Новая водолазная и другая подводная техника
Юрий Берков

© Юрий Берков, 2025

ISBN 978-5-0067-3775-4

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Ю. А. Берков

Новая водолазная и другая
подводная техника

(Сборник статей)

Книга предназначена для спортсменов-подводников, водолазов и инженеров-конструкторов подводной техники. В книге представлены разработки автора в указанных областях и перспективы дальнейшего развития подводных технологий.

Книга может быть полезна студентам технических ВУЗ-ов, профессиональным водолазам-спасателям и дайверам.

Предисловие

Зачем человек стремиться под воду, в эту враждебную нам, чуждую среду? Для этого есть несколько причин.

Во-первых, это любопытство, желание увидеть новый, незнакомый ему мир полный новых животных и растений, новых красок и подводных ландшафтов.

Во-вторых, это желание познать чувство невесомости, чувство полёта над земной поверхностью, чувство полной свободы передвижения во всех направлениях. Под водой человек чувствует себя в гидрокосмосе. Даже полный, тучный гражданин сможет почувствовать желанную свободу от своей земной тяжести.

Кроме того, это чисто спортивные водолазные погружения (дайвинг). Это желание укрепить своё здоровье, потренировать и закалить своё тело, занимаясь подводным плаванием, подводной охотой.

В-третьих, существуют и научные задачи в подводной среде по ихтиологии, геологии, ботанике, зоологии, археологии, экологии, спелеологии.

И, наконец, это народнохозяйственные задачи:

– поиск затонувших предметов;

– спасательные и судоподъёмные работы;

– подводные инженерные работы при строительстве мостов, пирсов, прокладке подводных кабелей и трубопроводов;

– транспортировка грузов.

А также задачи военные.

1. Водолазное дело

1.1. Способ извлечения воздуха из воды

Технология относится к области проведения подводных работ и может быть использована при создании аппаратов для автономного подводного плавания с практически неограниченным временем пребывания под водой, а также для жизнеобеспечения людей под водой и их деятельности (патент РФ 2225321 C2, МПК B 63 С 11/18 (2006.01).

В настоящее время для этих целей используют акваланги или замкнутые, герметичные устройства типа подводных лодок.

В первом случае для дыхания под водой используют баллоны со сжатым или сжиженным газом, в состав которого входит кислород, а во втором случае, как правило, используют регенерационные химические элементы для сорбции углекислого газа и восстановления кислорода (патент РФ 2138421, B 63 С, 11/00, 11/36, опубл. 1999 г.).

Недостатками известных технических решений являются сложность и дороговизна, а время пребывания под водой ограничивается запасом газа в баллоне или объемом регенерационных элементов.

Наиболее близким к предлагаемому способу по своей сущности является способ, основанный на извлечении кислорода из воды и выводе углекислого газа через полую камеру, выполненную из селективных пленочных пластмассовых мембран, который нами принят за прототип («Наука и жизнь», 1965 г., 3, с.139; «Наука и жизнь», 1967 г., 2, с. 86). Однако существенным недостатком способа является то, что скорость газообмена между воздухом и водой, зависящая от величины скорости диффузии кислорода и углекислого газа через мембрану, при небольшой движущей силе (определяемой разницей парциальных давлений кислорода внутри камеры и снаружи над водой) является весьма низкой, вследствие чего для обеспечения человека кислородом требуется мембрана площадью 6 м², что весьма дорого, требует сложной конструкции камеры и применения дефицитных пластмассовых материалов.

Задачей предлагаемого изобретения является существенное увеличение скорости газообмена между воздухом камеры и водой и снижение количества используемой пленки-мембраны.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе извлечения воздуха из воды путем газообмена между водой и газовой средой полой камеры, пленкой-мембраной, при этом в качестве пленки-мембраны применяют пористый материал со сквозными порами диаметром до 100 мкм, причем газообмен осуществляется при давлении воздуха в полой камере, превышающем суммарное давление атмосферы и гидростатического столба погружения камеры. Кроме того, давление воздуха в камере ниже давления, необходимого для преодоления сил поверхностного натяжения воды на границе раздела газовой и жидкой фаз в порах пленки мембраны.

Кроме того, давление воздуха в камере поддерживают путем принудительной подачи газа. В качестве газа используют воздух или кислород, или азот, или гелий, или их смеси.

В качестве пленки-мембраны применяют тканые или нетканые полимерные, хлопчатобумажные, шерстяные, синтетические материалы.

В настоящем изобретении используются силы поверхностного натяжения на границе раздела фаз (в данном случае воздух-вода); силы поверхностного натяжение воды позволяют поддерживать избыточное давление воздуха. Граница раздела фаз при этом находится в порах используемой мембраны. Таким образом, в порах мембраны устанавливается непосредственный контакт между газовой средой и водой и газообмен осуществляется непосредственно, минуя диффузию через вещество мембраны, что значительно увеличивает его скорость, а это, в свою очередь, позволяет снизить площадь мембраны.

Достаточно всего 10—50 мм водяного столба избыточного давления, чтобы исключить попадание воды внутрь камеры, хотя газообмен в целом и газообмен по отдельным газовым компонентам проходит и при значительно больших значениях избыточного давления. Интенсивность газообмена зависит от разницы парциальных давлений газовых компонентов внутри камеры и над соприкасающейся с мембраной водой.

Выбор материала и размера пор мембран для создания полой камеры проводился на специальном стенде-камере. Сверху камеры устанавливался образец пористой мембраны диаметром 50 мм и укреплялся сверху нижней полой герметичной части стенда. Нижняя часть стенда снабжена манометром для замера давления воздуха. Кроме того, к нижней части стенда подведена подача воздуха. При установлении сухой пористой мембраны воздух практически беспрепятственно проходит через поры мембраны. При погружении стенда в воду ее сопротивление многократно увеличивается, так как на границе раздела фаз воздух-вода в порах мембраны силы поверхностного натяжения воды препятствует свободному прохождению воздуха. Сопротивление полой мембраны обратно пропорционально диаметру отверстий пор и изменяется от 5 мм водяного столба при диаметре пор 100 мкм до нескольких атмосфер избыточного давления при диаметре пор менее 0,01 мкм. При дальнейшем погружении стенда под воду сопротивление мембраны дополнительно возрастает на величину гидростатического давления столба воды и зависит от глубины погружения.

Проверка газообмена между водой и полой камерой осуществлялась на специально созданных аппаратах. Результаты испытаний приведены в нижеследующих примерах, которые иллюстрируют, но не ограничивают возможность использования предлагаемого изобретения.

Пример 1.

Испытатель через загубник с патрубком, соединенным с полой камерой объемом около 100 л, образованной путем обтяжки смоченной водой хлопчатобумажной тканью двух колец диаметром по 800 мм с размером сквозных пор до 100 мкм при расстоянии между кольцами 200 мм, опускался под воду на глубину от 0,3 до 1,5 м (рис. 1). Давление внутри камеры было на 30—50 мм водяного столба больше суммарного давления атмосферы и гидростатического столба, которое изменялось от 1,03 до 1,15 ата. При опускании камеры в воду к ней подвешивался груз для преодоления выталкивающей силы воды. При этом дыхание осуществлялось только воздухом, находящимся внутри камеры. Выдох осуществлялся также внутрь камеры. Время, проведенное испытателем под водой, составляло 50 мин. Вдох и выдох через камеру осуществлялся без заметных усилий.

В отсутствие газообмена между воздухом камеры и водой испытатель мог бы дышать данным объемом воздуха не более 10 мин, после чего из-за исчерпывания кислорода и накопления СО2 дыхание оказалось бы невозможным. Следовательно, газообмен между воздухом камеры и водой осуществлялся нормально.

Пример 2.

Способ осуществляют аналогично примеру 1, но в качестве пористых мембран применяют «ядерные» фильтры на основе полиэтилентерефталата с диаметром пор 0,01 мкм. Испытатель провел под водой 40 мин.

Пример 3.

Способ осуществляют аналогично примеру 1, но в качестве пористых мембран применяют комбинированную ткань на основе шерстяных и синтетических волокон. Диаметр пор материала находится в пределах от 15 до 80 мкм. Испытатель провел под водой 2,0 ч, опускаясь на глубину до 2,6 м. Давление внутри камеры было на 90 мм водяного столба больше суммарного давления атмосферы и гидростатического столба, составлявшего 1,26 ата.

Пример 4.

Способ осуществляют аналогично примеру 1, но погружение проводят на глубину 7,0 м при давлении внутри камеры на 70 мм водяного столба выше значения 1,7 ата. При этом за счет гидростатического давления камера сжималась и объем ее уменьшался приблизительно до 58 л. Для восстановления объема камеры из баллона со сжатым воздухом через специальное устройство была проведена подпитка воздуха до восстановления объема камеры 100 л. Дыхание не вызывало затруднений у испытателя. Опыт продолжался 30 мин.

