Кріоланг | Журнал Популярна Механіка

1. Трішки історії
2. Закритий і відкритий цикл
3. Плюси і мінуси
4. Десять років успіху
5. Економічна сторона питання
6. Сумна доля кріоланга

Про історію радянських дихальних апаратів на рідкому повітрі - кріолангов - відомо зовсім небагато. Фактично єдине джерело достовірної інформації по цій темі - це стаття в журналі «Спортсмен-підводник» за 1977 рік, де описується АК-3, розроблений в Харківському фізико-технічному інституті низьких температур (ХФТІНТ). Зате про кріолангах ходить безліч чуток.

Кажуть, що вони були складними, громіздкими, важкими і ненадійними. Ще кажуть, що, оскільки газ в них зберігався в рідкому вигляді, вдихаємо повітря був дуже холодним і у апаратів часто обмерзали редуктори. Ще стверджують, що вони були економічно невигідними. І все це не відповідає дійсності.

Життя Анатолія Вітюка, що надійшов в 1969 році в Одеський технологічний інститут холодильної промисловості (ОТІХП), змінила замітка в іноземній науковому журналі. У ній згадувався перспективний підхід до конструювання дихального апарату, в якому повітря зберігався не в товстостінних балонах високого тиску, а в легких і компактних судинах Дьюара. Це дозволяло збільшити час автономної роботи в три рази і значно знизити масу і габарити апаратів. «Я захоплювався підводним плаванням з аквалангом, закінчив курси ДОСААФ, - згадує Анатолій. - Доводилося постійно тягати важкі балони, і я тоді подумав - чому б не розробити такий апарат? Як відомо, лінь - двигун прогресу. Це і визначило тему моїх диплома і дисертації, а також подальших робіт ».

Трішки історії

Перші спроби створення кріогенних дихальних апаратів відносяться до початку XX століття. Тоді в Німеччині (1905) і в Росії (1911) були запропоновані подібні апарати для гірничорятувальних робіт в шахтах (низька температура рідкого кисню до того ж дозволяла знизити температуру вдихуваного газу, що зменшувало ймовірність перегріву). Кріогенні апарати для підводних занурень почали розроблятися в кінці 1960-х. Американські і французькі інженери планували застосовувати кріолангі при обслуговуванні морських бурових платформ. В СРСР перші апарати були розроблені і виготовлені в ХФТІНТ. На замовлення військових там створювали криогенні апарати з замкненим циклом дихання з використанням рідкого кисню та азоту і газоподібного гелію, причому склад суміші регулювався в залежності від глибини без всякої електроніки - на основі залежності температури кипіння газу від тиску. У Харкові були сконструйовані і більш прості у використанні цивільні апарати з відкритою схемою дихання - кріолангі АК-3 і АК-5, дослідна партія останніх була передана в середині 1970-х в Аварійно-рятувальну службу Києва для випробувань.

У 1974 році Анатолій Вітюк, на той час уже закінчив інститут, запропонував організувати на базі кафедри кріогенної техніки, яку очолював професор В'ячеслав Андрійович НАЕР, нову лабораторію кріогенних систем життєзабезпечення. Завкафедрою підтримав починання, і в новій лабораторії почалася робота. «За шість років я і мої колеги Олександр балету, Олександр Сисоєв і Микола Тєшин розробили кілька моделей газотеплозащітних систем для роботи при високих температурах для пожежних і рятувальників, - згадує Анатолій. - Але нашій найулюбленішою темою залишалися перспективні водолазні системи ».

Криогенний водолазний комплекс (КВК) А) Водолазна бортова кріогенна станція (БКС-2). 1 - вакуумний блок (БК), 2 - пульт контролю і управління (ПКУ, на знімку вгорі), 3 - водолазний шланг, 4 - плавзасіб. Б) легководолазному станція «МАКС-1». 1 - БК, 2 - баластних ємність, 3 - водолазний шланг, 4 - підстава. В) буксирувана апарат «ЮГ-7м». 1 - БК, 2 - апарат. Г) Система заправки. 1 - БК, 2 - АКДА-2, 3 - судини Дьюара.

