Человек в море
Вероятно, уже в эпоху первых крупных египетских морских путешествий у побережья Красного моря погружались ныряльщики.
Во многих финикийских, а позднее греческих городах водолазное дело было специальностью. Жемчуг, кораллы или губки и съедобные моллюски были в то время ценными обменными товарами. Существовал большой спрос также на пурпурных улиток, из которых изготовлялись красители. В античных источниках можно найти сведения о строительных работах под водой, о погружении при спасательных работах на затонувших судах, а также о первых попытках использования водолазов в военных целях.
Отдельные сообщения указывают на участие водолазов даже в научных исследованиях. Так, упоминается, что Александр Македонский, который поручил Аристотелю описание животного мира, предоставил в его распоряжение группу водолазов. Водолазы должны были поднимать со дна редких животных и растения. В других преданиях говорится, что сам Александр в 330 г. до н. э. спустился на морское дно в своеобразном водолазном колоколе.
В древние времена водолазы могли обнаружить интересующие их предметы только в прозрачных и спокойных водах. Их пребывание под водой было ограничено способностью задерживать дыхание. О достигнутых глубинах никаких подробных данных не имеется. Видимо, они опускались не более чем на 20 м. Не установлено, но и не исключено, что уже тогда были известны некоторые технические вспомогательные средства, такие, например, как прообразы наших современных водолазных очков или дыхательных трубок. Во всяком случае, позднее, начиная с XIV столетия, искатели жемчуга в Персидском заливе применяли примитивные водолазные очки из полированного черепахового панциря.
У берегов Греции, Турции и Северной Африки вплоть до XIX столетия неизменно практиковались свободные погружения. Ныряли здесь прежде всего за губками и кораллами, тогда как в Красном море, Персидском заливе и у берегов Индийского океана с морского дна добывали главным образом жемчуг. Оснащение водолаза состояло исключительно из водолазных очков и иногда из носового зажима для облегчения выравнивания давления. Часто, чтобы экономить время при погружении, ныряльщики затягивали себя в глубину камнем. И сейчас подобным способом погружаются за съедобными морскими кубышками , а также за жемчужными раковинами и губками большинство женщин в Японии и Южной Корее.
Давно известным техническим вспомогательным средством для пребывания человека под водой был водолазный колокол. По первым, правда недостоверным, преданиям еще в древние времена, а позднее, в XVI столетии, упоминается о подводных работах с помощью водолазных колоколов. Они представляли собой открытые снизу деревянные ящики со своеобразной платформой, на которой могли стоять рабочие. При погружении колокола вода проникала в него снизу и сжимала находящийся там воздух, пока не устанавливалось состояние равновесия. Один или даже несколько человек могли выполнять работы в таком колоколе на морском дне до тех пор, пока хватало запаса кислорода. В качестве примера успешного применения водолазного колокола в районе Балтийского моря следует упомянуть спасение в 1663 г. свыше 50 орудий с затонувшего в 1628 г. у Стокгольма шведского военного корабля «Ваза». Здесь были заняты два водолаза. Работа в холодном Балтийском море с тогдашними примитивными вспомогательными средствами считалась большим достижением.
В 1717 г. английский астроном Хэлли предложил дополнительное снабжение водолазного колокола воздухом из воздушных резервуаров. Из погруженных резервуаров воздух должен был попадать в колокол по кожаным шлангам. Говорят, что Хэлли сам спускался на глубину 17 м.
В дальнейшем водолазные колокола различных конструкций нашли широкое применение при спасательных работах и при строительстве подводных сооружений. Их используют еще и в настоящее время. Однако из-за их ограниченной несколькими метрами глубины погружения и неподвижности они вряд ли применялись когда-либо в океанографических целях. Правда, известно, что в 1820 г. швейцарский врач Колладон у побережья Ирландии с помощью водолазного колокола выполнил измерения температуры воды на глубине 10 м.
Однако водолазные колокола и исторически и технически положили начало всем видам водолазной аппаратуры, работающей на сжатом воздухе. От водолазного колокола развитие пошло по двум направлениям. Плотное закрытие водолазного колокола снизу и снабжение воздухом при нормальном атмосферном давлении привели к появлению батисферы, о которой будет идти речь в следующей главе. С другой стороны, путем увеличения подачи воздуха, чем достигалось выравнивание давления с окружающим давлением воды, удалось перейти к водолазным аппаратам, обладающим большей маневренностью под водой.
Представления о водолазном снаряжении сложились еще в средние века. Так, в старой немецкой рукописи 1415 г. имеется рисунок водолаза в водонепроницаемой одежде с идущим к поверхности воды длинным воздушным шлангом, который поддерживается там двумя поплавками. У Леонардо да Винчи также имеется подобный рисунок. Разумеется, в то время еще не понимали неосуществимости подобного проекта, обусловленной физиологическими причинами. Ведь через дыхательный шланг легкие водолаза соединялись с наружным воздухом, в то время как грудная клетка подвергалась давлению находящегося над его туловищем водяного столба. При избыточном давлении в 0,1 атм, т. е. на метровой глубине, грудная мускулатура не может растягивать грудную клетку против давления воды.
Конечно, от первых рисунков до реально действующего водолазного снаряжения был еще долгий путь. В 1797 г. на Одере, под Врацлавом, была испытана построенная Клингертом «водолазная машина», однако настоящий скачок удался только в 1819 г., когда эмигрировавший в Англию немецкий механик и оружейник Зибе изготовил первый водолазный костюм из водонепроницаемого материала, прочно соединенный с металлическим шлемом. С судна воздух подавался водолазу с помощью насоса. Отработанный, а также избыточный воздух выходил из нижнего края не плотно прижатой верхней части костюма. В других странах также проводились опыты с аналогичным водолазным снаряжением.
В 1837 г. Зибе окончательно отработал свой водолазный костюм, снабдив его привинчивающимся шлемом с выдыхательным клапаном, который приводился в действие самим водолазом. Теперь костюм был цельным, а свинцовые башмаки и балласт обеспечивали достаточную устойчивость на дне. Зибе назвал этот водолазный костюм скафандром, от греческих слов «лодка» и «мужчина». Таким образом, был создан прототип современного тяжелого водолазного снаряжения. В принципе такое герметичное шлемовидное водолазное снаряжение сохранилось почти неизменным до сегодняшнего дня. Была только усовершенствована связь с помощью вмонтированного телефона, созданы специальные аппараты для смешения газа, необходимые при работах на больших глубинах, и ряд других вспомогательных приборов. Много поколений водолазов провели с этим оборудованием сложные ремонтные и строительные работы под водой и операции по спасению и подъему судов.
Так представляли себе водолаза в XV в.
Во многих случаях шлемовидные водолазные аппараты были выгодны, так как обеспечивали пребывание под водой в течение длительного времени, обладали значительной надежностью в эксплуатации и запасом прочности. Эти аппараты имели и свои недостатки — большой вес снаряжения и малая подвижность водолазов под водой. Затрудняло работы также большое сопротивление, которое оказывали водолазу морские течения, особенно при их значительных скоростях. Кроме того, затраты как на самих водолазов, так и на материалы были сравнительно велики. Освоенная с помощью этого стандартного водолазного снаряжения область глубин простирается в среднем примерно до 50 м. Однако в отдельных случаях, еще до использования новых дыхательных газовых смесей, были достигнуты и большие глубины погружения.
