DeepSea Challenger:
глубина технологий

С какими вызовами столкнулись конструкторы Deepsea Challenger, на борту которого кинорежиссер Джеймс Кэмерон  в 2012 году погрузился на дно знаменитой впадины. 21 Март 2015, 15:10

В мае 2014 года завершился очередной проект Фёдора Конюхова — он в одиночку пересек самый большой океан на планете на весельной лодке за рекордное время — 160 суток.

А уже с июня 2014 года легендарный российский путешественник целенаправленно готовится к покорению самой глубокой точки мирового океана: Марианской впадины. Для этого Конюхов ищет любые возможности разработки батискафа, способного не только погрузиться на дно впадины, но пройти на гигантской глубине больше ста миль в течение трех суток.

Редакция Technowars будет следить за этим проектом и рассказывать о ходе его реализации. данная статья — о том, с какими вызовами столкнулись конструкторы Deepsea Challenger, аналогичного подводного аппарата, на борту которого кинорежиссер Джеймс Кэмерон (James Cameron) В 2012 году погрузился на дно знаменитой впадины.

Из-за чудовищного давления на дне океана для создания Deepsea Challenger использовались самые современные системы и материалы, которые рассматриваются в этой статье. Все они объединены в четыре основных инновационных области: плавучие материалы, конструкция обитаемой гондолы и контейнеров для инструментов, освещение, источники электроэнергии..


DeepSea Challenger: обзор

Погружение DeepSea Challenger, проведенное 26 марта 2012 года, состоялось благодаря целому ряду технологических решений, разработанных командой инженеров австралийской компании Acheron Project под руководством Рона Аллума (Ron Allum). На этапе проектирования ОПА были поставлены следующие цели: возможность погружения человека в глубочайшую точку Мирового океана со значительным временем пребывания на дне для выполнения профильных работ и исследований, возможность повторных погружений в любом районе океана с целью сбора данных, демонстрация эффективности ОПА для научных наблюдений в условиях ультраабиссали (зона наибольших океанических глубин, 6–11 тыс. м), успешное применение пилотируемых, автономных и дистанционно управляемых платформ с одновременным сбором данных, максимальная научная ценность каждой экспедиции, получение фото- и видеоизображений (в том числе в 3D-формате) ранее не наблюдавшихся геологических процессов и обитателей хадальной зоны.

DeepSea Challenger (DCV1): внешний вид и основные элементы

Для достижения всех поставленных целей в конструкции DeepSea Challenger было использовано большое количество современных решений и новейших технологий. Для погружения на глубину ОПА использовал тот же способ, что и глубоководные подводные аппараты предыдущих поколений: аппарат опускается сквозь толщу воды под грузом балласта, который сбрасывается на дне для возврата ОПА на поверхность. Стальной 500-килограммовый балласт крепился с помощью системы электромагнитов — для подъема аппарата пилоту необходимо было лишь нажать на кнопку. В отличие от других ОПА DeepSea Challenger имел вертикальную конструкцию, которая медленно вращалась вокруг свои оси во время погружения.

Интерьер обитаемой гондолы, построенной сиднейской компанией Acheron Project для тренировок Джеймса Кэмерона.
В сферической конструкции находились системы жизнеобеспечения, связи и управления подводным аппаратом.

Вращение придавало аппарату оптимальное гидродинамическое положение, позволяя погружаться строго вертикально, не отклоняясь от заданной траектории. 7,3-метровый легкий корпус (поплавок) был изготовлен из синтактической пены, которая одновременно обладала необходимым сопротивлением давлению и положительной плавучестью (несмотря на то, что общий вес конструкции составлял 11,8 тонн). Подводный аппарат имел 12 горизонтальных и вертикальных движителей для перемещения у дна океана. Для проведения научных наблюдений ОПА оснащался «круиз-контролем», позволяющим аппарату неподвижно зависать в одной точке или плавно двигаться сквозь толщу воды с постоянной скоростью.

Пилота от чудовищного давления воды защищала толстостенная стальная сфера, прикрепленная к корпусу с помощью ремней из полиэстера. Находясь в ней, он управлял приборами подводного аппарата. Для проведения научных наблюдений на DeepSea Challenger были установлены четыре внешних HD-камеры и 3D-камера, установленная у смотрового отверстия. Две из внешних камер были смонтированы рядом на двухметровой выносной мачте, что позволило получить стереоизображение. Две других крепились к манипулятору и работали независимо, записывая 2D-изображение: одна была оснащена широкоугольным объективом, другая — макрообъективом для видеозаписи мелких обитателей глубин. Освещение обеспечивал массив светодиодов, размещенный на корпусе, а также прожектор на другой выносной мачте.

Джеймс Кэмерон внутри обитаемой гондолы DeepSea Challenge
(кадр из фильма «Погружение в бездну»)

Пилот мог управлять обеими мачтами с помощью гидравлической системы. Манипулятор также контролировался гидравлически посредством джойстика и позволял собирать подводные камни, а также помещать биообразцы в специальный контейнер. Пластиковый контейнер имел герметичную крышку и был спроектирован таким образом, чтобы сохранять низкую температуру содержимого. С помощью манипулятора можно было брать пробы грунта, погружая другой пластиковый контейнер в донные образования. Помимо камер и манипулятора из подводного аппарата можно было обмениваться информацией с двумя вспомогательными погружаемыми модулями, контролировать их функции и управлять перемещением.

DeepSea Challenger перед испытательным спуском на воду
DeepSea Challenger с Джеймсом Кэмероном на борту поднимается на борт судна Mermaid Sapphire после погружения на дно Бездны Челленджера

Оба модуля использовали многие из технологий, примененных при постройке DeepSea Challenger. Они были спроектированы для расширения возможностей научного наблюдения и оснащались не только 3D-камерами с осветительными приборами, но также двумя батометрами Нискина для взятия проб воды и ловушками с приманкой для отлова мелких рыб и ракообразных. Все приборы ОПА, движители, освещение и видеокамеры запитывались от большого модульного массива аккумуляторов, состоящих из тысяч литий-ионных элементов с компенсатором давления.

Стальной балласт с многочисленными механизмами сброса.
Вспомогательный подводный модуль DOV MIKE готовится к погружению
При создании DeepSea Challenger был предприняты меры безопасности по защите пилота на больших глубинах. Хотя массив аккумуляторов выделял большое количество тепла, нагревающего поверхность гондолы, близкие к нулю температуры на дне океана могли привести к гипотермии пилота. Для тепловой защиты пилот надевал специальный герметичный костюм с регулируемым электроникой температурным режимом, а также дополнительный слой одежды. Кроме того, в гонодоле находился еще и спальный мешок. Системы жизнеобеспечения состояли из двух баллонов со сжиженным кислородом, который мог обеспечить пилота дыхательной смесью на протяжении 56 часов — в семь раз больше, чем требовалось для стандартного погружения. Углекислый газ удалялся из воздуха внутри гондолы c помощью газоочистителя, а водяной пар конденсировался на внутренней поверхности гондолы. Конденсат затем стекал вниз в специальную емкость — собранная вода могла использоваться в аварийных ситуациях.