Пример 5.

Способ осуществляют аналогично примеру 4, но подпитку для восстановления объема проводят смесью гелий – кислород с 20 об.% кислорода. В течение 45 мин испытатель дышал этой смесью без заметных затруднений при вдохе и выдохе. При этом часть подаваемого газа выходила из камеры через наиболее крупные поры мембраны. Давление внутри камеры было на 220 мм водяного столба выше значения 1,7 ата.

Пример 6.

Из материала на основе вискозы и стеклоткани с диаметром пор менее 70 мкм был изготовлен купол объемом 50 л. Купол помещают под воду и заполняют его объем азотом. После 5 ч нахождения купола под водой отбирают пробу газа на содержания кислорода. Анализ показал присутствие кислорода под куполом в количестве 18,7.%, что свидетельствует о диффузии кислорода из воды.

Рис. 1. Схема эксперимента.

Мой комментарий.

Как видно из приведённых выше примеров, предложенный способ позволяет работать под водой в течение длительного времени (до двух и более часов) на различных глубинах, при этом за счет извлечения воздуха (кислорода) из воды концентрация кислорода поддерживается постоянной даже при значительно меньшей (около 1,5 м²) поверхности мембраны.

– Всё это хорошо, – скажет мой уважаемый читатель, – но почему тогда эти изобретения до сих пор не нашли практического применения? Ведь они были созданы в 60-х годах прошлого века!

Однозначного ответа на этот вопрос нет. Либо производительность мембран для извлечения воздуха из воды тогда была ещё весьма низкой и это требовало слишком больших размеров газогенератора, либо тогда ещё не возникла необходимость в их практическом применении и потому отсутствовало финансирование этих проектов, либо возникли какие-то непреодолимые трудности технологического характера. Но всё это можно преодолеть, если появится заинтересованность в этих проектах и найдётся солидный заказчик. На одном энтузиазме это дело с мёртвой точки не сдвинуть.

Как видно из приведённой выше статьи, авторам изобретения удалось существенно повысить производительность газогенератора за счёт применения в качестве мембран комбинированной ткани на основе шерстяных и синтетических волокон. Диаметр пор материала находился в пределах от 15 до 80 мкм. Но, думаю, что это не предел возможностей.

Вспомним историю с аккумуляторами. Сперва это были плоские пластины, погружённые в электролит. Ёмкость аккумуляторов была маленькой. Потом стали делать рельефные пластины. Ёмкость увеличилась. Потом стали делать пластины пористыми, ёмкость возросла в десятки раз. Сейчас поры уменьшились до молекулярного уровня (микропоры) и ёмкость увеличилась в сотни раз.

Примерно тоже самое может произойти и с селективными мембранами. Я начал с полиэтиленовой плёнки, но это не значит, что мембраны будут плёночные (хотя и не исключено). Может быть они будут пористые (например, если плёнку облучить альфа-частицами) или ворсистые, как шерсть. Тогда производительность газогенерации возрастёт в сотни раз и приблизится к жабрам рыб. Главное начать («лиха беда начало») и возникнет новое направление в водолазном деле, в судоподъёме и в создании новых энергоустановок ПЛ замкнутого цикла.

1.2. Мой эксперимент

В подтверждение возможности извлечения воздуха из воды методом экстракции газов могу привести результаты эксперимента, проведённого мною в 2010г на экспериментальной научно-исследовательской базе (ЭНИБ) в 40 Государственном НИИ МО РФ.

ПРОТОКОЛ №1

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ

ПОДВОДНОГО ГАЗОГЕНЕРАТОРА

«16» апреля 2010 г. 40 ГНИИ МО РФ, ЭНИБ

Цель эксперимента – проверка возможности экстракции (извлечения) воздуха из воды с помощью полиэтиленовой плёнки.

Подводный газогенератор представляет собой прочную ёмкость (кастрюлю) объёмом 4 литра с крышкой и мелкими отверстиями для прохода воздуха. Эта ёмкость 14 апреля была помещена в полиэтиленовый пакет объём 10л, который был зажгутован резиновым водолазным жгутом. В эксперименте пакет выполнял роль газообменной мембраны, через которую проходит воздух, но не проходит вода.

Перед жгутовкой пакет был обжат вокруг прочной ёмкости так, что свободный объём его не превышал 0,5 л. (рис. 2). К жгуту был подвешен груз, который обеспечивал отрицательную плавучесть емкости в пакете. Затем, ёмкость была погружена в воду 25-ти метрового бассейна ЭНИБ на глубину около 4 м.

При погружении полиэтиленовый пакет сильно обжало вокруг прочной ёмкости, что хорошо наблюдалось визуально. В таком состоянии ёмкость была оставлена в бассейне на двое суток.

16 апреля ёмкость была извлечена из бассейна. При извлечении она стала раздуваться. Объём полиэтиленового пакета составил ориентировочно 5 – 6 л.

Рис. 2.

1 – прочная ёмкость; 2 – полиэтиленовая плёнка; 3 – жгут; 4 – груз.

Примерно в полуметре от поверхности воды из места склейки полиэтиленового пакета (верхняя часть) пошли пузыри. Ёмкость из-за избыточного давления потеряла герметичность.

После извлечения ёмкости было проверено наличие в ней воды. Объём воды составил 0,4 – 0,5 литра. Единственный путь проникновения воды в пакет – это место жгутовки, т.к. перед испытаниями пакет был проверен на герметичность. Вода, зашедшая в пакет, частично вытеснила воздух, но количество попавшей воды не позволяет раздуть пакет до объёма 5 – 6 литров.

ВЫВОДЫ

1. Эффект экстракции воздуха, растворённого в воде, через газообменную мембрану в прочную ёмкость, при перепаде давления между ёмкостью и окружающей средой, присутствует.

2. Тонкая полиэтиленовая плёнка может выполнять функции газообменной мембраны.

3. Герметизация плёнки с помощью резинового жгута не надёжна при наличии разности давлений.

Служащие 24 отдела, члены испытательной группы:

кап. 3 ранга П. Несенюк

кап. 3 ранга А. Саломатов

служащий Ю. Берков

(Подлинник подписан 16.04.2010)

ПРОТОКОЛ №2

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ

ПОДВОДНОГО ГАЗОГЕНЕРАТОРА, СОЕДИНЁННОГО С ПОНТОНОМ

«30» апреля 2010 г. 40 ГНИИ МО РФ, ЭНИБ

Эксперимент начался 28 апреля в 16ч. Цель эксперимента – подтвердить наличие экстракции (извлечения) воздуха из воды с помощью газообменной мембраны.

В газогенератор (прочная ёмкость объёмом 4 литра с крышкой и мелкими отверстиями для прохода воздуха, закрытая парниковой полиэтиленовой плёнкой) была зажгутована металлическая трубка (рис. 3). К трубке был присоединён гибкий шланг длиной 5 м. В другой конец шланга также была вмонтирована металлическая трубка, которая входила в мягкую ёмкость (полиэтиленовый пакет объёмом 10 л.) имитирующая мягкий понтон.

Перед жгутовкой парниковая плёнка была обжата вокруг прочной ёмкости так, что свободный объём вокруг прочной ёмкости не превышал 0,5 литра. Полиэтиленовый пакет (понтон) также был обжат (смят в комок) так, что свободный объём его был равен нулю.

После погружения газогенератора под воду на глубину 4 м, за счёт обжатия, воздух, находившейся в полиэтиленовой плёнке поднялся в понтон и заполнил его на объём 0,4 – 0,5л.

Рис. 3.

1 – прочная ёмкость; 2 – полиэтиленовая плёнка; 3 – резиновый жгут; 4 – металлическая трубка; 5 – гибкий шланг; 6 – груз; 7 – мягкая ёмкость; 8 – металлическая трубка; 9 – резиновый жгут.

Была проверена герметичность пакета путём погружения его под воду с помощью ладони. Травления воздуха не было. В таком состоянии система была оставлена на двое суток.

29 апреля в 9ч. была проведена контрольная проверка системы. Полиэтиленовый пакет (имитирующий понтон) заполнился газом примерно на 4 – 5 литров.

Газогенератор (прочная ёмкость) был поднят на поверхность. Количество воды в нём не превышало 0,5 литра. После этого он был снова погружён под воду.

На фото 1 виден пакет, частично заполненный воздухом. На фото 2 ёмкость, обтянутая плёнкой.

30 апреля полиэтиленовый пакет (понтон) оставался заполненным воздухом на объём 4 – 5 литров (фото 1).

После погружения его под воду (нажатие ладонью)

для проверки герметичности, из пакета пошли мелкие

пузыри (из верхней его части, в месте склейки плёнки). Пакет оказался не герметичным. Ёмкость из-за избыточного давления воздуха потеряла герметичность.

Фото 1.

Фото 2.