С применением скафандров у водолазов, которые опускались на большие глубины, стали наблюдаться признаки загадочного заболевания. Они жаловались на кожный зуд, боль в суставах, нарушение дыхания и на нервную систему. Эта болезнь нередко продолжалась длительное время и иногда приводила к смертельным случаям. Подобные болезненные симптомы наблюдались также у рабочих, которые долгое время работали под давлением в водолазном колоколе или кессоне. Поэтому это заболевание назвали кессонной, или декомпрессионной, болезнью. На первых порах какого-либо эффективного лечения не существовало, так как не были ясны причины этого заболевания. Это затрудняло дальнейшее развитие техники, необходимой для достижения больших глубин, потому что объяснить физиолoгические процессы, которые приводили к этой болезни, не удавалось.
В 1670 г. английский естествоиспытатель Бойль в опытах над животными установил, что при внезапном понижении давления в крови и ткани образуются пузырьки газа. Позднее немецкими и голландскими учеными по этой проблеме был собран новый материал, а в 1878 г. французский физиолог Берт опубликовал обширную работу о влиянии давления на организм, заложив основу объяснения кессонной болезни.
Под водной поверхностью подаваемый водолазу воздух находится при повышенном давлении, что приводит к повышению парциального (частичного) давления его составных частей, т. е. кислорода и азота. Кислород и азот растворяются в крови и тканях тела в зависимости от их парциального давления. В то время как растворенный в крови кислород нужен для дыхания, инертный азот не вступает в организме ни в какую химическую реакцию. Он переносится кровью в ткань тела, которая — в зависимости от глубины погружения и времени пребывания под водой — усваивает различное количество азота. При подъеме водолаза окружающее давление снижается, снижается также и парциальное давление азота в воздухе, подаваемом для дыхания. Азот перемещается из тканей в кровь, а оттуда в легкие. Ткань тела перенасыщается азотом. Если снижение давления происходит достаточно медленно, то азот постепенно улетучивается. Однако при быстром подъеме он выходит из перенасыщенных тканей, образуя пузырьки воздуха, подобно тому, как углекислый газ выделяется при быстром открывании бутылки с сельтерской водой. Пузырьки азота в тканях закупоривают кровеносные сосуды, нарушается обеспечение кислородом.
Шлемовидное водолазное снаряжение нашло применение в океанографии. Первым ученым, который воспользовался скафандром, был французский зоолог Мильн-Эдвардс, участвовавший в экспедиции французской Академии наук в водах около Сицилии (1844).
Антон Дорн, основатель зоологической станции в Неаполе, в 1878 г. также хотел подчинить «новейшие успехи водолазного дела целям зоологической станции». Как он полагал, водолазы «наиболее способны исследовать те части морского дна, которые остаются недоступными для донных тралов и драг». В Кильской гавани в Балтийском море он предпринял первое погружение с научными целями.
В конце ХIХ столетия сообщалось о научных исследованиях с помощью водолазов и в других районах. Особенно благоприятным для подводных исследований был район Средиземного моря с высокими температурами воды и хорошими условиями видимости.
Погружения под воду все чаще использовались и в морской биологии, так как непосредственные наблюдения в естественных условиях имели особое значение. Существовавшие ранее методы исследования были очень несовершенны. Так, например, датский зоолог Блевгад, который погружался в скафандре у побережья Дании, писал: «Морской исследователь с помощью драги получает такой же подлинный образчик морского дна, какой получил бы воздухоплаватель, который захотел бы оценить живой мир Земли после лова неводом в тумане над городом — он мог бы поймать полицейского, камни и детскую коляску».
Участие водолазов незаменимо также при геологических исследованиях на морском дне. Впервые такие работы проводились в 1910 г. в американской экспедиции в морях Южного полушария. В 1923 г. для гидротехнического строительства водолазы исследовали занесение песком портового мола в датской гавани Ханстхольм, а в начале 30-х годов у побережья Нью-Джерси водолазы наблюдали перемещение песков на морском дне. Обширные исследования в области морской геологии были проведены между 1935 и 1939 гг. в Кильской бухте и смежных районах. Здесь следует отметить ценную новаторскую работу, посвященную методическим вопросам.
Для полноты следует упомянуть еще одну возможность применения водолазного дела для научных целей. Это подводная археология. В 1901 г. греческие водолазы — ловцы губок, оснащенные скафандрами, впервые участвовали в спасении античных скульптур и утвари с затонувших кораблей. Затем в районе Средиземного моря, а позднее и в других районах водолазы оказали неоценимую помощь при сохранении и спасении затонувших исторических кораблей. Исследование затонувших в море построек и целых городских сооружений было бы невозможно без участия водолазов.
Предложенное Хэлли дополнительное снабжение воздухом водолазных колоколов
Во время работ под водой в большинстве случаев исследуются обширные районы. При таких работах снижение расходов на персонал и технику в первую очередь зависит от хорошей маневренности водолазов. Недостатки обычной водолазной техники вскоре стали особенно заметны. Как написал в одной своей книге французский океанограф Кусто, который внес решающий вклад в развитие современной водолазной техники, «тяжело ступают тяжелые водолазы очень тяжелыми башмаками с трудом пару метров… обремененные пуповинами, с головой, закрытой металлическим кожухом». Поэтому уже давно разрабатывали автономные водолазные аппараты, которые должны были сделать водолаза независимым от водной поверхности при обеспечении его воздухом. Появились различные направления, что привело к созданию разных автономных аппаратов. Речь идет, во-первых, о водолазном снаряжении, в котором дыхательный газ очищается и снова вдыхается (замкнутая циркуляция), и, во-вторых, о снаряжении с открытой циркуляцией, при которой применяемый дыхательный газ, вообще говоря, воздух, вдыхается только один раз и затем выдыхается в воду. Большое значение в последнее время приобретает водолазное снаряжение с полузамкнутой циркуляцией.
Примерно одновременно с разработкой шлемовидного водолазного снаряжения, снабженного шлангом, появились также конструкции автономных водолазных аппаратов, в которых применялся чистый кислород и регенерировался дыхательный газ. Однако эти аппараты не нашли применения у водолазов и служили лишь спасательным снаряжением в горном деле. В 1879 г. англичанин Флюсс предложил циркуляционно-кислородный аппарат, который стал основой для всех последующих аппаратов с циркуляцией. Принцип его очень прост. Высвобождающийся при дыхании углекислый газ становится химически связанным, а необходимый кислород пополняется из запасного резервуара. Таким образом, дыхательный газ используется полностью.
В современном исполнении эти аппараты легки, имеют небольшие габариты и, несмотря на это, позволяют длительное время находиться под водой. Однако их эксплуатация требует основательной подготовки. Прежде всего это связано с техникой безопасности. Во-первых, при повреждении аппарата возможен недостаток кислорода и, во-вторых, чистый кислород при повышенном парциальном давлении действует, как яд. По этим причинам аппараты с циркуляцией кислорода применяются на глубинах не больше 12–13 м. Мы не будем детально останавливаться на этом вопросе. Отметим только, что применение подобных аппаратов в основном ограничивается военными целями. Их использование спортивными водолазами запрещено в ГДР и некоторых других странах по соображениям техники безопасности. Вряд ли они играют какую-либо роль и при решении научных задач.
Аппараты с замкнутой циркуляцией, которые работают не на чистом кислороде, а на газовых смесях, в будущем смогут занять свое место в технике глубоководных исследований и в гражданском секторе. При работах на больших глубинах значительную роль играют газовые смеси из кислорода и гелия. Но так как гелий очень дорог, стараются как можно полнее использовать газовую смесь, что говорит в пользу применения циркуляционных аппаратов.
