Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция 1. Краткая история освоения человеком гидросферы.
Способы проникновения человека в подводную среду.
Основная задача дисциплины – на базе изучения подводных техно-логий и технических средств (ТС), научно-технического анализа их исполь-зования, ознакомить студентов с основными технологиями и ТС, использу-емых для подводных погружений человека, спортивного и технодайвинга.
Задачи изучения дисциплины:
● овладение особенностями, требованиями к подводным технологиям и ТС для обеспечения подводных погружений и работ, общей информацией по созданию таких ТС;
● обретение знаний по основным методам использования подводных ТС, основных понятий и особенностей их применения и функционирования;
● овладение различными формами организации самостоятельной работы и методами научных исследований студентов, оформления работ с учетом требований стандартов.
Краткая история освоения человеком гидросферы.
Человек и гидросфера неразрывно связаны между собой. Эта связь определяется самыми условиями возникновения, развития и существования жизни на Земле. Первые высокоорганизованные формы жизни возникли в воде, а затем вышли на сушу. Без воды невозможно само существование человека. В гидросфере человек впервые испытывает те чувства, которые недоступны ему на твердой поверхности – чувство парения и освобождения от земного притяжения. Океан всегда магически привлекал к себе, являясь источником жизни - именно вблизи воды развивались наиболее древние и могущественные цивилизации. В настоящее время, когда ресурсы суши сильно истощены, освоение океанских глубин с целью разведки и добычи полезных ископаемых, использования громадных пищевых запасов океана имеет большое значение для будущего человечества.
Человек все время стремился узнать что там за горизонтом океана, еще на заре цивилизации совершал попытки проникнуть вглубь морей и океанов. Об этом свидетельствуют находки при раскопках украшений из перламутра (Месопотамия – 4500г. до н.э.), раковины для которых, несомненно, добыва-лись водолазами-ныряльщиками; находки печатей египетских фараонов (Абидос – 4000г. до н.э.) с изображением пловцов ныряльщиков; изображе-ния подводного мира, подводных пловцов, устройств и аппаратов для работы под водой на гравюрах, картинах, барельефах и других памятниках древнос-ти, которые дошли до нас.
Люди стремятся проникнуть в подводный мир с различными целями - научными, экономическими, военными. В последнее время стремительно развиваются любительские «рекреационные» погружения, проводимые во время отпусков для отдыха, бурно развивается подводный туризм, проводят-ся многочисленные соревнования по подводному спорту. Но прежде всего человек не оставляет попыток разгадать тайны гидросферы, следовательно, он проникает в морские глубины с исследовательскими целями.
О первых исследовательских погружениях свидетельствуют изображе-ния древнего мира, обнаруживаемые на археологических находках Древнего Египта. Римский историк Плиний Старший (23-79 гг. до н.э.) свидетель-ствует, что еще в Древней Греции более 2000 лет назад водолазы использова-лись для эксплуатации медных рудников под водой. Аристотель (384-322 гг. до н.э.), был, возможно, первым ученым-натуралистом в области биоло-гии моря, он открыл около 180 видов животных (рыб и беспозвоночных), обитающих в Эгейском море. Древние славяне в 4 веке погружались в водоемы, используя для дыхания тростниковые трубки. Попытки проникнуть в тайны глубин предпринимались и в средние века - в 17 веке немецкий математик, астроном и физик И. Штурм (1635-1703 гг.) погружался в море в построенном им в 1660 г. водолазном колоколе.
В 18 веке совершал погружения в водолазном колоколе английский астроном и геофизик Э. Галлей (1656–1742 гг.). Французский зоолог А. Мильн-Эдвардс (1800-1885 гг.) первым из ученых спустился в 1844г. в мягком скафандре для исследования морской фауны - наблюдения за жизнью моллюсков и крабов. Однако все эти исследования осуществлялись на глубинах, на превышающих 30м. О больших глубинах морей и океанов ученым до начала 20 века удавалось получить лишь малые отрывочные сведения.
