знаем хуже, чем некоторые космические тела. Больше половины поверхности Марса артографировано с разрешением около 20 м — и только 10−15% океанского дна изучены при разрешении хотя бы 100 м. На Луне побывало 12 человек, на дне Марианской впадины — трое, и все они не смели и носа высунуть из сверхпрочных батискафов.

Погружаемся

Главная сложность в освоении Мирового океана — это давление: на каждые 10 м глубины оно увеличивается еще на одну атмосферу. Когда счет доходит до тысяч метров и сотен атмосфер, меняется все. Жидкости текут иначе, необычно ведут себя газы… Аппараты, способные выдержать эти условия, остаются штучным продуктом, и даже самые современные субмарины на такое давление не рассчитаны. Предельная глубина погружения новейших АПЛ проекта 955 «Борей» составляет всего 480 м.

Водолазов, спускающихся на сотни метров, уважительно зовут акванавтами, сравнивая их с покорителями космоса. Но бездна морей по‑своему опаснее космического вакуума. Случись что, работающий на МКС экипаж сможет перейти в пристыкованный корабль и через несколько часов окажется на поверхности Земли. Водолазам этот путь закрыт: чтобы эвакуироваться с глубины, могут потребоваться недели. И срок этот не сократить ни при каких обстоятельствах.

Впрочем, на глубину существует и альтернативный путь. Вместо того чтобы создавать все более прочные корпуса, можно отправить туда… живых водолазов. Рекорд давления, перенесенного испытателями в лаборатории, почти вдвое превышает способности подлодок. Тут нет ничего невероятного: клетки всех живых организмов заполнены той же водой, которая свободно передает давление во всех направлениях.

Клетки не противостоят водному столбу, как твердые корпуса субмарин, они компенсируют внешнее давление внутренним. Недаром обитатели «черных курильщиков», включая круглых червей и креветок, прекрасно себя чувствуют на многокилометровой глубине океанского дна. Некоторые виды бактерий неплохо переносят даже тысячи атмосфер. Человек здесь не исключение — с той лишь разницей, что ему нужен воздух.

Под поверхностью

Кислород Дыхательные трубки из тростника были известны еще могиканам Фенимора Купера. Сегодня на смену полым стеблям растений пришли трубки из пластика, «анатомической формы» и с удобными загубниками. Однако эффективности им это не прибавило: мешают законы физики и биологии.

Уже на метровой глубине давление на грудную клетку поднимается до 1,1 атм — к самому воздуху прибавляется 0,1 атм водного столба. Дыхание здесь требует заметного усилия межреберных мышц, и справиться с этим могут только тренированные атлеты. При этом даже их сил хватит ненадолго и максимум на 4−5 м глубины, а новичкам тяжело дается дыхание и на полуметре. Вдобавок чем длиннее трубка, тем больше воздуха содержится в ней самой. «Рабочий» дыхательный объем легких составляет в среднем 500 мл, и после каждого выдоха часть отработанного воздуха остается в трубке. Каждый вдох приносит все меньше кислорода и все больше углекислого газа.

Чтобы доставлять свежий воздух, требуется принудительная вентиляция. Нагнетая газ под повышенным давлением, можно облегчить работу мускулам грудной клетки. Такой подход применяется уже не одно столетие. Ручные насосы известны водолазам с XVII века, а в середине XIX века английские строители, возводившие подводные фундаменты для опор мостов, уже подолгу трудились в атмосфере сжатого воздуха. Для работ использовались толстостенные, открытые снизу подводные камеры, в которых поддерживали высокое давление. То есть кессоны.

Глубже 10 м

Азот Во время работы в самих кессонах никаких проблем не возникало. Но вот при возвращении на поверхность у строителей часто развивались симптомы, которые французские физиологи Поль и Ваттель описали в 1854 году как On ne paie qu’en sortant — «расплата на выходе». Это мог быть сильный зуд кожи или головокружение, боли в суставах и мышцах. В самых тяжелых случаях развивались параличи, наступала потеря сознания, а затем и гибель.