Над созданием автономного водолазного снаряжения со сжатым воздухом также работали давно. Решающий скачок удалось сделать в 1942 г. французскому морскому офицеру Кусто. Вместе с инженером Ганьяном он создал «Акваланг» — автономный прибор, работающий на воздухе под высоким давлением. Принцип этого прибора сохранился во всех дальнейших разработках.
Конструкция этих аппаратов очень проста. Воздух для дыхании находится в сильно уплотненном состоянии (чаще всего под давлением в 200 атм) в прочных резервуарах. Регулятор — легочный автомат — снижает давление сжатого воздуха до давления окружающего водяного столба и подает его водолазу в необходимом количестве. При повышенных физических нагрузках водолаз должен сам регулировать сильно возрастающую в этом случае потребность в воздухе и уверенно действовать в сложных условиях. При этом вдыхаемый воздух до возможности должен иметь точно такое же давление, какое (в зависимости от глубины погружения) соответствует давлению в легких, так как даже небольшие различия в давлении вызывают значительные затруднения в дыхании, а это приводит к преждевременному переутомлению водолаза. При быстром изменении глубины регулятор должен быстро приспосабливаться к новому давлению. Через клапан выдыхаемый воздух выпускается в воду.
Первые спуски водолазов с этим аппаратом были предприняты в 1943 г. в Средиземном море. Преимуществами акваланга были — простая конструкция, незначительные затраты в людях и технике, необходимые для его эксплуатации, и большая маневренность под водой. После второй мировой войны акваланг пользовался большой популярностью сначала у водолазов-спортсменов, а затем и у ученых. В настоящее время многие океанографические институты создали свои водолазные группы. Профессиональные водолазные предприятия, которые раньше использовали только шлемовидные водолазные аппараты, стали применять акваланги для самых различных работ под водой. Одним из первых ученых, который использовал акваланг Кусто как производственное оборудование, был французский морской биолог Драх (1951).
Если раньше спуски водолазов для океанографических исследований составляли исключение, то акваланг сделал их ценным вспомогательным средством океанологии.
Как и раньше, при применении шлемовидного водолазного снаряжения, морская биология во все возрастающих масштабах использует погружения с научными целями. Особенно в районах скалистых побережий, коралловых рифов, а также в областях с твердым грунтом, где качественный и количественный состав запасов можно определить только с помощью прямых наблюдений. Поэтому биологи должны сами и отбирать пробы под водой и производить подсчеты или измерения.
Аквалангисты (легкие водолазы) неоднократно участвовали также в рыболовно-биологических исследованиях — они наблюдали поведение некоторых пород рыб и оценивали их реакцию на внешние раздражители, такие, как звук или свет. Кроме того, для многих аспектов «аквакультуры» — искусственного разведения полезных морских организмов — важное значение имеют контрольные наблюдения, осуществляемые водолазами.
В решении многочисленных задач морской геологии водолазы тоже играют заметную роль. Так, для картографических работ на морском дне необходимы прямые наблюдения. Водолазы устанавливают своеобразные подводные салазки, которые затем буксируются лодкой. Подобным способом можно обследовать обширные районы.
Легкие водолазы оказывают большую помощь и при исследовании переноса осадочных материалов в прибрежной зоне. Они могут наблюдать перемещение наносов, а также участвовать в работах с цветным песком, когда передвижение отложений прослеживается по окрашенным песчинкам.
Водолазы успешно использовались и в решении задач физической океанологии, хотя и не в таких масштабах, как в биологических или геологических работах. В этой области морских наук одних наблюдений недостаточно: они должны сопровождаться точными измерениями. Здесь водолазы играют важную роль прежде всего при установке и контроле измерительных устройств.
С тех пор как в 1954 г. водолазы из группы Кусто по поручению британской нефтяной фирмы впервые собрали пробы грунта и провели измерения поля силы тяжести, вряд ли можно представить себе разведку и разработку морского минерального сырья без их помощи. В особенности это относится к морской технике — весьма молодой ветви морских наук, создающей технические средства и устройства для разведки и эксплуатации морских ресурсов.
В связи с интенсивным использованием морских ресурсов к обычным техническим задачам водолазов добавились многочисленные новые, такие, например, как разведка местоположения и сооружение буровых установок и других добывающих агрегатов в море, прокладка трубопроводов или строительство нефтехранилищ на морском дне. Периодический контроль за работой подводных сооружений и их техническое обслуживание относятся к задачам водолазов, так же как и испытание новых строительных материалов и аппаратуры.
Если для научных исследований сотрудники соответствующих учреждений зачастую сами овладевают техникой погружения, то обслуживание аппаратуры — дело водолазов-профессионалов. С проникновением на большие глубины повышаются требования к производственным возможностям водолазов, а также увеличиваются технические издержки. Кроме того, постоянно расширяющиеся области применения морской техники ведут к росту числа водолазов, участвующих в работах.
При применении акваланга в спортивных целях, а также в океанографии и морской технике выявился ряд проблем, возникающих в результате реакции человеческого организма на окружающую среду.
Наиболее важным фактором является повышенное давление. Водолаз находится в море, т. е. в среде, плотность которой примерно в 840 раз больше плотности воздуха. Однако человеческое тело практически несжимаемо, так как в его состав входит значительное количество жидкости. Легкие, дыхательные пути и носоглотка при использовании акваланга с легочным автоматом заполняются дыхательным газом под давлением, которое соответствует давлению воды. Когда образуется разница в давлении между заполненными воздухом полостями тела и окружающей средой, например при погружении, могут возникнуть болезненные ощущения в среднем ухе, в околоносовых полостях, а также в легких.
Возрастающее с глубиной погружения давление воды повышает давление и плотность дыхательных газов. Более плотный, а следовательно, и более тяжелый дыхательный газ даже на глубинах около 40 м сильно влияет на органы дыхания водолаза. Так как объем легких практически не изменяется, а давление на каждые 10 м водяного столба увеличивается на 1 атм, на глубине 10 м требуется уже вдвое больше воздуха, приведенного к нормальному давлению, на глубине 20 м — втрое больше и т. д.
Опытный водолаз потребляет в непосредственной близости от поверхности примерно от 25 до 30 л воздуха в минуту. При содержании кислорода, составляющем 21 %, в легкие каждую минуту попадает около 6 л кислорода. Однако потребляется и при выдыхании выделяется в виде углекислого газа только около 22,5 % этого количества, т. е. всего 4,7 % вдыхаемого воздуха. Так как выдыхаемый воздух в аппаратах с открытой циркуляцией выходит непосредственно в воду, дыхательные газы в них используются неудовлетворительно.
Плавучие автономные водолазные аппараты на сжатом воздухе могут работать ограниченное время. Поэтому недавно была начата разработка аппаратов с подачей воздуха с водной поверхности. В противоположность шлемовидному водолазному аппарату здесь сохранялась маневренность легкого водолаза, хотя наличие шланга ограничивало пространственный радиус действия.
Однако по-прежнему водолаз испытывал косвенные влияния давления. Это, во-первых, уже упомянутое выше насыщение тканей тела инертными газами, такими, как азот, в результате чего при быстром всплытии наступает кессонная болезнь, а во-вторых, токсичные воздействия повышенного парциального давления отдельных составных частей дыхательного газа.
Опасность выделения азота из тканей может быть предотвращена ступенчатой декомпрессией при всплытии. Медленное всплытие и остановки на определенных горизонтах постепенно освобождают тело от избытка азота. Для ступенчатой декомпрессии составлены таблицы подъема. В них имеются данные о времени пребывания на каждой ступени в зависимости от глубины погружения, времени нахождения под водой, а также от общей продолжительности всплытия.
