Юрий Берков
Мой подводный мир

Полная версия

1.2. Дыхательные аппараты

1.2.1. АКВАЛАНГ

Многие из Вас, вероятно, видели очень интересные научно-популярные кинофильмы «Голубой континент», «В мире безмолвия», «Мир без солнца» и художественный фильм «Человек-амфибия». Нельзя не восхищаться изумительными красками подводного мира, бесконечным разнообразием его обитателей и – особенно – той непринужденностью, с которой двигаются под водой люди. Проникнуть в этот таинственный мир, сделать его доступным для любого человека, умеющего плавать, помогли акваланги.

Акваланги относятся к легким водолазным аппаратам, позволяющим тренированному человеку опускаться на глубину 40 – 50 м, но рекордсмены по погружениям на большие глубины – французы Кусто и Дюма – опускались с ними на глубину около 100 м. Прогулки же на глубинах 10 – 20 м доступны каждому человеку, снабженному аквалангом.

Пловец с аквалангом имеет возможность своими глазами увидеть подводный мир и запечатлеть его на камеру, может охотиться на рыб и морских животных, стреляя гарпунами из специальных пневматических или пружинных ружей.

Акваланги получили самое широкое распространение среди дайверов. Кроме того, выпускается множество приспособлений, позволяющих человеку чувствовать себя на глубине как «рыба в воде»: Сухие и мокрые гидрокостюмы для пребывания в холодной воде, ласты для ног, увеличивающие скорость плавания, разнообразные шлемы и маски, герметичные фото и кинокамеры, глубиномеры, компасы и часы, различные ружья и пистолеты.

Число подводных охотников в тёплых южных морях уже настолько велико, что они начинают мешать судо-ходству. В связи с этим вдоль Средиземноморского побережья Франции пришлось выделить зоны, лишь в пределах которых разрешена охота с аквалангами.

Причину популярности акваланга нетрудно понять – она заключается в его простоте и доступности. Акваланг может приобрести каждый; он прост в изготовлении и поэтому сравнительно дешев. Обслуживание аквалангов также не сложно – оно заключается в заполнении баллонов сжатым воздухом, что можно сделать ручным или электрическим компрессором.

Однако прототип современного акваланга был создан не для научных исследований и не для спорта: недаром он появился в 1943 г., когда шла война и гибли сотни английских, американских, немецких и других кораблей и транспортных судов. Изобретатели акваланга – французские моряки Жак Ив Кусто и Фредерик Дюма – очень много работали, помогая поднимать затонувшие суда. Ими была создана специальная школа по подготовке военных водолазов-аквалангистов. Необходимость работы на все больших глубинах заставила изобретателей непрерывно совершенствовать акваланг.

После войны Кусто и его товарищам удалось снарядить экспедицию на судне Калипсо. Летом 1952 г. их экспедиции повезло. Обследуя дно в окрестностях Марселя, один из водолазов случайно обнаружил на дне какие-то горшки. Это были амфоры – сосуды, в которых древние греки хранили вино и масло. Оказалось, что водолазы нашли древнегреческое судно, пролежавшее на дне две тысячи лет. Его полностью засосало илом. Чтобы освободить находку из песчаного плена, пришлось размывать ил водой, для чего была установлена специальная насосная станция. Насосы под большим напором подавали воду в шланги, направляемые водолазами. В результате упорного труда ил был размыт, и множество амфор и других очень интересных находок было поднято на поверхность.