После поднятия газогенератора на поверхность объём воды в нём составил около 1 литра (фото 2). Единственно возможное место попадания воды – жгут. Поскольку парниковая плёнка толще плёнки полиэтиленового пакета (см. протокол №1), то резиновый жгут хуже обеспечивает герметичность прочной ёмкости.

ВЫВОДЫ

1. Эффект экстракции воздуха, растворённого в воде, через газообменную мембрану в прочную ёмкость, при перепаде давления между ёмкостью и окружающей средой, подтверждён.

2. Парниковая полиэтиленовая плёнка может выполнять функции газообменной мембраны. Скорость наполнения понтона не превышает 4 – 5 литров воздуха в сутки.

3. Герметизация плёнки с помощью резинового жгута не надёжна в случае наличия разности давлений. Место жгутовки необходимо заполнять каким-либо жидким герметиком.

Служащие 24 отдела, члены испытательной группы:

кап. 3 ранга П. Несенюк

кап. 3 ранга А. Саломатов

служащий Ю. Берков

(Подлинник подписан 30.04.2010)

Позже я пришёл к мысли – вполне возможно, что вода, которая появилась в ёмкости, это не плохая герметизация полиэтиленовой плёнки резиновым жгутом, а конденсат. Это значит, что экстракция воздуха из воды может сопровождаться и конденсацией паров воды в ёмкости для сбора газов.

1.3. Вода и воздух из воды

В предыдущей статье «Эксперимент» мною был предложен газогенератор-экстрактор, который извлекает воздух (газы) из морской воды с помощью селективных мембран, изготовленных из плёнки на основе полиэтилена. Показана возможность его применения для наполнения мягких понтонов при судоподъёме, а также для применения в дыхательных аппаратах водолазов.

Однако не только этим ограничивается применение указанного газогенератора. Он может применяться и для обеспечения дыхания подводников, находящихся в малых и сверхмалых ПЛ, (МПЛ, СМПЛ), что существенно увеличит их автономность. Схема размещения оборудования для экстракции воздуха из морской воды представлена на рис. 4.

Газогенераторы 1, ёмкость 2, автомат 7, электроклапаны 3 и 11, баллоны ВВД 9 размещаются в лёгком корпусе МПЛ и окружены морской водой. В прочном корпусе СМПЛ размещены только ручной вентиль 4 и ёмкость для сбора пресной воды 6.

Для эффективной работы предложенного газогенератора необходима разность давлений между водной и воздушной полостями экстрактора. Давление в водной часто экстрактора должно быть выше, нежели в воздушной. Чем выше разность давлений, тем выше производительность экстрактора. Однако эта разность давлений не должна превышать предел прочности газообменной мембраны (плёнки). В эксперименте она составляла 0,3 – 0,4 атм.

Рис. 4. Схема размещения оборудования для извлечения воздуха из морской воды на МПЛ и СМПЛ.

Цифрами обозначены: 1 – газогенератор; 2 – ёмкость для воздуха; 3 – электроклапан; 4 – ручной вентиль; 5 – прочный корпус МПЛ; 6 – ёмкость для сбора пресной воды; 7 – автомат контроля давления; 8 – трубка; 9 – баллон ВВД; 10 – редуктор; 11 – электроклапан; 12 – соленоид привода электроклапана.

В схеме на рис. 4 эта разность давлений обеспечивается тем, что воздушные полости газогенераторов соединены с отсеком МПЛ через специальную ёмкость 2 трубопроводом через электроклапан 3 и вентиль 4.

Однако разность давлений за бортом МПЛ и отсеком с подводниками, может быть очень высокой. Глубина погружения МПЛ может составлять сотни метров, а в отсеке с подводниками давление может быть атмосферным. Если соединить воздушные полости газогенераторов с прочным отсеком МПЛ напрямую, то при погружении МПЛ разность давлений превысит прочность плёнки, она порвётся, и забортная вода станет поступать в отсек. Именно для этого случая на трубопроводе и установлен вентиль 4, закрыв который, подводники обеспечат свою безопасность. Нормальное положение вентиля – открыт, электроклапана 4 – закрыт. Рассмотрим работу газогенератора при погружении, МПЛ, зависании на глубине и всплытии.

При погружении МПЛ давление в водных полостях газогенератора нарастает. Давление в ёмкости 2 и в воздушных полостях экстрактора ниже чем в водных. При достижении необходимой разницы давлений, автомат 7 (по типу дыхательного автомата акваланга) замыкает контакты и срабатывает электроклапан 11. В результате воздух из баллона ВВД поступает в ёмкость 2 и давление в ней увеличивается. Тем самым предотвращается возможность разрыва плёнки селективных мембран газогенераторов.

Далее МПЛ зависает на глубине, выполняя работы по выпуску или приёму подводников. Газогенераторы работают и давление в ёмкости 2 повышается. Как только оно превысит заданный предел, автомат 7 замыкает другие контакты и срабатывает электроклапан 3, выпуская воздух (газы) из ёмкости 2 в отсек МПЛ с подводниками. Если подводники проходят декомпрессию, то автомат 7 снабжает их воздухом сколь угодно долго, периодически открывая электроклапан 3.

При всплытии МПЛ, давление за бортом уменьшается. В результате давление в ёмкости 2 становится выше необходимой разницы давлений в полостях газогенераторов водной и воздушной. Автомат 7 открывает электроклапан 3, выпускает лишний воздух в отсек МПЛ и снижает давление в ёмкости 2.

Если на МПЛ, вместо части аккумуляторной батареи установить двигатель внутреннего сгорания, то можно существенно увеличить дальность плавания на малых глубинах (на больших глубинах возникнут проблемы с выпуском отработанных газов).

Кроме снабжения подводников воздухом, газогенераторы могут снабжать их и пресной водой. Дело в том, что селективные мембраны пропускают вместе с воздухом и пары воды (подтверждено экспериментом). В результате в ёмкости 2 будет образовываться конденсат (дистиллят). Рыбы получают его через жабры вместе с воздухом и не пьют солёную морскую воду. Дистиллят будет стекать вниз из ёмкости 2, и выходить из трубопровода в виде капель вместе с воздухом. Если подставить под трубопровод ёмкость 6, то можно накапливать пресную воду (дистиллят), которую потом можно будет пить (но без удовольствия).

1.4. Дыхательный аппарат с газогенератором на селективных мембранах

Попробуем сконструировать дыхательный аппарат водолаза на селективных мембранах. Схема такого аппарата приведена на рис. 5.

Рис. 5. Схема дыхательного аппарата замкнутого цикла на селективных мембранах.

Цифрами обозначены: 1 – решётка (рама) для пластин газогенератора; 2 – сетка металлическая; 3 – мембрана; 4 – шов или склейка двух мембран; 5 – трубка для вывода газов; 6 – трубка для ввода газов; 7 – резиновая трубка вывода газов; 8 – резиновая трубка ввода газов; 9 – коллектор сбора выходящих газов; 10 – коллектор распределения входящих газов; 11 – патрубки; 12 – корпус дыхательного аппарата; 13 – пластины газогенератора; 14 – дыхательный мешок;15 – полумаска; 16 – трубка вдоха; 17 – трубка выдоха; 18 – баллон ВВД; 19 – дыхательный автомат; 20 – вентиляционные щели и отверстия в крышке.

Рассмотрим устройство и работу дыхательного аппарата (ДА).

Решётка или рама 1 (металлическая или пластиковая) это прочный корпус газогенератора. На неё крепятся с обеих сторон металлические сетки 2. Поверх сеток укладывают селективные мембраны 3. По краям их сшивают или склеивают так, чтобы место склейки 4 было герметичным.

В решётку 1 вставлены трубки 5 и 6 для вывода и ввода газов. Места выхода трубок из газогенератора необходимо герметизировать (клеем или гайкой с резиновой прокладкой).

Далее пластины газогенератора 13 помещают в корпус ДА 12. На рис. 1 изображены 4 пластины. На самом деле их может быть от 6 до 8, всё зависит от толщины пластин, зазоров между ними и толщины корпуса ДА.

Металлические трубки 5 и 6 соединяют с коллекторами 9 и 10 гибкими резиновыми трубками. Коллектор 9 соединяют с дыхательным мешком 14, а коллектор 10 – с патрубком трубки выдоха 17. Дыхательный мешок соединён с клапанной коробкой и полумаской водолаза трубкой вдоха 16. В дыхательном мешке установлен дыхательный автомат 19, соединённый трубопроводом с баллоном ВВД 18.

Производительность селективных мембран.

Возьмём пластины размером 35 х 40 см. Тогда площадь одной пластины составит 0,14 м². Поскольку пластины двухсторонние, то площадь мембраны равна 0,28 м². Если пластин 6 или 8, то площадь всех мембран S = 1,68 м2 или 2,24 м².

