Бен Франклін (мезоскаф)

Мезоскаф «Бен Франклін» — підводний апарат, призначений для роботи на середніх глибинах. Названий на честь Бенджаміна Франкліна, який першим описав течію Гольфстрим. Апарат був розроблений швейцарським дослідником і винахідником Жаком Піккаром. Історія Зародження ідеї Місія дрейфу в течіїї Гольфстрим (англ. GSDM, Gulf Stream Drift Mission) була задумана доктором Жаком Піккаром у 1965 році, головним чином як наукове дослідження, а також для демонстрації можливості створення підводного апарата, який міг би плавати в морській воді без використання енергії. З цією ідеєю він виступив у Національному науковому фонді у Вашингтоні. Доповідь Піккара привернула значну увагу та викликала широкий резонанс у США. Після цього професор Піккар отримав пропозицію від компанії Grumman Aircraft Engineering Corporation щодо будівництва на заводі Giovanola в Монте (Швейцарія) мезоскафа — підводної обсерваторії. Проєкт отримав позначення «PX-15». Ще у 1770-х роках, на основі вивчення вахтових журналів та карт китобоїв із Нантакета, Бенджамін Франклін склав одну з перших карт Гольфстриму. З огляду на значний інтерес океанологів, метеорологів, навігаційних служб і військових до вивчення Гольфстриму, особливо біля східного узбережжя Північної Америки, Піккар міг розраховувати на вагому фінансову підтримку свого проєкту. Будівництво і випробування мезоскафа Цей мезоскаф став першим підводним апаратом збудованим відповідно до стандартів Американського бюро судноплавства (англ. American Bureau of Shipping, ABS). На початку 1967 року розпочалося будівництво мезоскафа «РХ-15». Загалом процес складання проходив без значних затримок. 4 квітня 1968 року з відкритих воріт складального цеху компанії «Джованьолі» платформа з мезоскафом була вивезена на відкрите місце, а сирена оголосила про завершення основних робіт. Європейський залізничний перегін завершився в Антверпені, де після демонтажу кільових опор, баластних і вирівнювальних цистерн, рубки та стерна апарат опустили на палубу теплохода «Анвера» та надійно закріпили. Інше обладнання, запаковане в ящики, розмістили в трюмі судна. Апарат прибув до Флориди (США), де 25 липня 1968 року мезоскаф спустили на воду, а через місяць, під час урочистої церемонії хрещення «Семи морів», він отримав назву «Бен Франклін». 22 листопада 1968 року відбулося перше технічне занурення на глибину 12 метрів. Під час випробувань перевірили роботу шлюзової камери, через яку на поверхню було відправлено пляшку з листами. Усе обладнання функціонувало справно, і перше підводне випробування завершилося успішно. Для перевірки роботи системи життєзабезпечення та акумуляторних батарей у грудні було проведено триденне занурення мезоскафа «Бена Франкліна». За допомогою реактивів фірми «Dräger» періодично контролювалися параметри повітря, зокрема вміст кисню та вуглекислого газу. Вуглекислий газ, що виділявся під час дихання, поглинався пластинами з гідроксидом літію, які замінювали в міру їх нагрівання. Концентрація кисню підтримувалася в межах 19,5–22%. Наприкінці третьої доби старший пілот Ервін Еберсольд продув баластні цистерни та підняв «Бен Франклін» із дна Флоридської затоки. Після цього апарат здійснив ще близько сорока занурень, перш ніж вирушити в експедицію «Гольфстрим». Під час випробувань було виявлено кілька місць нещільності у вузлах введення комунікацій, які усунули шляхом підтягування зсередини. Експлуатація мезоскафа Після налаштування систем і проведення тестів старт місії був запланований на 14 липня 1969 року. Офіс військово-морської океанографії надав близько 1 043 кг (2 300 фунтів) наукових інструментів, а також двох океанографів як членів екіпажа, а також судно супроводу. Національна адміністрація з аеронавтики та дослідження космічного простору (НАСА) поставила спостерігача, щоб супроводжувати місію та оцінити реакцію екіпажа на тривале плавання в повністю ізольованому середовищі. 