Известная по фильму «Голубой континент» итальянская экспедиция в Красном море поставила целью изучение хищных рыб, которыми это море особенно богато. В общей сложности водолазы провели под водой 10000 часов, погружаясь на глубины 40 – 50 м. Они изучали повадки рыб, исем мире по фильму «В мире безмолвия». Невольно вспоминаются слова одного из первых энтузиастов подводных путешествий Вильяма Биби: «Читатель, искренно советую тебе: если у тебя есть хоть малейшая возможность, добудь себе водолазное снаряжение, купи его, займи у кого-нибудь, ну хоть укради, если на то пошло, и опустись на дно океана, чтобы хоть раз в жизни собственными глазами увидеть эту картину»…

На рисунке 1 показано устройство акваланга, а его принципиальная схема на рис. 2. Необходимый запас воздуха под давлением 150 – 200 кг/см² накачивают в баллоны (например, емкостью 7 л каждый). Зарядка баллонов производится через специальный штуцер и невозвратный клапан. При открытии запорного клапана воздух из баллонов поступает в редукционный клапан, снижающий его давление до 7 атм. Давление за редукционным клапаном можно изменять, регулируя затяжку его пружины. Далее воздух поступает в дыхательный автомат (иногда его называют «лёгочный автомат»), который на любой глубине уравновешивает давление вдыхаемого воздуха с давлением воды. Дыхательный автомат как бы дублирует работу легких. При вдохе во внутренней полости автомата давление понижается, и наружные стенки «легких» прогибаются, нажимая на рычаги, открывающие клапан, и в легкие поступает новая порция воздуха; по достижении в них давления, равного внешнему, стенки мембраны выпрямляются и клапан закрывается.

Рис. 1. Общий вид аппарата ABM I

1 – стальные баллоны со сжатым до 150 атм воздухом; 2 -бугель крепления баллонов; 3 – ремнн; 4 – шланги; 5 – загубник; 6 – наголовник для удержания загубника; 7 – запорные вентили баллонов; 8 — дыхательный автомат с редуктором; 9 – манометр, показывающий давление в баллонах; 10 – гибкий шланг подачи воздуха на манометр.

При выдохе воздуха давление в автомате выше наружного и клапан впуска закрыт.

Из дыхательного (или лёгочного) автомата вдыхаемый воздух поступает в тройник – клапанную коробку. Выдыхаемый воздух через невозвратный клапан выдоха, выходит наружу. Третий патрубок тройника имеет трубку, с помощью которой, плавая у поверхности, можно дышать атмосферным воздухом, не расходуя воздуха из баллонов. Для перехода на атмосферный воздух имеется специальный переключатель.

Впрочем, имеются и другие конструкции аквалангов; объем и количество воздушных баллонов также могут быть разными. Существуют, например, акваланги с одним или тремя баллонами. Давление в баллонах тоже разное. Есть баллоны на 150 и 200 атм. В последнее время появились баллоны на 300 и 400 атм.

Рис. 2. Принципиальная схема аппарата АВМ-1м.

1 – вентиль; 2 и 12 – пружине; 3 — резиновый клапан выдоха; 4 и 6 – рычаг; 5 и 8 – мембрана; 7 – дыхательный автомат; 9 — винт; 10 — оси 11 – шток автомата; 13 – толкатель; 14 – клапан.

Маски также бывают различного типа: иногда герметизируют только область глаз (очки) причем на нос ставят зажим. Или герметизируют глаза и нос (полумаска), а вдох осуществляют через загубник. Имеются маски, полностью закрывающие лицо (полнолицевые с загубником или обтюратором для дыхания). Тогда к маске прикрепляется клапанная коробка. Но при всем разнообразии конструкций аквалангов сохраняется дыхательный автомат, или «подводные легкие», давшие название всему аппарату.

В самом деле, если бы не было дыхательного автомата, автоматически подающего воздух в легкие всегда в необходимом количестве и под нужным давлением, не было бы и аппарата, превращающего человека в амфибию. Вид современного акваланга представлен на рис. 3.

Рис. 3. Вид современного акваланга АВМ-12.

Казалось бы всё прекрасно! Живи и радуйся человек, способный плавать под водой как рыба. Но нет! Есть у акваланга и недостатки.

