В океанологии приняты две критические цифры — 2000 и 6000 метров. 2000 метров — это глубина, ограничивающая 16% дна Мирового океана. 6000 метров — это уже 98,5% дна Мирового океана. Оставшиеся 1,5% - наименее изученная и таинственная часть поверхности земного шара – максимальные глубины до 11 000 м, достижение, а тем более, изучение которых требует колоссальных материальных и интеллектуальных затрат. Собственно говоря, непосредственное погружение на глубину в 11000 м состоялось в 1960 году, когда Дон Уолш и Жак Пекар спустились на дно марианского желоба на батискафе. Спустились, сделали несколько снимков и поднялись на поверхность. Достижение? Да, безусловно. Однако для полноценного изучения таких глубин требуется нечто большее, а именно – глубоководный обитаемый аппарат (ГОА) способный перемещаться и маневрировать на таких глубинах. Следует отметить, что на сегодняшний день в мире имеется четыре ГОА, которые могут погружаться на глубину 6000 м: «Наутил» (Франция), «Шинкай 6,5» (Япония), «Мир-1» (см. рис.1) и «Мир-2» (Россия). Аппарат «Алвин» (США) может погружаться на 4500 м. Все названные аппараты используются как для решения научных задач, так и для проведения специальных подводно-технических операций и видеосъемок.

Обитаемого аппарата для предельных глубин (до 11000 м) пока в мире не существует. Глубже 6000 м по всему миру было сделано всего два-три десятка погружений различными средствами. Были батискафы и дистанционно управляемые необитаемые аппараты. Например, во Франции был построен батискаф «Архимед» — на 9500 метров погружения. В Японии создали необитаемый аппарат на 11 000 м, который в последствии был потерян на глубине.

Какие же основные проблемы стоят перед создателями ГОА для максимальных глубин?

Многие обыватели полагают, что глубина погружения обусловлена прочностью корпуса аппарата. Однако, само существование батискафов, способных погружаться на многокилометровые глубины, свидетельствует о том, что создание прочного корпуса не является технической проблемой. А вот вопросы обеспечения мобильной плавучести (когда аппарат в течение одного погружения может несколько раз менять свое положение относительно дна) на таких глубинах предъявляют определенные требования к работе оборудования, которое обеспечивает эту мобильность.

В подводных лодках, например, выполненных по «классической» схеме, такая мобильность обеспечивается за счет применения балластных цистерн, заполняемых при погружении водой, которая при всплытии вытесняется сжатым воздухом, хранящимся на борту подводной лодки в газовых баллонах высокого давления. Как правило, давление воздуха в газовых баллонах составляет около 150—200 кг/см2. При погружении в морские глубины давление воды возрастает на 1 кг/см2 на каждые 10 метров. Таким образом, на глубине 100 м давление составит 10 кг/см2, а на глубине 1 500 м — 150 кг/см2. Фактически сжатый воздух, находящийся в газовом баллоне под давлением 150 кг/см2 на такой глубине уже не является «сжатым», и вытеснить воду из балластной цистерны уже не может. На глубине 11000 метров давление воды составляет около 1100 кг/см2, соответственно воздух в газовых баллонах должен быть сжат до большего значения. Сконструировать газовые баллоны, трубопроводы, клапаны и иную арматуру, рассчитанную на давление более 1100 кг/см2, имеющую при этом разумную для судна массу, размеры и 100 % надёжность, вероятно, технически невозможно.