14 липня 1969 року о 20:56 (за східним часом) дослідницький мезоскаф "Бен Франклін" компанії Grumman Aerospace Corporation занурився під поверхню Атлантики біля узбережжя Палм-Біч, штат Флорида. Його місія: дослідити таємниці Гольфстриму, дрейфуючи на північ на глибині 182—600 метрів; вивчити вплив на людину тривалого стресового плавання в закритому середовищі; продемонструвати інженерно-експлуатаційні концепції тривалої роботи підводного апарата та провести інші наукові океанографічні дослідження. Головне судно підтримки, M/V Privateer, було надане NAVOCEANO. Це судно відповідало за все відстеження та зв’язок із «Беном Франкліном». На борту Privateer перебували сім співробітників Grumman, шість співробітників Головного океанографічного управління ВМС США та команда судна з 12 осіб. Зв’язок з «Беном Франкліном» здійснювався за допомогою підводного телефону StraZa ATM-504 на борту Privateer та ATM-503 на «Бені Франкліні». Нею користувалися кожні півгодини протягом всієї місії, коли Privateer викликав «Бен Франклін» для перевірки зв’язку та оновлення даних про глибину дрейфу. Згідно з показаннями компаса, «Бен Франклін» періодично розвертався то праворуч, то ліворуч, іноді здійснюючи повний оберт протягом кількох годин. Самописці фіксували на стрічках дані щодо глибини, температури, солоності та швидкості звуку. Раз на годину мезоскаф виходив на зв’язок із судном «Приватир» (англ. M/V Privateer), звідки екіпаж отримував інформацію про своє місцезнаходження. Для цього на судні супроводу «Приватир» повинні були знати глибину дрейфу та напрямок руху апарата відносно судна. Кожні дві секунди передавач подавав парний сигнал частотою 4 кГц, який приймався на борту «Приватира». Різниця в інтервалі між парними сигналами давала змогу визначити глибину апарата, а затримка між передачею сигналу частотою 16 кГц і відповіддю з бортового відповідача «Бена Франкліна» визначала відстань між судном і мезоскафом. 17 липня, у день запуску ракети «Аполлон-11», «Бен Франклін» дрейфував у районі Форт-Пірса, продовжуючи рух на глибині близько 200 метрів зі швидкістю течії. На вахті постійно перебували двоє членів екіпажу, які спостерігали за компасом, станом системи життєзабезпечення та роботою акустичного обладнання. Згідно з програмою спостережень, апарат мав до вечора досягти дна. О 17:00 Жак Піккар відкрив клапан заповнення, і вода почала надходити до вирівнювальної цистерни, що спричинило подальше збільшення глибини занурення. На глибині 455 метрів мезоскаф нерухомо завис над ґрунтом. За ілюмінаторами було видно риб, анемонів і крабів. Увечері на борту відзначили невеликий ювілей — три доби від початку дрейфу. Настав час ухвалити рішення: продовжувати рух разом із течією або підніматися на поверхню. Оскільки умови дозволяли продовжувати експеримент, після чергового сеансу зв’язку з «Приватиром» було вирішено залишитися на маршруті дрейфу. Після продування вирівнювальної цистерни повітрям апарат знову зайняв свою звичну глибину близько 200 метрів. 20 липня апарат дрейфував на глибині 197 метрів, температура води за бортом становила 17 °C. Згідно з вахтовим журналом, «Бен Франклін», подібно до маятника, здійснював вертикальні коливання з амплітудою близько 10 метрів. Ці рухи не потребували втручання пілота: після підспливання апарат поступово повертався до вихідного положення. 24 липня з поверхні повідомили, що за кілька миль від мезоскафа перебуває атомний підводний човен «Лапон» (USS LAPON). За допомогою підводного телефону «Бен Франклін» встановив зв’язок із «Лапоном», і розмова тривала кілька хвилин. Екіпаж атомного човна побажав успішного продовження експедиції. Вранці 25 липня стало очевидно, що апарат залишив основну течію Гольфстриму. Одне з потужних бічних завихрень відхилило «Бен Франклін» і віднесло його на кілька миль на схід. Для корекції курсу було вирішено увімкнути ходові двигуни. Абсолютна швидкість апарата перевищувала один вузол, однак цього виявилося недостатньо, щоб компенсувати зміщення. У результаті мезоскаф піднявся на поверхню, де судно «Приватир» знову взяло його на буксир. 27 липня мезоскаф знову розпочав занурення та зайняв положення на глибині близько 210 метрів, що відповідало його масі та щільності навколишньої води. 5 серпня «Бен Франклін» супроводжував великий косяк синіх тунців: риби кружляли навколо апарата та, за спостереженнями екіпажу, ніби отримували задоволення від гідромасажу у струмені повітряних бульбашок, що виходили під час продування вирівнювальної цистерни. Апарат продовжував рух на північ середньою швидкістю близько 3 вузлів. 13 серпня з мезоскафом встановило зв’язок судно RV Atlantis II Вудсхольського океанографічного інституту (англ. WHOI). З поверхні повідомили, що в цьому районі не спостерігається явищ глибинного розсіювання. 20:25. Минув рівно місяць від початку дрейфу. На ранок було заплановано підйом на поверхню. Ервін Еберсольд розпочав продування баластних цистерн. З глибини 300 метрів «Бен Франклін» повільно піднімався. О 7:57 апарат вийшов на поверхню, після чого було виконано продування цистерн головного баласту. За десять хвилин гідронавти вже перебували в рубці та вдихали свіже морське повітря. У цей момент мезоскаф оточували судна «Приватир», «Атлантіс ІІ», «Лінч» та прикордонний корабель «Кук Інлет». Гумовий човен доставив екіпаж на борт «Кук Інлет». 15 серпня «Кук Інлет» уже перебував у Портленді, а «Бен Франклін» на буксирі прямував до Лонг-Айленду. Після перевірок «Приватир» супроводив апарат до Нью-Йорка, де він був урочисто зустрінутий водним салютом пожежних кораблів — традиційним привітанням для видатних суден, що проходять повз Статую Свободи. Мета місії Gulf Stream Drift полягала в зборі наукових даних про течію та вибрані ділянки морського дна під ним. Одночасно місія мала на меті продемонструвати здатність мезоскафа "Бен Франклін" дрейфувати безшумно та маневрувати протягом тридцяти днів, зберігаючи екіпаж із шести осіб і живлячи великий комплект наукового обладнання. Усі ці цілі були успішно досягнуті. Дрейф охопив 1 444 морські милі із середньою глибиною 198,12 метра.(650 футів). Було здійснено 10 експедицій на глибини між 365,76 м та 548,64 м ( 1200 та 1800 футами), п’ять з яких були підводними дослідженнями морського плато Блейка. Протягом цього довгого безшумного плавання науковці на борту успішно зібрали: понад 900 000 вимірювань температури, солоності та швидкості звуку; 500 профілів температури за глибиною течії. 50 миль гравітаційних аномалій 60 000 фотографій діяльності екіпажу на підтримку дослідження НАСА. Показники роботи «Бен Франкліна» перевершили всі очікування. Змінна система баласту забезпечувала відмінний контроль глибини, система життєзабезпечення виявилася ефективнішою, ніж очікувалося, а електроживлення працювало без збоїв. Деяке обладнання все ж зазнало відмов. Декілька з них були неприємними для екіпажу, але не розглядалися як суттєві. Три з цих несправностей були: Відмова туалетного мацератора в останні дні; Втрата вакууму в баках для гарячої води, що призвело до її передчасного охолодження; Відмова деякого наукового обладнання. У грудні 1969 року було проведено триденне занурення «Бена Франкліна» в районі Вест-Палм-Біч. На мезоскафі виконувалися біологічні та геологічні дослідження на глибинах від 32 до 165 м. За підсумками занурень підтверджено переваги комплексного вивчення океану безпосередньо з підводного апарата порівняно з дослідженнями, що проводяться з океанографічних суден на поверхні. Після того, як у 1971 році підводний апарат «Бен Франклін» сів на мілину на рифі, він був проданий ванкуверському бізнесмену Джону Хортону (англ. John Horton), у якого перебував майже три десятиліття на Північному березі. У грудні 1999 року, після раптового рішення про необхідність або перевезення, або утилізації апарата як металобрухту, його запропонували Ванкуверському морському музею. Після ремонту підводний апарат було встановлено перед музеєм. Конструкція Корпус мезоскафа поділений на 3 відсіки, у яких розміщено: місця спостереження, кают-компанія, управління апаратом (носовий відсік); життєзабезпечення, електричні перетворювачі, розподільче обладнання (середній відсік); наукове обладнання і ліжка для екіпажа (кормовий відсік). Системи навігації, керування та зв’язку На борту «Бен Франкліна» встановлено наступні прилади та обладнання: 1. Системи навігації 1.1 Вказівники курсу. Наступні прилади інтегровані в консоль керування: Головний компас - складається з датчика-феррозонду, встановленого поза корпусом і з сервоприводом для індикатора в посту керування; Допоміжний компас – складається з авіаційного магнітного компаса, установленого всередині корпусу і магнітно компенсованого; Гірокурсовказівник – використовується, як допоміжний; Покажчик швидкості повороту – схожий на авіаційний індикатор повороту та крену. 