Главный недостаток – это открытая схема дыхания, при которой выдох водолаза производится в воду и сопровождается многочисленными пузырями. Это приводит к быстрому расходу воздуха, особенно на больших глубинах, когда воздух сжат, а лёгкие потребляют его в том же количестве, что и на поверхности. При минимальной физической нагрузке (в покое) объём лёгочной вентиляции водолаза обычно составляет 20 – 25 л/мин, а в случае повышения физической нагрузки (быстром плавании, например), объём лёгочной вентиляции возрастает, и может достигнуть 100 – 120 л/мин. Поэтому время пребывания водолаза под водой на малых глубинах при небольшой нагрузке обычно составляет 40 – 60 мин, а на глубинах 30 – 40 м – 20 мин и менее.

Кроме того, в акваланге кислород воздуха расходуется крайне не эффективно. Если во вдыхаемом из баллона воздухе содержится 21% кислорода, то в выдыхаемом он равен 18%. Т.е. расходуется всего 3% кислорода.

А ещё следует учесть, что воздух, заряжаемый в баллоны, должен быть абсолютно чистым, без примесей дыма и выхлопных газов. Потому, что последние на глубине, под давлением гораздо более токсичны, чем на поверхности. Поэтому иногда приходится ставить специальные фильтры для очистки воздуха, закачиваемого в баллоны.

Всё это заставило инженеров задуматься, а как повысить к. п. д. дыхательного аппарата? Как заставить его более экономно расходовать воздух и кислород? Как избежать закачки грязного воздуха? Для этого и были созданы дыхательные аппараты замкнутого и полузамкнутого циклов.

1.2.2. ДЫХАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА

За рубежом дыхательные аппараты замкнутого цикла называют ребризерами. Ребризер (от англ. Re – приставка, обозначающая повторение какого-либо действия, и англ. Breath – дыхание, вдох) – дыхательный аппарат, в котором углекислый газ, выделяющийся в процессе дыхания, поглощается химическим составом (химпоглотителем), затем смесь обогащается кислородом и подаётся на вдох. Русское название ребризера – изолирующий дыхательный аппарат (ИДА).

Первый такой аппарат был создан и применен британским изобретателем Генри Флюссом в середине XIX века при работе в затопленной шахте (значительно раньше акваланга). Кислородный ребризер замкнутого цикла имеет все основные детали, характерные для ребризера любого типа: дыхательный мешок, коробка с химпоглотителем (ХПИ), дыхательные шланги с клапанной коробкой, байпасный клапан (ручной) или дыхательный автомат, травящий клапан и баллон с редуктором высокого давления.

Принцип работы следующий: кислород из дыхательного мешка поступает через невозвратный клапан в легкие водолаза, оттуда, через другой невозвратный клапан кислород и образовавшийся при дыхании углекислый газ попадает в коробку с ХПИ, где углекислый газ связывается натриевой известью, а оставшийся кислород возвращается в дыхательный мешок. Кислород, заменяющий потребленный водолазом, подается в дыхательный мешок дыхательным автоматом, или байпасом, когда мешок сжимается при вдохе.

При погружении обжим дыхательного мешка компенсируется либо за счет срабатывания дыхательного автомата, либо с помощью ручного байпаса, управляемого самим водолазом. Надо заметить, что, несмотря на название «замкнутый», любой ребризер замкнутого цикла выпускает через травящий клапан пузырьки дыхательного газа во время всплытия. Чтобы избавиться от пузырей, на травящие клапаны устанавливают колпачки из мелкой сетки или поролона. Это простое устройство весьма эффективно и снижает диаметр пузырьков до 0,5 мм. Такие пузырьки полностью растворяются в воде уже через полметра и не демаскируют водолаза на поверхности.

Принципиальная схема аппарата замкнутого цикла приведена на рис. 4.

Рис. 4. Принципиальная схема дыхательного аппарата замкнутого цикла.

Впускной клапан на данной схеме и есть дыхательный автомат, который подаёт кислород в дыхательный мешок. Перепускной вентиль служит для прямого наполнения дыхательного мешка в обход редуктора, когда кислород заканчивается (типа байпаса).