Гондола представляла собой огнеупорную конструкцию и оснащалась дополнительными аккумуляторами, размещенными под креслом пилота, которые могли поддерживать работу системы жизнеобеспечения в случае отказа основного массива батарей. В такой ситуации также срабатывали электромагнитные крепления балласта и автоматически сбрасывали его. Были предприняты и другие меры безопасности. Например, пилот мог активировать систему под названием Frangibolt, которая использовала эффект переноса тепла для срыва болтов, крепящих механизм сброса балласта к подводному аппарату — в этом случае на дне оставался весь механизм, что позволяло провести аварийное всплытие. Балласт мог быть сброшен также с помощью акустического сигнала, поданного обслуживающим персоналом на поверхности. Имелся и еще один запасной вариант: гальваническое соединение балласта и ОПА начинало разрушаться через 11–13 часов пребывания под водой, что в итоге приводило к сбросу балласта.

Раскаленная докрасна заголовка гондолы DeepSea Challenger с толщиной стенок 64 мм
(у «Триеста» стенки гондолы были вдвое толще)

Все технологические решения и меры безопасности превратили DeepSea Challenge в идеальное средство для глубоководных погружений. Его двенадцать движителей позволяли аппарату перемещаться вертикально со скоростью 2,5 узла и горизонтально — со скоростью 3 узла. Тот же «Триест» был оснащен двумя движителями с максимальной скоростью хода 0,5 узла. Несмотря на вес, ОПА оказался на удивление подвижным, что позволяло ему даже преследовать небольших глубоководных обитателей.

Одно из погружений DeepSea Challlenger в районе атолла Улити (глубина — 850 м).
За «штурвалом» — Рон Аллум.

Разработка плавучих материалов

Синтактическая пена

Главным компонентом поплавка — основного элемента в конструкции DeepSea Challenger — являлась синтактическая пена IsoFloat, специально разработанная сиднейской компанией McConaghy Boats. Так как ОПА проектировался прежде всего как научно-исследовательское средство глубоководного погружения, то его плавучесть должна была компенсировать вес оборудования — из расчета 20 кг пены на каждые 12 килограммов инструментов и приборов. IsoFloat — первая синтактическая пена, способная выдержать огромное давление, характерное для больших глубин, и одновременно сохранить плавучесть, необходимую для подъема на поверхность. Свойства пены позволяют построить систему, намного удобнее той, что обеспечивала плавучесть «Триеста» — тогда отсеки батискафа заполнялись бензином (который легче воды), отделявшийся от воды эластичной мембраной. При погружении бензин сжимался, мембрана продавливалась, но при этом колоссальное давление не воздействовало на силовые элементы конструкции. IsoFloat составляла 70% от общего погружаемого объема DeepSea Challenger. Подобное решение позволило создать относительно компактную конструкцию ОПА, допускающую быстрое погружение и всплытие. К тому же использование синтактической пены позволило разместить на поплавке точки крепления для движителей и других необходимых устройств.

Синтактическая пена уже давно используется в морской и аэрокосмической индустрии, где необходимо применение прочных и легких наполнителей. При изготовлении подводных аппаратов она часто используется для заполнения пустот в корпусе, что также увеличивает прочность конструкции. Синтактическая пена представляет собой композитный материал, в котором роль наполнителя выполняют полые микроскопические шарики (микросферы), а в качестве связующего вещества используются керамика, пластики и даже металлы. Материал для изготовления микросфер — алюмосиликаты, стекло, углерод или полимеры. Благодаря полым частицам достигается характерная для синтактических пен прочность, низкая плотность и невысокий коэффициент теплового расширения.

Материалы подобного рода были впервые запатентованы в 1969 году для глубоководного применения, где были необходимы высокопрочные плавучие материалы с большим сроком службы. Оригинальная синтактик-пена изготавливалась из высокопрочных стеклянных микросфер диаметром 20–90 микрометров и толщиной стенок около 1,8 мкм (была коммерчески доступна в те годы). В качестве связующего вещества использовалась смесь равных частей эпоксидной смолы, отвердителя и катализатора, ускоряющего процесс отверждения. Количество и тип катализатора значительно влияет на время и рабочую температуру отверждения. Обычно катализатор добавляется к пластику/отвердителю в количестве 1:200. Изменяя количество связующего вещества (эпоксидная смола) и микросфер (стекло), регулируют свойства получающейся пены. Получившийся композит имел прочность на сжатие около 148,9 МПа.

Многие виды синтактических пен (греч. «собранные вместе) состоят всего из двух компонентов: микросфер и связующего компонента

В то время как более высокое содержание микросфер снижает вес и увеличивает плавучесть, одновременно снижается прочность на сжатие синтактической пены. Опытным путем было доказано, что пена, содержащая 30–50% стеклянных шариков, имеет оптимальные параметры для использования в глубоководных аппаратах. Один из основных недостатков синтактик-пены — ее склонность к впитыванию воды при больших давлениях. Для борьбы с этим в композит добавляются связующие агенты, которые снижают степень впитываемости при одновременном увеличении прочности на сжатие. Так как оригинальный состав эпоксидной смолы уже обладал достаточными прочностными характеристиками, разработка стеклянных микросфер с повышенной прочностью позволила улучшить прочность, вес и плавучесть синтактических пен.

С момента изобретения этого композита многие компании предлагали свои варианты синтактических пен, способных выдержать давление на разных океанских глубинах. И хотя они успешно прошли неоднократные испытания, применение синтакт-пены при исследованиях в Марианском желобе показало ряд ее слабых мест. В конструкции японского дистанционно управляемого аппарата Kaiko применялась обычная синтактическая пена с удельной плотностью 0,63 для обеспечения жесткости и плавучести всей конструкции. После первого погружения на глубину 10900 м обследование Kaiko показало наличие мелких трещин в пене, идущих от ее поверхности к центру. Как оказалось, эти трещины не являлись особенностью самого композита, а были вызваны нарушениями в клеящем составе, с помощью которого скрепляли друг с другом отдельные блоки синтактик-пены.

Пена IsoFloat, использовавшаяся в DeepSea Challenger, представляет собой прорыв в производстве композитов этого типа. Соблюдение одинаковых параметров микросфер было проблематичным при производстве обычных синтактических пен. В случае, если единообразие отсутствовало, пена обладала меньшим сопротивлением к давлению, а также впитывала гораздо больше воды на глубине, что увеличивало общий вес аппарата. После того как несколько американских поставщиков не смогли предоставить образцы необходимого качества, Кэмерон и Аллум решили производить собственную пену. В дополнение к более строгому контролю качества в производстве стеклянных микросфер Аллум разработал технологию, улучшающую стойкость композита к давлению. Первые испытания блоков из синтактик-пены показали наличие внутренних трещин, которые увеличивались при тестах под давлением. Для уплотнения структуры и увеличения прочности блоки IsoFloat изготавливались под давлением — традиционная технология производства синтактик-пены подразумевает вакуум.