Таким образом, наряду с сильно возрастающей потребностью в воздухе, связанной с повышенным давлением воды, время, необходимое для декомпрессии, ограничивает возможности автономных водолазов. При погружении менее чем на 10 м необходимость в декомпрессии отпадает. На глубинах от 10 и примерно до 45 м возможно всплытие без ступеней декомпрессии, если при погружении соблюдались определенные перерывы, так называемые «нулевые периоды». С увеличением глубины нулевые периоды становятся все короче. Так, общее время для погружения и пребывания на глубине 35 м составляет только около 10 мин.
При более длительном пребывании под водой соблюдение ступеней декомпрессии становится обязательным. Если погружение на глубину 45 м продолжается 35 мин, то для подъема требуется уже более часа. Еще менее благоприятно соотношение между временем погружения и эффективным рабочим временем для больших глубин. Пребывание в течение 1 мин на глубине 200 м требует на декомпрессию свыше 12 ч. Таким образом, практически на таких глубинах никакие работы не возможны.
Поэтому в 1957 г. был разработан и в 60-х годах успешно применен принцип «погружения насыщением» (Sattigungstauchens). Этот принцип основан на том, что необходимое для декомпрессии время прямо зависит от количества растворенного в организме азота или другого инертного газа. Как известно, это количество зависит от давления и от времени погружения. Однако растворенное количество газа возрастает не неограниченно, так как в конце концов достигается насыщение тканей тела. По новейшим научным данным для полного насыщения всех тканей азотом требуется около 64 ч. При использовании гелия, применение которого целесообразно при погружениях на глубины большие 50 м, для насыщения нужно примерно 24 ч. Если насыщение тканей достигнуто, время декомпрессии остается постоянным, независимо от того, как долго длилось пребывание под водой.
Практически этот принцип осуществляется так: водолазы перед спуском вдыхают в барокамере газовую смесь под давлением, зависящим от предстоящей глубины погружения. После насыщения они под этим давлением в погружаемой камере доставляются к месту работы. Спустя несколько часов водолазы возвращаются в камеру и все еще под давлением поднимаются на поверхность. На борт рабочего судна они чаще всего принимаются в барокамере большего размера и здесь ожидают следующего погружения. После окончания работ, часто продолжающихся несколько дней, в барокамере на палубе судна производится декомпрессия. Принцип погружения насыщением является весьма выгодным при длительных работах под водой, так как соотношение между полезным временем погружения и временем декомпрессии значительно сокращается.
Так же как и кислород, углекислый газ вызывает отравление при повышенном парциальном давлении. Поэтому водолазные аппараты с замкнутой или полузамкнутой циркуляцией должны снабжаться механизмами, контролирующими норму парциального давления кислорода и углекислого газа. При кратковременном пребывании под водой парциальное давление кислорода должно находиться в пределах от 0,2 до 1,8 атм, а при длительном — не должно превышать 0,5 атм. Для углекислого газа допустимое парциальное давление лежит между 0,005 и 0,01 атм.
Токсические действия углекислого газа и кислорода при повышенном парциальном давлении были известны давно. Позднее выяснилось, что даже такие трудно вступающие в реакцию газы, как азот, при превышении определенного давления также вредны. С середины 30-х годов этими вопросами специально занимались Бенке в США и Орбели и Лазарев в Советском Союзе. Во время опытов в барокамере, а также при глубоких погружениях водолазов в шлемах было обнаружено наркотическое действие азота. Наступало глубинное опьянение с понижением трудоспособности, потерей контроля за собственным поведением и в конце концов бессознательное состояние.
В октябре 1943 г. при одном из первых опытных погружений в жестком скафандре на глубину 64 м сотрудник Кусто сообщал о глубинном опьянении: «Я ощущал странное чувство счастья. Я был как пьяный и полностью беззаботный… Я был близок к засыпанию, однако я не мог спать с этим ощущением головокружения».
Глубинное опьянение и его последствия у неопытных водолазов заметны примерно на глубине 40 м. Хорошо тренированные и опытные водолазы могут достигать глубин свыше 60 м без появления опасных признаков. Однако на больших глубинах они также становились жертвами глубинного опьянения. Иногда это даже приводило к смерти.
Как до применения ступенчатой декомпрессии последствия выделения азота из тканей тела затрудняли длительное пребывание под водой, так теперь глубинное опьянение при дыхании сжатым воздухом оказалось преградой для более глубокого проникновения человека в море. На помощь пришли искусственные газовые смеси. Так как опасность глубинного опьянения возрастает с увеличением доли азота, сначала в порядке опыта часть азота была заменена кислородом. Однако для значительных глубин этот путь оказался неприемлемым, так как более высокая доля кислорода приводила к увеличению его парциального давления, что вызывало опасность отравления. На основании этих опытов пришли к выводу, что азот следует заменять трудно вступающим в реакцию благородным газом — гелием. В 1939 г. в США при погружении водолазов в обычных скафандрах со шлемами, снабженными шлангами, в качестве дыхательного газа впервые с успехом была применена кислородно-гелиевая смесь. Эти водолазы с помощью колокола спасли с глубины 73 м большую часть экипажа затонувшей подводной лодки.
По другому пути пошел шведский инженер Цеттерштрем, который заменил азот водородом. Чтобы предотвратить образование взрывчатого гремучего газа, дыхательный газ содержал только 4 % кислорода. У поверхности при погружении и всплытии Цеттерштрем применял сжатый воздух, а глубже — водородно-кислородную смесь. В августе 1945 г. в Балтийском море он достиг 150 м без признаков глубинного опьянения, но погиб из-за ошибок, допущенных на борту обеспечивающего судна.
Опыты с гелиокислородными смесями были с успехом продолжены после второй мировой войны. В США и Великобритании в этих опытах принимали участие главным образом морские службы. Вероятно, они предполагали в дальнейшем использование результатов этих испытаний в военных целях. В последующие годы приобрели значение также задачи, интересные с точки зрения морской техники. В 1962 г. швейцарцу Келлеру в барокамерной установке французского военно-морского флота удалось имитировать погружение на 10 с на глубину 250 м. Наконец, Келлер и английский водолаз Смолл в декабре 1962 г. в Тихом океане свободно передвигались с водолазным снаряжением на глубине 300 м в течение 3 мин. Из-за недостаточной подачи кислорода и вызванной паникой ошибочной реакции Смолл погиб при катастрофе.
Через несколько лет, при имитации глубинных погружений в барокамерах, выяснилось, что человек может выдерживать и большие давления. Последовали на первых порах сенсационные спуски на большие глубины. В сентябре 1970 г. три французских профессиональных водолаза предприняли у побережья Корсики 13 рабочих спусков продолжительностью до 3 ч на глубину 257 м. Используемый ими дыхательный газ состоял из 90 % гелия и 2 % кислорода. Перед началом опыта в барокамере на борту судна для бурения ткань их тела была насыщена газом при давлении в 21 атм. Затем водолазов ежедневно два раза в день спускали с помощью переносной погружаемой камеры на рабочую глубину. Обеспечение газом производилось из этой камеры. Декомпрессия была проведена только после завершения всех работ и длилась 97,5 ч. В мае 1972 г. у калифорнийского побережья два водолаза военно-морских сил США продержались 30 мин на глубине 288 м.
Сейчас проводятся новые опыты с имитацией погружений на глубины свыше 500 м, причем особенно интересные эксперименты проведены во Франции. Их целью являются дальнейшие исследования влияния высокого давления окружающей среды на человеческий организм и его работоспособность. К настоящему времени проведены имитации кратковременных погружений на глубину 610 м, а при долговременных опытах водолазы в течение нескольких дней подвергались давлению воды свыше 500 м без каких-либо вредных воздействий. Опыты над животными при еще более высоких давлениях служат подготовкой дальнейших экспериментов.