Ограничения, присущие кислородным ребризерам замкнутого цикла, обусловлены в первую очередь тем, что в данных аппаратах применяется чистый кислород, парциальное давление которого и является ограничивающим фактором по глубине погружения. Так, в теплой воде при минимальной физической нагрузке. В военно-морском флоте НАТО такой предел составляет 12 метров, а в ВМФ России – 20 метров.

В России в 1973 г. был создан дыхательный аппарат ИДА-71, которым пользовались военные. Для выработки кислорода в нём использовалось вещество О₃. Это аналог пластин ВПВ, которые используются в регенеративных патронах для выработки кислорода на подводных лодках, только здесь оно засыпается в регенеративную коробку в виде гранул (за рубежом это вещество не выпускается). Кислородный баллон малой ёмкости – 1,3 л был необходим только для заполнения дыхательного мешка при погружении. Поскольку это кратковременный режим, а основной режим – плавание на постоянной глубине, то работало в основном вещество О₃, которого хватало на 5 – 6 часов плавания (в зависимости от температуры воды). Принципиальная схема дыхательного аппарата ИДА-71 приведена на рис. 5.

К ИДА-71 мог также подключаться дополнительный баллон, ёмкостью 1,3 л, с 40% азотно-кислородной смесью, который крепился на бедре водолаза. Он позволял водолазу работать на глубине до 40 м.

Принципиальная схема аппарата ИДА-71У.

Баллон подключался и отключался автоматически, когда глубина достигала 18 – 20 м. После чего водолаз делал трёхкратную промывку дыхательного мешка и лёгких.

Аппарат имеет две дыхательные коробки – одна с веществом ХПИ, другая с О₃. Однако в холодной воде (около 0 градусов) вещество ХПИ и О₃ работают плохо (их надо предварительно «раздышать»). Поэтому водолазы часто обе дыхательные коробки заполняли веществом О_3. Оно тоже хорошо поглощает углекислый газ и увеличивает время работы аппарата. Внешний вид ИДА-71У, с полумаской и клапанной коробкой приведён на рис. 6.

Рис. 6. Внешний вид дыхательного аппарата ИДА-71У.

Аппарат выпускался с магнитным (стальным) и немагнитным (дюралюминиевым) кислородным баллоном. Немагнитный вариант нужен был инженерным войскам при разминировании участка побережья для высадки десанта.

Дыхательный аппарат ИДА-71 до сих пор является лучшим в мире по продолжительности пла-вания. За рубежом в подобных аппаратах с замкнутым циклом не применяют вещество О₃ для выработки кислорода. Оно считается опасным, поскольку при попадании воды, образует щёлочь и может вызвать химический ожёг лёгких. Вместо него используют баллон с кислородом ёмкостью 5 л и дыхательный автомат для его автоматической подачи.

Автор книги перед погружением в снаряжении СЛВИ с дыхательным аппаратом ИДА-71п. (опытный образец №4).

Чтобы водолаз не испытывал затруднения дыхания (вызванное нехваткой объёма воздуха в дыхательном мешке, которая и включает дыхательный автомат) было решено осуществлять постоянную подачу кислорода через калиброванную дюзу со скоростью 1 – 1,5 литра в минуту. Этого хватает при малой физической нагрузке водолаза. Мешок при этом раздут и сопротивление дыханию минимальное. Травящий (предохранительный) клапан мешка постоянно выпускает мелкие пузырьки газа. При увеличении нагрузки периодически срабатывает дыхательный автомат, компенсируя нехватку кислорода. Такие дыхательные аппараты получили название полузамкнутые. На них мы остановимся ниже.

В последние годы в США стали выпускать дыхательные аппараты замкнутого цикла с электронным управлением составом дыхательной смеси. Внешний вид ИДА с электронным управлением представлен на рис. 7.

Рис. 7. Внешний вид ИДА с электронным управлением (США).

