ВЗГЛЯД В ПРОШЛОЕ. Жидкая вода, жидкий воздух: криоланг
Об истории советских дыхательных аппаратов на жидком воздухе — криолангов — известно совсем немного. Фактически, единственный источник достоверной информации по этой теме — это статья в журнале «Спортсмен-подводник» за 1977 год, где описывается АК-3, разработанный в Харьковском физико-техническом институте низких температур (ХФТИНТ). Зато о криолангах ходит множество слухов.
Говорят, что они были сложными, громоздкими, тяжелыми и ненадежными. Еще говорят, что поскольку газ в них хранился в жидком виде, вдыхаемый воздух был очень холодным и у аппаратов часто обмерзали редукторы. Еще утверждают, что они были экономически невыгодными. И все это не соответствует действительности.
Жизнь Анатолия Витюка, поступившего в 1969 году в Одесский технологический институт холодильной промышленности (ОТИХП), изменила заметка в иностранном научном журнале. В ней упоминался перспективный подход к конструированию дыхательного аппарата, в котором воздух хранился не в толстостенных баллонах высокого давления, а в легких и компактных сосудах Дьюара. Это позволяло увеличить время автономной работы в три раза и значительно снизить массу и габариты аппаратов.
«Я увлекался подводным плаванием с аквалангом, закончил курсы ДОСААФ, — вспоминает Анатолий. — Приходилось постоянно таскать тяжелые баллоны, и я тогда подумал — почему бы не разработать такой аппарат? Как известно, лень — двигатель прогресса. Это и предопределило тему моих диплома и диссертации, а также дальнейших работ».
Немного истории
Первые попытки создания криогенных дыхательных аппаратов относятся к началу XX века. Тогда в Германии (1905) и в России (1911) были предложены подобные аппараты для горноспасательных работ в шахтах (низкая температура жидкого кислорода к тому же позволяла снизить температуру вдыхаемого газа, что уменьшало вероятность перегрева). Криогенные аппараты для подводных погружений начали разрабатываться в конце 1960-х. Американские и французские инженеры планировали применять криоланги при обслуживании морских буровых платформ. В СССР первые аппараты были разработаны и изготовлены в ХФТИНТ. По заказу военных там создавали криогенные аппараты с замкнутым циклом дыхания с использованием жидкого кислорода и азота и газообразного гелия, причем состав смеси регулировался в зависимости от глубины без всякой электроники — на основе зависимости температуры кипения газа от давления. В Харькове были сконструированы и более простые в использовании гражданские аппараты с открытой схемой дыхания — криоланги АК-3 и АК-5, опытная партия последних была передана в середине 1970-х в Аварийно-спасательную службу Киева для испытаний.
В 1974 году Анатолий Витюк, к тому времени уже закончивший институт, предложил организовать на базе кафедры криогенной техники, которую возглавлял профессор Вячеслав Андреевич Наер, новую лабораторию криогенных систем жизнеобеспечения. Завкафедрой поддержал начинание, и в новой лаборатории началась работа.
«За шесть лет я и мои коллеги Александр Балетов, Александр Сысоев и Николай Тешин разработали несколько моделей газотеплозащитных систем для работы при высоких температурах для пожарных и спасателей, — вспоминает Анатолий. — Но нашей самой любимой темой оставались перспективные водолазные системы».
Криогенный водолазный комплекс (КВК)
А) Водолазная бортовая криогенная станция (БКС-2). 1 — криогенный блок (БК), 2 — пульт контроля и управления (ПКУ, на снимке вверху), 3 — водолазный шланг, 4 — плавсредство. Б) Легководолазная станция «МАКС-1». 1 — БК, 2 — балластная емкость, 3 — водолазный шланг, 4 — основание. В) Буксируемый аппарат «ЮГ-7м». 1 — БК, 2 — аппарат. Г) Система заправки. 1 — БК, 2 — АКДА-2, 3 — сосуды Дьюара.