Синтактическая пена:
или прочность, или вес

В дополнение к проблемам с монтажом синтактическая пена обычно считается более тяжелой и дорогой в сравнении с такими альтернативами как керамические макросферы. Хотя свойств обычной синтактик-пены обычно хватает для плавучести дистанционно управляемых или автономных подводных аппаратов, ОПА, которые несут большую полезную нагрузку, более требовательны к ограничениям по весу. Для использования в обитаемых подводных аппаратах, работающих на сверхбольших глубинах, обычная синтактическая пена, отвечающая требованиям по прочности, просто слишком тяжела.

Тем не менее под колоссальным давлением подводный аппарат все же испытывал деформацию и становился короче на 6,35 сантиметра. Тензиометры, использовавшиеся в ходе испытаний, показали, что IsoFloat не деформируется до тех пор, пока внешнее давление не достигнет величины 151,7 МПа. Для того, чтобы добиться высокой прочности на сжатие, IsoFloat остается относительно тяжелой в сравнении с другими технологиями плавучести и синтактическими пенами, и имеет удельную плотность, равную 0,7. Тем не менее подводный аппарат мог осуществлять довольно быстрое всплытие, так как на большой глубине он становился легче: из-за гидростатического давления вода на океанском дне плотнее воды на поверхности. Так как IsoFloat благодаря своей высокой прочности сжимался на глубине меньше, чем вода, это приводило к том, что он становился тем легче, чем ниже погружался. Высокая прочность пены также позволяла легче обрабатывать блоки синтактик-пены и придавать им необходимую форму, соответствующую форме корпуса.

McConaghy Boats, построившая корпус из синтактик-пены, благодаря многолетнему опыту работы с композитами смогла создать практически идеальный легкий корпус-поплавок, состоящий из 250 блоков. Все они были скреплены между собой клеящим составом, схожим по свойствам с тем, который применяют при постройке яхт премиум-класса. Использование IsoFloat привело к отказу от тяжелого металлического корпуса, что позволило разместить на борту подводного аппарата больше оборудования и создать компактную конструкцию, облегчившую погружение и подъем ОПА.

Керамические макросферы

В последние годы керамические макросферы использовались в автономных подводных аппаратах для обеспечения плавучести и механической прочности в качестве альтернативы синтактической пене. Nereus, построенный Океанографическим институтом Вудс-Хоул (Woods Hole Oceanographic Institution, WHOI), успешно использовал в конструкции поплавка керамические сферы во время исследования Марианского желоба в 2009 году. Инженеров из WHOI не устроил вес имеющейся на тот момент на рынке синтактической пены, и они выбрали для использования плавучие керамические сферы, на 99,9% состоящие из оксида алюминия, специально созданные в DeepSea Power&Light (DSPL). Керамические макросферы были разработаны в середине 1960-х, но и сегодня они не используются для создания ОПА из-за производственных ограничений. Однако они представляют собой приемлемую альтернативу при создании автономных подводных аппаратов, превосходя по необходимым свойствам даже синтактик-пену, и имеют неплохие перспективы по использованию в ОПА следующих поколений.

В то время как синтактические пены обладают небольшим весом и отличной прочностью, плотность упаковки микросфер ограничивает их плавучесть, так как многие синтактик-пены, реализуемые на рынке, используют в качестве связующего материалы, которые не обеспечивают дополнительной плавучести. С другой стороны, керамические макросферы могут удерживаться на месте с помощью каркаса, изготовленного из пластика низкой плотности. Благодаря их большому размеру и связующему материалу с низкой плотностью керамические макросферы могут обеспечить плавучесть и прочность с меньшим собственным избыточным весом, чем синтактик-пена. Увеличить сопротивление давлению у керамических макросфер можно отбором материала с высокой прочностью на сжатие, которые может производиться без швов, с одинаковой толщиной и незначительными отклонениями по форме от идеальной сферы.

Стыки или швы на поверхности сфер являются причиной локальных напряжений при сжатии/растяжении, что приводит к образованию трещин и разрушению стеклянных или керамических сфер во время длительных или цикличных воздействиях давления. Отсутствие технологий для производства бесшовных сфер было непреодолимым препятствием, пока в 1964 году Coors Porcelain не разработала технологию литья, с помощью которой можно было производить бесшовные сферы диаметром 25,4 см, способные выдерживать давление на глубине до 6000 м. Однако изменения в структурных качествах между отдельными сферами привело к тому, что технология считалась слишком опасной для создания ОПА.

В конструкции дистанционно управляемого глубоководного аппарата Nereus для обеспечения плавучести использовались керамические макросферы

Керамические сферы, изготовленные из оксида алюминия, использованные для создания Nereus, были разработаны с тем, чтобы выдерживать давление на дне океана с коэффициентом надежности, равным 2 (227,5 МПа). Оксид алюминия — наиболее экономически эффективный и широко используемый материал для создания технической керамики, а также наиболее доступная, прочная и плотная из всех известных керамик на основе оксидов. Для того, чтобы обеспечить хорошее соотношение плавучести и прочности, а также необходимый коэффициент надежности, использовались сферы диаметром 9,14 см с толщиной стенок 1,5 мм. Подобные элементы выдерживали максимальное давление до 242,8 МПа (при давлении в 240,2 МПа сферы начинали деформироваться). Бесшовные сферы изготавливались методом ротационного формования в сферических матрицах, изготовленных из двух гипсовых полусфер. Процесс ротационного формования включает заполнение нагретой матрицы необходимым количеством исходного материала и ее медленное вращение, что заставляет материал равномерно распределяться и оседать на внутренних стенках матрицы. Матрица непрерывно вращается в двух плоскостях во время фаз нагрева и охлаждения, что приводит к образованию бесшовного продукта с практически идеально равномерной толщиной стенок.

Производственный процесс был измерен и задокументирован DeepSea Power&Light. В ходе визуального обследования 20 изготовленных образцов два из них были забракованы из-за наличия поверхностных дефектов. В дополнение к измерениям и визуальному отбору было проведено акустическое тестирование всех изготовленных сфер, в ходе которого сферы подвергались давлению в 206,8 МПа. В среднем, еще 25% сфер не прошло очередное испытание, а общее количество элементов, отвечавших всем требованиям, составило 67,5%. Как показывает пример с DSPL, соответствующие контроль качества и программа испытаний способны эффективно преодолеть производственные проблемы и полноценно использовать преимущества технологии при создании подводных аппаратов.

В то время как производство керамических макросфер требует дальнейшего улучшения, эксплуатационные показатели сфер, изготовленных DSPL из оксида алюминия, впечатляют. Перед их практическим использованием керамические сферы были испытаны под давлением в кратковременном, длительном и циклическом режимах. Первый вариант испытаний был проведен для подтверждения соответствия изготовленных элементов расчетным условиям и запасу прочности. Исходя из имеющихся проблем, для испытаний использовалась камера высокого давления с рабочим параметром
206,8 МПа. Все
сферы, отвечающие техническим требованиям, прошли кратковременные испытания.  

