Подводный аппарат — это подводное транспортное средство , которое должно транспортироваться и поддерживаться более крупным судном или платформой . Это отличает подводные аппараты от подводных лодок , которые являются самостоятельными и способны к длительной независимой работе в море. [1]
Существует много типов подводных аппаратов, включая как управляемые людьми аппараты (HOV), так и беспилотные суда, [2] также известные как дистанционно управляемые аппараты (ROV) или беспилотные подводные аппараты (UUV). Подводные аппараты имеют множество применений, включая океанографию , подводную археологию , исследование океана , туризм , техническое обслуживание и восстановление оборудования , а также подводную видеосъемку . [3]
Первым зарегистрированным самоходным подводным судном была небольшая подводная лодка с веслами, задуманная Уильямом Борном (ок. 1535 – 1582) и спроектированная и построенная голландским изобретателем Корнелисом Дреббелем в 1620 году, а в последующие четыре года были построены еще две улучшенные версии. [4] Современные отчеты утверждают, что окончательная модель была продемонстрирована королю Якову I лично, которого, возможно, даже взяли на борт для пробного погружения. [5] [4] Похоже, что никаких других зарегистрированных подводных аппаратов не было до « Черепахи » Бушнелла .
Первый подводный аппарат, который использовался в войне, был спроектирован и построен американским изобретателем Дэвидом Бушнеллом в 1775 году как средство для прикрепления взрывчатых веществ к вражеским кораблям во время Войны за независимость США. Устройство, получившее название « Черепаха Бушнелла », представляло собой овальное судно из дерева и латуни. Оно имело баки, которые заполнялись водой, чтобы заставить его погружаться, а затем опорожнялись с помощью ручного насоса, чтобы заставить его вернуться на поверхность. Оператор использовал два ручных винта для вертикального или бокового перемещения под водой. Аппарат имел небольшие стеклянные окна сверху и естественно светящееся дерево [ требуется разъяснение ], прикрепленное к его приборам, чтобы их можно было читать в темноте. [ требуется цитата ]
Turtle Бушнелла впервые был использован 7 сентября 1776 года в гавани Нью-Йорка для атаки на британский флагманский корабль HMS Eagle . В то время кораблем управлял сержант Эзра Ли . Ли успешно направил Turtle на нижнюю часть корпуса Eagle , но не смог прикрепить заряд из-за сильных водных потоков. [ необходима цитата ]
Помимо размера, основное техническое различие между «подводным аппаратом» и «субмариной» заключается в том, что подводные аппараты не полностью автономны и могут полагаться на вспомогательное оборудование или судно для пополнения энергии и дыхательных газов. Подводные аппараты, как правило, имеют меньшую дальность плавания и работают в основном под водой, так как большинство из них малофункциональны на поверхности. [ необходима цитата ] Некоторые подводные аппараты работают на «тросе» или «пуповине», оставаясь подключенными к тендеру (подводной лодке, надводному судну или платформе). Подводные аппараты способны погружаться на полную глубину океана , более 10 км (33 000 футов) под поверхностью.
Подводные аппараты могут быть относительно небольшими, вмещать лишь небольшую команду и не иметь жилых помещений.
Подводный аппарат часто обладает очень высокой мобильностью, обеспечиваемой морскими подруливающими устройствами или водометными движителями .
Технологии, используемые при проектировании и строительстве подводных аппаратов:
Абсолютное давление: На уровне моря атмосфера оказывает давление приблизительно в 1 бар или 103 000 Н/м 2 . Под водой давление увеличивается приблизительно на 0,1 бар на каждый метр глубины. Общее давление на любой заданной глубине является суммой давления воды на этой глубине ( гидростатическое давление ) и атмосферного давления. Это объединенное давление известно как абсолютное давление, и соотношение следующее:
Абсолютное давление (бар абс) = манометрическое давление (бар) + атмосферное давление (около 1 бар)
Чтобы рассчитать абсолютное давление, добавьте атмосферное давление к манометрическому давлению, используя те же единицы измерения. Работа с глубиной, а не с давлением может быть удобна при расчетах погружений. В этом контексте атмосферное давление считается эквивалентным глубине 10 метров. Абсолютная глубина (м) = манометрическая глубина (м) + 10 м.