Чтобы отправиться на глубину без каких-либо сложностей, связанных с экстремальным давлением, можно использовать сверхпрочные скафандры. Это чрезвычайно сложные системы, выдерживающие погружение на сотни метров и сохраняющие внутри комфортное давление в 1 атм. Правда, они весьма дороги: например, цена недавно представленного скафандра канадской фирмы Nuytco Research Ltd. EXOSUIT составляет около миллиона долларов.

Проблема в том, что количество растворенного в жидкости газа прямо зависит от давления над ней. Это касается и воздуха, который содержит около 21% кислорода и 78% азота (прочими газами — углекислым, неоном, гелием, метаном, водородом и т. д. — можно пренебречь: их содержание не превышает 1%). Если кислород быстро усваивается, то азот просто насыщает кровь и другие ткани: при повышении давления на 1 атм в организме растворяется дополнительно около 1 л азота.

При быстром снижении давления избыток газа начинает выделяться бурно, иногда вспениваясь, как вскрытая бутылка шампанского. Появляющиеся пузырьки могут физически деформировать ткани, закупоривать сосуды и лишать их снабжения кровью, приводя к самым разнообразным и часто тяжелым симптомам. По счастью, физиологи разобрались с этим механизмом довольно быстро, и уже в 1890-х годах декомпрессионную болезнь удавалось предотвратить, применяя постепенное и осторожное снижение давления до нормы — так, чтобы азот выходил из организма постепенно, а кровь и другие жидкости не «закипали».

В начале ХХ века английский исследователь Джон Холдейн составил детальные таблицы с рекомендациями по оптимальным режимам спуска и подъема, компрессии и декомпрессии. Экспериментируя с животными, а затем и с людьми — в том числе с самим собой и своими близкими, — Холдейн выяснил, что максимальная безопасная глубина, не требующая декомпрессии, составляет около 10 м, а при длительном погружении — и того меньше. Возвращение с глубины должно производиться поэтапно и не спеша, чтобы дать азоту время высвободиться, зато спускаться лучше довольно быстро, сокращая время поступления избыточного газа в ткани организма. Людям открылись новые пределы глубины.

Глубже 40 м

Гелий Борьба с глубиной напоминает гонку вооружений. Найдя способ преодолеть очередное препятствие, люди делали еще несколько шагов — и встречали новую преграду. Так, следом за кессонной болезнью открылась напасть, которую дайверы почти любовно зовут «азотной белочкой». Дело в том, что в гипербарических условиях этот инертный газ начинает действовать не хуже крепкого алкоголя. В 1940-х опьяняющий эффект азота изучал другой Джон Холдейн, сын «того самого». Опасные эксперименты отца его ничуть не смущали, и он продолжил суровые опыты на себе и коллегах. «У одного из наших испытуемых произошел разрыв легкого, — фиксировал ученый в журнале, — но сейчас он поправляется».

Несмотря на все исследования, механизм азотного опьянения детально не установлен — впрочем, то же можно сказать и о действии обычного алкоголя. И тот и другой нарушают нормальную передачу сигналов в синапсах нервных клеток, а возможно, даже меняют проницаемость клеточных мембран, превращая ионообменные процессы на поверхностях нейронов в полный хаос. Внешне то и другое проявляется тоже схожим образом. Водолаз, «словивший азотную белочку», теряет контроль над собой. Он может впасть в панику и перерезать шланги или, наоборот, увлечься пересказом анекдотов стае веселых акул.

Наркотическим действием обладают и другие инертные газы, причем чем тяжелее их молекулы, тем меньшее давление требуется для того, чтобы этот эффект проявился. Например, ксенон анестезирует и при обычных условиях, а более легкий аргон — только при нескольких атмосферах. Впрочем, эти проявления глубоко индивидуальны, и некоторые люди, погружаясь, ощущают азотное опьянение намного раньше других.