Сравним площадь их поверхности с площадью поверхности цилиндра из статьи «Способ извлечения воздуха из воды» авторов Гришин Б. П. и Гришин Б. К. Цитирую:

Пример 1.

«Испытатель через загубник с патрубком, соединенным с полой камерой объемом около 100 л, образованной путем обтяжки смоченной водой хлопчатобумажной тканью двух колец диаметром по 800 мм с размером сквозных пор до 100 мкм при расстоянии между кольцами 200 мм (схема эксперимента приведена на рис. 2) опускался под воду на глубину от 0,3 до 1,5 м.

Давление внутри камеры было на 30—50 мм водяного столба больше суммарного давления атмосферы и гидростатического столба, которое изменялось от 1,03 до 1,15 ата… При этом дыхание осуществлялось только воздухом, находящимся внутри камеры. Выдох осуществлялся также внутрь камеры. Время, проведенное испытателем под водой, составляло 50 мин. Вдох и выдох через камеру осуществлялся без заметных усилий.

В отсутствие газообмена между воздухом камеры и водой испытатель мог бы дышать данным объемом воздуха не более 10 мин, после чего из-за исчерпывания кислорода и накопления СО2 дыхание оказалось бы невозможным. Следовательно, газообмен между воздухом камеры и водой осуществлялся нормально».

Пример 3.

«Способ осуществляют аналогично примеру 1, но в качестве пористых мембран применяют комбинированную ткань на основе шерстяных и синтетических волокон. Диаметр пор материала находится в пределах от 15 до 80 мкм. Испытатель провел под водой 2,0 ч, опускаясь на глубину до 2,6 м. Давление внутри камеры было на 90 мм водяного столба больше суммарного давления атмосферы и гидростатического столба, составлявшего 1,26 ата».

Площадь мембраны в данном примере составляла всего 1,5 м², при этом испытуемый дышал через неё 2 часа (физической нагрузки не было). Следовательно, при применении в качестве мембран ткани на основе шерстяных и синтетических волокон время пребывания под водой возросло с 50 минут для хлопчатобумажной ткани до 2-х часов для комбинированной ткани на основе шерстяных и синтетических волокон (например, брезент, джерси). Может быть, станет возможно и применение дешёвой полиэтиленовой плёнки, облучённой альфа частицами или чисто синтетических тканей, но всё это надо проверять.

Работает ДА следующим образом.

Перед погружением водолаз открывает вентиль баллона ВВД и включается в аппарат. Дыхательный мешок 14 наполняется воздухом. Его ёмкость должна быть меньше, чем обычно (6 – 8 л), поскольку часть воздуха содержится в пластинах газогенератора 13. Из-за экскурсии дыхательного мешка (расширения и сжатия) возникает движение воды между пластинами 13, что улучшает газообмен между водой и пластинами.

При погружении водолаза мешок 14 сжимается и дыхательный автомат 19 наполняет его воздухом из баллона ВВД. При всплытии мешок 14 расширяется, и излишки воздуха стравливаются в воду через травящий клапан, установленный в дыхательном мешке.

При работе на постоянной глубине водолаз на вдохе потребляет воздух обогащённый кислородом за счёт экстракции его из пластин газогенератора. При выдохе воздух снова заходит в пластины и обогащается кислородом. Углекислый газ при этом уходит в воду за счёт диффузии через мембраны (срабатывает разница в парциальных давлениях). Это позволит водолазу неограниченно долго работать под водой. При этом допустимая физическая нагрузка определяется производительностью газогенератора и должна проверяться экспериментально.

Но при работе газогенератора в дыхательную систему будет в небольших количествах попадать и вода, которая образуется за счёт конденсации паров воды, проходящих через селективные мембраны. При выдохе она будет выдуваться из газогенератора в дыхательный мешок. Вода эта пресная (дистиллят) и может быть просто выпита водолазом. Для этого ему достаточно опуститься вниз головой.

Предложенная конструкция газогенератора может применяться и для обеспечения дыхания экипажа в замкнутом объёме подводной лодки или подводного аппарата. Естественно, что там площадь селективных мембран должна быть увеличена до нескольких квадратных метров и расположены они могут быть в лёгком корпусе МПЛ или СМПЛ. Кроме воздуха газогенератор может снабжать экипаж и пресной (дистиллированной) водой.

1.5. Гидрокостюм «Дельфин»

В моём научно-фантастическом романе «Новые кроманьонцы», книга 2, стр. 290 читаем (с небольшой моей правкой):

Георгий Евгеньевич:

– «Для длительного пребывания человека под водой – акванавта создан гидрокостюм «Дельфин». В нём человек действительно похож на дельфина. Костюм этот эластичный и «поддут» изнутри водой, благодаря чему он упругий как футбольный мяч и имеет хорошую гидродинамику. В качестве движителя используется хвостовой плавник, который повторяет движения ног акванавта, усиленные гидроприводом. Источником энергии служит электрохимический генератор на жидком водороде и кислороде. Сжиженный водород, охлаждённый до —253° C, хранится в криогенном баллоне, типа термоса. Он медленно испаряется, при этом температура его остаётся постоянной. При работе электрохимического генератора водород соединяется с кислородом, добываемым прямо из морской воды с помощью селективных мембран. Реакция происходит в специальных топливных батареях. На выходе получаем электрический ток. «Гидрокостюм – движитель – энергоустановка», это единая система, обеспечивающая обогрев, движение и дыхание акванавта. В гидрокостюме «Дельфин» акванавт может находиться до трёх суток и плавать со скоростью до восьми узлов.

– А как же он ест и пьёт? – спросил Александр.

– Ест и пьёт он из специальных тюбиков, в которых находится жидкая или пастообразная пища. Тюбик подсоединяется к специальному штуцеру, акванавт берёт губами «соску», нажимает на тюбик и выдавливает его содержимое в рот. Всё как у космонавтов.

– А как же он, извините, писает?

– Всё предусмотрено. В костюме имеется специальное гальюнное устройство для вывода мочи.

– А если акванавту нужно сходить по большому?

– Тогда он перед погружением надевает специальный подгузник.

– А как же он так долго находится в воде? – спросил Валерий. – Ведь кожа у человека уже после нескольких часов пребывания в воде начинает размокать и облезает.

– Так сам-то акванавт находится в специальном непромокаемом тёплом костюме, да ещё и вентилируемом. Внутри он пористый и по порам прокачивается воздух. Это только верхний гидрокостюм «Дельфин» накачан водой, чтобы обеспечить хорошую обтекаемость.

– А руки у него тоже в костюме?

– Нет, руки выведены через специальные рукава наружу и снабжены герметичными перчатками. Акванавт может пользоваться различным инструментом, у него есть фонарь, гидроакустические и навигационные приборы. Так что под водой он чувствует себя как рыба в воде.

– И что же акванавты делают в таких костюмах? – спросил Александр.

– Много чего. В них можно погружаться на глубины до 500 метров. При этом для дыхания используется водородно-кислородная смесь, в которой кислорода содержится 1 – 3 процента. Акванавты наблюдают за биосферой, выполняют поисковые, спасательные, аварийные и судоподъёмные работы, монтаж подводного оборудования, подводных камер, станций, обслуживают подводные нефте и газопромыслы, занимаются геологоразведкой и прочее. Это по сути дела подводные космонавты, а вода для них – гидрокосмос, который мы сейчас успешно осваиваем».

Конец цитаты.

Ниже я попытался изобразить этот хитрый гидрокостюм (рис. 6).

– И какие же спасательные работы выполняют эти акванавты? – спросит читатель.

– Извините. Это конечно не совсем спасательные… Я бы назвал их послеаварийные работы или поставарийные. Это, например, извлечение тел погибших из отсеков и кают затонувших НК или ПЛ. Извлечение драгоценностей или иного дорогого груза – золота, платины, изделий электроники и т. д. из затонувшего судна (т.е. его разгрузка). Извлечение секретных документов и техники, например, ядерных боеголовок ракет или торпед из затонувшей ПЛ.

– А как же декомпрессия? – спросит читатель. – Ведь с таких глубин надо очень долго подниматься на поверхность, иначе закесонишь – кровь акванавтов будет насыщена водородом.

– Так это после работы. Но в процессе работы акванавтам надо периодически отдыхать. Каждый раз шлюзоваться в сухой жилой отсек, снимать гидрокостюм, а затем, отдохнув полчаса – час, опять надевать снаряжение, переходить в шлюзовую камеру, опять шлюзоваться – это долго. В таком удобном гидрокостюме можно отдыхать и в воде. Достаточно просто повисеть под водой без движения, поесть, попить, подремать…

Рис. 6. Гидрокостюм «Дельфин».

Цифрами обозначены: 1 – ткань гидрокостюма; 2 – электрохимический генератор (топливные батареи); 3 – дыхательный аппарат на селективных мембранах; 4 – система гидравлики; 5 – РЭВ; 6 – иллюминатор; 7 – антенны УКВ – СВЧ радиосвязи; 8 – автоматика; 9 – баллоны с жидким водородом; 10 – моноласт или две ласты.