Измерение глубины: Устройства контроля давления
Давление более важно по структурным и физиологическим причинам, чем линейная глубина. Давление на заданной глубине может меняться из-за изменений плотности воды.
Для точного выражения линейной глубины в воде измерение должно быть в метрах (м). Единица измерения «метр морской воды» (м.м.в.) по определению является единицей измерения давления.
Примечание: Изменение глубины на 10 метров при изменении давления на 1 бар соответствует плотности воды 1012,72 кг/м 3 [ необходима ссылка ]
Одноатмосферные подводные аппараты имеют прочный корпус с внутренним давлением, поддерживаемым на уровне поверхностного атмосферного давления. Это требует, чтобы корпус был способен выдерживать гидростатическое давление окружающей среды от воды снаружи, которое может во много раз превышать внутреннее давление.
Погружные аппараты с атмосферным давлением поддерживают одинаковое давление как внутри, так и снаружи судна. Внутреннее пространство заполнено воздухом, давление которого уравновешивает внешнее давление, поэтому корпусу не приходится выдерживать разницу давлений.
Третья технология — «мокрая субмарина», которая относится к транспортному средству, которое может быть или не быть закрытым, но в любом случае вода затапливает внутреннее пространство, поэтому экипаж использует подводное дыхательное оборудование. Это может быть акваланг, который несут водолазы, или запас дыхательного газа, который несет судно.
Когда предмет погружается в жидкость, он вытесняет жидкость, отталкивая ее со своего пути.
Как только объект частично погружен, силы давления, действующие на погруженные части, равны весу вытесненной воды. Следовательно, объекты, погруженные в жидкости, кажутся весящими меньше из-за этой выталкивающей силы. Соотношение между количеством вытесненной жидкости и результирующей выталкивающей силой известно как закон Архимеда , который гласит:
«Когда объект полностью или частично погружен в жидкость, то возникающая на нем подъемная сила равна весу вытесненной жидкости». [ необходима цитата ]
Плавучесть и вес определяют, будет ли объект плавать или тонуть в жидкости. Относительные величины веса и плавучести определяют результат, что приводит к трем возможным сценариям.
Отрицательная плавучесть: когда вес объекта больше, чем подъемная сила, которую он испытывает из-за веса вытесненной жидкости, объект тонет.
Нейтральная плавучесть: если вес объекта равен выталкивающей силе, объект остается устойчивым в своем текущем положении, не тонет и не всплывает.
Положительная плавучесть: когда вес объекта меньше выталкивающей силы, объект поднимается и плавает. Достигнув поверхности жидкости, он частично выходит из жидкости, уменьшая вес вытесненной жидкости и, следовательно, выталкивающую силу. В конце концов, уменьшенная выталкивающая сила уравновешивает вес объекта, позволяя ему плавать в состоянии равновесия.
Во время подводной работы подводная лодка, как правило, будет нейтрально плавучей , но может использовать положительную или отрицательную плавучесть для облегчения вертикального движения. Отрицательная плавучесть также может быть полезна иногда для того, чтобы опустить судно на дно, а положительная плавучесть необходима для того, чтобы судно плавало на поверхности. Тонкие корректировки плавучести могут быть сделаны с использованием одного или нескольких сосудов с переменной плавучестью в качестве дифферентных цистерн , а значительные изменения плавучести на поверхности или вблизи нее могут использовать балластные цистерны с давлением окружающей среды , которые полностью затапливаются во время подводных работ. Некоторые подводные лодки используют внешний балласт высокой плотности, который может быть сброшен на глубине в чрезвычайной ситуации, чтобы сделать судно достаточно плавучим, чтобы всплыть обратно на поверхность, даже если все питание потеряно, или чтобы двигаться быстрее по вертикали.