В уже упомянутых ГОА Мир-1 и Мир-2, рассчитанных на погружения до 6500 м, плавучесть регулируется с помощью системы переменного балласта путем приема воды в три прочные сферы и откачки ее из сфер насосом высокого давления. Такая система позволяет аппаратам вертикально маневрировать и регулировать скорость погружения и всплытия в широких пределах – от 0 до 35-40 метров в минуту. По такому же принципу организована дифферентовка аппарата: водяной балласт также перекачивается насосом высокого давления из передних балластных сфер в заднюю или на оборот. Стандартный угол наклона носа аппарата лежит в пределах от 0° до 25°, что обеспечивает ему достаточную мобильность для исследований. Использование морской воды для тонкой балластировки и для дифферентовки аппарата создает единую систему с общими балластными танками, что, несомненно, является большим преимуществом по сравнению с применением ртути (используется в аппаратах иностранного производства) – для ее перекачки нужна отдельная система с дополнительными емкостями и насосами. Кроме того, применение ртути требует принятия дополнительных мер безопасности.

Однако, одно дело сделать насос, который будет обеспечивать работу такой балластной системы на глубине 6500 м и совсем другое на глубине 11000 м, что фактически эквивалентно увеличению напорности насоса почти в 2 раза с 650 кг/см2 до 1100 кг/см2. Несомненно, что создание ГОА для таких глубин также потребует от производителей сопутствующего оборудования достижения его оптимальных массо-энергетических показателей, а также, что немаловажно, достижения устойчивой работы во всем требуемом диапазоне погружения ГОА, да и в принципе обеспечения высоких показателей по надежности и эксплуатационным характеристикам.

Разработка проекта такого высоконапорного насоса, получившего название СКАТ-1100, отвечающего всем вышеперечисленным требованиям, начата в специальном КБ завода АО «ЛГМ» в прошлом году (рис.2).

Конструктивно насос представляет собой 6-плунжерный погружной агрегат со следующими основными рабочими параметрами (Таблица1).

В качестве материала корпуса насоса, как, впрочем, и большинства остальных его частей, выбран титановый сплав, что обусловлено жесткими требованиями по массе насосного агрегата. Именно сплавы на основе титана обладают достаточно высоким пределом текучести в сочетании с относительно невысокой плотностью. Для снижения перепада давления на корпусе внутренняя полость насоса заполняется минеральным маслом и отделяется от внешней среды сложной системой уплотнений на основе сильфонов.

Предельные глубины, на которых должен эксплуатировться данный насос, также определили отказ от использования в нем прямодействующего гидравлического привода из-за сложностей, связанных с переходными процессами. Объясняется это эффектом сжимаемости воды, который на поверхности просто незаметен и этим свойством зачастую пренебрегают. Несмотря на высокое давление в глубинах океана, морская вода сжимается незначительно, однако даже из-за малой сжимаемости, уровень Мирового океана расположен примерно на 30 метров ниже уровня, который он бы занимал при несжимаемости воды. Коэффииент сжимаемости зависит от температуры, солености, давления и с их увеличением уменьшается. Известно, что 1 кубический метр воды, погрузившись с поверхности океана на 1000 м вглубь, сожмется в объеме на 5 литров или на полпроцента. На глубине в 11000 метров эта величина составит более 5% и вода превращается в очень жесткую пружину, сжатую на 5% своей длины, что оказывает крайне неблагоприятный эффект на системы регулирования с применением гидравлических усилителей сигнала.

В качестве непосредственного привода насоса планируется использовать два вентильных погружных электродвигателя, которые крепятся к выступающим концам приводного вала. Мощность каждого из электродвигателей подбирается таким образом, чтобы в случае отказа одного из них, второй мог в одиночку обеспечивать вращение приводного вала насоса на протяжении времени, необходимого для аварийного всплытия ГОА. Синхронность вращения электродвигателей регулируется электронно. Вал, посредством системы зубчатых передач и кривошипно-шатунного механизма, сообщает возвратно-поступательное движение шести плунжерам, расположенным оппозитно относительно него.

В ближайшее время АО «ЛГМ» планирует изготовить опытный образец такого насоса и испытать его, после чего, при необходимости, произвести конструктивные доработки конкретных узлов насоса. В случае успешных испытаний отечественные конструкторы глубоководных аппаратов получат оборудование, которое поможет их творениям свободно перемещаться на предельных глубинах.

В.Флидлидер, О.Клюквин, Е. Солодченков.