1.2 Ехолот. Встановлено ехолот Simrad Model EP з такими характеристиками: Робоча частота: 38,4 кГц PRF: 30 імпульсів за хвилину Тривалість імпульсу: 2,7 мілісекунди Максимальна глибина: 1 097 м 1.3 Підводна акустична система трекінгу й вимірювання дальності Ocean Enterprises Складається з таких блоків: Транспондер: модель TR-02 Акустична потужність: 20 Вт Частота: 27 кГц ·Дальність: 4 572 метри (15 000 футів) при помірному хвилюванні. 1.4 Гідроакустична система попередження перешкод CTFM типу Straza Model 500 Дальність: від 9,14 м до 1 371,6 м; Робота гідролокатора: діапазон частот від 87 до 72 кГц; Кут огляду (кут розгортки): +- 150°; Швидкість сканування: 25 град/сек. 1.5 Модуль відображення та зчитування інформації TTR-02. секція відстеження — посилення 125 дБ; — діапазон частот роботи 26,5-27,5 кГц; — живлення: стандартна батарея 12 В для ліхтаря. Середній час роботи батареї 100 год. секція вимірювання дальності — акустична потужність: 20 Вт; — шкала вимірювання 0—3,05 м і 0—304,8 м;: — робоча частота: 25 і 27 кГц. 2. Системи керування. 2.1 Манометри. Три прилади для реєстрації тиску встановлені в посту керування: 0–80 метрів – манометр з точністю 1% повної шкали; 0–1 000 метрів – манометр з точністю 1% повної шкали 0–800 метрів – безперервний реєстратор глибини (з чорнильним пером і паперовою смужкою) 2.2 Індикатор положення апарата. Один індикатор положення апарата (крену та диференту) маятникового типу установлено зручно для пілота. Точність приладу — краще, ніж 0,50. 2.3 Тахометри. Чотири тахометри, по одному на кожний головний двигун, розміщені на пульті керування та показують швидкість обертання валу кожного двигуна незалежно від напрямку обертання. 2.4 Індикатори положення головних двигунів. Чотири індикатори положення гондол головних двигунів, по одному для кожної гондоли двигуна, розміщені на пульті керування та показують кут гондол відносно осі апарата. 2.5 Вольтметри. Чотири вольтметри, по одному для кожного головного двигуна, показують напругу, що подається на кожен двигун. 2.6 Амперметри. Кожний головний двигун має окремий амперметр, який показує силу струму, що споживається в будь-який момент. 3. Системи зв'язку. 3.1 Радіостанція коротких хвиль (HF-трансівер). Модель Simpson No. 150A, 150 Вт, 8 каналів, живлення 28 вольт. 3.2 Інтерком Внутрішня переговорна система, яка дозволяє людям у різних відсіках спілкуватися між собою без телефону 3.3 Підводний телефон Модель Straza ATM 503, сумісний із телефонами AN/UQC та AN/PQC (для водолазів) для підводного зв’язку. Дальність: понад 6 858 метрів (7 500 ярдів) Акустична потужність: 2,5 Вт Несуча частота: 8,087 кГц 3.4 Антенна радіоприймача моделі PA-02 Діаграма променя: параболічний відбивач з конусом 10 градусів. Корпус 1. Міцний корпус Конструкція міцного корпусу складається з підкріпленого шпангоутами циліндра з обох боків закритого напівсферами. Внутрішні розміри становлять приблизно 3,15 м діаметром і 14,63 м загальної довжини. Загальний внутрішній об'єм корпусу складає приблизно 106,57 куб.м. Два люки діаметром 762 мм з ілюмінаторами встановлені у верхній частині кожної напівсфери. На додаток до цього, 12 ілюмінаторів є в напівсферах, а 15 ілюмінаторів уздовж циліндричної частини — разом 29. В міцний корпус вмонтовані дванадцять багатопрохідних введень: шість уздовж верхньої частини циліндричної частини у діаметральній площині та шість уздовж нижньої. Значна кількість прохідних отворів у корпусі зарезервована для майбутнього використання. Їх можна застосовувати для кабелів, труб і коаксіальних ліній. Корпус напівсфер виготовлений зі сталі Welmonil, виробленої компанією HOAG (Оберхаузен, Німеччина), а циліндричний корпус — зі сталі Aldur, виробленої компанією VOEST (Лінц, Австрія). Циліндрична частина складається з шести секцій. Під час зварювання секцій їх нагрівали до температури 150°C і підтримували цю температуру протягом усього процесу зварювання. Розташовані рівномірно всередині корпусу кільцеві шпангоути забезпечують достатню підтримку оболонки, щоб дозволити безпечну роботу на глибинах до 610 метрів (2 000 футів), зберігаючи двократний запас міцності відносно руйнування корпусу. Кільцеві шпангоути коробчатого типу перетином 16,0 × 14,5 см і розташовані з інтервалом приблизно 70 см (27,5 дюйма). Поєднання обшивки корпусу та підсилювальних елементів забезпечує модуль об’ємної пружності понад 2 758 МПа (400 000 psi). Через велику довжину корпусу не було можливості провести відпал цілого корпусу у печі, тому було вирішено зробити його збірним із двох окремих секцій, кожна з яких завершувалася кільцевим фланцем. Секції з'єднані за допомогою болтів. Після виготовлення обидві секції корпусу було піддано зняттю напружень. Щоб зберегти це зняття напружень, у майбутньому на міцному корпусі не можна виконувати жодних зварювальних робіт. Для можливого подальшого використання на напівсферичних кінцях встановлені додаткові кронштейни для кріплення. 2. Легкий корпус 2.1 Рубка Склопластикова рубка встановлена значно ближче до носа корпусу. Рубка, окрім виконання функцій під час надводних маневрів, містить: 4 кронштейни для линеметів, контакти телефонного зв’язку, зовнішній пристрій закривання люка, щоглу освітлення (стоп-сигнал, ідентифікація підводного човна, якірні та сигнальні вогні — лише для надводних операцій), антену короткохвильового радіо, телевізійний перископ, передавач магнітного головного компаса, давач температури, гідролокатор для уникнення перешкод, резервуар оливи давача глибини (зовнішнє вимірювання тиску) Рубку було спроєктовано так, щоб мінімізувати вплив навколишнього середовища при перебуванні екіпажа всередині під час надводних операцій. Вона достатньо висока для повного захисту та гарної видимості завдяки формованому куполу з плексигласа, встановленому на обідку конструкції рубки. Вона також захищає апарат від затоплення, коли носовий люк відкрито на поверхні. Коли мезоскаф занурюється або спливає, рубка повністю наповнюється або осушується через серію клапанів та односторонніх водовідводів. 2.2 Палуба та опори Палуба, що простягається від рубки до кормової частини зверху корпусу, є палубою для пересування. Вона забезпечує робочу зону вздовж апарата, а також слугує захистом для трубопроводів, кабельних трас та розміщеного під нею обладнання. Леєр з неіржавної сталі проходить від кормової частини рубки до триноги, установленої біля кормового люка. Конструкція палуби виготовлена зі зварених секцій конструкційної вуглецевої сталі. Збірку змонтовано болтами на опорні кронштейни, приварені до міцного корпусу. Під палубою встановлено кілька анодних пластин для захисту від корозії Уся сталева конструкція вкрита склопластиковими панелями, закріпленими на ній болтовими з’єднаннями. Серія панелей, що простягаються від носа до корми з обох бортів, виконують функцію обтічників. 2.3 Кіль 376 акумуляторів розміщені у кільовій конструкції, що прикріплена до нижньої частини корпусу. 