Только с развитием водолазной техники, глубоководных аппаратов (гидростатов, батисфер, батискафов), фото- и киноаппаратов, подводного телевидения, созданием водолазных комплексов для длительного пребыва-ния человека под повышенным давлением, люди достигли значительных успехов в исследовании подводного мира. С помощью водолазных комплек-сов интенсивно исследуется континентальный шельф до глубин 200-300м и более. Экспериментальные исследования, проведенные в 80-х годах 20-го века в глубоководных гипербарических центрах США, Франции, Англии, Германии, Японии и СССР показали, что основными ограничениями макси-мальной глубины погружения человека являются дыхательный синдром высокой плотности дыхательной среды и нервный синдром высокого давления.
Согласно теоретическим расчетам, проведенным Ламбертсеном в США и Ильиным и Гуляром в СССР предельная глубина погружения человека с использованием гелио-, гелио-азотных, гелио-водородно- и неоно-кислородных смесей не может превышать 2500-3000м. В экспериментальных исследованиях, проведенных французской фирмой «КОМЕКС» в 1994 г. с использованием гелио-водородно-кислородных смесей, был установлен мировой рекорд по максимальной глубине погружения в открытом море - 704м и до сих не превышена. Однако в последние годы наблюдается резкое снижение интереса к глубоководным погружениям человека в связи с бурным развитием подводных телеуправляемых аппаратов (телероботов). Согласно современным представлениям существует только два пути проникновения человека в гидросферу: человек либо приспосабливается к непривычной для него среде, подвергаясь действию повышенного давления газов и воды, либо защищается от него с помощью жестких водонепрони-цаемых сооружений, при этом живет и работает при нормальном давлении, но в искусственно созданной среде обитания (рис. 1).
Рис. 1. Пути проникновения человека в гидросферу.
Первый путь: а – ныряние; б – погружение в водолазном колоколе; в – погружение в вентилируемом снаряжении; г – погружение в автономном снаряжении.
Второй путь: д – погружения в спускаемых автономных аппаратах (гидростаты, батистаты, батисферы, батипланы); е - погружения в самодви-жущихся автономных аппаратах (батискафы, подводные лодки)
При первом пути погружения под воду существует ряд способов.
Ныряние – первый наиболее древний способ проникновения человека под воду без снаряжения - время пребывания человека под водой ограничено возможностью произвольной задержки дыхания: у обычного здорового человека составляет 45-60с, а у опытных водолазов ныряльщиков 2-3 мин. Обычно при таком способе погружения достигается глубина 20-25м. Этот способ свободного погружения долгое время оставался основным в работе водолазов. Профессиональные ныряльщики и спортсмены-ныряльщики для облегчения ныряния используют камни или специальные грузы с ходовыми концами, а также дыхание чистым кислородом в течение 3-5мин перед погру-жением.
Выдающиеся ныряльщики достигали значительных глубин: известно, что в 1913г. греческий ловец губок Георгиос прикрепил трос к якорю итальянского военного корабля на глубине 61м. Японские ныряльщицы за жемчугом «Ама» ныряют на глубину 44м, используя только очки и маску. В 1968 г. американский военный водолаз Б.Крофт нырнул с задержкой дыхания на 75м. В 1976 г. французский водолаз Дж. Майоль нырнул на глубину 102м, задержав дыхание на 3 мин 39 с. В 2002 г. рекордсменка мира из Франции Одри Местре погибла у берегов Доминиканской Республики, пытаясь установить новый мировой рекорд в глубоководном нырянии. Она пыталась достигнуть глубины 171м в «свободном погружении» и побить не только «женский», но и «мужской» мировой рекорд, принадлежащий ее мужу кубинцу Франсиско Феррерасу и составляющий 162м. В соответствии с правилами этого вида соревнований, ныряльщица использовала для погру-жения лишь специальный груз, не имея при себе никаких кислородных приборов. Через 9 минут после того, как француженка начала погружение, ее тело было доставлено на поверхность водолазами.
В память о француженке Международная ассоциация свободного ныряния (IAFD) приняла решение признать в качестве мирового рекорда результат тренировочного погружения Местре - 170м, который не побит до настоящего времени.