Имплозия сфер

Варьирование параметров макросфер после их изготовления могло привести к неприятным последствиям, так как имплозия (взрыв, направленный внутрь, на сжатие объекта) образовавшейся ударной волной могла запустить «цепную реакцию» в сферах, окружающих схлопнувшийся элемент, что в свою очередь увеличивало риск затопления аппарата. Это не является проблемой для синтактических пен, где сферы имеют микроскопические размеры и полностью погружены в связующий компонент. Из-за проблем с качеством керамические макросферы практически не использовались для создания плавучих конструкций до появления дистанционно управляемых и автономных подводных аппаратов. 

Для того чтобы определить усталостную долговечность сфер, было применено длительное постоянное давление 206,8 МПа и 172,4 МПа, а результаты тестирования затем экстраполировали для 11-километровой глубины (113,8 МПа). Обнаружилось, что статическая усталостная долговечность превышает 10 тыс. часов, что достаточно для более чем 400 погружений продолжительностью 24 ч. Хотя бесшовное производство керамических сфер приводит к превосходным циклическим стойкостным характеристикам, наличие отказов при циклическом изменении давления является следствием применения механических соединений при создании конструкций подводных аппаратов. Как и длительные испытания, циклические тесты проводились при повышенных уровнях давления, а затем экстраполировались. Результаты циклических испытаний показали, что уровень усталостной долговечности значительно превышает 30 тыс. циклов для 11-километровой глубины, что в свою очередь намного больше 1 тыс. погружений, требуемых техусловиями.

Хотя некоторые проблемы, связанные с производством, должны быть решены до того, как керамические сферы станут одним из вариантов для создания плавучих конструкций при проектировании ОПА, их потенциал сложно переоценить. DOER Marine подготовила проект обитаемого подводного аппарата, предназначенного для исследования больших глубин в течение продолжительных периодов времени, а инженеры компании считают, что керамические макросферы являются оптимальным решением для обеспечения плавучести.

В настоящее время DOER осуществляет тщательное тестирование сфер для подтверждения надежности их эксплуатации на глубине. В то время как опыт использования Nereus успешно доказал применимость этой технологии, ее использование в ОПА связано с рядом проблем. DOER совместно с Hadron Technologies разрабатывают сферы на основе оксида алюминия, которые будут просты в изготовлении и смогут отвечать высоким требованиям к качеству. В первую очередь озабоченность вызывает опасность «цепной реакции» схлопывания керамических сфер после разрушения одной, что связано с риском для жизни пилотов глубоководных аппаратов. Непрерывный акустический контроль за сферами рассматривается как одна из мер по предупреждению надвигающейся опасности.

В дополнение к такому наблюдению связующий компонент или каркас, который соединяет керамические макросферы воедино, может использоваться для поглощения ударной волны, вызванной схлопыванием одной из сфер. DOER уже проводила испытания по использованию гибридной технологии — керамические сферы из оксида алюминия погружались в связующую смесь из обычной синтактической пены, с тем чтобы обеспечить прочность и поглощение ударных воздействий. Однако в процессе производства обнаружилось, что такое решение ведет к высоким механическим напряжениям, которые приводят к деформации сфер и их разрушению под воздействием давления. В настоящее время испытываются различные способы упаковки керамических макросфер с целью снижения риска последовательного разрушения. Работа, которая была проведена DOER, привела к переносу керамических сфер их разряда технологий для необитаемых подводных аппаратов в число инженерных подходов, которые, очевидно, смогут быть достаточно надежным решением для их использования при постройке ОПА.

Разработка обитаемой гондолы
и приборных контейнеров

Контейнеры для приборов

Стеклянные сферы успешно использовались в качестве контейнеров для приборов во множестве решений, связанных с исследованием глубин океана. В отличие от «Триеста» современные глубоководные аппараты несут на борту тонны специальных приборов, датчиков и камер, используемых в научных работах. Для того чтобы все это оборудование могло работать на глубине, оно должно быть «упаковано» в устойчивую к давлению оболочку, которая, с одной стороны, защищает инструменты, с другой — не влияет на плавучесть подводного аппарата. Как и в случае с гондолой пилота, сферический корпус является максимально прочной формой, так как в этом случае оболочка не имеет углов и внешние силы распределяются равномерно.

Контейнеры для приборов могут быть изготовлены из множества материалов, включая металлы, отлитую под давлением пластмассу, керамику или стекло. В последнем случае конструкторы подводных аппаратов получают массу преимуществ, что довольно быстро превратило стекло в наиболее распространенный материал для соответствующих конструкций. Стекло — относительно недорогой материал, который имеет очень высокое соотношение прочности к весу. Оно также устойчиво к коррозии, что позволяет ему выдерживать воздействие раствора солей, характерных для океанских вод. 
Стеклянная сфера Vitrovex, изготовленная Nautilus Marine: внутри видна камера Canon 5D

Для работы приборов немаловажно и то, что стекло является прозрачным, немагнитным материалом, а также диэлектриком. Стекло не только не вносит помехи в работу датчиков, но и позволяет осуществлять контроль и управление заключенными внутрь контейнера приборами. Инфракрасное излучение, Bluetooth, GPS, ARGOS, Iridium, УКВ-радиосигналы без проблем проникают сквозь стекло и могут эффективно использоваться для взаимодействия с приборами. Благодаря прозрачности материала обслуживающий персонал может видеть индикаторы состояния и дисплеи, не вскрывая контейнера.
Тем не менее у стекла как материала для контейнеров есть и ряд недостатков: его точная машинная обработка сложна, а из-за природной хрупкости стекло боится ударов. Под циклическим высоким давлением может происходить его расслаивание и растрескивание вокруг технологических отверстий. Для борьбы с такими явлениями производители часто при установке коннекторов используют плоские шайбы с уплотнительными кольцами круглого сечения для распределения нагрузки.

Nautilus Marine Services разработала популярную линейку стеклянных сфер Vitrovex, которые успешно используются в большом количестве глубоководных проектов. Сферы Vitrovex изготавливаются из боросиликатного стекла 3.3 — такое применяется при изготовлении посуды под брендом Pyrex. Боросиликатное стекло 3.3 изготавливается из 81% оксида кремния, 13% оксида бора, 4% оксида натрия и 2% дополнительных присадок. Будучи более легким, чем обычное стекло, боросиликат может похвастаться очень высокой прочностью на сжатие, а также низким коэффициентом теплового расширения (последний параметр не превышает 1/3 от соответствующей показателя для обычного стекла). Это снижает напряжение в материале, вызываемое перепадами температур в океане, а также делает стекло более устойчивым к разрушению. В результате стеклянные корпуса Vitrovex меньше дерформируются даже под большими давлениями на дне океанских желобов.