Подводные дома, суда и лаборатории (см. 3-й и 4-й цветные развороты); 1- японское подводное судно «Куросио II»; 2 — советское подводное судно «Север 2»; 3 — советская подводная лаборатория «Садко 3»; 4 — «Бентос 300» — комбинированный вариант подводного судна и подводной лаборатории, разработанный в Советском Союзе; 5 — советская подводная лаборатория «Черномор 2»; 6 — мезоскаф «Бен Франклин»; 7 — подводная лаборатория, снабженная энергией и дыхательным газом с судна-базы. Рядом — погружаемая камера, которая служит для связи с водной поверхностью; 8 — «Дом морской звезды» Кусто (1963 г.); 9 — надувной подводный дом «Спрут»
Кроме давления, на водолаза значительное влияние оказывает температура воды. Низкие температуры также являются ограничивающим фактором, который затрудняет подводные работы.
Температура воды на поверхности моря колеблется между -2°С в полярных районах и 36° С в Персидском заливе. В тропических районах температуры более 25° С сохраняются в относительно тонком поверхностном слое воды толщиной около 100 м, который отделен от лежащих под ним более холодных водных масс слоем значительных температурных градиентов, или, как его часто называют, слоем температурного скачка. В других районах, в зависимости от сезонного хода температуры и от вертикального перемешивания, также образуются термические скачки. Например, в Балтийском море такой слой лежит на глубинах между 20 и 35 м. Летом здесь градиенты температуры могут достигать 10–14°С.
Из-за более высокой по сравнению с воздухом теплопроводности воды следует принимать в расчет и более быструю потерю тепла телом. Тело человека только в очень незначительной степени может компенсировать под водой непрерывную теплоотдачу окружающей среде, и поэтому необходима соответствующая защита против охлаждения. Даже при температуре 25° С незащищенный водолаз начинает зябнуть через 1–2 ч, а при температуре ниже 15° водолазные костюмы абсолютно необходимы. Эти костюмы должны обеспечивать постоянную защиту от холода при низких температурах воды и больших глубинах погружения и при длительных пребываниях под водой. Охлаждение снижает не только работоспособность водолаза, но и его ориентацию.
Различные водолазные костюмы защищают от холода и одновременно от травм. При погружениях вблизи поверхности, ведущихся в научных или технических целях, водолазы-спортсмены применяют маски из губчатой резины. Содержащиеся в материале костюма многочисленные маленькие газовые пузырьки кислорода или углекислого газа, благодаря плохой теплопроводности, обеспечивают хорошую изоляцию. Вода проникает между телом и не полностью водонепроницаемым костюмом. Так как вода не может там циркулировать, она быстро нагревается до температуры тела и усиливает изолирующий защитный слой. Однако с увеличением глубины газовые пузырьки все более сжимаются. Так, при испытаниях в Северном море подводной станции «Хельголанд» водолазы сообщали: «Единственной помехой был холод. Ежедневные погружения от 3 до 4 часов при температуре воды 13,5°С в костюме из синтетического каучука, изоляционная способность которого на глубине 20 м снизилась примерно на одну треть, можно выдержать только в течение немногих дней».
При технических работах под водой в большинстве случаев применяются непромокаемые («сухие») костюмы, в которых тело водолаза не имеет непосредственного соприкосновения с водой. Они обеспечивают достаточную механическую защиту и чаще всего делаются из ткани, покрытой слоем резины. Защита от холода обеспечивается только тогда, когда под костюмом надето соответствующее нижнее белье. С увеличением давления воды воздух, находящийся между телом и костюмом, сжимается и в значительной степени выдавливается из костюма. Вследствие этого его изоляционная способность уменьшается, а складки костюма мешают маневренности водолаза.
В конце концов был создан костюм постоянного объема, который может применяться и при работах на больших глубинах. В этом непромокаемом костюме поддерживается постоянный объем воздуха, причем между наружным давлением воды и давлением внутри костюма сохраняется состояние равновесия. Изолирующая воздушная подушка обеспечивает хорошую защиту от холода на любой глубине. Сохраняется и маневренность водолаза, так как никакие складки на костюме не образуются.
Проблема защиты от холода приобретает особое значение, когда для дыхания используется искусственная гелиокислородная смесь. Гелий, по сравнению с воздухом, обладает большей теплопроводностью, вследствие чего тело быстрее охлаждается. Поэтому при длительных погружениях надевают обогреваемые водолазные костюмы. При технических работах костюмы часто обогреваются подаваемой из погружаемой камеры по шлангам горячей водой. При этом водолаз надевает особое нижнее белье из дюритовых трубок.
Другие варианты предусматривают по аналогии с защитными костюмами космонавтов электрический обогрев. Источник тока находится на поясе водолаза. Сконструированы миниатюрные изотопные генераторы, нагревающие воду, которая циркулирует затем по трубкам в водолазном костюме. Еще один способ обогрева связан с использованием тепла, выделяющегося при химических реакциях. Костюм обогревается водой, подаваемой по шлангам. Следует отметить, что в двух последних системах обогрева речь идет в основном о проведении экспериментов. Эксплуатационная надежность этих систем оставляет еще желать много лучшего, что особенно важно при выполнении производственных работ в суровых условиях окружающей среды. При погружении водолазов на большие глубины, как, например, при французских спусках до 256 м, подогревается также и дыхательный газ.
Среди факторов окружающей среды, влияющих на ориентацию водолазов и на их работоспособность, большую роль играют световые условия. Велико значение светового поля и для подводной фотографии. Спектральный состав света в воде сильно меняется. Минимальное поглощение излучение претерпевает в коротковолновой синей области спектра, зато в длинноволновой красной области оно в 100 раз больше. Инфракрасное излучение почти целиком «проглатывается» верхним полуметровым слоем воды, глубже сильно поглощаются красная, а затем и желтая области спектра. Поэтому цвета на сделанных под водой фотоснимках с увеличением глубины все более и более смещаются к сине-зеленым. Глубже 30 м преобладают сине-серые сумерки. На глубине около 120 м в океанических условиях без искусственного освещения человеческий глаз распознает только тени, а глубже 250 м царит густая синеватая темнота.
В прозрачной океанской воде на глубине 100 м интенсивность света составляет всего около 1,5 % от излучения, проникающего через водную поверхность. В то же время, если в воде много планктона или мельчайших неорганических частиц, то распространяющийся в море свет ослабляется еще больше. Так, например, в Балтийском море уже на глубине 15 м поглощается примерно 95 % всего падающего на поверхность моря света. Значительное ухудшение условий видимости вызывает также рассеяние света на этих частицах. Так как состав и концентрация рассеивающих частиц колеблются в широких пределах, закономерности рассеяния изучению поддаются с трудом. У водолаза создается впечатление, будто бы в его поле зрения перед предметами лежит дымка, уменьшающая контрастность.
Условия видимости под водой сильно изменяются в зависимости от времени года (колебания интенсивности излучения, различное развитие планктона), а также от местных факторов. Видимость от 30 до 40 м встречается только в прозрачных тропических водах, тогда как, например, в Балтийском море дальность видимости от 6 до 12 м считается хорошей. Часто условия бывают еще хуже, и водолаз в некоторых случаях полагается только на свое осязание. В сильно замутненной воде даже искусственное освещение не улучшает условий видимости, так как здесь источник света уподобляется автомобильной фаре в густом тумане. Водолаз видит только непроницаемую молочную стену.
Поэтому предъявляются высокие требования к способности водолазов ориентироваться, в особенности на больших глубинах и там, где речь идет об обследовании определенного района. В этих случаях должно быть надежно обеспечено возвращение водолаза в начальный пункт и возможность легко определять местонахождение технических устройств и приборов на морском дне.
В этом помогают подводные компасы различных конструкций.
В районах подводных работ в качестве ориентиров служат, например, направляющие тросы. В не слишком замутненной воде условия видимости улучшают сильные подводные прожекторы. Кроме того, водолазы снабжаются портативными лампами. Чтобы руки водолазов были свободными, разработаны питаемые от батарей налобные лампы. Водолаз, подобно горняку, укрепляет их на маске или шлеме.
В последнее время применяют также портативные сонарные аппараты, которые посылают звуковые импульсы, а затем улавливают и усиливают звуковые волны, отражаемые каким-либо предметом. Сейчас с помощью таких аппаратов, размером примерно с футбольный мяч, можно определять местонахождение предметов под водой на расстоянии до 200 м. Другой тип аппаратов, причем меньшего размера, принимает сигналы от подводных источников звука, что делает возможным пассивное определение их местоположения. Звуковой источник может устанавливаться как на каких-либо аппаратах, так и на подводных станциях.
При плохих условиях видимости большое значение приобретают технические возможности связи водолазов друг с другом — с помощью командных пунктов на поверхности моря или с помощью подводной станции. В отличие от телефонов в скафандрах вес и габариты этих аппаратов у легких водолазов должны быть гораздо меньше. Водолазы носят маски, закрывающие все лицо, с вмонтированными в них микрофонами. Все большее значение имеют беспроволочные средства связи. На коротких дистанциях используются специальные подводные громкоговорители; для больших дистанций были разработаны подводные радиотелефонные установки с ультразвуком в качестве несущей частоты. Пока достигнуты расстояния примерно до 1000 м.
Гелий, содержащийся в искусственных газовых смесях, влияет не только на теплопроводность, но и на человеческую речь. Из-за высокой скорости звука в гелии при разговоре происходит сдвиг частоты, человеческий голос производит впечатление писка и становится непонятным. Поэтому для ведения нормальных переговоров нужны дополнительные приборы, преобразующие частоту.
Несколько лет назад применение самоуправляемых водолазных аппаратов для погружения на глубины порядка 50–60 м казалось утопией. Однако знание физиологических процессов и надлежащие технические вспомогательные средства сделали возможным достижение больших глубин, причем не только при отдельных рекордных погружениях, но и во время регулярных работ. Еще несколько лет назад 95 % всех работ производилось на глубинах менее 50 м. Сегодня погружение на глубину от 100 до 150 м стало почти обычным делом, и скоро станут обычными рабочие спуски на глубину до 200 м.
При этом на первом месте стоят задачи океанографии. Добыча сырья на континентальном шельфе теперь немыслима без участия водолазов. Добыча нефти в «открытых» районах у американского побережья, работы по обслуживанию и ремонту технических устройств относятся к компетенции повседневной работы водолазов. В Каспийском море легкие водолазы, работая на подъемных установках, оказывают ценную техническую помощь. Наоборот, научные исследования с помощью водолазов на этих глубинах до сих пор проводятся в незначительном объеме и ограничиваются чаще всего расстановкой измерительных приборов. Расширению исследований научными сотрудниками океанографических институтов препятствовали большие технические затраты и необходимость их специальной подготовки.
Технической предпосылкой увеличения радиуса действия на глубине послужила разработка аквалангов, работающих на газовых смесях. Они позволяют довести период работы примерно до 30 мин даже на глубине 200 м. Разумеется, водолаз не может свободно погружаться на эти глубины с водной поверхности. В большинстве случаев он доставляется к своему рабочему месту с помощью погружаемой камеры. Погружаемую камеру часто используют для обеспечения водолаза дыхательным газом по шлангу, что увеличивает рабочее время до 2–3 ч. Для длительных работ применяют описанный выше способ погружения насыщением в барокамере на поверхности и доставку водолаза к месту работы в погружаемой камере или в подводном доме. Однако для работ продолжительностью менее 2 ч большая затрата времени на насыщение и последующую декомпрессию является неэкономичной. Простые погружаемые камеры позволяют опускать водолаза непосредственно с поверхности воды. После завершения работ их поднимают лебедками в закрытом состоянии. В этом случае декомпрессия осуществляется на поверхности. Новые водолазные аппараты с газовой смесью работают с полузамкнутой циркуляцией, т. е. дыхательный газ регенерируется при одновременном поглощении углекислого газа. Благодаря этому потребление газа даже на глубине 200 м составляет всего около 50 л/мин. При высокой стоимости гелия это имеет существенное значение. В зависимости от рабочей глубины (до 60 м) применяются готовые газовые смеси с различными долями гелия и кислорода. При этом парциальное давление кислорода поддерживается без применения дорогостоящего регулировочного механизма. Имеются приборы, которые автоматически, в зависимости от глубины, вырабатывают требуемые газовые смеси или работают с полностью замкнутой циркуляцией. Однако для повседневного применения они еще слишком сложны и дороги.
Успехи водолазной техники натолкнули на мысль о возможности акклиматизации людей в море в течение длительного времени. До сих пор водолазы, опускавшиеся в море или непосредственно с его поверхности или в погружаемых камерах, совершали туда лишь кратковременные визиты.
Прежде всего, продолжительное пребывание человека в море потребовало проведения ряда предварительных мер. Нужно было оборудовать подводные станции, в которых водолазы могли бы отдохнуть после своих экскурсий или обработать свои наблюдения. В таком подводном доме должно быть обеспечено снабжение дыхательным газом, питанием и всем необходимым. Кроме того, стояла проблема связи с водной поверхностью.
Большое значение имел вопрос о влиянии длительного пребывания под водой на человеческий организм. Следовало также решить проблему возможных психологических реакций при совместной жизни нескольких людей на ограниченном пространстве под водой. С технической стороны особых трудностей не предвиделось, так как повседневное применение аквалангов с искусственным дыхательным газом и соответствующие способы подводных контактов позволили считать эту сторону дела достаточно отработанной.
Полтора года спустя после первого космического полета Юрия Гагарина в Средиземном море, в рамках американской программы «Человек в море», было проведено первое длительное погружение. 6 сентября 1962 г. бельгийский водолаз в погружаемой камере цилиндрической формы был спущен на глубину 61 м и оставался там в течение четырех дней.
Несколькими днями позже у Марселя Кусто осуществил свой эксперимент «Преконтинент I». Два водолаза в течение недели находились на глубине 10 м под давлением 2,06 атм в бочкообразном подводном доме длиной 5,2 м. Во время ежедневных подводных выходов, общей продолжительностью 5 ч, они находились на глубинах между 5 и 25 м. Этим экспериментом Кусто хотел доказать, что при применении соответствующих технических средств пребывание на морском дне в течение нескольких дней возможно, даже если водолаз постоянно находится под двойным воздушным давлением. Целью программы «Преконтинент» в первую очередь было исследование физиологических проблем, которое при условных погружениях не могло быть проведено в полной мере. При операции «Преконтинент I» снабжение энергией и сжатым воздухом производилось с близлежащей наземной станции. Вода и продукты питания доставлялись к станции водолазами с судна-базы. Для обслуживания двух акванавтов (это понятие по аналогии с космонавтами распространилось на обитателей подводных домов) потребовалось более 60 человек, из которых только в качестве посыльных использовалось 15 водолазов.
В июне 1963 г. под руководством Кусто была проведена операция «Преконтинент II», во время которой была создана целая подводная колония и водолазы действовали совместно с подводными судами. Местом для этого эксперимента было выбрано Красное море с наиболее высокими температурами воды и наиболее удаленное от обычных морских путей. Успешный исход эксперимента в таких неблагоприятных условиях должен был доказать, что его можно повторить в любом другом морском районе.
Группа из пяти человек, из водолазов-профессионалов и морских биологов, жила в течение месяца на глубине 9,5 м в «Доме морской звезды». В то же время два других водолаза в течение шести дней выходили из маленького цилиндрического подводного дома, расположенного на глубине 26,5 м. Они погружались на глубины до 50 м, а иногда и глубже 100 м. Более глубокая подводная станция не имела в своем распоряжении установки для кондиционирования воздуха, водолазы жаловались на жару и особенно на высокую влажность воздуха. Признаки усталости появлялись быстрее, чем вблизи поверхности.
«Дом морской звезды» получил название в соответствии со своей формой. От центрального отсека с измерительными и контрольными устройствами, в том числе и с телевизионной камерой, отходили асимметрично четыре дополнительных отсека лучевидной формы. Вблизи от «Дома морской звезды» находился подводный гараж для «подводного блюдца», одного из первых подводных судов для исследовательских целей. Подводное мужское население экспериментировало с новыми газовыми смесями и выполняло всевозможные работы под водой. Так, была исследована экология кораллового рифа, на котором была сооружена станция. Кроме того, были проведены наблюдения за микроорганизмами, а также изучалась двусторонняя связь между колонией подводников и окружающей ее естественной средой.
Сооружение установки потребовало значительных материальных и технических расходов.
Во время второго американского эксперимента «Человек в море» в 1964 г. у Багамских островов с помощью уже описанной погружаемой камеры на глубину 132 м были опущены два водолаза. Когда давление в камере было выравнено с давлением воды, водолазы вышли и в течение 49 ч оставались в переносной подводной палатке. Резиновый кожух был натянут на стальные рамы и находился под внутренним давлением, соответствующим глубине погружения. Снабжение газом также производилось с водной поверхности.
В 1964 и 1965 гг. американские военно-морские силы провели самые по тому времени дорогостоящие длительные эксперименты с «Силэб I» и «Силэб II». По программе «Силэб I» четыре военно-морских водолаза, среди которых впервые был врач, в течение 10 дней находились на глубине 58 м в субтропических водах у Бермудских островов. В «Силэб II» три группы из 10 ученых и техников сменялись каждые 15 дней. Американский астронавт Карпентер, который принемал участие в эксперементе, оставался на глубине 60 м 29 дней.
При испытаниях производились широкие физиологические и психологические эксперименты. В качестве «плавучего почтальона» использовался дрессированный дельфин. В герметичных баллонах он доставлял на станцию мелкие инструменты и информацию с поверхности. Благодаря строению своего тела дельфин в состоянии без декомпрессии преодолевать за короткое время большие перепады глубин.
Подводная лаборатория «Силэб II» весом 200 т и длиной 17, 4 м была погружена со значительными трудностями у калифорнийского побережья в относительно холодную и мутную воду. Из-за неблагоприятных условий окружающей среды возникли дополнительные нагрузки на водолазов. Низкая температура воды требовала искусственного обогрева водолазных костюмов. Из-за малой дальности видимости, всего 7 м, пришлось принимать дополнительные меры предосторожности. Дыхательный газ (4 % кислорода, 9 % азота и 79 % гелия) вызывал значительные трудности во взаимопонимании. Из-за быстрой отдачи тепла в атмосфере гелия, чтобы водолазы не мерзли, станцию приходилось нагревать более чем на 26°С. Так как гелий диффундирует почти через все материалы, он проникал в чувствительные электронные приборы и через короткое время приводил их в негодность. Вредной оказалась высокая влажность воздуха, достигающая более 90 %. Поэтому в последующих подводных экспериментах, используя опыт космических полетов с человеком на борту, применялись усовершенствованные установки, понижающие влажность.
Примерно в одно время с экспериментом «Силэб II» в Средиземном море у мыса Феррато под руководством Кусто был проведен третий эксперимент «Преконтинент». Двухэтажный подводный дом сферической формы диаметром 7,5 м и общим весом 130 т в течение трех недель служил жилищем для шести водолазов на глубине 100 м. (В условиях, аналогичных этому эксперименту, при погружении насыщением для декомпрессии потребовалось бы 72 ч.) Водолазы ежедневно покидали свой сферический дом на 4 ч и погружались на глубины до 130 м.
В их задачу, наряду со многими океанологическими исследованиями, входили также установка и техническое обслуживание нефтяной буровой головки. Буровая головка весом 6 т была опущена краном с водной поверхности, причем работа была затруднена из-за сильной мертвой зыби.
В подводном доме в атмосфере гелия возникли те же самые трудности, что и при экспериментах «Силэб». Только лишь через несколько дней акванавты привыкли к своим новым голосам. Вследствие большой теплопроводности гелия, например, быстро охлаждалась пища. Большие трудности возникали при работе с паяльником. Газ точно так же проникал в приборы.
Из всех сооруженных до того времени подводных станций «Преконтинент III» обладал наибольшей независимостью от поверхности, так как был автономен в снабжении дыхательным газом. Лишь электроэнергия подводилась по кабелю с наземной станции. Правда, возникала опасность, что при сильном шторме жизненно необходимая связь будет прервана. Прямая связь с базой через автономного водолаза была невозможна из-за длительных периодов декомпрессии, так что необходимые предметы доставлялись на станцию с помощью своего рода подъемника, а также с помощью «подводного блюдца».
В 1966 г. в Черном море были проведены первые советские длительные эксперименты с «Ихтиандром 66» и «Садко 2». Эти эксперименты систематически проводятся и по сей день. В 1969 г. была испытана трехэтажная вертикальная конструкция «Садко 3». Общим для всех станций этого типа была их способность изменять свое положение по глубине. Например, во время сильного шторма, при котором на морской поверхности волны достигали высоты 5 м, работавшая первоначально на глубине 25,5 м станция «Садко 3» при помощи специального устройства, позволяющего принимать водяной балласт, была опущена на глубину 39 м.
Во время эксперимента были испытаны и усовершенствованы различные варианты смены экипажа. Если у «Садко 2» экипаж из двух человек был декомпримирован в герметично закрытой подводной лаборатории, которую к тому же должны были доставить на водную поверхность, то при последующих испытаниях с «Садко 3» смена экипажа из трех человек была проведена посредством передвижной барокамеры. При волнении на море с высотой волн 2 м работа с этими камерами невозможна. Экипажи «Садко 3» оставались под водой до 14 дней. Наряду с медико-физиологическими исследованиями проводились гидрофизические и биоакустические работы по изучению шумов, издаваемых рыбами.
Особого внимания заслуживают испытания с подводной станцией «Черномор», в ходе которых впервые была осуществлена исключительно океанологическая программа. Эта станция имеет форму горизонтального цилиндра, в которой находятся рабочее и жилое помещения. Ее водоизмещение в погруженном состоянии составляет около 73 т, длина 12,5 м и высота 6 м. Водяная балластная система позволяет производить автоматическое всплытие и погружение. Впоследствии станция была расширена и дополнительно оборудована гидравлическими опорами. В отличие от других подводных домов, снабжение которых энергией и воздухом всегда было наиболее узким местом в системе обеспечения, «Черномор» рассчитан на многодневную, независящую от поверхности эксплуатацию. Станция располагает установленными за пределами прочного корпуса аккумуляторами и запасом сжатого воздуха. Однако подача энергии производится с понтона, находящегося на поверхности. Внутреннее помещение высотой 2 м для экипажа из пяти человек разделено на водолазный (с входными люками), жилой, рабочий и санитарный отсеки. Для смены экипажа служит подводная камера.
Первое погружение на глубину 12,5 м было осуществлено летом 1968 г. в Голубой бухте у Кавказского побережья Черного моря.
В течение месяца 28 акванавтов, разбитые на пять рабочих групп, изучали различные возможности для океанографических работ и проводили методические исследования. Во время второго погружения в 1969 г. на глубины 12 и 24 м программа предусматривала комплексные океанологические исследования. Геологи изучали перемещение донных отложений и с помощью пневматического бура углубились в дно на 11, 2 м. При биологических работах прежде всего изучались вопросы экологии и исследовалось поведение рыб. Для физических исследований, которые касались главным образом подводного светового поля и мелкомасштабной турбулентности, вблизи «Черномора» был оборудован полигон с многочисленными измерительными приборами, которые были размещены на мачте высотой 28 м.
Вблизи от «Черномора» располагалась надувная лаборатория «Спрут», в которой находились два акванавта. «Спрут» представляет собой заякоренную на морском дне палатку каплеобразной формы высотой 1,8 м и кубатурой 6 м3. Закрытая снизу, она наполнена дыхательным газом, благодаря чему покрышка стабилизируется. Воздух может подаваться через шланг с водной поверхности, а также из баллонных батарей. Этот вид лаборатории сравнительно прост в изготовлении (прототип был разработан и построен тремя водолазами-любителями) и может быть установлен в течение 80 мин.
Дальнейшие работы с подводной станцией «Черномор» подтвердили правильность выбранной концепции. В 1971 г. на этой станции работали пять экипажей, в том числе 60 ученых. Станция может служить прототипом серии подводных лабораторий, которые смогут работать и на больших глубинах. За исключением корпуса все применяемые агрегаты и устройства — серийного производства, так что изготовление ее сравнительно недорого. По советским оценкам промышленное изготовление первой лаборатории стоило около 100 тыс. руб., а дальнейшее изготовление по готовому образцу будет дешевле примерно на одну треть.
За последние годы сильно возросло количество экспериментов с подводными домами. К настоящему времени построено примерно 50 станций.
Объем этой книги не позволяет обсудить все важные эксперименты последних лет, поэтому мы остановимся только на некоторых существенных результатах. Во время проведения американской программы «Тектит I» четыре акванавта находились на глубине 12,7 м 59 дней. Этим было доказано, что человек может долго находиться под водой без ущерба для своего организма. Эта операция, которая стоила около 2,5 млн. долларов, была организована фирмой Дженерал Электрик в сотрудничестве с военно-морскими силами и космическим ведомством. В то время как космическое ведомство использовало океаническую окружающую среду для имитации длительных космических полетов, интерес морских служб состоял в получении физиологических и психологических научных результатов для передачи их экипажам атомных лодок.
Впервые опробованная в 1969 г. в Северном море станция «Гельголанд» стоимостью 1 млн. марок послужила доказательством возможности применения подводных лабораторий для задач океанографии, даже при очень неблагоприятных условиях окружающей среды: при низкой температуре и незначительной дальности видимости, сильном течении и частых штормах. Проблема обеспечения станции была решена при помощи трехкратно заякоренного специального буя, в котором находились автоматически работающий дизельный генератор, компрессоры и баллоны сжатого воздуха.
Однако опыт первого погружения показал, что необходимы значительные изменения в конструкции. Для этого снова потребовалось около 1 млн. марок. В 1971 г. было проведено новое испытание в западной части Балтийского моря.
С помощью станции «Эгир», принадлежащей группе американских фирм, в июне 1970 г. у Гавайских островов подводная лаборатория была опущена на глубину 157 м. Пять дней шесть водолазов находились на этой рекордной глубине. Условия окружающей среды в районе испытаний были, разумеется, сравнительно благоприятны.
В заключении следует сказать, что техническая и методическая разработка подводных станций еще далеко не закончена. Область их применения в настоящее время ограничивается, в частности, тем, что они требуют хорошо подготовленных водолазов. Кроме того, с увеличением глубины чрезвычайно резко возрастают расходы. По этой причине, а также потому, что на небольших глубинах легче разрешить физиологические проблемы, можно пользоваться обычным дыхательным газом — примерно 80 % всех испытаний проводились на глубинах до 30 м.
Проводившиеся до сих пор эксперименты показали, что длительное пребывание человека под водой принципиально возможно, а для определенных работ даже необходимо. По английским расчетам подводные работы экономически выгодны, если подводный дом используется на глубине 30 м и требуемый объем работ составляет 60 ч на одного водолаза. По американской оценке эффективность акванавтов, которые постоянно находятся на глубине 60 м, примерно в 30 раз выше, чем эффективность свободно погружающихся плавающих водолазов.
Однако эксплуатация подводных станций ставит целый ряд проблем. Очень высоки технические требования, которые часто находятся в противоречии друг с другом. Прежде всего, важное значение имеют автономность станции в отношении ее обеспечения и снижение затрат на обслуживание. Выполнение всех пожеланий потребовало бы недопустимо высоких расходов на персонал и на технические нужды. Расходы на строительство станций большого размера и так уже составляют миллионы, причем нечего говорить о том, что с их помощью можно более или менее удовлетворительно разрешить все проблемы. Эксплуатационные расходы и расходы на дальнейшее техническое усовершенствование также весьма велики и совершенно несравнимы с расходами на небольшое исследовательское судно.
Наконец, наряду с техническими и экономическими проблемами не должны оставаться без внимания и психологические вопросы. Так же как и их «коллеги» в космосе, акванавты находятся в изолированной среде, для которой характерно обеднение внешними раздражителями. Без технических вспомогательных средств жизнь там была бы невозможной. К этому добавляется большая физическая нагрузка при работах под водой.
Использование подводных станций открыло океанографии новые возможности. Круг задач в принципе остается тем же, что и для автономных водолазов, но более длительное пребывание под водой позволяет проводить обстоятельные и трудоемкие исследования. При этом возможно оборудование периодически действующих подводных полигонов со стационарно установленной измерительной аппаратурой, как это показал, например, опыт советских океанологов с «Черномором». Акванавты могут непрерывно наблюдать жизненные формы в определенном районе, причем могут быть отведены большие площади под своеобразные заповедники. В дальнейшем возможно создание периодически действующих подводных обсерваторий с филиалами, измерительными полигонами и, быть может, даже с базами для подводных судов.
Намечается применение подводных лабораторий и в области морской техники. Они могли бы, например, оказывать ценную помощь при разработке и испытаниях измерительной и рабочей аппаратуры или при длительном исследовании коррозии. И все же в настоящее время, в противоположность общей позитивной оценке относительно применения подводных станций в океанографии, мнения об их пользе в решении технических задач еще расходятся. Многие технические работы по обслуживанию и ремонту подводных установок должны проводиться в сравнительно короткое время. Применение подводных станций для таких задач было бы слишком дорогостоящим, тем более что они привязаны к определенному месту, тогда как подъемные установки и другие устройства на морском дне могут быть распределены по большим площадям. Суда и барокамеры, в которых водолазы после выполненной работы снова поднимаются на поверхность, более экономичны. С другой стороны, для решения некоторых задач подводные суда с устройствами для всплытия водолазов считаются более дешевыми и эффективными. Но и здесь еще не сказано последнего слова.