Именно при исследованиях процессов, происходящих в организме при задержке дыхания, было проведено разделение водолазов на «ретейнеров» (у которых чувствительность к углекислому газу - СО2 снижена) и водолазов с нормальной чувствительностью к СО2. Поскольку регуляция дыхания (необходимость сделать вдох) определяется уровнем накопленного в организме СО2, то «ретейнеры» могут задерживать дыхание на длительное время. Однако при этом происходит снижение уровня кислорода в крови с достижением критического уровня, ниже которого происходит потеря сознания. Поэтому, несмотря на выносливость таких ныряльщиков (и водо-лазов), риск потери у них сознания и утопления высок и их использование при подводных работах необходимо контролировать.
Погружение с трубкой - способ погружения, применяемый с древних времен. Глубина погружения человека этим способом ограничивается силой мышц вдоха и составляет 1,36-1,50м на уровне грудной клетки.
Погружения в водолазном колоколе - существуют предания, что в примитивном водолазном колоколе погружался Александр Македонский со своим учителем Аристотелем. Однако достоверно известный первый спуск в водолазном колоколе был осуществлен в 1538г. в г. Толедо на реке Тахо (Испания). Колокол представлял собой перевернутый большой горшок, внутри которого настилались доски, и он снабжался свинцовыми грузилами. Существует мнение, что первый колокол был изобретен датчанином К. ван Дребелем в 1620г. Устройство было способно передвигаться в водах Темзы при помощи весел на глубине 4,5м. Затем колокол изготовлялся в виде перевернутых деревянных (металлических) бочек разной высоты и диаметра, с различным оборудованием.
При погружении в воду воздух под колоколом сжимается, и дыхание осуществляется при повышенном давлении, равном давлению столба воды на глубине погружения. Время работы в колоколе под водой ограничивалось запасом кислорода (в воздухе) и накоплением СО2 и составляло не более 30 мин. Для увеличения времени еще в 17 и 18 веках в колоколе свежий воздух добавлялся из бутылок (1660 г. – Штурм), подавался по шлангам из бочек (1717г. - Галлей).
По существу водолазным колоколом было автономное (не соединяя-ющееся с поверхностью) снаряжение, изобретенное в 1719г. Е. Никоновым: основная часть снаряжения представляла собой надеваемую на голову бочку, хотя изобретатель предусматривал подачу воздуха в снаряжение по кожаному рукаву.
В дальнейшем для увеличения времени работы под водой колокол (по идее итальянца Борелли - 1682г.) стали вентилировать нагнетанием воздуха под давлением по шлангу с поверхности (вначале мехами, затем насосами). В наши дни водолазный колокол - это сложнейшее инженерное снаряжение, которое может погружаться на несколько сот метров. Идея водолазного колокола явилась базой создания водолазных комплексов, обеспечивающих длительное погружение под водой.
Погружение в водолазном скафандре (с применением жесткого шлема и подачей воздуха с поверхности) – этот способ возник в связи с необходи-мостью обеспечить работающего под водой человека высокой мобильностью и хорошим воздухоснабжением. В 17-18 веках было предложено множество сложных приспособлений, изготовляемых из кожи. Реальный вклад в развитие конструкции водолазного скафандра в 1774 г. сделал французский ученый Фремини. Предложенная им система обеспечивала постоянную подачу воздуха к водолазу по шлангу при помощи насосов или воздухо-надувных мехов. В 1797 г. Клингерт внес дальнейшие усовершенствования в конструкцию скафандра.
Вентилируемый мягкий скафандр (прототип современных скафандров), изобрел в 1829 г. русский механик Гаузен. Его аппарат состоял из медного шлема, водолазной рубахи из непромокаемой ткани и вентилировался через гибкий шланг ручным насосом.
Недостаток, имевший место в скафандре Гаузена и связанный с тем, что скафандр был «открытым» за счет свободного выхода подаваемого воздуха через неплотности в области соединения шлема с рубахой, устранил в 1837г. англичанин Зибе.
Комплект им предложенный, состоял из помпы, шлема и герметичного костюма, имеющего выпускной клапан. Снаряжение Гаузена и Зибе совер-шенствовалось и превратилось в мягкие скафандры, позволяющие при использовании воздуха погружаться на глубины 60-100м, а при применении искусственных газовых смесей – до 300м и более. Недостатком способа является то, что водолаз связан с берегом или плавсредством шлангом, ограничивая свободу его передвижения и делая зависимым от обеспечения с поверхности.