– Опасность кессонной болезни невелика. Акванавты поднимаются с больших глубин не на поверхность, а в специальные подводные камеры, в которых могут жить долгое время под повышенным давлением. Эти камеры вместе с акванавтами можно поднимать на специальное судно и транспортировать куда угодно.

– И зачем же акванавтам автономность трое суток, если живут они в специальных прочных подводных камерах под повышенным давлением и снимают всё снаряжение после нескольких часов работы? – спросит мой уважаемый читатель.

– Но просто висеть под водой без движения акванавту нельзя. Точной нулевой вывески не бывает. Акванавт будет либо всплывать (плавучесть немного положительная), либо тонуть (плавучесть слегка отрицательная), а это опасно, – заявит читатель.

– Согласен. Опять же под водой всегда есть течения и неподвижного акванавта будет сносить с места работы. Ведь у акванавта нет никаких верёвок, чтобы привязать себя к чему-нибудь под водой. Поэтому лучше акванавту заплыть в шлюзовую камеру и отдыхать там.

В шлюзовой камере светло, нет течений, и акванавт может отдыхать, зависнув под потолком или опустившись на пол шлюзовой камеры. Он сможет поесть, попить, заправиться водородом, пополнить запас тюбиков с едой и водой, доложить обстановку, пообщаться с товарищами, посмотреть телевизор и т. д. Снаряжения снимать он не будет и большая автономность, 10 – 12 часов, ему не помешает (8 часов на работу с перерывами на отдых, плюс 2 – 4 часа – необходимый запас автономности).

– Но зачем тогда акванавту автономность до трёх суток? – спросит читатель.

– А если акванавты заняты поисками каких-то затонувших предметов или представителей флоры и фауны на большой акватории, в том числе подо льдом? Если они заняты геологоразведкой? Если они выполняют какие-то специальные операции в водах противника?

Под водой в таком снаряжении они совершенно свободны и на судно или на берег могут вернуться не скоро. Они могут путешествовать группами под водой на значительные расстояния и жить в подводных базах. Они подводные туристы! Однако заправится водородом, пополнить запасы воды и пищи где угодно они не смогут и тут автономность снаряжения трое и более суток не помешает. При глубинах менее 60м акванавты используют для дыхания только азотно-кислородные смеси, если глубины более 60м, то используют водородо-азотно-кислородные смеси.

– Всё это интересно, но подобные подводные работы может выполнить и необитаемый подводный аппарат (НПА), – возразит читатель, – и при этом ему не нужен такой хитрый и сложный гидрокостюм.

– Согласен. Кое-что и НПА может сделать, но далеко не всё. Ниже я изобразил НПА, который способен выполнять некоторые функции акванавта (рис. 7). Предложенный НПА может перемещаться и маневрировать под водой за счёт винторулевых колонок, вращающихся как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях, что обеспечивает возможность маневрирования НПА как по курсу, так и по глубине. Он может захватывать манипуляторами небольшие предметы и поднимать их на поверхность, крутить вентили, удерживать разный инструмент и т. д.

Однако чтобы выполнять разнообразные подводные работы, необитаемому аппарату нужен оператор, который должен видеть рабочее поле с помощью телекамер, т. е. НПА должен иметь связь с оператором, находящимся на судне или на берегу. И связь эта возможна только через коаксиальный кабель или через ВОЛС. Это главный недостаток привязных НПА. Акванавты могут работать автономно, лишь изредка выходя на связь (гидроакустическую или радио) с руководителем, НПА нужна постоянная связь.

Рис. 7. Необитаемый подводный аппарат с функциями акванавта.

Цифрами обозначены: 1 – прочный корпус НПА; 2 — аккумуляторная батарея; 3 – катушка ВОЛС; 4 – нитка ВОЛС; 5 – ниша для винторулевых колонок; 6 – винто-рулевые колонки; 7 – блок автоматики и электроники; 8 – левый манипулятор; 9 – правый манипулятор.

Связь НПА с оператором через коаксиальный кабель возможна только на небольших расстояниях (в сотни метров), связь по ВОЛС возможна на расстояниях в несколько километров. Однако управление по кабелю или ВОЛС сопряжено с рядом трудностей. Кабель или ВОЛС могут серьёзно мешать НПА.

Они могут цепляться за различные корабельные устройства на палубе затонувшего корабля, могут попасть в собственные винты НПА при маневрировании внутри корабля – в случае попытки проникнуть в отсеки или каюты. Два НПА могут запутаться в кабелях, если они пересекутся. Свободные от каких-либо верёвок акванавты могут работать парами и группами, помогая друг другу, НПА лишены такой возможности.

Опять же прочность ВОЛС не велика и она может просто оборваться, зацепившись за что-либо. Кроме того ВОЛС не выдерживает сильных изгибов и ломается – ведь это хрупкое стекло. Можно конечно увеличить прочность ВОЛС армировав её стальными нитями, но это не спасёт НПА от других недостатков.

Акванавты (водолазы), например, могут выполнять тонкую работу пальцами рук. Открывать люки и двери, ящики столов, сейфы, извлекать документы, демонтировать различные приборы. Пальцы манипуляторов НПА не имеют такой тонкой моторики и не способны к выполнению подобных работ.

Всё вышеперечисленное говорит в пользу создания гидрокостюма «Дельфин», хоть НПА и могут выполнять не слишком сложные подводные работы. Значит в перспективе развития водолазного дела нужно и то и другое.

1.6. Гальюнное устройство водолаза

Проблема выведения мочи из гидрокомбинезона водолаза существует давно – как только время пребывания водолаза под водой превысило 3 – 4 часа. Особенно часто усиливается желание помочиться при нахождении в холодной воде. Современные гидрокомбинезоны водолазов не имеют устройства для вывода мочи и нередко водолазы выходят из воды с мокрыми штанами. Это вызывает раздражение кожи, неприятный запах и переохлаждение нижней части тела.

Автор предлагает следующее устройство для вывода мочи, являющееся частью гидрокомбинезона водолаза.

Для решения поставленной задачи в гидрокомбинезон водолаза, в область паха необходимо вклеить участок с тонкой эластичной резиновой вставкой, в которую вмонтировать металлическое кольцо-обтюратор через которое penis водолаза будет выводится наружу. Герметизация системы производится с помощью начленника, в качестве которого используется обычный презерватив. Кольцо и начленник прикрываются створками из неопрена или из микропористой резины, снабжёнными застёжкой «молния».

Устройство для вывода мочи (рис. 8) состоит из следующих конструктивных узлов: вставки из тонкой эластичной резины 1; обтюраторного кольца 2, изготовленного из тонкого металла и имеющего канавку; створок 3 с застёжкой типа «молния» 4, и презерватива который является сменным элементом. Презерватив включает в себя обтюрирующий валик 5, начленник 6 и спермоприёмник 7.

Использование устройства осуществляется следующим образом.

Водолаз, надевая гидрокомбинезон, выводит penis наружу через обтюрирующее кольцо 2. Затем надевается презерватив так, чтобы часть его ушла под крайнюю плоть penis-a 8. В результате между крайней плотью и головкой penis-a возникает складка 9 из тонкой резины, которая и герметизирует данный узел. Затем обтюрирующий валик 5 надевается на кольцо 2. Здесь также происходит герметизация соединения. После этого ножницами водолаз отрезает нижнюю часть спермоприёмника. Теперь моча может свободно выходить наружу. Оставшаяся часть спермоприёмника загибается вверх и прижимается створками 4. Это также даёт дополнительную герметизацию узла. Затем застёжка «молния» застёгивается до конца, закрывая penis и прижимая его к вставке 1.

Рис. 8. Устройство для вывода мочи из гидрокомбинезона.

При необходимости помочиться, водолаз расстёгивает «молнию», освобождает penis и опорожняет мочевой пузырь. Затем загибает вверх спермоприёмник и застёгивает «молнию».

Другой способ удаления мочи заключается в том, что в комплект ССП включают неопреновые рейтузы с носками, закрывающими стопы ног. Рейтузы надеваются на голое тело, а penis выводится наружу через ширинку. Далее водолаз надевает гидрокомбинезон и поясной ремень (рис. 9).

Рис. 9. Гидрокомбинезон водолаза с устройством для вывода мочи.

Однако гидрокомбинезон отличается от обычного тем, что ниже поясного ремня 1 имеется поясное резиновое кольцо 2, в которое из баллона 3 может подаваться воздух через вентиль 4. Помочившись в гидрокомбинезон, водолаз открывает вентиль 4 и надувает кольцо 2. Оно расширяется и плотно прижимается к гидрокостюму.