Закрытый и открытый цикл
В лаборатории был разработан автономный криогенный дыхательный аппарат замкнутого цикла дыхания АКДА-1, который обеспечивал дыхание человека в загазованной среде или при погружениях на небольшие глубины. Придумать более простую конструкцию было просто невозможно. Аппарат имел два регенератора, пористую насадку, пропитанную жидким кислородом, дыхательный мешок и загубник. При выдохе газ поступал во влагонакопитель, а затем в регенератор, где охлаждался за счет испарения жидкого кислорода. Углекислый газ в выдыхаемом воздухе вымерзал, никаких химических поглотителей не требовалось. Пройдя через второй регенератор, газ нагревался и попадал в дыхательный мешок. При вдохе он вновь проходил через регенераторы, а затем, очищенный от углекислоты и увлажненный во влагонакопителе, поступал к загубнику.
Аппарат весом 3 кг обеспечивал дыхание в течение 30 минут. Для работы под водой к дыхательному мешку подсоединялся через редуктор баллон с азотом, что обеспечивало необходимое снижение концентрации кислорода в смеси.
Как устроен криоланг АКДА-2
Аппарат состоит из двухстенного баллона 1, выполненного в виде сосуда Дьюара с экранно-вакуумной изоляцией 2 и заправочной горловины 3. Внутри баллона, в верхней и нижней части, установлены криогенные разделители фаз 4 с насадками из пористого никеля (диаметр пор 6−10 мкм), которые обеспечивают отбор жидкого воздуха при любом положении аппарата под водой. Для испарения и подогрева жидкого воздуха в аппарате предусмотрены теплообменники 5,6,7 и 8. Для регулирования рабочего давления и подачи воздуха для дыхания установлены автоматический клапан 9, вентиль резерва 10, предохранительный клапан 11 и легочный автомат 12. После заправки методом перелива горловина закрывается завинчивающейся пробкой; за счет небольших теплопритоков из окружающей среды давление внутри баллона поднимается. При включении клапана легочного автомата 12 жидкий воздух поступает из разделителей фаз 4 последовательно в теплообменники 8,5 и 6, где происходит его испарение и подогрев. Тепло в теплообменнике 5 передается жидкому воздуху, что вызывает рост давления в баллоне. Подогретый в теплообменнике 6 воздух через автоматический клапан 9 поступает в легочный автомат. При достижении в баллоне 1 рабочего давления клапан 9 перекрывает подачу воздуха через теплообменники 5 и 6, и дальнейшая подача воздуха к легочному автомату происходит только через теплообменник 8. Аппарат готов к работе. После расходования жидкого воздуха в аппарате остается резервный (около 0,5 кг), так как разделители фаз установлены не у самых днищ. Пористые насадки перестают смачиваться жидкостью, возникает сопротивление дыханию: газовая фаза из-за малого размера пор плохо проходит через насадки. В этом случае водолаз устанавливает вентиль 10 в положение «Резерв», и воздух начинает поступать из баллона напрямую через теплообменник 7. Уровень жидкого воздуха контролируется магнитным поплавком и набором герконов.
А вот при конструировании аппарата открытого цикла дыхания АКДА-2 конструкторы столкнулись с проблемой. Дело в том, что жидкий воздух представляет собой смесь жидких азота (79%) и кислорода (21%), температуры кипения которых отличаются. Азот кипит при более низкой температуре, поэтому в газовой фазе содержание кислорода составляет всего около 7% и использовать ее для дыхания нельзя. Нужно забирать из сосуда жидкий воздух, испарять его (газифицировать) с помощью теплообменников и подавать для дыхания к легочному автомату, причем при любом положении сосуда Дьюара.