Закритий і відкритий цикл

У лабораторії був розроблений автономний кріогенний дихальний апарат замкнутого циклу дихання АКДА-1, який забезпечував дихання людини в загазованому середовищі або при зануреннях на невеликі глибини. Придумати більш просту конструкцію було просто неможливо. Апарат мав два регенератора, пористу насадку, просочену рідким киснем, дихальний мішок і загубник. При видиху газ надходив у накопичення вологи, а потім в регенератор, де охолоджувався за рахунок випаровування рідкого кисню. Вуглекислий газ у видихуваному повітрі вимерзав, ніяких хімічних поглиначів не було потрібно. Пройшовши через другий регенератор, газ нагрівався і потрапляв в дихальний мішок. При вдиху він знову проходив через регенератори, а потім, очищений від вуглекислоти і зволожений у накопичення вологи, надходив до загубнику. Апарат вагою 3 кг забезпечував дихання протягом 30 хвилин. Для роботи під водою до дихального мішку під'єднувався через редуктор балон з азотом, що забезпечувало необхідне зниження концентрації кисню в суміші.

Як влаштований кріоланг АКДА-2 Апарат складається з двохстінних балона 1, виконаного у вигляді посудини Дьюара з екранно-вакуумної ізоляцією 2 і заправної горловини 3. Усередині балона, у верхній і нижній частині, встановлені криогенні роздільники фаз 4 з насадками з пористого нікелю (діаметр пір 6-10 мкм), які забезпечують відбір рідкого повітря при будь-якому положенні апарату під водою. Для випаровування і підігріву рідкого повітря в апараті передбачені теплообмінники 5,6,7 і 8. Для регулювання робочого тиску і подачі повітря для дихання встановлені автоматичний клапан 9, вентиль резерву 10, запобіжний клапан 11 і легеневий автомат 12. Після заправки методом переливу горловина закривається пробкою, що загвинчується; за рахунок невеликих теплопритоков з навколишнього середовища тиск всередині балона піднімається. При включенні клапана легеневого автомата 12 рідкий повітря надходить з роздільників фаз 4 послідовно в теплообмінники 8,5 і 6, де відбувається його випаровування і підігрів. Тепло в теплообміннику 5 передається рідкому повітрю, що викликає зростання тиску в балоні. Підігрітий в теплообміннику 6 повітря через автоматичний клапан 9 надходить в легеневий автомат. При досягненні в балоні 1 робочого тиску клапан 9 перекриває подачу повітря через теплообмінники 5 і 6, і подальша подача повітря до легеневого автомату відбувається тільки через теплообмінник 8. Апарат готовий до роботи. Після витрачання рідкого повітря в апараті залишається резервний (близько 0,5 кг), так як роздільники фаз встановлені не у самих днищ. Пористі насадки перестають смачиваться рідиною, виникає опір диханню: газова фаза через малого розміру пор погано проходить через насадки. В цьому випадку водолаз встановлює вентиль 10 в положення «Резерв», і повітря починає надходити з балона безпосередньо через теплообмінник 7. Рівень рідкого повітря контролюється магнітним поплавком і набором герконів.

А ось при конструюванні апарату відкритого циклу дихання АКДА-2 конструктори зіткнулися з проблемою. Справа в тому, що рідкий повітря являє собою суміш рідких азоту (79%) і кисню (21%), температури кипіння яких відрізняються. Азот кипить при більш низькій температурі, тому в газовій фазі вміст кисню становить всього близько 7%, і використовувати її для дихання не можна. Потрібно забирати з посудини рідке повітря, випаровувати його (газифікувати) за допомогою теплообмінників і подавати для дихання до легеневого автомату, причому при будь-якому положенні судини Дьюара. «У харківських апаратах для цього використовувалися коливаються на сильфонні парканні патрубки і рухливий гравітаційний клапан, - каже Анатолій. - Патрубки під час руху постукували по стінках посудини зсередини, що нервувало водолазів, тому ми використовували інше рішення. Я 'підглянув' його у конструкторів космічної техніки, які для підведення палива з баків до двигунам в умовах невагомості використовують капілярний ефект, встановлюючи на топлівозаборнік спеціальні 'губки'. Експерименти з водою і повстю показали працездатність концепції, а для роботи з рідким повітрям в результаті було обрано пористий нікель з розмірами пор 6-10 мкм ». Насадки з пористого нікелю працювали як роздільники фаз - вони за рахунок смачиваемости відбирали рідке повітря, а газову фазу не пропускали. Дві такі насадки у верхній і нижній частинах балона забезпечували подачу повітря при будь-якому положенні водолаза. Така система дозволила значно спростити апарат, залишивши тільки два клапана і прибравши редуктор (в АК-5 використовувалися редуктор і вісім клапанів), що позитивно позначилося на його надійності.

