Японский исследователь Наочи Нноуи, работавший на «Куросио-1» в 1961 году, заявил, что операции на глубине были не только дорогостоящими, но часто и опасными, особенно в тех случаях, когда требовалось перемещать аппарат по дну со скалистым рельефом. Н. Иноуи говорит об опасности, несмотря на то, что гидростаты последних конструкций снабжены устройствами для отдачи аварийного груза и самостоятельного всплытия на поверхность.
Следующая ступень в развитии подводных наблюдательных устройств с прочным корпусом — это исследовательские подводные лодки. Они призваны решать уже качественно новую задачу: активное исследование Мирового океана во всем диапазоне глубин. Подводные лодки помогут океанологии, надежно обосновавшейся пока в двух измерениях — на поверхности моря, проложить путь в третье измерение — в глубину.
Впрочем, сама идея использования для подводных исследований специально оборудованных судов не нова. О ней говорили еще в средние века. Например, английский епископ Джон Уилкинс в книге «Математическая магия», опубликованной в 1648 году, описывает огромный подводный корабль, который «окажет неописуемую пользу для подводного исследования». «Я подразумеваю не только сокровища погибших кораблей, — пишет Уилкинс, — но и те многообразные естественные богатства, которые находятся в глубинах морей и которые гораздо легче найти и извлечь со дна моря с помощью указанного корабля, чем обычным способом, ныряя с лодки». И наконец: «Произведенные наблюдения будут записаны, а затем, если это окажется необходимым, напечатаны. Многочисленные семьи смогут проводить всю свою жизнь на подводном корабле; дети их появятся на свет и даже вырастут, не зная, что такое земля, до того дня, когда они, обнаружив мир, существующий над водой, будут изумлены до глубины души».
Мечты о создании подводных исследовательских кораблей сменяли одна другую. Но обратимся к сегодняшнему дню, когда они, наконец, начали воплощаться в действительность.
Техника и душа — новое в жизни человека и вечное ее начало, новая радость, рожденная их слиянием.
А. Сент-Экзюпери
Научно-исследовательские подводные лодки, отличающиеся от своих военных прародителей формой, конструкцией, возможностями и сферой применения, имеют много общих с ними механизмов и свойств. Поэтому, оценивая технические характеристики, придающие подводному судну качества исследовательского корабля, обратимся сначала к обычной (не атомной) подводной лодке.
В действительности она представляет собой ныряющую лодку, поскольку большую часть времени находится на поверхности моря и способна погружаться только на ограниченный срок. Поэтому при создании подводных лодок приходится учитывать не только условия подводного плавания, но и считаться с требованиями плавания в надводном положении. Ее форма, заимствованная от надводного корабля, обеспечивает ей остойчивость над водой. Лодка снабжена мостиком для визуальной навигации, двумя гребными винтами, двигателями внутреннего сгорания и обычным оборудованием для судовождения и связи. После погружения водоизмещение подводной лодки возрастает, и по условиям работы она становится больше похожей на самолет или дирижабль, чем на надводный корабль. «Оторвавшись» от поверхности моря, она движется в трех измерениях, и ее остойчивость и сохранение заданной глубины требуют постоянного внимания, Всплытие и погружение ее имеют много общего со взлетом и посадкой самолета. Носовые и кормовые горизонтальные рули при изменении глубины играют такую же роль, как рули высоты. И в том и другом случаях механические повреждения могут повлечь за собой последствия более тяжелые, чем при движении по земле или воде.
Работа под водой для нас, привыкших жить, двигаться и общаться в земной атмосфере, требует отрешения от многих навыков и представлений. Различия в химическом составе, плотности, сжимаемости и электропроводности воздуха и воды так велики, что предъявляют совершенно различные требования к устройству и оборудованию самолетов и подводных кораблей. Как только волны сомкнулись над лодкой, она вступает в новый и непривычный мир. Слегка увеличившееся давление на уши свидетельствует, что все отверстия герметически закрыты, и при достаточном удалении от поверхности воды всякое ощущение движения как бы утрачивается.
Плавание лодки напоминает полет самолета в тумане, с той разницей, что обеспечивающие подводный ход гребные электромоторы почти не производят шума. Обычный контакт с внешним миром теряется, и навигация, и маневрирование становятся «слепыми» и выполняются при помощи остроумных приспособлений, специально изобретенных для подводных лодок.