Избавиться от анестезирующего действия азота можно, снизив его поступление в организм. Так работают дыхательные смеси нитроксы, содержащие увеличенную (иногда до 36%) долю кислорода и, соответственно, пониженное количество азота. Еще заманчивее было бы перейти на чистый кислород. Ведь это позволило бы вчетверо уменьшить объем дыхательных баллонов или вчетверо увеличить время работы с ними. Однако кислород — элемент активный, и при длительном вдыхании — токсичный, особенно под давлением.

Чистый кислород вызывает опьянение и эйфорию, ведет к повреждению мембран в клетках дыхательных путей. При этом нехватка свободного (восстановленного) гемоглобина затрудняет выведение углекислого газа, приводит к гиперкапнии и метаболическому ацидозу, запуская физиологические реакции гипоксии. Человек задыхается, несмотря на то что кислорода его организму вполне достаточно. Как установил тот же Холдейн-младший, уже при давлении в 7 атм дышать чистым кислородом можно не дольше нескольких минут, после чего начинаются нарушения дыхания, конвульсии — все то, что на дайверском сленге называется коротким словом «блэкаут».

Жидкостное дыхание

Пока еще полуфантастический подход к покорению глубины состоит в использовании веществ, способных взять на себя доставку газов вместо воздуха — например, заменителя плазмы крови перфторана. В теории, легкие можно заполнить этой голубоватой жидкостью и, насыщая кислородом, прокачивать ее насосами, обеспечивая дыхание вообще без газовой смеси. Впрочем, этот метод остается глубоко экспериментальным, многие специалисты считают его и вовсе тупиковым, а, например, в США применение перфторана официально запрещено.

Поэтому парциальное давление кислорода при дыхании на глубине поддерживается даже ниже обычного, а азот заменяют на безопасный и не вызывающий эйфории газ. Лучше других подошел бы легкий водород, если б не его взрывоопасность в смеси с кислородом. В итоге водород используется редко, а обычным заменителем азота в смеси стал второй по легкости газ, гелий. На его основе производят кислородно-гелиевые или кислородно-гелиево-азотные дыхательные смеси — гелиоксы и тримиксы.

Глубже 80 м

Сложные смеси Здесь стоит сказать, что компрессия и декомпрессия при давлениях в десятки и сотни атмосфер затягивается надолго. Настолько, что делает работу промышленных водолазов — например, при обслуживании морских нефтедобывающих платформ — малоэффективной. Время, проведенное на глубине, становится куда короче, чем долгие спуски и подъемы. Уже полчаса на 60 м выливаются в более чем часовую декомпрессию. После получаса на 160 м для возвращения понадобится больше 25 часов — а ведь водолазам приходится спускаться и ниже.

Поэтому уже несколько десятилетий для этих целей используют глубоководные барокамеры. Люди живут в них порой целыми неделями, работая посменно и совершая экскурсии наружу через шлюзовой отсек: давление дыхательной смеси в «жилище» поддерживается равным давлению водной среды вокруг. И хотя декомпрессия при подъеме со 100 м занимает около четырех суток, а с 300 м — больше недели, приличный срок работы на глубине делает эти потери времени вполне оправданными.

Методы длительного пребывания в среде с повышенным давлением прорабатывались с середины ХХ века. Большие гипербарические комплексы позволили создавать нужное давление в лабораторных условиях, и отважные испытатели того времени устанавливали один рекорд за другим, постепенно переходя и в море. В 1962 году Роберт Стенюи провел 26 часов на глубине 61 м, став первым акванавтом, а тремя годами позже шестеро французов, дыша тримиксом, прожили на глубине 100 м почти три недели.

Здесь начались новые проблемы, связанные с длительным пребыванием людей в изоляции и в изнурительно некомфортной обстановке. Из-за высокой теплопроводности гелия водолазы теряют тепло с каждым выдохом газовой смеси, и в их «доме» приходится поддерживать стабильно жаркую атмосферу — около 30 °C, а вода создает высокую влажность. Кроме того, низкая плотность гелия меняет тембр голоса, серьезно затрудняя общение. Но даже все эти трудности вместе взятые не поставили бы предел нашим приключениям в гипербарическом мире. Есть ограничения и поважнее.

Глубже 600 м

Предел В лабораторных экспериментах отдельные нейроны, растущие «в пробирке», плохо переносят экстремально высокое давление, демонстрируя беспорядочную гипервозбудимость. Похоже, что при этом заметно меняются свойства липидов клеточных мембран, так что противостоять этим эффектам невозможно. Результат можно наблюдать и в нервной системе человека под огромным давлением. Он начинает то и дело «отключаться», впадая в кратковременные периоды сна или ступора. Восприятие затрудняется, тело охватывает тремор, начинается паника: развивается нервный синдром высокого давления (НСВД), обусловленный самой физиологией нейронов.

Помимо легких, в организме есть и другие полости, содержащие воздух. Но они сообщаются с окружающей средой очень тонкими каналами, и давление в них выравнивается далеко не моментально. Например, полости среднего уха соединяются с носоглоткой лишь узкой евстахиевой трубой, которая к тому же часто забивается слизью. Связанные с этим неудобства знакомы многим пассажирам самолетов, которым приходится, плотно закрыв нос и рот, резко выдохнуть, уравнивая давление уха и внешней среды. Водолазы тоже применяют такое «продувание», а при насморке стараются вовсе не погружаться.

Добавление к кислородно-гелиевой смеси небольших (до 9%) количеств азота позволяет несколько ослабить эти эффекты. Поэтому рекордные погружения на гелиоксе достигают планки 200−250 м, а на азотсодержащем тримиксе — около 450 м в открытом море и 600 м в компрессионной камере. Законодателями в этой области стали — и до сих пор остаются — французские акванавты. Чередование воздуха, сложных дыхательных смесей, хитрых режимов погружения и декомпрессии еще в 1970-х позволило водолазам преодолеть планку в 700 м глубины, а созданную учениками Жака Кусто компанию COMEX сделало мировым лидером в водолазном обслуживании морских нефтедобывающих платформ. Детали этих операций остаются военной и коммерческой тайной, поэтому исследователи других стран пытаются догнать французов, двигаясь своими путями.

Пытаясь опуститься глубже, советские физиологи изучали возможность замены гелия более тяжелыми газами, например неоном. Эксперименты по имитации погружения на 400 м в кислородно-неоновой атмосфере проводились в гипербарическом комплексе московского Института медико-биологических проблем (ИМБП) РАН и в секретном «подводном» НИИ-40 Министерства обороны, а также в НИИ Океанологии им. Ширшова. Однако тяжесть неона продемонстрировала свою обратную сторону.

Можно подсчитать, что уже при давлении 35 атм плотность кислородно-неоновой смеси равна плотности кислородно-гелиевой примерно при 150 атм. А дальше — больше: наши воздухоносные пути просто не приспособлены для «прокачивания» такой густой среды. Испытатели ИМБП сообщали, что, когда легкие и бронхи работают со столь плотной смесью, возникает странное и тяжелое ощущение, «будто ты не дышишь, а пьешь воздух». В бодрствующем состоянии опытные водолазы еще способны с этим справиться, но в периоды сна — а на такую глубину не добраться, не потратив долгие дни на спуск и подъем — они то и дело просыпаются от панического ощущения удушья. И хотя военным акванавтам из НИИ-40 удалось достичь 450-метровой планки и получить заслуженные медали Героев Советского Союза, принципиально это вопроса не решило.

Новые рекорды погружения еще могут быть поставлены, но мы, видимо, подобрались к последней границе. Невыносимая плотность дыхательной смеси, с одной стороны, и нервный синдром высоких давлений — с другой, видимо, ставят окончательный предел путешествиям человека под экстремальным давлением.

Подводное кораблестроение преследует несколько целей. Все они, так или иначе, связаны с уменьшением возможности обнаружения подлодки за счет увеличения расстояния между нею и водной поверхностью, а также некоторых других факторов. Конечно, военно-промышленный комплекс вообще особая область, цели которой зачастую сильно отличаются от стремлений обычного мирного человека. Однако в предлагаемой статье рассмотрим некоторые данные о том, какова глубина погружения подводных лодок, а также пределы, в которых варьируется эта величина.