Погружение в автономном снаряжении (с запасом воздуха, кислоро-да или искусственных газовых смесей) ликвидирует зависимость водолаза от внешнего обеспечения, делает его передвижение под водой свободным и создает возможность для выполнения работы на обширных участках акватории. Толчком к созданию этого снаряжения послужило создание в 1808 г. Ф. Дрибергом устройства для сжатия воздуха. В 1830 г. американец И. Кондерт продемонстрировал успешное погружение на 6м в герметичном костюме с резервуаром сжатого воздуха. В 1865 г. прототип автономного снаряжения создали Рукеройль и Денейруз во Франции. Они изобрели костюм, состоящий из шлема, обеспечивающей надводной системы и резер-вуара с воздухом, располагаемом на спине. Воздух из резервуара поступал к водолазу при помощи автоматического клапана. Благодаря такому клапану водолаз мог сделать при необходимости полный вдох, и это явилось главным достижением для совершенствования дыхательной аппаратуры. На русском флоте автономное снаряжение с резервуаром, содержащим запас сжатого воздуха, впервые предложил в 1873 г. мичман А. Хотинский.
Первый автономный кислородный дыхательный аппарат (ДА) с замкнутым циклом дыхания сконструировал в 1879г. англичанин Г. Флюс. В этом ДА в качестве поглотителя СО2 применялось едкое кали, которым пропитывалась пенька, заполняющая регенеративный патрон, а очищенный от СО2 выдыхаемый воздух из патрона поступал в дыхательный мешок. Такой ДА с замкнутым циклом дыхания доказал свою эффективность при устранении водолазами неисправности заслонок паводкового канала. В описываемых условиях при наличии множества предметов с острыми краями и извитых проходов обычные водолазные костюмы со шлангом и жестким шлемом были совершенно не пригодны.
В 1920г. французский морской офицер Ив Ле Приер выдвинул идею сочетать преимущества традиционного погружения в костюме со шлангом и жестким шлемом и свободное плавание без аппарата. В 1926г. им был запатентован подводный автономный ДА, состоящий из располагаемого на спине баллона со сжатым воздухом, шланга с загубником и манометра, выступающего над левым плечом водолаза. Дополнительно предусматри-вался носовой зажим с водонепроницаемыми очками, защищающими глаза и повышающими остроту зрения под водой. Но очки в то же время ограничи-вали глубину погружения из-за невозможности выравнивания в них давле-ния. Баллон первой конструкции, вмещающий 3л воздуха под давлением 14 бар, обеспечивал дыхание под водой в течение не более 15 минут.
В 1930 г. француз де Карли впервые после предложенным Борелли в 1680г. когтеобразных ласт предложил для водолазных работ использовать ласты, конструкция которых практически не изменилась до настоящего времени, и которые в сочетании с ДА Ле Приера сделали водолаза похожим на подводного пловца. Оснащенный автономным ДА водолаз мог теперь свободно передвигаться под водой в горизонтальном положении.
В 1933г. Ле Приер усовершенствовал конструкцию своего ДА, заменив защитные очки маской, закрывающей большую часть лица и позволяющей водолазу довольно легко уравновешивать в ней давление. Однако такой ДА имел существенный недостаток – воздух в нем расходовался неэкономично из-за непрерывного поступления из баллона. Появилась необходимость разработки специального клапана, который срабатывал бы в зависимости от цикла дыхания. Как уже упоминалось, такой автоматический клапан был уже разработан Рукеройлем и Денейрузом.