Компания Guatek тесно сотрудничает с Nautilus Marine, разрабатывая приборы для глубоководных исследований, размещаемые в стеклянных контейнерах Vitrovex

Сферы Vitrovex изготавливаются из полусфер, которые затем образуют герметичный контейнер. В качестве герметика используется бутилкаучук и широкая лента. Две полусферы удерживаются вместе за счет давления на океанских глубинах. Для того чтобы сферы выдерживали высокое давление, особенно важным является их максимально плотное прилегание.

Точное литье и высококачественное стекло гарантируют, что во время обжига при высоких температурах в печи изделия сохраняют требуемые размеры. После охлаждения полусферы проходят трехступенчатый процесс шлифовки, который включает машинную обработку алмазными абразивами, ручную шлифовку для максимально плотного прилегания полусфер и окончательную полировку. Используя высокоточные производственные технологии, Nautilus Marine Services может предложить самые разнообразные стеклянные контейнеры, которые готовы выдержать испытание давлением на любых океанских глубинах.
Интересно сравнить параметры сферических контейнеров из боросиликатного стекла и титана: при повышении в разумных пределах диаметра сферы толщина стенок контейнера из боросиликатного стекла может быть несколько тоньше, чем у титановой сферы (при прочих равных условиях). Кроме того, боросиликатная сфера при увеличении диаметра демонстрирует плавное увеличение плавучести, а плавучесть титановой остается близкой к нулю. Но хотя боросиликатные сферы превосходят по ряду показателей титановые элементы, инженеры, работавшие над постройкой DeepSea Challenger, все же выбрали в качестве материала для защиты четырех внешних HD-камер титан. В этой ситуации вес контейнеров компенсировался общей плавучестью подводного аппарата (размеры камер не превышали размеров жестяной банки для газированных напитков). Камеры ОПА монтировались на выносные металлические мачты, поэтому монтаж титановых контейнеров был несложным и в целом представлялся практичным решением. А вот при создании двух вспомогательных модулей, которые сопровождали DeepSea Challenger при погружениях, для защиты размещаемых на них 3D-камер использовалось боросиликатное стекло.

Обитаемая гондола

В рамках проекта DOER Deepsearch для обеспечения хорошего обхора планируется использовать большой стеклянный сферический контейнер. Обычно гондола для экипажа ОПА изготавливается из стеклянных полусфер, монтируемых к титановому или алюминиевому корпусу. Такой подход вызывает значительное напряжение смятия в местах соединения и его использование на больших глубинах было проблематичным. В ходе испытаний прототипов, на которых использовались стеклянные носовые обтекатели, материал, прилегающий к монтажной поверхности, под давлением покрывался трещинами. Так как стеклянные сферы успешно применялись в качестве контейнеров для приборов, был предложен новый подход — полностью стеклянная сфера для размещения экипажа. Современный проект подводного аппарата DOER включает огромную сферу Vitrovex из боросиликатного стекла. Устранение высокого напряжения смятия, связанного с монтажом, дает возможность полноценно использовать полностью стеклянную сферу на больших глубинах. Так, имеющиеся испытания показывают, что даже при давлении в 144,8 МПа такая конструкция не подвергается губительным для нее деформациям.

Предполагаемый внешний вид аппарата по проекту DOER Deepsearch

На сегодня масштабные модели аппарата DOER, оснащенные сферическими контейнерами Vitrovex, прошли успешные испытания на больших глубинах. Несмотря на то, что использование такого подхода уже зарекомендовало себя, имеется ряд проблем, которые необходимо решить перед тем, как подобные стеклянные сферы можно будет использовать в качестве гондол для экипажа. 
В Nautilus Marine Service успешно изготовили высококачественный контейнер для приборов, диаметр которого превышает 40 см. Производство таких сфер диаметром 172,7 см представляет собой сложнейшую технологическую задачу, так как качество, однородность и точность изготовления полусфер особо важны для устойчивости к давлению. В дополнение к производственным проблемам необходимо учитывать и то, что экипажу гондолы требуется иное «обслуживание», чем для контейнеров с оборудованием. Например, для доступа внутрь гондолы пилотам требуется люк. Если подобные технологические отверстия несложно проделать в металлической конструкции, то «прорубить» люк в стеклянной сфере на порядок сложнее. Необходимо добавить, что в конструкции DOER эту проблему еще только предстоит решить, но и без этого понятно, что относительно большое отверстие в стеклянной сфере снизит устойчивость к давлению.

Внешний вид обитаемой гондолы на одном из этапов сборки — видна внутренняя оболочка из углеволокна

Последняя проблема связана с монтажом гондолы к общей конструкции подводного аппарата. В то время как использование стеклянной сферы устраняет напряжение смятия, характерное для полусфер, крепление цельной сферы к конструкции ОПА может создать области высокого напряжения в местах монтажа. DOER в настоящее время пытается решить эту проблему и уже имеются данные о том, что все исследования, моделирования и испытания стеклянных сфер были полностью положительными. Как только все проблемы подобного рода будут решены, большие боросиликатные сферы могут стать отличным вариантом для создания гондол.

В связи с изложенным выше при создании DeepSea Challenger было решено использовать стальную сферу с небольшим стеклянным смотровым отверстием. Первоначальным выбором конструкторов был титан — из-за характерного для него высокого соотношения «прочность/вес». Однако производство титановых конструкций требует гораздо более дорогого набора инструментов и приспособлений, что нерентабельно при производстве единственного экземпляра гондолы. Сталь, с другой стороны, является гораздо более распространенным материалом благодаря легкости ее производства, невысоким общим затратам и хорошо известным свойствам.

Внутренняя оболочка гондолы представляла собой сборную конструкцию, изготовленную из пластика, усиленного углеволокном

В качестве основного материала для производства обитаемой гондолы DeepSea Challenger применялась высококачественная сталь, подобная той, которая используется для создания стволов орудий крупного калибра. Так как сталь является относительно тяжелым черным металлом, то гондола представляла собой самый тяжелый конструкционный элемент подводного аппарата. Вследствие этого ее размеры старались свести к минимуму. При разработке гондолы отталкивались от габаритов Джеймса Кэмерона: в итоге ее диаметр составлял немногим меньше 110 см (43 дюйма) — как раз достаточно, чтоб вместить пилота, системы жизнеобеспечения и управления. Толщина стенок сферы составляла 6,35 см и была дважды протестирована под давлением в 113,8 МПа для проверки структурной целостности на глубине. Показания тензиометров, закрепленных на поверхности сферы, позволили сделать выводы о максимальном давлении, которое способна выдержать гондола не деформируясь — его величина составила 159,3 МПа.

Одним из особо важных элементов в конструкции гондолы являлось смотровое отверстие. Оно отличалось от иллюминаторов, которые обычно устанавливаются на подводных аппаратах — там стеклянная полусфера крепится к корпусу ОПА. В случае с DeepSea Challenger смотровое отверстие больше походит на небольшое окошко в поверхности стальной сферы. Цельный акриловый иллюминатор-конус — гораздо больше этого отверстия — герметично монтировался перед ним на внешней поверхности сферы. В результате было получено прочное плоское уплотнение, которое значительно снижало напряжение смятия, неизбежное при монтаже полусфер на поверхности корпуса подводных аппаратов. Смотровое отверстие не превышало размера кулака и было изготовлено из боросиликатного стекла. Хотя его небольшие размеры позволяли сфере сохранить прочность конструкции, оно не обеспечивало достаточный обзор. Вместо этого пилот наблюдал за происходящим снаружи через камеру, которая была установлена внутри сферы прямо перед смотровым отверстием. Кривизна иллюминатора корректировала эффект увеличения, производимый водой. Кэмерон, по сути, для наблюдения пользовался «виртуальным иллюминатором», роль которого выполнял экран, на который выводилось видеоизображение с камеры.