Некоторые подводные аппараты способны погружаться на большую глубину. Батискаф «Триест» был первым, кто достиг самой глубокой части океана, почти 11 км (36 000 футов) ниже поверхности, на дне Марианской впадины в 1960 году. [ необходима цитата ]
Китай , с его проектом Цзяолун в 2002 году, стал пятой страной, которая отправила человека на 3500 метров ниже уровня моря, после США, Франции, России и Японии. 22 июня 2012 года подводный аппарат Цзяолун установил рекорд глубоководного погружения для государственных судов, когда трехместная подлодка опустилась на 6963 метра (22 844 фута) в Тихий океан. [6]
Среди наиболее известных и самых долго эксплуатируемых подводных аппаратов — глубоководное исследовательское судно DSV Alvin , которое доставляет 3 человек на глубину до 4500 метров (14 800 футов). Alvin принадлежит ВМС США и эксплуатируется WHOI , и по состоянию на 2011 год совершил более 4400 погружений. [7]
Джеймс Кэмерон совершил рекордное погружение на батискафе с экипажем на дно Бездны Челленджера , самой глубокой известной точки Марианской впадины , 26 марта 2012 года. Глубоководная лодка Кэмерона была названа Deepsea Challenger и достигла глубины 10 908 метров (35 787 футов). [8]
DSV Limiting Factor , известный как Bakunawa с момента его продажи в 2022 году, представляет собой глубоководный аппарат с экипажем (DSV), произведенный Triton Submarines и принадлежащий и эксплуатируемый с 2022 года исследовательской организацией по исследованию океана Inkfish Гейба Ньюэлла . [9] Он удерживает рекорды по самым глубоким погружениям с экипажем во всех пяти океанах. Limiting Factor был заказан Виктором Весково за 37 миллионов долларов и эксплуатировался его морской исследовательской организацией Caladan Oceanic в период с 2018 по 2022 год. [10] Он имеет коммерческую сертификацию DNV для погружений на полную глубину океана и управляется пилотом с удобствами для наблюдателя.
Судно использовалось в экспедиции Five Deeps , став первым подводным аппаратом с экипажем, достигшим самой глубокой точки во всех пяти океанах. [11] Более 21 человека посетили Challenger Deep , самую глубокую область на Земле, в DSV. Ограничивающий фактор использовался для идентификации затонувших эсминцев USS Johnston на глубине 6469 м (21 224 фута) и USS Samuel B. Roberts на глубине 6865 м (22 523 фута) в Филиппинской впадине , самых глубоких погружений на затонувшие корабли. [12] Он также использовался для погружений к французской подводной лодке Minerve (S647) на глубине около 2350 м (7710 футов) в Средиземном море и RMS Titanic на глубине около 3800 м (12 500 футов) в Атлантике.
Частные фирмы, такие как Triton Submarines , LLC. SEAmagine Hydrospace, Sub Aviator Systems (или «SAS») и голландская U-boat Worx разработали небольшие подводные аппараты для туризма, исследований и приключенческих путешествий. Канадская компания из Британской Колумбии под названием Sportsub с 1986 года строит персональные рекреационные подводные аппараты с открытым полом (частично затопленные кабины). [13] [14] [15] [16]
Частная американская компания OceanGate также участвовала в строительстве подводных аппаратов, хотя компания попала под пристальное внимание, когда их новейший подводная лодка взорвалась под водой, и никто не выжил. [17]
Малые необитаемые подводные аппараты, называемые «морскими дистанционно управляемыми аппаратами» (MROV) [ требуется ссылка ] или «дистанционно управляемыми подводными аппаратами» (ROUV), широко используются для работы в водах, которые слишком глубоки или слишком опасны для водолазов, или когда это экономически выгодно.
Дистанционно управляемые аппараты ( ROV ) ремонтируют морские нефтяные платформы и прикрепляют кабели к затонувшим кораблям, чтобы поднять их. Такие дистанционно управляемые аппараты прикрепляются с помощью кабеля-пуповины (толстый кабель, обеспечивающий питание и связь) к центру управления на судне. Операторы на судне видят видео и/или гидроакустические изображения, отправленные с ROV, и дистанционно управляют его двигателями и манипулятором. Крушение Титаника было исследовано таким аппаратом, а также судном с экипажем. [ необходима цитата ]
Автономный подводный аппарат (AUV) — это робот , который перемещается под водой, не требуя постоянного ввода данных от оператора. AUV составляют часть более крупной группы подводных систем, известных как беспилотные подводные аппараты , классификация, которая включает неавтономные дистанционно управляемые подводные аппараты (ROV) — управляемые и питаемые с поверхности оператором/пилотом через шлангокабель или с помощью дистанционного управления. В военных приложениях AUV чаще называют беспилотным подводным аппаратом (UUV). Подводные планеры являются подклассом AUV.
Класс подводных аппаратов, имеющих шлюзовую камеру и встроенную водолазную камеру , из которой могут спускаться водолазы, например:
