Бесспорно, только решение ряда принципиальных вопросов физиологии, связанных с длительным пребыванием человека в условиях большого давления, открыло путь к жизни под водой. Однако при разработке подводных жилых комплексов и проведения самих экспериментов инженерам, как и физиологам, пришлось преодолеть немалые трудности. Руководитель американской исследовательской группы Дж. Бонд откровенно признался: «Хотя одна из главных проблем лежит в области физиологии человека, похоже, что разработка снаряжения – труднейшая задача».
Зарубежные исследователи, широко рекламируя в прессе свои достижения, много говорят о том, что было сделано, но старательно избегают разъяснения, какими средствами достигнут успех. Тем не менее мировой опыт проведения подводных экспериментов уже достаточно велик, чтобы попытаться его проанализировать, наметить основные требования к системам, оборудованию и снаряжению и найти «слабые места», на которые в будущем следует обращать особо серьезное внимание.
Основное подводное сооружение – подводный дом, или, как его иногда называют, жилище. В нем акванавты проводят свободное от работы на дне время (двадцать и более часов в сутки): едят, спят, отдыхают, обрабатывают свои научные наблюдения, ремонтируют водолазное снаряжение и т. д. Чтобы жизнь акванавтов была полноценной, а необычность обстановки как можно меньше сказывалась на их моральном и физическом состоянии, в доме должны быть условия, максимально приближающиеся к нормальным условиям на поверхности. Следует предусмотреть спальный отсек, камбуз и место для еды – своего рода столовую; необходимы также книги, журналы, игры, радиоприемники и телевизоры. Это кажется элементарным, не стоящим особенного внимания, однако не все так просто. Надо помнить, что давление в доме в несколько раз больше атмосферного, а газовая смесь, которой дышат акванавты – искусственная, что объем, в котором они живут, – замкнутый. Это вызывает ряд специфических трудностей. Например, любая примесь в атмосфере дома так там и останется, если ее не удалить искусственно, и при длительном воздействии на человека может стать отравляющей. К любому, даже самому простому, агрегату, который должен работать в доме, надо подходить и с этих позиций.
Как же должен быть сделан подводный дом, чтобы люди могли жить в нем удобно и безопасно?
Первое, на что обычно вы обращаете внимание, когда собираетесь переезжать на новую квартиру – это ее планировка. Планировка подводного дома – вопрос не менее важный. Пока есть два способа размещения помещений в подводном доме: американский и французский. Помещения обеих американских «морских лабораторий» были спланированы так же, как и внутренние помещения подводных лодок. Все комнаты, или «отсеки», располагались в одну линию, причем на одном конце дома был вход, а спальный отсек находился в противоположном конце.
Все остальные помещения, а именно: гардероб и склад снаряжения, душевые и санузел, лаборатория, камбуз и отсек управления аппаратурой размещались между ними. Это обусловливалось тем, что дом имел вид горизонтального цилиндра. Для всех домов Кусто, исключая, конечно, «Диоген», характерна своеобразная форма. Французы избегают создавать проходные, менее удобные помещения. В жилом доме «Преконтинента II», который по форме напоминал звезду, каждое помещение располагалось в одном из лучей, и все они имели выход в центральный отсек, который служил одновременно кают-компанией и центральным постом управления аппаратурой. Дом-шар «Преконтинента III» тоже не имел проходных комнат. Его бытовые помещения (спальня, туалет и душ) находились на первом этаже, тогда как отсек с управляющей аппаратурой и кают-компания – на втором.
Неудачная планировка дома осложняет не только жизнь в нем, но и работу. Один из участников опыта «Силаб II» – Том Кларк – отметил, что «вестибюль» перед выходным люком был слишком маленьким и тесным, а поэтому очень часто срывался график выхода акванавтов в воду. Когда два человека готовятся к выходу, два собираются войти и один контролирует вход и выход, выйти или войти вне очереди невозможно. Место, отведенное для хранения снаряжения, было беспорядочно завалено, найти свой костюм стоило больших трудов. Такой отзыв Кларка о планировке дома поддержали и другие участники опыта.
Не меньшее значение, чем планировка, имеют условия отдыха в доме. Шумность отсеков, загруженность их механизмами, теснота влияют на состояние акванавтов. Каждый член экипажа должен иметь место, где бы он мог остаться наедине с самим собой. Впервые такое стремление появилось у Фалько и Весли – жильцов самого первого подводного дома. Фалько писал: «В следующем нашем подводном доме должно быть не менее двух комнат, чтобы в одной из них можно было уединиться». Это требование также принимается во внимание группой Кусто при разработке подводных домов. И хотя жилой объем, приходящийся на человека в доме «Преконтинента III» ив «Силаб I» и «Силаб II» примерно одинаков, создается впечатление, что жить во французских подводных домах намного удобнее, чем в американских.
Максимально удобные, приближенные к поверхностным, условия жизни создают у акванавтов хорошее настроение, благоприятно влияют на их психику и физическое состояние, а следовательно, способствуют производительному труду.
Важное место в жизни людей занимает «кухня» – процесс приготовления и принятия пищи. Для обитателей подводного дома все имеет значение: что готовится, как и на чем. Пользование открытым огнем исключается ввиду повышенного расхода кислорода и загрязнения дыхательной смеси продуктами сгорания. Кроме того, горение иногда просто невозможно из-за малого количества кислорода в смеси. До сих пор в подводных домах использовали обычные электроплиты. Вероятно, их будут применять и в дальнейшем, по не исключено, что может появиться и другой способ приготовления пищи, например, разогрев токами высокой частоты.
Пищевой рацион акванавтов подбирался на основе двух соображений. Во-первых, учитывались их собственные пожелания. Так. Фалько и Весли, по словам Кусто, быстро перестали соблазнять «изумительные соусы и пирожные старательного Гильберта», и акванавты попросили присылать им пищу полегче. Во-вторых, при подборе меню принимались во внимание условия жизни в замкнутом объеме. Примеси, появляющиеся в атмосфере дома во время приготовления пищи, не должны быть токсичными п должны легко удаляться из смеси. Поэтому из рациона акванавтов было исключено жареное мясо, яйца и ряд других продуктов.
В «Преконтиненте III» Кусто сделал попытку использовать стандартные готовые обеды, использующиеся на авиационных линиях. Однако блюда из этих рационов подвергались отбору. По мнению доктора Вессьера, составлявшего меню акванавтов, примерно 3500 кал, которые получали акванавты в их суточном рационе, было вполне достаточно.
Продукты хранились в глубоком холоде – при температуре до -40° и перед приготовлением размораживались в специальной камере. Температура внутри нее была + 2°.
Температурные условия играют большую роль в жизни человека, а в подводном доме, в условиях искусственной атмосферы, особенно. Опыты показали, что живущий в атмосфере с гелием человек сильно мерзнет. Гелий имеет гораздо большую теплопроводность, чем азот, и чтобы человек не ощущал холод, температура в доме должна быть от 28 до 38° С. Это достигается обогревом дома как при помощи нагревателей, уложенных в полу, так и калориферами, выполненными в виде отдельных блоков. В «Силаб I», например, было четыре блочных обогревателя. В «Силаб II», кроме того использовались нагреватели, вмонтированные в бетонный пол. Общая мощность обогревателей «Силаб II» составляла 25 кет.
Большое внимание уделяется теплообмену между домом и водой. Из-за высокого давления и необычных физических свойств искусственной атмосферы практически любая теплоизоляция быстро насыщается гелием и теряет свои свойства. С целью улучшения теплоизоляции американские инженеры увеличивали до 5 см толщину теплозащитного внутреннего покрытия корпуса. Французы видят возможный выход из положения в создании дома с двойными стенками, между которыми циркулировала бы горячая вода. Не исключено, что такая «активная» защита окажется более действенной.
В дальнейшем, когда глубина постановки подводных домов достигнет 200-300 м, требования к системам поддержания температурного режима дома будут еще более жесткими, поскольку температура воды на больших глубинах может быть близкой к 0°. Регулировка температуры в доме должна быть автоматической, как, впрочем, и всех остальных параметров его атмосферы. При средней температуре внутри «Силаб II», равной 30°, колебания были довольно значительными – от 27 до 40° С, что вряд ли допустимо.
Однако, как показал опыт, одного обогрева дома мало. Работая в холодной воде, акванавт замерзает настолько, что по возвращении в дом требуются специальные и довольно энергичные меры для его согревания. С этой целью широко используются пресные горячие души и инфракрасные печи.
Поддержание влажности внутри подводного дома в приемлемых пределах – тоже весьма серьезная задача. Опыты показали, что при «жизни в гелии» она должна быть около 60%. Система кондиционирования «Силаб II» с этой задачей не справилась: влажность в доме колебалась от 60 до 90% со средним значением 75%.
Но самое главное, конечно, – это точное регулирование состава атмосферы дома и падежная работа систем удаления примесей. В подводном доме жизнь акванавтов зависит от исправности этих систем. При выходе их из строя акванавты могут погибнуть и от кислородного отравления, и от кислородного голодания, и от отравления вредными примесями. Даже если серьезная неисправность будет вовремя обнаружена, немедленная эвакуация с помощью барокамер-лифтов (таких, как камеры «Галеацци» в «Преконтиненте III») может оказаться невозможной из-за погодных условий на поверхности и других причин. Поэтому требование надежности регулирующей аппаратуры становится первостепенным.
Второе основное требование – автоматизация процессов регулирования состава и очистки атмосферы. Возможность автоматически поддерживать на заданном уровне количество кислорода в доме появилась у американских исследователей, по-видимому, после изобретения Аланом Красбергом датчика количества кислорода в смеси. В дальнейшем Красберг создал систему автоматического регулирования состава смеси. Эта система настолько портативна, что ее не только можно установить в виде постоянных стационарных блоков в подводных домах и декомпрессионных камерах, но и использовать в автономных дыхательных аппаратах.
Искусственная атмосфера глубоководного дома состоит обычно из смеси двух или трех газов. Полностью гелиевая атмосфера «Преконтинента III» содержала немногим более 2% кислорода, а дыхательная смесь «Силаб I» и «Силаб II» состояла из 4% кислорода, 16% азота и 80% гелия. Это соотношение компонентов должно в точности соблюдаться.
Сложность поддержания заданного состава смеси заключается в том, что расход кислорода в доме изменяется довольно значительно в зависимости от того, сколько человек в данный момент находится в доме, работают они или отдыхают и т. д. Система должна измерять количество кислорода в смеси и пополнять его по мере необходимости. Однако, несмотря на постоянное регулирование, содержание кислорода в атмосфере «Силаб II» колебалось от 3,25% до 5,25%.
Если на данном этапе работ, когда в смеси еще довольно много кислорода – от 2 до 4 %, проблема поддержания его количества постоянным вызывает затруднения, то с увеличением глубин эти трудности неизмеримо возрастут. Так, для глубины 250 м безопасное количество кислорода составляет около 1%. Незначительные отклонения в ту или иную сторону от данного относительного количества кислорода в смеси вызовут резкие колебания абсолютной величины его парциального давления, что может привести к очень тяжелым последствиям. Поэтому необходима аппаратура, которая могла бы точно поддерживать на нужном уровне даже такое мизерное количество кислорода.
Из дома постоянно уходит гелий. Его диффундирующие способности настолько велики, что под давлением он способен просачиваться даже сквозь стекло. Кроме того, гелий, как, впрочем, и азот растворяется в воде, с которой атмосфера дома имеет постоянный контакт. Поэтому и количество инертных газов в доме непрерывно убывает; по мере необходимости их тоже надо пополнять.
Организмы людей, которые живут в подводном доме, все время выделяют углекислый газ и другие газообразные продукты жизнедеятельности. Ряд механизмов и устройств при работе также выделяют в атмосферу дома газообразные примеси. Например, выключатели и другие контактные электроприборы являются источниками озона, а действие его под большим давлением на людей еще не изучено. Улетучивается краска, испаряются масла и т. д. В дыхательной смеси дома «Силаб I» были обнаружены примеси паров метилового и этилового спирта, ацетальдегида, фреона, этилового эфира, муравьиной кислоты, сероуглерода, угольного ангидрида и многие другие – всего около 100 видов. И это несмотря на то, что дом был полностью изолирован от поверхности и даже водолазам обеспечения категорически запрещалось входить в него – в доме находились только акванавты.
В первую очередь из атмосферы подводного дома должен удаляться углекислый газ, который поступает в нее в наибольшем количестве. Подобная задача успешно решена для автономных дыхательных аппаратов и подводных лодок. Однако для подводного дома ее пришлось решать заново: ввиду повышенного давления, в доме качество очистки атмосферы подводной лодки не удовлетворяет требованиям подводного дома. Дж. Бонд полагает, что токсичность примесей возрастает пропорционально увеличению давления и что примеси, которые допустимы в атмосфере подводной лодки, будут смертельно опасны уже при 20 ата.
Удаление углекислого газа может производиться двумя способами: химическим и физическим. В случае использования первого способа углекислый газ поглощается при пропускании смеси через поглотители – вещества, связывающие его химически. В «Силаб II», например, углекислый газ поглощался с помощью гидроокиси лития.
Физический способ удаления углекислого газа был применен в «Преконтиненте III». С помощью специально разработанного криогенерационного устройства дыхательная смесь сжималась и охлаждалась до отвердения углекислого газа и других вредных примесей, а затем брикеты отвержденных примесей выбрасывались из дома в воду. Этот узел в сочетании с системой измерения количества кислорода в смеси и некоторыми другими устройствами был конструктивно оформлен в виде отдельного блока, который мог бы устанавливаться не только в подводных домах, но и на исследовательских подводных судах, обладающих большой автономностью.
Эксплуатация поглотителей различных типов показала: химический способ очистки мало пригоден для условий подводного дома. У американских акванавтов временами болела голова, что, как предполагалось, было вызвано плохой работой поглотителя. Кроме того, если экипаж большой и дом находится на дне длительное время, потребное количество химпоглотителя возрастает настолько, что его хранение или доставка под воду свежего превратится в сложную проблему. По-видимому, и американцы остановятся в конце концов на устройстве, подобном криогенератору «Преконтинента III».
В будущих подводных домах система регулировки состава и физических параметров атмосферы будет, вероятно, выполнена в виде отдельного блока. Эта полностью автоматическая система сможет регулировать содержание компонентов в газовой смеси, удалять из нее примеси, поддерживать в нужных пределах ее температуру и влажность. Кроме того, в доме должна быть предусмотрена контрольная система регулирования, функционирующая независимо от первой. Она будет иметь свои 71,атчики количества компонентов смеси и примесей и, может быть, даже работать от собственного автономного источника питания. Как полагают, такое стопроцентное дублирование окажется необходимым для повышения надежности работы этой системы, наиболее важной из всех систем дома.
Условия жизни под водой весьма специфичны. Вышедший из дома акванавт должен обязательно вернуться в него – путь наверх ему закрыт. Чтобы вовремя оказать помощь попавшему в беду, в подводном доме должны знать, кто, когда и с каким заданием покинул дом, какое количество дыхательной смеси было в баллонах его аппарата и т. д. С этой целью в доме должна быть установлена еще одна система – система безопасности. Эта система будет пеленговать работающих вне дома акванавтов, и дежурный, взглянув на пульт, сможет узнать, где находится каждый из них. При помощи специальных датчиков ритма дыхания система будет следить за состоянием акванавта и в случае необходимости подаст сигнал тревоги. Обеспечение связи со всеми акванавтами, находящимися в воде, также явится функцией этой системы. Важность ее создания уже подтвердилась на практике: попавший в аварию акванавт «Силаб I» Сэндерс Маннинг чудом остался жив.
Прообразом системы безопасности была система, использованная в «Преконтиненте II». На пульте в центральном посту находилось специальное табло, на котором загоралось имя вышедшего в воду акванавта и предполагаемое время его возвращения. Все разговоры центрального поста с акванавтами записывались на магнитную пленку.
Высокая степень автоматизации систем дома невозможна без использования сложных технических устройств. Однако для применения их в подводных домах в условиях гелиевой атмосферы и высоких давлений требуется проведение специальных исследований. Большие проблемы возникли при использовании электронной аппаратуры. Хотя охлаждающие способности гелия в данном случае были полезны, так как благодаря им электронные приборы работали при более выгодных температурных режимах, большая проникающая способность гелия доставила много хлопот как американским, так и французским инженерам.
На третий-четвертый день работы в подводном доме телевизионные передающие камеры снижали контраст и резкость передаваемого изображения. После замены электронно-лучевых трубок нормальная работа систем телевидения восстанавливалась. Специалисты-электроники объясняли это тем, что гелий, проникая сквозь стеклянные баллоны трубок, снижал внутри них вакуум. В «Преконтиненте III» трубки приходилось заменять через несколько дней. Американские инженеры изготовили водонепроницаемые боксы и установили передающие камеры прямо в воде, напротив иллюминаторов дома, и таким образом избавились от влияния всепроникающего гелия. На полупроводниковые приборы гелий не оказывал своего воздействия.
В подводном доме имеются также устройства и системы, предназначенные для его постановки на дно и всплытия на поверхность. Прежде всего он должен иметь систему опор, допускающих возможность регулировки его положения на грунте в довольно широких пределах. Необходимость такой регулировки отмечалась, в частности, после проведения «Силаб II». Подводный дом был установлен с некоторым наклоном, несмотря на то, что место выбиралось и готовилось заранее. Это создавало определенные неудобства. Так, по словам Карпентера, акванавтам пришлось закреплять на печке посуду.
Чтобы дом твердо стоял на дне и течение не могло сдвинуть или опрокинуть его, он должен обладать большой отрицательной плавучестью. При установке же на грунт и при подъеме, желательна минимальная отрицательная плавучесть, а то и способность дома к самостоятельному всплытию. Для регулирования плавучести в доме предусматривается балластная система. Проблема балласта в различных экспериментах решалась по-разному. В «Преконтиненте II», например, сооружения утапливались с помощью твердого балласта. Для укладки его в их корпусах предусматривалось специальное место. Дом «Силаб II» имел собственные балластные цистерны, при помощи которых он мог самостоятельно всплыть и погрузиться. Однако эта способность была использована только отчасти. Его постановка на грунт и подъем производились с помощью лебедок и кранов судов обеспечения.
Система погружения и всплытия дома должна быть хорошо продумана, иначе это может привести к серьезным осложнениям в работе. Так, из-за неудачно спроектированной продуваемой балластной системы дважды срывался подъем подводного дома англичан. Всплывая после продувки балласта, дом выскакивал с глубины 10 м на поверхность, затем, зачерпнув воду через люки, снова шел на дно.
Способ компрессии и декомпрессии экипажа в самом доме, который применялся при проведении «Преконтинента III», обусловливает определенные требования к конструкции дома, которые обычно предъявляются к барокамерам. Во-первых, корпус дома должен быть достаточно прочным, чтобы выдержать высокое внутреннее давление, соответствующее давлению на глубине постановки, непосредственно перед началом погружения или тотчас после подъема. Во-вторых, герметичность дома в этот момент ни в коем случае не должна нарушаться. При быстром падении давления внутри дома экипаж может погибнуть от декомпрессионной болезни.
Инженерам-конструкторам подводных домов приходится решать и проблему размещения запасов. Чем выше степень автономности дома (т. е. чем меньше он зависит от снабжения с поверхности), чем больший по численности экипаж живет в нем и чем дольше длится работа на дне, тем сложнее становится эта задача. Только за одну минуту человек потребляет при дыхании около 1-2 л кислорода (приведенных к нормальному давлению), трижды в день принимает пищу. Ввиду низкой температуры забортной воды акванавт вынужден по возвращении в дом согреваться горячим душем. Поэтому расход пресной воды на одного человека может составить несколько десятков литров в день.
Громоздкие и многочисленные баллоны с компонентами газовой смеси обычно прикрепляют к корпусу дома снаружи или хранят в специальном лафете, на котором смонтировано жилое помещение. Наиболее удачным, по-видимому, следует признать способ хранения запасов пищи, который был использован в «Преконтиненте III»: в глубоком холоде, в специальном шкафу-холодильнике, смонтированном вместе с криогенной установкой. Пресная вода подавалась сверху по шлангам во все подводные дома, кроме дома «Преконтинент III». На его лафете был установлен мягкий резиновый бак объемом в несколько кубических метров. Однако вода, находившаяся в баке под большим давлением, приобретала сильный привкус резины и годилась только для бытовых целей. Для приготовления пищи и питья акванавты использовали воду, законсервированную в жестяных банках, а также соки и другие напитки.
Кроме места для размещения баллонов со сжатыми газами, запасов пресной воды и пищи, в доме должно быть предусмотрено складское помещение для хранения водолазного снаряжения, а также инструментов и материалов, необходимых при работе на дне.
Все изложенное далеко не исчерпывает требования к устройству подводного дома, однако позволяет получить некоторое представление о сложности задачи, стоящей перед его конструкторами.