В 1943 г. французы Жак Ив Кусто и Эмиль Ганьян изобрели акваланг («водные легкие») – ДА с открытой (незамкнутой) схемой дыхания, в кото-рый встроен клапан, срабатывающий при вдохе и подающий воздух из 2-3 баллонов. В результате увеличивалось время нахождения водолаза под водой и исключались неоправданные потери воздуха. В современных автономных подводных ДА с открытым циклом дыхания клапан Кусто-Ганьяна остается основной деталью. Простота устройства и эксплуатации, предотвращение ряда профзаболеваний, обеспечение человеку возможности свободно плавать под водой, и не только передвигаться в вертикальном положении – это основные преимущества акваланга по сравнению с другими автономными ДА. Эти преимущества сделали акваланг широко распространенным ДА для различных подводных работ. С появлением его связано и развитие подвод-ного спорта. При использовании для дыхания в акваланге сжатого воздуха обычно погружаются на глубину до 40м, с применением искусственных газовых смесей до 300м и более.
Следующий шаг после создания клапана, регулирующего поток воздуха, был сделан в направлении разработки ДА, в котором выдыхаемый воздух не сбрасывается в воду, а подвергается регенерации. Возврат воздуха или другой дыхательной смеси, например, гелио-кислородной, заметно увеличивал бы продолжительность нахождения под водой. Поэтому необхо-димо было поставить поглотитель СО2.
В поисково-спасательной службе ВМФ СССР в 1951 г. создан изоли-рующий дыхательный аппарат (ИДА), один из современных типов которого и до настоящего времени входит в состав изолирующего снаряжения подвод-ника (ИСП). Создание эффективного ДА с закрытой системой дыхания и в настоящее время продолжает оставаться одной из главных задач исследо-вателей. В аппаратах с закрытым циклом дыхания можно использовать чистый кислород (при этом глубину ограничивают до 20м для предупреж-дения кислородной интоксикации) или, как в современных моделях, газовую смесь, состоящую из кислорода и газа - разбавителя (азота или гелия).
Глубоководные погружения – в настоящее время применяют 2 способа выполнения глубоководных подводных работ – кратковременных погруже-ний (КП) и длительного пребывания под давлением с полным насыщением тканей организма индифферентными газами - «насыщенных погружений».
Наибольшего развития способ КП получил в Российской империи, а затем в СССР. Выпускник Кронштадтской водолазной школы А. Кротов-ский в 1894г. первым в мире погрузился на глубину 70м; водолаз-глубоководник А. Разуваев в 1932г. – на 100м; в исследованиях, которые возглавлял академик Л. Орбели, водолазы работали на 100м (1936г.), 156м (1939г.) и 200м (1946г.), а в работах под руководством Н. Кривошеенко они погружались на глубины 250м (1952г.) и 305м (1955г.).
В послевоенные годы (1945-50 гг.) в США, Англии и Франции также начались интенсивные работы по разработке методов глубоководного погружения. Из них необходимо отметить разработки Келлера, которые с использованием искусственных газовых смесей осуществил погружение на глубину 300м. При использовании способа КП эффективность водолазного труда на больших глубинах невелика, поскольку за пребывание «на грунте» в течение небольшого времени человек во избежание декомпрессионной болезни расплачивается длительной декомпрессией.
Совместные достижения в области развития техники и медицины сделали возможным обеспечение так называемого «насыщенного» метода погружения водолазов. Физиологической основой такого подводного погружения являются идея Дж. Бонда (1958 г.) об использовании «эффекта насыщения», а также полученные в экспериментах и просчитанные теорети-чески данные о том, что после определенного времени (на практике - 24 часа) пребывания человека под повышенным давлением газовой среды, ткани его организма полностью поглощают все индифферентные газы (газы, не участ-вующие в метаболизме тканей, например, азот, гелий, водород), которые они могут абсорбировать. Дальнейшее пребывание человека под давлением не увеличивает насыщения тканей его организма вдыхаемым индифферентными газами, а, следовательно, не удлиняет периода декомпрессии. Поэтому, погрузившись на глубину, можно жить и работать в водолазном комплексе под давлением недели и месяцы, адаптируясь к условиям жизни под давле-нием, а декомпрессию проводить только 1 раз после окончания заданной работы или при смене экипажа водолазного комплекса. Такой подход должен значительно повысить эффективность водолазной работы и способствовать снижению риска для здоровья водолазов, связанного с декомпрессией.