Впервые такой аппарат был изобретен Вальтером Старком и назывался Electrolung. Принцип функционирования состоит в том, что нейтральный газ (азот или гелий) подается ручным или автоматическим байпасным клапаном для компенсации обжима дыхательного мешка при погружении, а кислород подается с помощью электромагнитного клапана, управляемого микропроцессором. Микропроцессор опрашивает 3 кислородных датчика, сравнивает их показания и, усредняя два ближайших, выдает сигнал на соленоидный клапан. Показания третьего датчика, отличающиеся от двух других сильнее всего – игнорируются. Обычно соленоидный клапан срабатывает раз в 3—6 секунд в зависимости от потребления водолазом кислорода.

Погружение выглядит примерно так: водолаз вводит в микропроцессор два значения парциального давления кислорода, которые электроника будет поддерживать на разных этапах погружения. Обычно это 0,7 ата для выхода с поверхности на рабочую глубину и 1,3 ата для нахождения на глубине, прохождения декомпрессии и всплытия до 3-х метров. Переключение осуществляется тумблером на консоли ребризера. В процессе погружения водолаз обязан контролировать работу микропроцессора для выявления возможных проблем с электроникой и датчиками.

Конструктивно ребризеры замкнутого цикла с электронным управлением практически не имеют ограничений по глубине и реальная глубина, на которой возможно их использование, обусловлена в основном погрешностью кислородных датчиков и прочностью корпуса микропроцессора. Обычно предельная глубина составляет 150 – 200 метров. Других ограничений электронные ребризёры замкнутого цикла не имеют.

Основным недостатком этих ребризёров, существенно ограничивающим их распространение является высокая цена самого аппарата и расходных материалов. Важно помнить, что обычные компьютеры и декомпрессионные таблицы не подходят для погружений с электронными ребризерами, поскольку парциальное давление кислорода остается неизменным на протяжении практически всего погружения. С ребризерами такого типа должны использоваться либо специальные компьютеры (VR-3, VRX, Shearwater Predator, DiveRite NitekX, HS Explorer) или же погружение должно рассчитываться предварительно с помощью таких программ, как Z-Plan или V-Planer по минимально возможному парциальному давлению кислорода (при этом необходимо очень строго следить, чтобы значение парциального давления не снижалось ниже расчётного, иначе риск получить декомпрессионную болезнь многократно возрастает).

ДЫХАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ ПОЛУЗАМКНУТОГО ЦИКЛА

Аппараты с полузамкнутой схемой дыхания имеют более простое устройство, так как работают на готовых газовых смесях и не имеют сложных электронных устройств для регулирования их состава.

Принцип их работы заключается в том, что газовая смесь непрерывно подается в систему дыхания, а образующийся ее избыток периодически травящий клапан стравливает в воду.

Схема циркуляции газовой смеси в аппаратах этого типа аналогична замкнутой схеме дыхания. Здесь газовая смесь также поступает на вдох из дыхательного мешка по трубке вдоха через клапанную коробку, выдыхаемая же смесь снова через клапанную коробку по трубке выдоха направляется в регенеративную коробку, из которой после очистки от углекислого газа и влаги она снова возвращается в дыхательный мешок.

По запасам газовой смеси аппараты этого типа не могут использоваться для спусков с поверхности на глубины более 100 м. В случаях глубоководных спусков их применяют для выходов водолазов из водолазного колокола или подводного аппарата.

Дыхательный аппарат FGG III фирмы «Дрегер» (ФРГ) является автономным аппаратом с полузамкнутой схемой дыхания для спусков на глубины до 200 м. Особенностью аппарата является возможность присоединения шланга для подачи газовой смеси от внешнего источника, т. е. превращение его в шланговый. Масса аппарата составляет около 28 кг в заряженном состоянии.

В зависимости от глубины спуска предусматривается использование трех газовых смесей, которыми предварительно заряжаются газовые баллоны и которые в соответствующих дозах подаются в систему аппарата. Данные по составу смесей, дозах подачи и допустимого времени пребывания на глубине приведены в табл. 3.1. Приведенные в таблице величины подачи газовой смеси даны в пересчете на нормальное давление.