Далее воздух из кольца через клапан 5 (ниппель) подаётся в штаны гидрокомбинезона. Давление в них повышается, и моча уходит в воду через травящие лепестковые клапаны, расположенные в районе стоп водолаза. Даже если моча не будет удалена из штанин полностью, она не попадёт на голые ноги водолаза, поскольку они закрыты неопреновыми носками. Главное, чтобы при надувании штанин под водой водолаза не перевернуло вверх ногами.

1.7. Мягкая подводная база

С развитием подводного туризма мягкие подводные базы могут стать весьма популярны у водолазов. Кроме туристов их также могут использовать подводные геологи, биологи, археологи, зоологи, ихтиологи, экологи.

Они не дороги по сравнению с современными катерами и яхтами. Условия проживания в них могут быть весьма комфортными. В штормовую погоду на глубине 10 и более метров базу будет лишь слегка покачивать. Кроме того в базу можно подниматься с весьма больших глубин, используя её для декомпрессии.

В обследуемом районе может быть установлено сразу несколько баз. Предварительно в районе устанавливают несколько мёртвых якорей, к которым крепятся базы. Возможна постановка баз и на собственные взрывные якоря на песчаных и глинистых грунтах. Обслуживание баз обслуживаемых одной яхтой (катером) заключается в периодической доставке продовольствия, воды, средств регенерации и очистки воздуха, электроэнергии (в виде аккумуляторных или топливных батарей), сменных экипажей.

Для наддува оболочки базы, зарядки аквалангов, регенерации и очистки воздуха, подачи электроэнергии служит подводный контейнер жизнеобеспечения, который опускается с борта катера к базе и подключается к ней шлангами и кабелем. В зависимости от количества акванавтов в базе (максимум 6 человек), один контейнер сможет обеспечивать их пребывание до одной недели.

Перед постановкой, выключателем 16 включают гидроакустический маяк 22 в дежурный режим приёма запросного сигнала, реле давления 14 устанавливают на 6 – 8 м выше глубины места в районе постановки базы.

Рис. 10 (вверху). Мягкая база в рабочем состоянии. Рис. 11 (внизу). Сложенная база.

После этого база сбрасывается за борт. Поскольку центр тяжести базы смещён вниз за счёт веса якоря, она погружается якорем вниз.

База с контейнером может перевозиться катером, яхтой и в кузове грузового автомобиля в сложенном виде, занимая мало места. Конструкция мягкой подводной базы в развёрнутом (рабочем) состоянии база представлена на рис. 10. В сложенном виде представлена на рис. 11.

Мягкая подводная база состоит из следующих конструктивных элементов: 1 – прочный ствол; 2 – нижний фланец; 3 – верхний фланец; 4 – якорь-гарпун; 5 – раздвижные спицы; 6 – поворотные шарниры; 7 – ткань купола базы; 8 – входной тубус; 9 – стальной трос; 10 – шток; 11 – свободный конец стального троса; 12 – стопор троса; 13 – антенна гидроакустического маяка и станции ЗПС; 14 – реле давления; 15 – ручной травящий клапан; 16 – выключатель электропитания; 17 – светодиодные светильники; 18 – пульт управления приборами базы (с электроразеткой для зарядки аккумулятора); 19 – контейнер жизнеобеспечения; 20 – аккумулятор; 21 – заряд ВВ; 22 – станция связи и привода.

Используется база следующим образом.

Перед постановкой базы трос 11 рукой через отверстие в корпусе ствола 1 заправляют в пространство между штоком якоря 10 и внутренней поверхностью ствола.

Трос укладывается петлями до заполнения всего свободного пространства. Затем на оставшуюся часть троса в нужном месте (в соответствии с необходимой глубиной постановки базы) накладывают стопор 12.

В сложенном виде спицы 5 базы прижаты к прорезиненной ткани 7, уложенной вокруг прочного ствола 1 и скреплены бечевкой. В таком виде база доставляется в район постановки катером, яхтой или вертолётом.

При достижении заданной глубины, срабатывает реле давления 14 и подаёт электрический импульс на электродетонатор заряда ВВ. Подрыв заряда вызывает движение штока якоря – гарпуна 10. Якорь выходит из ствола 1 и входит в грунт вместе с частью троса 9. Сама база ложится на грунт в связи с большой отрицательной плавучестью.

Следом за базой (или в друге время) сбрасывается обеспечивающий контейнер 19, и спускаются водолазы, которые будут жить в базе. Они запрашивают гидроакустический маяк базы и, получив ответный приводной сигнал, подводят обеспечивающий контейнер к базе, (контейнер имеет небольшую отрицательную плавучесть).

Затем водолазы обрезают бечевку, фиксирующую спицы 5, вытаскивают за шкерт тубус 8 и вставляют в него воздушные шланги контейнера 19. На обеспечивающем контейнере открывают вентиль подачи воздуха в базу.

Внутренний объём базы заполняется воздухом и база всплывает на якорьтросе 9. При этом муфта 12 движется вверх вместе с тросом 11, пока не упрётся в корпус ствола 1. База наполняется воздухом и спицы 5 принимают горизонтальное положение, поворачиваясь в шарнирах 6.

Заполнение базы воздухом осуществляют до тех пор, пока вода в тубусе 8 не опустится до установленной отметки (примерно 0,5м).

Водолазы заходят в базу, включают свет и подключают её к обеспечивающему контейнеру 19 (крепят воздушные шланги подачи и откачки воздуха).

Запас пресной воды и провизии водолазы берут с собой в специальных герметичных мешках.

Из базы водолазы могут выходить на подводные работы и возвращаться в неё без декомпрессии в течение нескольких суток подряд. Потом за ними должна прийти яхта или катер.

Если перед выходом на поверхность необходимо пройти декомпрессию, то водолазы могут поднять базу на нужную глубину, ослабив стопор 12 (отвинтив гаечным ключом винты – упоры). Отвинчивать нужно осторожно, чтобы база не улетела выше необходимой глубины.

Раз установленная подводная база может длительно использоваться разными группами водолазов.

Однако в предложенной конструкции существуют и недостатки. Главный из них заключается в том, что необходимо довольно часто (примерно раз в неделю) менять контейнер жизнеобеспечения, поскольку в нём расходуются средства регенерации и очистки воздуха, электроэнергия на обогрев базы в холодное время года.

Выходом из положения может стать способ, используемый итальянскими боевыми пловцами во Вторую мировую войну. Их носители водолазов «Си-Хорс» приводились в движение бензиновыми двигателями. Под водой они брали воздух из 8-и метрового гофрированного шланга, который буксировался за носителем на поплавке, снабжённым полой трубкой. Выхлопные газы выбрасывались в воду. В нашем случае можно создать обеспечивающий контейнер (с небольшой положительной плавучестью), прикреплённый к базе, и находящийся на глубине 4 – 5 м (рис. 12).

Контейнер на 90% заполнен топливом (бензином в мягкой ёмкости или жидким газом) и в нём установлен двигатель внутреннего сгорания, который вращает вал воздушного компрессора и генератора переменного тока.

От контейнера на поверхность идёт всасывающий шланг на поплавке с трубкой. Выхлоп осуществляется по другому шлангу на поплавке. Поплавок может быть использован и для УКВ связи с берегом.

Рис. 12. Контейнер жизнеобеспечения.

Цифрами на рисунке обозначены: 1 – контейнер; 2 – трос; 3 – база; 4 – всасывающий шланг; 5 – поплавок с трубкой; 6 – шланг для удаления выхлопных газов; 7 – шланг подачи воздуха и электроэнергии в базу.

Из контейнера к подводной базе выходит воздушный шланг и провод. Внутрь базы они заводятся через входной тубус. Таким образом, в базу постоянно поступает свежий воздух с поверхности, старый воздух уходит вниз и удаляется через отверстие во входном тубусе.

Единственная опасность предложенного способа это возможный навал какого-нибудь судна на поплавок 5 и разрыв шланга 4 винтами. Можно попробовать и другой вариант жизнеобеспечения – экстрагировать воздух из морской воды с помощью селективных мембран. Суть этого способа изложена в статье 1.3. Электроэнергию в этом случае можно вырабатывать с помощью электрохимического генератора, которые получают всё большее и большее распространение.

* * *

2. Подводная электроника

2.1. Из истории создания гидроакустических станций для водолазов

Первой станцией гидроакустической (звукоподводной) связи водолазов в СССР стала ГАС МГВ-6В («Угорь-В»), выпущенная заводом «Водтрансприбор» (г. Ленинград) в 1973г. (рис. 1).

Рис. 1. ГАС связи водолаза МГВ-6В («Угорь-В»).

Станция размещалась в дыхательном аппарате водолаза ИДА-71п. Антенна крепилась сверху ИДА, а пульт управления – на груди водолаза. Микрофонно-телефонная гарнитура (МТГ) устанавливалась в шлеме водолаза (в гидрокомбинезоне УГК-3М) и выходила из гидрокостюма через зажгутованный аппендикс. Для соединения МТГ с пультом управления использовался двухканальный индукционный разъём.