"В харьковских аппаратах для этого использовались качающиеся на сильфонах заборные патрубки и подвижный гравитационный клапан, — говорит Анатолий. — Патрубки во время движения постукивали по стенкам сосуда изнутри, что нервировало водолазов, поэтому мы использовали другое решение. Я "подсмотрел" его у конструкторов космической техники, которые для подвода топлива из баков к двигателям в условиях невесомости используют капиллярный эффект, устанавливая на топливозаборниках специальные "губки". Эксперименты с водой и войлоком показали работоспособность концепции, а для работы с жидким воздухом в итоге был выбран пористый никель с размерами пор 6−10 мкм."
Насадки из пористого никеля работали как разделители фаз — они за счет смачиваемости отбирали жидкий воздух, а газовую фазу не пропускали. Две такие насадки в верхней и нижней частях баллона обеспечивали подачу воздуха при любом положении водолаза. Такая система позволила значительно упростить аппарат, оставив только два клапана и убрав редуктор (в АК-5 использовались редуктор и восемь клапанов), что положительно сказалось на его надежности.
Легководолазная станция
С помощью станции «МАКС-1» осуществлялись подъем и спуск водолазов, рабочего инструмента, питание воздухом и продувка небольших понтонов и балластных емкостей. Отсутствие шлангов, связывающих водолазов с плавсредствами, и габаритных дыхательных аппаратов за спиной водолаза делало возможным проведение подводных работ в труднодоступных местах. Конструкция станции: 1 — блок хранения, 1 — компенсатор плавучести, 3 — теплоизолированные емкости, 4 — верхний колпак с приборами и рукоятками управления, 5 — нижний колпак с теплообменной аппаратурой, 6 — шланги для подачи дыхательной смеси и горячей воды.
Плюсы и минусы
Первыми оценили новые аппараты водолазы Михаил Боргуль и Владимир Бернатович. По отзывам испытателей, криоланги не только не уступали обычным аквалангам по простоте и удобству эксплуатации, но и превосходили их по многим параметрам. Аппарат заправлялся жидким воздухом простым переливом из сосудов Дьюара, при этом можно было легко и быстро обеспечить любую концентрацию кислорода. Анатолий Витюк вспоминает: «Мы просто ставили сосуд Дьюара на весы и по весу смешивали необходимые количества жидких газов. Занимало это считанные минуты, но для непосвященных выглядело как алхимические эксперименты — с кипящим воздухом и клубами пара».
Еще одним важным достоинством криолангов было то, что в жидком воздухе гарантированно отсутствовали углекислота и угарный газ. При заправке обычных аквалангов для очистки воздуха от этих газов используются специальные фильтры, поскольку под давлением они могут быть смертельны для человека: известен случай, когда Жак-Ив Кусто и его напарник Фредерик Дюма едва не погибли во время погружения в августе 1946 года, из-за того что в баллоны попал угарный газ от выхлопа двигателя компрессора.
Аппарат был очень компактным и легким: скажем, двухбаллонный акваланг имеет объем 14 л и весит более 25 кг, а криоланг с таким же запасом воздуха — 3 л и 4 кг. Разумеется, при погружениях с аквалангом вес на воздухе не играет особой роли, потому что все равно приходится брать множество грузов для компенсации плавучести гидрокостюма. С этой точки зрения небольшой вес криоланга — скорее минус (требуется брать больше грузов), а вот компактность очень полезна при погружениях в тесном пространстве (например, на затонувшие объекты).
Вопреки широко распространенному заблуждению, температура подаваемого из криоланга для дыхания воздуха была не ниже, а выше, чем у акваланга. «Дело в том, что в аквалангах происходит адиабатическое расширение газа, приводящее к его охлаждению, — объясняет Анатолий. — Воздух просто не успевает нагреться до температуры окружающей среды, что не только неприятно, но может приводить даже к обледенению конструкции. Лишь в некоторых моделях "морозостойких" редукторов и легочных автоматов предусмотрены теплообменники, но все равно температура подаваемого воздуха на 5−7° ниже температуры окружающей среды. У нашего криоланга редуктора не было, а развитые теплообменники были обязательной частью конструкции, поэтому температура подаваемого воздуха отличалась от температуры воды всего на 2−3°. Мы эксплуатировали аппараты много лет в самых разных условиях, и я не помню ни одного случая обмерзания».