Начиная с середины 50-х годов и до 1962г. тщательно разрабатывались принципы и техника длительного глубоководного погружения. Вначале эксперименты проводились на животных, а затем на добровольцах, которые долгое время находились в гипербарических камерах, выполняя специальные задания в рамках физиологических исследований. Существуют 2 вида водолазных комплексов, обеспечивающих длительное пребывание и работу человека на глубине. В первом из них водолазы (акванавты) живут в подводном водолазном комплексе (ПВК), представляющем собой барокамеру (кессон), заполненный газовой смесью под давлением, равным забортному давлению воды. В этом случае вода через открытый снизу люк, который используется для выхода акванавтов в воду для работы, в ПВК не попадает.
Первое насыщенное погружение в открытом море провела группа Линка. Водолаз в специальной камере провел на глубине 61м 24часа. Одними из первых ПВК на глубине 10м были сооружены по программе «Преконтинент», выполненный во Франции под руководством Ж. Кусто. По программе «Преконтинент-I» в 1962г. 2 акванавта прожили неделю на глубине 10м; по программе «Преконтинент-II» в 1963г. 5 акванавтов прожи-ли месяц на глубине 10м и 2 акванавта – неделю на глубине 27,5м; по программе «Преконтинент-III» в 1965г. 6 акванавтов прожили 22 дня на глубине 100м, спускаясь на 2-3 часа в день для работы на глубине 120м.
В США по программе «Генезис» под руководством Дж. Бонда, были созданы подводные лаборатории «Силаб». В 1964г. 4 акванавта прожили 11 дней на глубине 58м («Силаб-I»); в 1965г. («Силаб-II») 2 акванавта прожили 30 суток, а 10 акванавтов – по 15 суток на глубине 61м. Водолазные комплексы такого вида применялись во Франции, США и других странах. В СССР этой проблемой занимались многие научно-исследовательские органи-зации, используя ПВК «Садко» (1966, 1967 гг.), «Черномор» (1968, 1969, 1971 гг.) и др.
Другой вид водолазных комплексов для длительной работы человека под водой, отличается от первого тем, что водолазы во время отдыха находятся не под водой, а на палубе специализированного судна в корабель-ном глубоководном водолазном комплексе (ГВК), в котором давление газовых смесей соответствуют давлению на рабочей глубине. Спуск водолазов на место работы и подъем их на поверхность осуществляется в водолазном колоколе, где также поддерживается рабочее давление. Впервые такой вид ГВК начал применять в 1965г. Э. Линк (США) для повышения производительности труда водолазов, обеспечивающих нефтяные буровые скважины на дне океана, причем водолазы жили под давлением, соответству-ющим глубине погружения 200м. Такой же ГВК с 1968г. использовался фирмой «КОМЭКС» (Франция), акванавты которой в 1977г. выходили из колокола в воду на глубину 520м.
В СССР первые корабельные ГВК появились в 1981г. для обслужи-вания разведочного бурения на шельфе Баренцева моря на глубинах до 305м. В 1986 г. на ГВК Института океанологии АН СССР по программе «Неон» проведены экспериментальные погружения в неоно-кислородной газовой среде под давлением, эквивалентным погружению на 450м, что соответство-вало в перерасчете на плотность дыхательной среды погружению в гелио-кислородной смеси на глубину 2700м. Эти эксперименты и до настоящего времени не превзойдены.
В них удалось доказать, что за счет развития ряда приспособительных механизмов возможности человеческого организма намного выше, предска-занных теоретически. Как упоминалось ранее, в 1994г. в рамках экспери-мента «ГИДРА» французская фирма «КОМЭКС», используя сложную техно-логию «насыщенных погружений» с последовательным применением гелио- и гелио-водородно-кислородных смесей, провели реальные работы в море на глубине 704м. Эта глубина остается рекордной.
Итак, погружаясь под воду первым путем (приспосабливаясь к давле-нию), человек от кратковременного (1-3 мин) ныряния на мелководье пришел к длительному (недели и месяцы) пребыванию в водной среде на глубинах до 300м и выше.
Контрольные вопросы:
12. Какова максимальная глубина длительных «насыщенных» глубоковод-ных погружений с последовательным применением гелио- и гелио-водород-но-кислородных смесей?