Станция имела дальность связи в режиме телефонии 1000 м, телеграфии до 2-х км (рабочая частота 35 – 37,5 кГц, модуляция однополосная, верхняя боковая полоса). Приборный блок имел диаметр 90мм и длину 400мм. Глубина погружения до 40м. Станция МГВ-6В устанавливалась также на носителе водолазов «Тритон-2».

Однако кроме связи водолазам требовалась и возможность пеленгования гидроакустических маяков. Для этого в Волгограде (завод «Ахтуба») была создана аппаратура МГВ-3В «Нерей» (масса 6,5 кг и ГА-маяк масса 40 кг). Поскольку иметь водолазу отдельные ГАС связи и ГАС пеленгования водолазу было неудобно, то с 1976 г. начались работы по созданию ГАК «Припять».

ОКР «Припять» была поручена НИИ «Риф» (г. Бельцы, Молдавская ССР). В состав комплекса были включены: ГАС водолаза «Припять-В1» (рис. 2), ГАС буксировщика водолаза «Припять-В2», ГАК носителя водолазов «Сирена-К» «Припять-Д», и два вида гидроакустических маяков – якорный и донный.

Рис. 2. ГАС водолаза «Припять-В1».

Слева направо: блок питания (крепится на поясном ремне водолаза), пульт управления (крепится слева, на поясном ремне водолаза), основной блок (приор 4, размещается внутри ИДА-71п), гидроакустический фонарик – гидролокатор (размещается на правой руке водолаза), гидроакустические антенны (крепятся на дыхательном аппарате, сверху).

ГАС водолаза «Припять-В1» работала на дух частотах, 35 и 200 кГц. На частоте 35 кГц дальность связи составляла 1 км и привода – до 2 км; на частоте 200 кГц дальность связи составляла 100 м, привода – до 200 м. Частота 200 кГц обеспечивала высокую скрытность работы ГАС водолаза, т.к. не могла быть обнаружена никакими ГАС вероятного противника. После принятия на снабжение ВМФ ГАС водолаза получила наименование МГВ-13В.

В состав ГАК «Припять» входили и два приводных маяка-ответчика – донный, с частотами 35 и 200 кГц, (рис. 3) и якорный, с частотой 35 кГц и дальностью привода до 4 км.

Работал на двух частотах 35 и 200 кГц. Масса – 2 кг.

Рис. 3. Донный гидроакустический маяк-ответчик «Припять-МК1».

Для пеленгования ГА-маяка, в ГАС был применён знакофазовый метод. Если маяк находился слева от водолаза – работал левый телефон, справа – правый телефон, по курсу – работали оба телефона. В целом, в достаточно глубоком море (h – 10 и более метров) этот метод оправдал себя. Однако, в прибрежных мелководных районах, в условиях сильных реверберационных помех (донная реверберация от камней, отражения сигнала от пирсов, кораблей внутри ВМБ) фаза сигнала искажалась, и пеленгатор давал ошибки.

Испытания ГАС водолаза «Припять-В1» проводились в 1983 году в г. Балаклава (под Севастополем) на базе местного отряда борьбы с ПДСС.

Когда проверили ГАС «Припять-В1» – всё было прекрасно. Водолазы разговаривали между собой, потом включали гидроакустический маяк, пеленговали и выходили на него вплотную. А гидроакустический фонарик им так понравился, что они тут же прикрепили его к автомату для подводной стрельбы (АПС) резиновым жгутом и стреляли под водой по мишеням в полной темноте.

Фонарик работал на частоте 200 кГц, имел диаграмму направленности 10⁰ и позволял определить расположение любых предметов вокруг водолаза. Он фиксировал даже боносетевые заграждения и якорьцепи от кораблей, мерил расстояние до грунта и до поверхности воды. Расстояние определялось по тону сигнала. Высокий тон – цель близко (1 – 2 м), низкий – далеко (20 – 25 м). Принцип работы простой – отражённый сигнал запускает генератор запросного сигнала. Чем ближе обнаруженный предмет, тем чаще идёт запросный сигнал и выше тон. ГА-фонарик стал глазами водолаза, когда видимость была равна нулю.

Были у ГАС «Припять-В1» и недостатки. По ТЗ станция должна была весить не более 5-ти килограммов на воздухе, а фактически она весила 6,5 кг. Столь большой вес объяснялся тем, что Минсудпром СССР, во время проектирования станции запретил применение серебряно-цинковых аккумуляторных батарей из-за их высокой стоимости. Пришлось применить аккумуляторы КНГ, которые имели ёмкость в два раза ниже. Это привело к увеличению габаритов блока питания и общему весу станции.

После распада СССР НИИ «Риф» (г. Бельцы, Молдавия) оказался в ближнем зарубежье. Хозяйственные связи были разорваны и создание гидроакустических средств для водолазов и ПСД прекращено. Серийно ГАС «Припять-В» не выпускалась.

В 2003 г встал вопрос о создании новой отечественной станции гидроакустической связи и привода для водолазов ВМФ на новой элементной базе.

Работа была поручена лаборатории морских электронных систем при СПбГМТУ. В результате в 2007г была создана станция гидроакустической связи (СГС) «Фурнитура-ГМТУ», входящая в комплект водолазного снаряжения СН-21. Состав приборов, входящих в комплект водолазной СГС-В представлен на рис. 4.

В комплект станции входила станция командира спуска СГС-К, 6 водолазных станций СГС-В и донный приводной маяк СГМ.

Станция поддерживала телефонную и телеграфную связь на одном из 6 рабочих каналов (3 несущих частоты с выбором верхней боковой полосы или нижней).

Станция имела встроенный аварийный маяк, который можно было включить дистанционно с любой станции в группе при помощи кодового гидроакустического сигнала с номером запрашиваемой станции.

Донный приводной маяк так же запускался дистанционно с любой станции в группе при помощи соответствующего кодового гидроакустического сигнала.

Станция имела встроенный гидроакустический пеленгатор, основанный на корреляционном методе пеленгования шумоподобных сигналов ГА маяка. Для обеспечения его работы станция была снабжена антенной базой из двух гидроакустических антенн.

Антенная база станции размещалась на корпусе дыхательного аппарата ДА-21. Управление станцией осуществлялось при помощи пульта управления с двумя сенсорами, размещавшегося на левой руке водолаза.

Все переключения режимов сопровождались голосовыми сообщениями в телефонах оператора станции (водолаза).

Включение аварийного и донного приводного маяка так же начиналось с излучения в воду голосового сигнала.

Станция СГС «Фурнитура-ГМТУ» была принята на снабжение, и был осуществлен выпуск нескольких небольших серий.

Эксплуатация станции показала, что выбранный главным конструктором корреляционный метод пеленгования шумоподобных сигналов гидроакустического маяка оказался не удачным из-за многолучёвости и неоднозначности пеленга. Управление станцией оказалось слишком сложным и неудобным.

Рис. 4. Водолазная станция СГС-В «Фурнитура – ГМТУ».

Так же были выявлены просчеты в конструкции антенн, корпуса и кабельных линий.

Недостаточным оказался и энергоресурс станции.

В 2009 году в Автономной некоммерческой организации (АНО) «РТГ», под руководством технического директора Павлова Г. Г. началось создание станции связи и пеленгования для водолазов (СГСП) «Пловец-В». В ней был применен ранее неизвестный амплитудно-селективный метод пеленгования, предложенный автором этой книги (подробнее в книге Ю. А. Берков «Водолазная электроника», 2018 г.)

Благодаря этому методу впервые в гидроакустике удалось совместить связь и пеленгование «в одном флаконе». Кроме того, удалось пеленговать не только сигналы ГА-маяка, но и речь водолаза, что позволяло выходить водолазам друг на друга. Такими возможностями не обладала ни одна ГАС водолаза в мире.

В 2011 г. СГСП «Пловец-В» успешно прошла межведомственные испытания. Станция получилась значительно проще и легче по сравнению с СГС-В «Фурнитура – ГМТУ» (которая потом многократно модернизировалась). Управление ею оказалось не сложнее, чем ГАС звукоподводной связи МГВ-6В.

Режим пеленгования осуществлялся на левый и правый телефоны водолаза (источник сигнала слева – звук в левом телефоне, источник справа – в правом телефоне, источник по курсу – звук в обоих телефонах). При этом можно было пеленговать любые сигналы, попадающие в полосу пропускания ГАС (речь водолаза, телеграфные сигналы, сигналы ГА-маяка, шумы проходящих катеров, сигналы гидролокаторов).

Сравнительные ТТХ СГС «Фурнитура – ГМТУ» и «Пловец-В» приведены в таблице.