Легководолазному станція За допомогою станції «МАКС-1» здійснювалися підйом і спуск водолазів, робочого інструменту, харчування повітрям і продування невеликих понтонів і баластних ємностей. Відсутність шлангів, що зв'язують водолазів з плавзасобами, і габаритних дихальних апаратів за спиною водолаза робило можливим проведення підводних робіт у важкодоступних місцях. Конструкція станції: 1 - блок зберігання, 1 - компенсатор плавучості, 3 - теплоізольовані ємності, 4 - верхній ковпак з приладами і рукоятками управління, 5 - нижній ковпак з теплообмінної апаратурою, 6 - шланги для подачі дихальної суміші та гарячої води.

Плюси і мінуси

Першими оцінили нові апарати водолази Михайло Боргуль і Володимир Бернатович. За відгуками випробувачів, кріолангі не тільки не поступалися звичайним аквалангом по простоті і зручності експлуатації, а й перевершували їх по багатьом параметрам. Апарат заправлявся рідким повітрям простим переливом з судин Дьюара, при цьому можна було легко і швидко забезпечити будь-яку концентрацію кисню. Анатолій Вітюк згадує: «Ми просто ставили посудину Дьюара на ваги і по вазі змішували необхідні кількості рідких газів. Займало це лічені хвилини, але для непосвячених виглядало як алхімічні експерименти - з киплячим повітрям і клубами пара ». Ще однією важливою перевагою кріолангов було те, що в рідкому повітрі гарантовано були відсутні вуглекислота і чадний газ. При заправці звичайних аквалангів для очищення повітря від цих газів використовуються спеціальні фільтри, оскільки під тиском вони можуть бути смертельними для людини: відомий випадок, коли Жак-Ів Кусто і його напарник Фредерік Дюма ледь не загинули під час занурення в серпні 1946 року, через за того що в балони потрапив чадний газ від вихлопу двигуна компресора.

Апарат був дуже компактним і легким: скажімо, двухбаллонний акваланг має обсяг 14 л і важить більше 25 кг, а кріоланг з таким же запасом повітря - 3 л і 4 кг. Зрозуміло, при зануреннях з аквалангом вага на повітрі не грає особливої ​​ролі, тому що все одно доводиться брати безліч вантажів для компенсації плавучості гідрокостюма. З цієї точки зору невелику вагу кріоланга - скоріше мінус (потрібно брати більше вантажів), а ось компактність дуже корисна при зануреннях в тісному просторі (наприклад, на затонулі об'єкти).

Всупереч широко поширеній помилці, температура подаваного з кріоланга для дихання повітря була не нижче, а вище, ніж у акваланга. «Справа в тому, що в аквалангах відбувається адіабатичне розширення газу, що приводить до його охолодження, - пояснює Анатолій. - Повітря просто не встигає нагрітися до температури навколишнього середовища, що не тільки неприємно, але може приводити навіть до обмерзання конструкції. Лише в деяких моделях 'морозостійких' редукторів і легеневих автоматів передбачені теплообмінники, але все одно температура повітря, що подається на 5-7 ° нижче температури навколишнього середовища. У нашого кріоланга редуктора не було, а розвинені теплообмінники були обов'язковою частиною конструкції, тому температура повітря, що подається відрізнялася від температури води всього на 2-3 °. Ми експлуатували апарати багато років в самих різних умовах, і я не пам'ятаю жодного випадку обмерзання ».

Системи стабілізації робочого тиску Однією з ключових технологій кріогенних дихальних систем була система стабілізації робочого тиску. Для вертикально-орієнтованих бортових блоків добре зарекомендували себе випарні системи замкнутого типу (1), особливо з теплоізолюючих плаваючою перегородкою (2). Вона швидко встановлювала і регулювала робочий тиск за рахунок неравновесного температурного стану парової та рідинної фаз. В цьому випадку рідкий повітря не розігрівається і не скидається в навколишнє середовище. Такі системи застосовувалися в легководолазної станції «МАКС-1» і буксируемом підводному апараті «ЮГ-7м». У газобалонної системі стабілізації (3) регулювання робочого тиску здійснювалося за рахунок подачі інертного газу в парову фазу з балона через редуктор. Така система дозволяла дуже швидко регулювати робочий тиск з високою точністю, але мала високу вартість.