Схема аппарата (рис. 8) предусматривает постоянную непрерывную подачу газовой смеси в систему дыхания, для чего аппарат имеет три дюзы, нужная из которых включается перед спуском.

Газовая смесь, находящаяся в баллонах, подается в редуктор, который снижает ее давление до постоянной величины, и из него – к дозирующему блоку. В этом блоке смесь проходит через одну из открытых дюз в дыхательный мешок вдоха, в котором, как и в других аппаратах, благодаря его эластичности, поддерживается давление, равное давлению окружающей среды.

При недостатке поступления смеси в мешок, например, при погружении, ее добавляют водолазам ручным байпасом. Газовую смесь от внешнего источника подают также в мешок вдоха по присоединенному к нему шлангу.

Цикл циркуляции смеси при дыхании обусловливается наличием двух дыхательных мешков: при вдохе смесь поступает по трубке вдоха через клапанную коробку и загубник в легкие водолаза, а при выдохе – также через загубник и клапанную коробку по трубке выдоха в дыхательный мешок выдоха, из которого через коробку ХПИ, где она очищается от углекислого газа и влаги, попадает в мешок вдоха.

Рис. 8. Схема дыхательного аппарата FCU III.1 – трубка вдоха; 2 – клапанная коробка с загубником; 3 – трубка выдоха; 4 – мешок выдоха; 5 – травящий клапан; 6 – коробка поглотителя; 7 – контрольный манометр; в – баллоны; 9— клапан постоянной подачи; 10 – редуктор; 11 – невозвратный клапан: 12— шланг подачи газа: 13— мешок вдоха.

Избыток газовой смеси, который накапливается из-за ее непрерывной подачи в систему дыхания, вытравливается травящим клапаном в воду. Точно так же происходит вытравливание смеси при её расширении, что бывает при подъеме водолаза на меньшую глубину.

Устройство аппарата (рис. 9). Все части аппарата, за исключением клапанной коробки с дыхательными трубками и манометра, размещены в корпусе, который представляет собой жесткий пластмассовый (полистирол, усиленный фиброгласом) футляр.

Рис. 9. Автономный дыхательный аппарат FGG III: 1 – трубка вдоха: 2 – клапанная коробка с загубником; 3 – трубка выдоха; 4 – травящий клапан; 5 – мешок выдоха; б – коробка химпоглотителя; 7 и 12 – газовые баллоны: 8 и 10 – запорные вентили; 9 – клапанное устройство; 11 – манометр; 13 – плечевой ремень; 14 – мешок вдоха; I5 – крышка.

Дыхательный аппарат МК-6 фирмы «Дженерал электрик» (США) предназначен для спусков с поверхности на глубины до 75 м, при этом для прохождения декомпрессии к нему может присоединяться дополнительный кислородный баллон.

Схема дыхания в аппарате предусматривает постоянную подачу газовой смеси, состав которой устанавливается при зарядке в зависимости от глубины спуска, из баллонов через редуктор и дюзу, регулирующую количество газа, в систему дыхания (см. табл.). Последняя обычна для автономных аппаратов и включает два дыхательных мешка, коробку поглотителя и клапанную коробку с дыхательными трубками.

Избыток газовой смеси вытравливается в воду травящим клапаном, установленным на мешке выдоха. При недостатке газовой смеси, например, при увеличении глубины погружения, ее может добавлять водолаз, для чего в аппарате установлен ручной байпас, перепускающий газовую смесь в обход дозирующей дюзы.

Таблица.

Устройство аппарата (рис.10) отличается тем, что дыхательные мешки располагают на груди водолаза, а остальные части – на спине, смонтированными на раме. Основные части аппарата: газовые баллоны, блок дозировки, дыхательные мешки, коробка поглотителя и клапанная коробка с дыхательными трубками.

Газовые баллоны сделаны из алюминиевого сплава емкостью по 6 л с рабочим давлением 20,59 МПа (210 кгс/см²).