Немного истории: батискаф

Речь в материале пойдет, конечно же, о боевых кораблях. Хотя исследования человеком морских просторов включают посещение им даже планетного максимума глубины — дна Марианской впадины, которое, как известно, находится более чем в 11 км от поверхности Мирового океана. Однако историческое погружение, состоявшееся еще в далеком 1960 году, было проведено в батискафе. Это аппарат, не обладающий плавучестью в полном смысле, так как он может лишь тонуть, а затем подниматься за счет ухищрений инженерного гения. В общем, при эксплуатации батискафа не идет речи о перемещении в горизонтальной плоскости на сколько-нибудь серьезные дистанции. Поэтому глубина погружения которые, как известно, могут преодолевать огромные расстояния, значительно меньше рекордной для батискафа, по крайней мере, пока.

Важнейшая характеристика

Говоря о рекордах в области освоения океанских просторов, не следует забывать и об истинном предназначении подлодок. Военные цели и боевой заряд, обычно располагающийся на таких кораблях, подразумевает не только высочайшую мобильность, необходимую для них. Кроме этого, они должны умело скрываться в идеально подходящих для этого водных толщах, всплывать в нужный момент и максимально быстро опускаться на необходимую для выживания после военной операции глубину. По сути, последнее и определяет уровень боеспособности корабля. Таким образом, максимальная глубина погружения подводной лодки является одной из важнейших ее характеристик.

Факторы увеличения

В связи с этим есть несколько соображений. Увеличение глубины позволяет улучшать маневренность подлодки в вертикальной плоскости, поскольку длина боевого корабля обычно составляет не менее нескольких десятков метров. Таким образом, если он находится в 50 метрах под водой, а его габариты в два раза больше, перемещение вниз или вверх чревато полной потерей маскировки.

Кроме того, в водных толщах имеется такое понятие, как «тепловые слои», которые сильно искажают гидролокационный сигнал. Если уходить ниже их, то подлодка становится практически «невидимой» для следящего оборудования надводных кораблей. Не говоря уже о том, что на больших глубинах такой аппарат намного сложнее уничтожить любым имеющимся на планете оружием.

Чем больше глубина погружения подводных лодок, тем прочнее должен быть корпус, способный выдерживать невероятные давления. Это, опять же, на руку общей обороноспособности корабля. Наконец, если предел глубины позволяет ложиться на океанское также повышает невидимость подлодки для любого локационного оборудования, имеющегося в распоряжении современных систем отслеживания.

Основная терминология

Существует две основных характеристики, показывающих способность подлодки к погружению. Первая — это так называемая рабочая глубина. В зарубежных источниках она также фигурирует как оперативная. Данная характеристика показывает, какова глубина погружения подводных лодок, на которую можно опускаться неограниченное количество раз за весь период эксплуатации. Например, американский «Трешер» нормально совершил 40 погружений за год в пределах данной величины, пока при очередной попытке ее превысить трагически не погиб вместе со всем экипажем в Атлантике. Вторая важнейшая характеристика — расчетная или разрушающая (в зарубежных источниках) глубина. Соответствует такой ее величине, на которой превышает прочность корпуса, вычисленную во время проектирования аппарата.

Тестовая глубина

Есть еще одна характеристика, о которой следует упомянуть в контексте. Это глубина погружения предельная согласно расчетам, нахождение ниже которой может вызывать разрушение самой обшивки, либо шпангоутов, либо другого внешнего оборудования. Она также называется «тестовой» в зарубежных источниках. Она не в коем случае не должна превышаться для конкретного аппарата.

Возвращаясь к «Трешеру»: при расчетном значении в 300 метров он пошел на тестовую глубину в 360 метров. К слову, в США на эту глубину подлодка отправляется сразу после спуска на воду с завода и, по сути, «обкатывается» на ней определенное время, прежде чем передается заказывающему ее ведомству. Завершим печальную историю «Трешера». Испытания на 360 метрах для него завершились трагически, и хотя это было вызвано не самой глубиной, а техническими неполадками с атомным двигателем субмарины, однако случайности, по всей видимости, не случайны.