Втім, був у кріоланга і один мінус. Через слабку теплоізоляції балона приблизно за добу все повітря розсіювався, і заправляти його слід було безпосередньо перед зануренням. Але з урахуванням того, що заправка займала всього пару хвилин, це не становило особливої ​​проблеми.

Десять років успіху

У 1980 році група розробників кріоланга перейшла в Південний центр АН УРСР, де було організовано лабораторію підводних досліджень. Там група з чотирьох інженерів і п'яти водолазів створила водолазний кріогенний комплекс, який в подальшому став надзвичайно успішним. «Протягом десяти років все наукові експедиції Південного центру по підводним біологічним, хімічним і геологічними дослідженнями, картографування морського дна і пошуку затонулих об'єктів забезпечувалися тільки нашими системами», - згадує Анатолій.

Економічна сторона питання

Цікаво, що навіть з чисто економічної точки зору кріоланг істотно вигідніше, ніж звичайний акваланг на стислому повітрі. Для легких судин Дьюара витрати на транспортування менше, а заходи безпеки простіше, ніж для важких балонів високого тиску. У 1980-х кілограм рідкого повітря обходився в 10-20 разів дешевше, ніж кілограм стисненого до 200 атм. (4-8 копійок проти 60-80 копійок). В даний час ціна на кілограм рідкого кисню менше ціни на стиснений газоподібний кисень в 5 разів, а для азоту це співвідношення і того вище - майже в 10 разів.
Продуктивність зріджувач вище продуктивності компресорів (при подібних габаритах) в кілька разів, а запаси рідкого повітря можна готувати заздалегідь і зберігати в спеціальних термоізольованих цистернах (для стисненого повітря це набагато небезпечніше), і доставляти на місце проведення занурень в легких судинах Дьюара при атмосферному тиску. Правда, вартість зріджувач набагато перевищує номінальну вартість компресорів, але з часом ця різниця може окупитися.

Основним елементом комплексу був вакуумний блок (БК) - циліндричний посудину з великим запасом (22-24 кг) рідкої дихальної суміші. БК мав екранно-вакуумну ізоляцію, в нижній частині розташовувалася теплообмінна апаратура для газифікації і підігріву робочої суміші, у верхній - вентилі управління, заправна горловина і система стабілізації робочого тиску. Заправка БК зі стандартних судин Дьюара займала близько 5 хвилин, пуск (збільшення тиску до робочого) - близько 3 хвилин. БК мав швидкороз'ємне з'єднання для підключення легеневих автоматів і був універсальний - міг використовуватися як система подачі дихальної суміші з борта, з берега, зберігання рідких сумішей або заправки легких автономних апаратів АКДА-2. БК також міг встановлюватися в якості джерела дихальної суміші на невеликому буксируемом підводному апараті мокрого типу «ЮГ-7м», який розробили в лабораторії для досліджень морського дна, пошуку і огляду затонулих об'єктів. Останнім елементом комплексу була легководолазному станція «МАКС-1», оснащена телефонним зв'язком.

Сумна доля кріоланга

За десять років конструкція була відпрацьована майже до досконалості. При розвитку відповідної інфраструктури цей апарат цілком міг би стати серйозним конкурентом акваланга. «У кріоланга є, зрозуміло, своя специфіка, - вважає Анатолій Вітюк. - Але в цілому його використання нітрохи не складніше, ніж звичайного акваланга. Я впевнений, що він мав усі шанси на успіх ». Але доля перспективного технічного рішення склалася інакше. У 1990 році почалася перебудова, у лабораторії підводних досліджень, яка всі ці роки існувала на самофінансуванні, просто не залишилося замовників, і її розформували.

Може бути, конструктори в майбутньому знову «винайдуть» кріоланг, як це сталося з ребрізерамі?

Стаття опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №7, Грудень 2009 ).