Заготовка конусовидного иллюминатора, изготовленного из цельного куска акрила — его нижняя часть прилегала к смотровому отверстию

Сапфир для смотровых отверстий

Сапфир — еще один из материалов, находящих применение глубоко под водой прежде всего для изготовления смотровых отверстий в контейнерах, содержащих фото- и видеокамеры. Хотя инженеры-конструкторы, построившие DeepSea Challenger, использовали для защиты камеры стеклянные контейнеры, сапфир имеет явные преимущества перед стеклом и широко используется там, где это возможно. В рамках проекта Hadeep совместное японо-британское предприятие в свое время посылало подводные модули, оснащенные камерами, на дно океана. Камеры были помещены в защищенные, устойчивые к давлению контейнеры со смотровыми отверстиями, прикрытыми сапфиром. Для изготовления этого элемента была выбрана элементарная с точки зрения обработки форма — круг. Сотрудники Hadeep в качестве вариантов отобрали стекла, изготовленные из акрила (оргстекло), боросиликата и сапфира. Оргстекло было практически сразу забраковано, так как начинало деформироваться при давлении в 800 бар (глубина 8 тыс. м). Хотя боросиликатное стекло может выдерживать давление толщи воды на любой глубине, сапфир обладает более высокой прочностью, и считается, что это лучшее решение, если говорить о размерах и надежности: при прочих равных условиях толщина стекла для смотрового отверстия, изготовленного из сапфира, будет в 2 раза меньше аналогичного из боросиликата. Сапфир имеет сравнимую с боросиликатным стеклом цену, однако его сложнее обрабатывать при создании больших сложных форм. Сапфир в настоящее время используется для создания смотровых отверстий и цельных контейнеров в случаях, когда их размеры невелики, что позволяет добиваться значительного увеличения прочности в сравнении с боросиликатом без снижения плавучести или внесения помех в сигналы приборов.

Разработка светодиодного освещения

Легендарное погружение «Триеста» являло собой торжество инженерной мысли. Однако многие современные подводные аппараты, пытаясь достичь дна океана, помимо самого процесса погружения должны выполнять еще и научные задачи. Экипажу ОПА, а также HD-камерам для обследования глубин необходимо достаточное освещение. Обычные лампы накаливания приходится помещать в контейнеры высокого давления — в противном случае из-за вакуума внутри колбы они разрушаются. Необходимость применения таких контейнеров (довольно объемных) ограничивает количество ламп накаливания, которые можно разместить на поверхности подводного аппарата. Светодиоды, с другой стороны, являются твердотельными элементами, которые можно, к примеру, погрузить в эпоксидную смолу, что делает их высокоустойчивыми к давлению. DeepSea Power&Light испытала свои LED-системы под давлением, превышающим 137,9 МПа. В дополнение к прочностным характеристикам светодиоды имеют ряд преимуществ, делающих их использование на глубине более практичным в сравнении с лампами накаливания: компактность, долговечность и повышенная светоотдача.

Особенности LED-осветителей

Хотя эффективность светодиодов более высока, у них есть ряд свойств, которые необходимо учитывать при эксплуатации на большой глубине. Эти источники освещения, к примеру, требуют постоянного охлаждения. Для того чтобы довести уровень светового выхода до максимума и снизить нагрев светодиодов, производители размещают их в большом количестве на многокристальных модулях. Кроме того, используется и регулировка яркости освещения, позволяющая работать в безопасном режиме. Иногда применяются и более радикальные приемы — например, принудительное отключение всей системы освещения до ее полного охлаждения. Но в этом случае, естественно, аппарат и его экипаж временно «слепнет». Использование специальных контроллеров и температурных датчиков, работающих в автоматическом режиме, позволяет оптимально эксплуатировать светодиоды — подобные подходы в работе своих систем используют DeepSea Power&Light и ряд других компаний.

Светодиоды повышенной яркости, излучающие белый свет, в пять раз эффективнее, чем лампы накаливания. Их светоотдача находится в диапазоне 70–120 лм/ватт. Высокая эффективность источников освещения имеет приоритетное значение, так как естественное освещение практически не проникает на большие глубины. Другими словами, подводные аппараты, исследующие мир океана, должны оснащаться большими массивами светодиодов. Необходимо учитывать также и тот факт, что подобные системы представляют собой большую нагрузку на энергосистему подводного аппарата.

Тем не менее светодиоды на сегодняшний день являются едва ли не единственным приемлемым решением для установки на ОПА — срок их службы значительно превышает показатели ламп накаливания и достигает 50 тыс. часов. Система светодиодов со световым потоком в 6000 люмен выдает около 22,5 люмен на грамм собственного веса, лампа накаливания в специальном контейнере — 13,2 лм/г. Если вес отдельной лампы невелик, то с учетом их применения в больших количествах, а также использования контейнеров высокого давления общий вес такой осветительной системы может значительно вырасти. Использование же светодиодов приводит к существенной экономии места и веса, что особенно важно для небольших автономных аппаратов. Экономия веса, в свою очередь, означает меньшую тягу для движителей, а также оптимизацию плавучести.

Подъем DeepSea Challenger на борт судна: справа внизу видны массивы светодиодов
DeepSea Challenger: слева — включен массив светодиодов и пара вспомогательных источников освещения; справа — включен дополнительный прожектор на выносной мачте
Имеются проблемы и другого характера: например, потемнение светодиодов, снижающее их световую отдачу на 50 и более процентов (в этом случае они становятся менее эффективными, чем галогенные источники освещения и даже лампы накаливания). Потемнение выражается в образовании на внутренней поверхности оболочки светодиода тонкого налета, что может быть вызвано перегревом элемента или загрязнением. В то время как с перегревом можно бороться с помощью оптимизации охлаждения, загрязнение представляет собой более сложную проблему. Нередко потемнение происходит из-за нежелательных примесей, имеющихся в слое люминофора. Инженеры Deepsea Power&Light заметили потемнение некоторых из светодиодов, изготовленных в стенах компании, и высказали предположение, что источником загрязнения люминофора является компенсирующая давление жидкость. Однако те же проблемы вскоре были замечены и у голубых светодиодов, не содержащих слой люминофора. Вскоре специалисты пришли к выводу, что сама по себе компенсирующая жидкость не содержит нежелательных примесей, но является их переносчиком. Использование силикона вместо жидкости может быть перспективным решением этой проблемы. Впрочем, это все же довольно редко встречающаяся проблема, так как светодиоды для подводного использования изготавливаются с повышенными требованиями к качеству производства и исходных материалов. Стоит добавить, что на DeepSea Challenger использовался закрепленный на поплавке светодиодный массив высотой более 2 метров, который обеспечивал 30-метровую видимость на дне океана.