Из таблицы видно, что станция СГСП «Пловец-В» обладает рядом преимуществ перед станцией СГС-В2М (дважды модернизированной), а именно:

– не требует переключения в режимы связи или пеленгования (постоянно поддерживает оба режима);

– пеленгует импульсные, тональные, речевые и шумовые виды гидроакустических сигналов, попадающих в полосу пропускания приемного тракта. Это позволяет выходить водолазу на водолаза, водолазу на обеспечивающий катер (пеленгуется речь), а также на донный гидроакустический маяк, обозначающий найденные затонувшие предметы или забазированный на грунте носитель водолазов;

– станция устойчива к различным видам реверберационных помех (донная, поверхностная и объемная реверберация);

– обеспечивает качественную связь на дистанциях от 1 м до предельной – 1000 м за счет большого динамического диапазона (сохраняется высокая разборчивость);

– более экономична и обеспечивает 20 часов непрерывной работы при соотношении прием к передаче 5:1;

– микрофонно-телефонная гарнитура, входящая в состав станции, позволяет подключаться по кабелю к станции «Пловец-К» (катерной) с целью обеспечения двусторонней проводной телефонной связи водолаза с командиром спуска, что позволяет работать с тяжёлым водолазом в шланговом снаряжении на глубине до 200 м.

Внешний вид и состав приборов станции приведён на рис. 5, 6 и 7.

На рис. 5 вид основного приборного блока станции «Пловец-В» с герморазъёмами.

На рис. 6 вид антенной базы и кнопок управления станцией.

На рис. 7 гарнитура для полнолицевой маски ПМ-21, и AGA.

Более того, СГСП «Пловец-В»:

– эргономична и проста в управлении;

– позволяет работать в любых типах водолазного снаряжения (отечественных СЛВИ-71, СВУ-3, СН-21, и иностранных образцах снаряжения с полнолицевой маской);

– может работать в режиме подачи аварийного гидроакустического сигнала тревоги (при этом мигает мощный светодиод на правой антенне) если водолаз нуждается в помощи (трёхкратное и более раз нажатие на кнопку «Передача»);

– может работать в режиме автоматического контроля самочувствия водолаза с подачей сигнала тревоги, если водолаз не реагирует на запросный сигнал о самочувствии, который подаётся в правый телефон водолаза автоматически с интервалом в три минуты (водолаз отключает запросный сигнал путём нажатия на кнопку «Передача»);

– осуществлять пеленгование сигналов гидролокатора противника и обход его на необходимом удалении;

– осуществлять связь с экипажем аварийной ПЛ на частотах связи ВМФ и НАТО в период проведения аварийно-спасательных работ.

– станция может включать приводной гидроакустический маяк путём длительного (более 3-х сек) нажатия на кнопку «Маяк».

Размещение СГСП «Пловец-В» на водолазе показано на рис. 8.

Режим «аварийный маяк» включается водолазом кнопкой «Передача», при многократном её нажатии водолазом (три и более раз подряд). При этом в воду излучается сигнал тревоги и мигает светодиодный индикатор.

Рис. 8. Размещение СГСП «Пловец-В» на водолазе в снаряжении СЛВИ.

Большим преимуществом СГСП «Пловец-В» по сравнению с СГС-В «Фурнитура-ГМТУ» является применение литий-йонных аккумуляторов. Они обеспечили малый вес и габариты ГАС. Кроме того, они обеспечивают до 500 циклов заряд – разряда, а каждый заряд обеспечивает до 20ч работы СГСП. Если срок службы СГСП «Пловец – В» составит 10 лет, то каждый год она сможет обеспечить 50 циклов заряд – разряда аккумуляторной батареи (АБ), а каждый цикл обеспечит до 10-и двухчасовых сеансов работы. Таким образом, АБ не потребует замены в течение всего срока эксплуатации СГСП.

Станция выпускается серийно с 2017г. Заказать СГСП «Пловец» (водолазную и катерную) можно в АО «Флаг Альфа» (https://flagalfa.ru/).

Юридический/почтовый адрес:199034, город Санкт-Петербург, 16-я линия В.О, дом 7 литер А, помещение 1-Н 1409; тел. +7 (812) 350-99-08 или непосредственно у главного конструктора, Павлова Гавриил Гаврииловича.

2.2. Перспективы развития средств связи и привода водолазов

При создании следующего поколения ГАС связи для водолазов целесообразно:

– заменить проводную микрофонно-телефонную гарнитуру водолаза на беспроводную гарнитуру по типу Bluetooth-наушников для смартфона;

– добавить к существующему кнопочному управлению ГАС, управление голосом, которое увеличит количество исполняемых команд и позволит управлять, как своей ГАС, так и ГАС других водолазов по каналу гидроакустической связи;

– обеспечить возможность распознавания и перевода нечётких команд водолаза (гелиевая речь или мешает загубник) в чёткие команды диктора, заранее записанные в память компьютера;

– при выходе водолаза на гидроакустический маяк, обеспечить возможность измерения дистанции до маяка;

– добавить в сетку рабочих частот СГСП частоту 200 – 250 кГц для обеспечения работы ГАС в режиме частотной модуляции, что обеспечит высокое качество воспроизведения речи и узнаваемость голоса;

– добавить к гидроакустической связи радиосвязь (в УКВ или СВЧ диапазоне) в надводном положении водолаза.

В качестве микрофона водолаза можно использовать «жучёк», применяемый для подслушивания и передачи информации с помощью микропередатчика. «Жучёк» может быть закреплён в обтюраторе маски с помощью текстильной липучки, или внутри шлема, если снаряжение с загубником.

Радиосигнал от «жучка» идёт по воздуху и по резине, что не вызовет существенного его затухания. Телефонные капсюли должны располагаться снаружи маски и работать достаточно громко в воде. Если под маской слой неопрена, то в нём необходимо сделать отверстия, и заклеить их тонкой резиной.

Однако предложенный «жучёк» в качестве микрофона может оказаться непригодным при работе под значительным давлением. Следовательно, целесообразно создание беспроводного устройства Bluetooth-связи водолаза, с микрофонно-телефонной гарнитурой, работающей под повышенным давлением и передающей сигналы радиосвязи в гидроакустическую станцию водолаза. Блок-схема устройства Bluetooth-связи водолаза представлена на рис. 9.

Как видно из рис. 9, устройство Bluetooth-связи состоит из двух модулей: микрофонно-телефонной гарнитуры с Bluetooth-трансивером, распложенной в шлеме водолаза и Bluetooth-адаптера, установленного в блоке станции ЗПС, которые соединены антенной (коаксиальным кабелем, с концами, зачищенными на 5см оплёткой) передающей высокочастотный радиосигнал от Bluetooth-трансивера к Bluetooth-адаптеру и обратно.

Рис. 9. Блок-схема устройства Bluetooth-связи водолаза.

Цифрами на рис. 1 обозначены: 1 – шлем водолаза, 2 – телефонный капсюль (наушник); 3 – прочный корпус Bluetooth-модуля; 4 – Bluetooth-трансивер; 5 – литий-йонная аккумуляторная батарея; 6 – пьезоэлектрический микрофон; 7 – обтюратор дыхательной полумаски; 8 – штекер для зарядного устройства; 9 – антенна; 10 – корпус станции связи (СГСП); 11 – станция СГСП; 12- Bluetooth-адаптер; 13 – микрофонный вход; 14 – телефонный выход.

Таким образом, обеспечивается беспроводная телефонная радиосвязь между водолазом и его станцией ЗПС под водой (аналогично связи между Bluetooth-наушником с микрофоном оператора и его смартфоном на воздухе).

Вполне возможно, что на больших глубинах динамические наушники-вкладыши будут работать не достаточно громко и качественно из-за высокой плотности газовых смесей. Применять вставные наушники-затычки (рис. 10) не рекомендуется, поскольку при повышении давления их будет загонять в слуховой канал уха водолаза и водолаз может повредить барабанную перепонку. Лучше применять такие наушники с креплением за ушную раковину со снятой затычкой из резины (рис. 11).

Всё это остаётся внутри шлема гидрокомбинезона и одевается на водолаза перед надеванием снаряжения. Никакие провода наружу не выводятся. Остаётся решить вопросы управления станцией СГСП.

Чисто кнопочное управление невозможно из-за большого количества команд.

Возможно применение светового меню на дисплее водолаза, когда отдельные опции высвечиваются поочерёдно с интервалом в 1сек. При подсветке нужной опции водолаз нажимает кнопку «Enter» или говорит «ДА» и опция исполняется. Но это потребует чтения многочисленных каталогов с меню и опциями, что под водой затруднительно и отвлекает водолаза. Водолаз должен будет останавливаться, и работать с дисплеем. Поэтому наиболее целесообразно управление с помощью голосовых команд.

Данный вид управления уже пытались исполнить в лаборатории СПб ГМТУ, однако результаты оказались более чем скромными. Компьютерная программа распознавала от 20 до 40% команд у разных водолазов.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.