Подлодка потеряла ход из-за остановки мотора, продувка балластных цистерн не дала результата, и аппарат пошел на дно. Согласно данным экспертов, разрушение корпуса субмарины произошло на глубине около 700 метров, так что, как видим, между тестовым значением и действительно разрушительным есть еще порядочная разница.

Средние цифры

С течением времени, естественно, значения глубин растут. Если субмарины Второй мировой были рассчитаны на значения в 100-150 метров, то последующие поколения повышали эти пределы. С изобретением возможности использования ядерного распада для создания двигателей глубина погружения атомных подводных лодок также увеличилась. В начале 60-х годов она уже составляла порядка 300-350 метров. Современные подлодки имеют пределы порядка 400-500 метров. Пока на этом фронте наблюдается явный застой, похоже, дело за будущими разработками, хотя следует упомянуть о неординарном проекте, созданном в Советском Союзе в 80-е годы.

Абсолютный рекорд

Речь идет о подводной лодке «Комсомолец», к сожалению, трагически затонувшей, однако ей принадлежит все еще непокоренная вершина в освоении морских глубин современными субмаринами. Этот уникальный проект пока не имеет аналогов во всем мире. Дело в том, что для изготовления ее корпуса был использован очень прочный, дорогой и чрезвычайно неудобный в обработке материал — титан. Максимальная глубина погружения подводной лодки в мире пока все еще принадлежит «Комсомольцу». Этот рекорд был установлен в 1985 году, когда советская субмарина достигла 1027 метров ниже поверхности моря.

К слову, рабочее значение для нее составляло 1000 м, а расчетное — 1250. В итоге «Комсомолец» затонул в 1989 году из-за сильного пожара, начавшегося на глубине около 300 метров. И хотя ему, в отличие от того же «Трешера», удалось всплыть, история все равно получилась очень трагической. Пожар настолько повредил подлодку, что она почти сразу пошла ко дну. Несколько человек погибли еще при пожаре, а около половины экипажа утонуло в ледяной воде, пока подоспевала помощь.

Заключение

Глубина погружения современных составляет 400-500 метров, максимальная обычно имеет несколько большие значения. Рекорд в 1027 метров, установленный «Комсомольцем», пока не под силу ни одной из имеющихся на вооружении всех стран субмарин. Слово за будущим.

Когда появилась возможностью погружаться на глубину, появилось и стремление стать в этом деле лучшим. Идет постоянная борьба за рекорды, не смотря на негативное влияние, которое оказывает глубина на человека. Например, из-за давления воды возникает боль в ушах и есть угроза того, что барабанная перепонка лопнет.

Хотя с этой проблемой профессиональные дайверы справляются налегке. Главное, выровнять давление с помощью глотательных движений. Кроме того, с каждым метром глубины давление воды возрастает, а объем воздуха в легких уменьшается.

Из-за этого пловцы часто неправильно оценивают запасы кислорода, что впоследствии может сыграть злую шутку с дайвером. Да и подъем из глубины имеет свою специфику и трудности. Но, не смотря на это, битва за рекорды продолжается.

Максимальная глубина погружения человека

Первое погружение на глубину в сто метров даже не было занесено в спортивные рекорды. Но имена дайверов, которые это сделали, знают все ныряльщики. Это Энцо Майорка и Жак Майоль. Кстати, именно они стали прообразами главных героев известного фильма Люка Бессонна «Голубая бездна».

Отметка в 100 метров давно перестала быть рекордной. Во совершил австрийский пловец Герберт Ницш. Его рекорд в 2001 году составил 214 метров. Кстати, Ницша зовут легендой фридайвинга.

За всю свою жизнь в этом виде погружения он устанавливал мировые рекорды 31 раз. Среди женщин рекордсменкой в стала американка Таня Стритер. В 2002 году она опустилась на глубину в 160м.