Подводная лодка перемещается в среде, почти в 800 раз более плотной, чем воздух. Давление воды растет с глубиной, и поэтому прочному корпусу лодки придается форма удлиненного эллипсоида, чтобы стальные пластины корпуса, благодаря своей кривизне, могли легче противостоять этому давлению.
При движении лодка с помощью горизонтальных рулей удерживает глубину и, таким образом, находится в состоянии динамического равновесия. Под водой лодка в отличие от надводного корабля не испытывает качки, но ее равновесие неустойчиво — она может удерживаться на глубине и в правильном положении только при определенной весовой нагрузке и строго зафиксированном ее распределении. Положительная плавучесть, необходимая для всплытия, осуществляется с помощью главных балластных цистерн, расположенных снаружи прочного корпуса, между ним и тонкой наружной обшивкой — легким корпусом. Эти цистерны продуваются сжатым воздухом, выгоняющим воду через находящиеся в их нижней части отверстия — кингстоны, а заполняются для погружения посредством открытия клапанов вентиляции вверху цистерн. Так как давление внутри цистерн главного балласта все время равно внешнему, они не требуют конструктивного усиления. Другая, совершенно независимая система уравновешивания подлодки и регулировки ее дифферента[5] состоит из носовой и кормовой дифферентных цистерн и уравнительной цистерны в средней части. Уравнительная служит для поддержания нейтральной (нулевой) плавучести, изменяющейся по мере расходования горючего и других запасов.
Для управления лодкой идеальной была бы нейтральная плавучесть, но соблюсти это требование довольно трудно, так как и объем вытесняемой лодкой воды и ее плотность меняются с глубиной погружения. Как подводная лодка, так и вода сжимаемы и занимают на больших глубинах меньший объем. Кроме того, на плавучести сказывается и температура воды, изменяющаяся с глубиной.
Разница в температуре по вертикали, или, как говорят физики, температурный градиент[6], для устойчивого равновесия лодки должна превышать примерно 0,05 градуса на метр глубины. Подобные градиенты часто встречаются на глубинах, меньших 100 метров, и в таких участках, получивших название «жидкий грунт», «термоклин» или слой скачка, подводная лодка может застыть в воде с неработающим двигателем.
Опасность может возникнуть и при горизонтальном температурном градиенте, когда лодка с ходу из холодной воды попадает в теплую и, следовательно, менее плотную массу, что приводит к мгновенному возрастанию погружающей силы. Температурный скачок в 7–8 градусов для подводной лодки большого водоизмещения даст возрастание погружающей силы на несколько тонн, и абсолютно исправная и герметичная подводная лодка может камнем пойти ко дну. Такой же эффект могут вызвать и так называемые внутренние волны, о которых мы скажем ниже. Кто знает, может быть, в этом и состоит причина гибели «Трешера» — американской атомной подлодки, затонувшей в Гольфстриме?
И еще одна особенность — плотность воды возрастает с соленостью. Это может оказаться опасным для подводной лодки, движущейся, скажем, к речному устью: если внимательно не наблюдать за глубиномером, лодка может внезапно оказаться на дне.
Много причин влияет на плавучесть, и поэтому лодки снабжаются не только указателями глубины, но и самопишущими термометрами, а иногда также и измерителями солености.
На управлении лодкой по глубине может сказаться и циркуляция вод в океане, вызванная совместным действием ветра (поверхностные слои передают напряжение подстилающим) и разностями температуры и плотности. Механизм этой циркуляции сводится к следующей схеме. Когда поверхность воды охлаждается при соприкосновении с холодным воздухом или в ре зультате испарения (отбирающего тепло) или же когда из-за испарения или замерзания увеличивается соленость, то увеличивается и плотность воды. Если эти процессы достаточно интенсивны, то воды в поверхностном слое становятся тяжелее, чем подстилающие, и опускаются. Относительно более легкие воды поднимаются на их место, и, таким образом, возникает вертикальная циркуляция. Едва заметные изменения температуры и солености могут вызвать перепады давления, которые приводят в вертикальное и горизонтальное движение целые океаны.