Разработка источников питания

Аккумуляторы — одна из ключевых технологий в исследованиях глубин океана. В современных подводных аппаратах источники питания используются для работы приборов, движителей, а также систем управления и жизнеобеспечения. Для этих целей довольно долгое время использовались классические свинцово-кислотные аккумуляторы. Однако эксплуатация этого типа батарей в закрытых контейнерах, находящихся под давлением, связана с рядом значительных проблем. Появление в 1990-х литий-ионных батарей позволило устранить многие из них, а заодно получить более емкий источник элект­ро­энер­гии. Литий-полимерные батареи представляют собой прорыв в упаковке элементов Li-Ion и на сегодня являются распространенными вариантом для использования на борту подводных аппаратов. В последние годы технология изготовления свинцово-кислотных аккумуляторов переживает ренессанс — разрабатываются способы повышения надежности и эффективности этого вида батарей при глубоководном использовании. Однако благодаря более высокой удельной мощности литий-ионных элементов литий-полимерные аккумуляторы остаются оптимальным выбором для эксплуатации на борту больших ОПА типа DeepSea Challenger.

Классические свинцово-кислотные аккумуляторы использовались на борту «Триеста», позже они были заменены на серебряно-цинковые. Во время погружения батискафа в 1960 году все они монтировались внутри гондолы экипажа. Вторая версия «Триеста» допускала использование большего количества электроэнергии — конструкция предусматривала размещение четырех внешних батарейных боксов и использование системы компенсации давления, включающую электролит и светлое минеральное масло. Основная проблема в использовании свинцово-кислотных и серебряно-цинковых батарей состоит в том, что им во время полного заряда необходимо «дышать», так как в результате процессов внутри аккумуляторов выделяются горючие и взрывоопасные газы. Их разряд может происходить в герметичной среде, но полный заряд требует вентиляции. При упаковке в контейнеры под давлением обычные батареи требуют разгерметизации и вентилирования содержащего их контейнера в процессе зарядки, а затем повторной герметизации перед использованием. И это является проблемой, так как для многих типов контейнеров повторные процессы разгерметизации-герметизации могут привести к протечкам.

Массив литий-полимерных батарей DeepSea Challenger: видны пластиковые трубки компенсаторной системы

Появление перезаряжаемых литий-ионных батарей в 1990-х стало поворотным пунктом в развитии аккумуляторных технологий для глубоководного использования. В дополнение к более высокой энергетической плотности — этот показатель превышает соответствующий параметр свинцово-кислотных аккумуляторов в 2–4 раза — литий-ионные батареи могут быть герметично запечатаны. Одно из основных неудобств, связанных с аккумуляторами Li-Ion, состоит в их высокой чувствительности к загрязнениям. Если упаковка такой батареи была нарушена, инородные вещества могут легко привести к разрушению элемента и даже привести к газообразованию. Высокое внешнее давление на глубине может быть проблемным в этом отношении. Обычно литий-ионные батареи помещались в металлические цилиндры, содержащие небольшие воздушные карманы. Высокое внешнее давление может привести к деформации стенок элементов, нарушению герметичности упаковки и их последующему загрязнению.

Относительно новый вид литий-ионных аккуляторов — литий-полимерные элементы — могут использоваться для создания батарей, способных выдерживать давление на самых больших океанских глубинах. Элементы Li-Po содержат те же компоненты, что и литий-ионные, но упаковываются в фольгированный корпус, который герметизируется, а потом опускается в масло или эластичный герметик. Циклы заряда/разряда литий-полимерных элементов были успешно проведены под давлением в 68,9 МПа, что говорит о возможности их глубоководного применения. Элементы расширяются и сжимаются во время заряда и разряда соответственно. Обычно объем может изменяться в пределах 1–3%. Выравнивание давления, а также естественная эластичность элементов допускает подобное расширение, которое не приводит к их разрушению. Одним из основных недостатков литий-полимерных батарей считается необходимость использования достаточно сложной электроники для контроля за их состоянием, зарядом и разрядом. Ряд разработок имеет своей целью создание электроники, способной работать под большим давлением.

Многие из электронных компонентов и микросхем сегодня заливаются эпоксидной смолой. Последующее погружение в масло позволяет им выдерживать сокрушительное давление на дне океана. Тем не менее электронные компоненты должны проходить тщательный отбор. Многие из них не соответствуют требованиям к работе в глубоководных условиях. Конструкция микросхем иногда допускает наличие пустот внутри, что может привести к их разрушению под давлением. После отбора они должны быть помещены в среду, которая поможет равномерно распределить внешнее давление. Масло является идеальным герметиком потому что оно не только распределяет давление, но и одновременно заполняет пустоты. Однако масло не препятствует перемещению погруженных в него компонентов, которые могут быть повреждены в результате изменения ориентации, внезапных ударов или вибрации. Эластичные заполнители/герметики могут обеспечить лучшую защиту от ударов и вибрации, но должны выбираться особо тщательно с тем чтобы выбранный материал заполнял все имеющиеся воздушные карманы. После того как компоненты упакованы, они должны быть защищены от воздействия соленой воды — это обычно достигается с помощью специальных контейнеров, конструкция которых позволяет маслу или другому заполнителю слегка сжиматься под большим давлением.

Литий-полимерные элементы обладают способностью самовоспламеняться при повреждении или в результате заводских дефектов.
На снимке — горит автомобиль, в котором во время зарядки взорвался сильноточный авиамодельный аккумулятор.

Хотя литий-ионные батареи обладают рядом преимуществ в сравнении с обычными свинцово-кислотными и никель-кадмиевыми аккумуляторами, с момента использования свинцово-кислотных батарей на «Триесте» было сделано немало технологических прорывов, благодаря которым этот тип аккумуляторов вполне пригоден для использования на больших глубинах. Относительно свежие разработки устранили необходимость в громоздких контейнерах — например, батареи типа AGM (Absorbent Glass Mat) считаются одними из наиболее совершенных герметичных свинцово-кислотных аккумуляторов на рынке. Они обладают всеми преимуществами свинцово-кислотных гелевых элементов, но практически лишены их недостатков. Для улучшения сопротивления ударам и давлению в AGM используется пропитанный жидким электролитом пористый заполнитель из стекловолокна. Электроды уложены «бутербродом» внутри жесткого корпуса, что дополнительно защищает аккумулятор от ударов, давления и вибрации. Как и гелевые аккумуляторы, они могут использоваться в любом положении.