Системы стабилизации рабочего давления
Одной из ключевых технологий криогенных дыхательных систем была система стабилизации рабочего давления. Для вертикально-ориентированных бортовых блоков хорошо зарекомендовали себя испарительные системы замкнутого типа (1), особенно с теплоизолирующей плавающей перегородкой (2). Она быстро устанавливала и регулировала рабочее давление за счет неравновесного температурного состояния паровой и жидкостной фаз. В этом случае жидкий воздух не разогревается и не сбрасывается в окружающую среду. Такие системы применялись в легководолазной станции «МАКС-1» и буксируемом подводном аппарате «ЮГ-7м». В газобаллонной системе стабилизации (3) регулирование рабочего давления осуществлялось за счет подачи инертного газа в паровую фазу из баллона через редуктор. Такая система позволяла очень быстро регулировать рабочее давление с высокой точностью, но имела высокую стоимость.
Впрочем, был у криоланга и один минус. Из-за слабой теплоизоляции баллона примерно за сутки весь воздух улетучивался, и заправлять его следовало непосредственно перед погружением. Но с учетом того, что заправка занимала всего пару минут, это не составляло особой проблемы.
Десять лет успеха
В 1980 году группа разработчиков криоланга перешла в Южный центр АН УССР, где была организована лаборатория подводных исследований. Там группа из четырех инженеров и пяти водолазов создала водолазный криогенный комплекс, который в дальнейшем стал чрезвычайно успешным. «На протяжении десяти лет все научные экспедиции Южного центра по подводным биологическим, химическим и геологическим исследованиям, картографированию морского дна и поиску затонувших объектов обеспечивались только нашими системами», — вспоминает Анатолий.
Основным элементом комплекса был криогенный блок (БК) — цилиндрический сосуд с большим запасом (22−24 кг) жидкой дыхательной смеси. БК имел экранно-вакуумную изоляцию, в нижней части располагалась теплообменная аппаратура для газификации и подогрева рабочей смеси, в верхней — вентили управления, заправочная горловина и система стабилизации рабочего давления. Заправка БК из стандартных сосудов Дьюара занимала около 5 минут, пуск (увеличение давления до рабочего) — около 3 минут. БК имел быстроразъемное соединение для подключения легочных автоматов и был универсален — мог использоваться как система подачи дыхательной смеси с борта, с берега, хранения жидких смесей или заправки легких автономных аппаратов АКДА-2. БК также мог устанавливаться в качестве источника дыхательной смеси на небольшом буксируемом подводном аппарате мокрого типа «ЮГ-7м», который разработали в лаборатории для исследований морского дна, поиска и осмотра затонувших объектов. Последним элементом комплекса была легководолазная станция «МАКС-1», оснащенная телефонной связью.
Печальная судьба криоланга
За десять лет конструкция была отработана почти до совершенства. При развитии соответствующей инфраструктуры этот аппарат вполне мог бы стать серьезным конкурентом акваланга. «У криоланга есть, разумеется, своя специфика, — считает Анатолий Витюк. — Но в целом его использование ничуть не более сложно, чем обычного акваланга. Я уверен, что он имел все шансы на успех». Но судьба перспективного технического решения сложилась иначе. В 1990 году началась перестройка, у лаборатории подводных исследований, которая все эти годы существовала на самофинансировании, просто не осталось заказчиков, и ее расформировали.
Может быть, конструкторы в будущем вновь «изобретут» криоланг, как это произошло с ребризерами?
Источник - https://www.popmech.ru/diy/9239-zhidkaya-voda-zhidkiy-vozdukh-kriolang/
Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№7, Июль 2009).