Более того, для ряда решений, связанных с глубоководными работами, батареи AGM подходят даже лучше, чем их литий-полимерные аналоги. Они более доступны и обходятся дешевле при доставке, чем батареи Li-Pol, из-за ограничений, связанных с безопасностью перевозок. Конструкция AGM также позволяет кратковременно выдавать ток повышенной силы благодаря более плотной концентрации электролита и увеличенной площади электродов. Низкие температуры, присущие океанским глубинам, неблагоприятно влияют на все типы аккумуляторов. Однако высокое давление на глубине увеличивает емкость свинцово-кислотных батарей, что, по сути, компенсирует снижение их эффективности, связанное с температурой.

Батареи AGM: проблема выделения газов решена?

Как уже говорилось выше, одно из ограничений, ранее присущих свинцово-кислотным аккумуляторам, связано с выделением взрывоопасных газов. Батареи AGM при нормальной эксплуатации выделяют минимальное количество таких газов, что позволяет придавать им практически любую форму — то же свойство характерно для литий-ионных батарей. Это следствие того, что AGM являются рекомбинантными — кислород и водород, вырабатываемые при заряде, преобразуются в воду благодаря использованию сверхмалого количества сурьмы в свинцовых решетках электродов. DeepSea Power&Light протестировала свои батареи AGM и обнаружила, что эффект рекомбинации (преобразования) превышает 99%, что означает отсутствие потерь воды и практическое отсутствие газов. Микроколичества генерируемых газов могут улавливаться внутри гибкой диафрагмы и отводиться через предохранительный клапан. Тем не менее DSPL рекомендует перезаряжать батареи на поверхности.

Для снабжения электроэнергией DeepSea Challenger использовался модульный массив литий-полимерных батарей. Благодаря модульной конструкции аккумуляторные блоки могли легко заменяться, а их количество варьировалось в зависимости от предполагаемой нагрузки. Все системы управления, электроснабжения, освещения и оборудование зависят от нормального функционирования батарей. При любом погружении DeepSea Challenger нес на борту количество аккумуляторов, достаточное для питания 2–3 современных электромобилей. В общей сложности на ОПА устанавливалось более тысячи ячеек литий-полимерных элементов, упакованных в без малого 70 модулей размером с буханку хлеба каждый. Каждый модуль погружался в пластиковый контейнер с силиконовым маслом, которое обеспечивало достаточное сопротивление давлению. Силиконовое масло, впрочем, сжимается и расширяется под воздействием давления на глубине. Это может привести как к смещению батареи, так и деформации легковесной пластиковой оболочки, которая не проектировалась для сопротивления давлению. В ходе решения этой проблемы было решено отказаться от заливочных компаундов, которые могли содержать пузырьки воздуха. На DeepSea Challenger использовалась новейшая жидкая компенсаторная система: в каждом из пластиковых контейнеров имелось небольшое отверстие, которое вело к эластичному баллону внутри блока. При погружении подводного аппарата и увеличении внешнего давления забортная вода заполняла баллон, который расширялся под воздействием масла. Подобная уникальная система использовалась впервые и она позволяла модулям и контейнерам сохранять целостность на любой глубине.

Дальнейшее развитие обитаемых глубоководных аппаратов

Создание DeepSea Challenger и его погружение на дно Марианского желоба привело к возрождению интереса к глубоководным исследованиям с помощью ОПА. Технологии, описанные в этой статье, продолжают развиваться и становиться все более надежными. Это, в свою очередь, приводит к появлению новых проектов, связанных с постройкой обитаемых подводных аппаратов. Некоторые из них — например, Deepflight Challenger — являются чисто развлекательными. Их цель — дать ознакомиться всем желающим с океанскими глубинами. Другие, такие как Deepsearch компании DOER, предназначены для решения научных задач. Они находятся на стадии проектирования и уточнения деталей, их конструкторы могут воспользоваться преимуществами современных технологий, а также внести собственный вклад в улучшение методов погружения и маневренности через значительные изменения в конструкции.

Deepflight Challenger был спроектирован и разрабатывался компанией Hawkes Ocean Technologies Грэма Хокса (Graham Hawkes) для бизнесмена и заядлого путешественника Стива Фоссетта (James Stephen Fossett). Конструкция подводного аппарата была закончена, готова к использованию на любой глубине и находилась на этапе сборки — до испытательного погружения оставалось около 4 недель, — когда пришло печальное известие о гибели Фоссетта в авиакатастрофе (сентябрь 2007 года). Проект Deepflight Challenger был перезапущен, когда Крис Уэлш (Chris Welsh) приобрел незавершенный подводный аппарат — в качестве спонсора выступила Virgin Oceanic. Deepflight скорее похож на самолет, чем на подводный аппарат. Как и DeepSea Challenger, Deepflight имеет положительную плавучесть благодаря применению синтактической пены, а для погружения на дно океана используется балласт. В дополнение к балластному грузу используются гидродинамические крылья, которые действуют как перевернутое крыло самолета, обеспечивая вместо подъемной прижимную силу. Аппарат весит всего 3600 кг и использует для передвижения и маневрирования два мощных движителя и направляющие рули.

Конструкция Deepflight Challenger похожа на схему летательного аппарата, что позволяет ему маневрировать в трех плоскостях

Прочный корпус Deepflight Challenger состоит из углеволокна и эпоксидных композитов, и соединен со смотровым иллюминатором пилота титановыми кольцами. Светодиодное освещение и лазерная навигационная система помогают пилоту ориентироваться в океанских глубинах. Благодаря конструкции, напоминающей самолет, этот подводный аппарат способен маневрировать в трех плоскостях. Хотя Deepflight Challenger все еще находится на этапе тестирования, утверждается, что его максимальная скорость составит 6 узлов (3 узла — на больших глубинах). Погружение на дно океана и возвращение на поверхность займет 5 часов — судя по времени, подразумевается все тот же Марианский желоб.

Подводный аппарат Deepsearch компании DOER (Deep Ocean Exploration and Research) находится на этапе проектирования, но в случае успеха этот ОПА может стать настоящим прорывом в глубоководных исследованиях. На борту Deepsearch сможет разместиться экипаж из трех человек, которые будут проводить развернутые научные исследования. В отличие от других подводных аппаратов инженеры, разрабатывающие Deepsearch, решили отказаться от традиционной схемы, подразумевающей использование плавучести и балласта для погружения и подъема, и вместо этого использовать двигатель. Изменяемые центр тяжести и плавучесть позволят аппарату буквально «лететь» вниз.

Если инженеры реализуют все задуманное, Deepsearch сможет останавливаться на любой глубине во время погружения, что превращает его в идеальное средство для научных наблюдений. Как говорилось выше, в конструкции Deepsearch планируется использовать массивную стеклянную сферу для обитаемой гондолы, а также керамические макросферы для обеспечения целостности корпуса и компенсации веса других компонентов. Активное использование двигателя потребует значительного расхода электроэнергии, поэтому DOER разрабатывает собственную технологию литиевых батарей, а также топливных элементов в качестве потенциальных источников питания. По данным, предоставленным компанией, скорость погружения Deepsearch составит 6 узлов, что позволит ему достичь самой глубокой точки Мирового океана за 90 минут; максимальная дальность автономного хода превысит 25 км, а длительность погружения может достигать 10 часов.