3. Шлюзова камера У технічній документації при описанні шлюзової камери застосовується, як ідіома, абревіатура SAS, котра походить від французького "le sas" — шлюз. Це слово використовувалось під час будівництва "Бена Франкліна". Цей маленький шлюз призначений для передачі контейнера з біологічними зразками, котушок фотоплівок, паперових котушок з самописців, письмових повідомлень чи чогось іншого на поверхню. Контейнер, що використовується в системі, — це алюмінієва сфера діаметром 139,7 мм з внутрішнім діаметром 133,4 мм. Її корисне навантаження (різниця між її масою та масою витісненої води) становить приблизно 1.02 кг. Чим легший її вміст, тим швидше сфера підніметься на поверхню. Завдяки сферичній формі її конструкція не деформується навіть на глибині 1 829 м. Під час піднімання до поверхні тиск води триматиме дві половини сфери щільно з’єднаними, щоб захистити вміст, а яскравий помаранчевий колір фарбування полегшує її виявлення суднами забезпечення. Сфера вкладається в гніздо, прикручене до нижнього люка шлюзу. Шлюз заповнюється водою і, після вирівнювання тиску з забортним, відкривається верхній люк шлюзової камери за допомогою гідравлічної системи. Сфера після відкриття люка спливає на поверхню. Наступним кроком верхній люк закривається, шлюзова камера осушується за допомогою стисненого повітря (100 атм =10 МПа). Вода з камери виходить через незворотний клапан у нижній частині. Шлюзова камера розташована зверху міцного корпусу між шпангоутами 6 і 7. Шлюз виготовлений з труби діаметром 244,5 мм, товщиною 20 мм, висотою 110 мм. Нижній люк шлюзової камери зроблений зі сталі товщиною 36 мм і 200 мм в діаметрі. По центру вмонтований ілюмінатор з плексигласу. Система занурення-спливання Система занурення-спливання мезоскафа поділяється на три основні підсистеми: Система головного баласту — чотири цистерни об’ємом 4,59 м³ кожна; Система змінного баласту — дві вирівнювальні цистерни об’ємом 0,348 м³ кожна; Система баластування сталевим дробом — два бункери, у кожному з яких розміщено по 3 тонни дробу. Стиснене повітря після використання в цистернах головного баласту випускається в атмосферу. Повітря з цистерн змінного баласту зазвичай випускається в море, але за потреби може бути випущене всередину корпусу. Бортовий компресор може потім знову стиснути його й повернути в систему. Основні зовнішні елементи баластних систем можуть бути демонтовані з корпусу для полегшення транспортування. 1. Система головного баласту 1.1 Цистерни головного баласту Адекватний надводний борт для маневрування на поверхні та для входу/виходу персоналу забезпечують чотири цистерни головного баласту (ЦГБ), кожна об'ємом 4.58 м³. Ці цистерни, коли сухі, забезпечують достатню підіймальну силу, щоб дати апарату приблизно 46 см надводного борту за нормальних умов експлуатації. Щоб занурити апарат, ЦГБ затоплюються шляхом випускання повітря з цистерн і заповнення їх водою через відкриті шпигати, розташовані в їх нижній частині (шість шпигатів діаметром 11,43 см на цистерну). Коли ЦГБ повністю затоплені, апарат має бути у стані приблизно нейтральної плавучості, на поверхні або майже на поверхні. У цей момент додавання будь-якого додаткового баласту змусить апарат занурюватися. Цистерни головного баласту розташовані попарно на лівому та правому бортах апарата: цистерни №1 і №3 — на правому борту, а цистерни №2 і №4 — на лівому. Вони виготовлені з ламінованого поліестеру та склопластику товщиною приблизно від 6,35 мм до 9,53 мм. Додаткова міцність забезпечується одинадцятьма склопластиковими ребрами, розташованими вздовж довжини цистерни. Виготовлення цистерн було виконано компанією Lunn Laminates, Inc., Ваянданч, Нью-Йорк. Кріплення цистерн до корпусу здійснюється за допомогою декількох вушок, які з’єднуються з фітингами, привареними до корпусу. У верхній частині кожної цистерни є люк, що дозволяє проводити огляд внутрішнього стану, трубопроводів, кабель-трас та вентиляційних клапанів ЦГБ. Кришка люка прикручена болтами та ущільнена гумовою прокладкою. Цистерни зазвичай продуваються, коли апарат знаходиться на поверхні або поблизу неї. Хоча кількості повітря високого тиску, яке знаходиться на борту, недостатньо для повного продування ЦГБ на глибині 610 м, але його достатньо, щоб виштовхнути до 50% об’єму цистерн (лише для аварійного спливання). Коли апарат підіймається, повітря в цистернах розширюється і витискує додаткову воду через шпигати. 1.2 Електромагнітні вентиляційні клапани Для затоплення цистерн головного баласту (ЦГБ) застосовуються електрично керовані вентиляційні клапани. Ці клапани розташовані у верхній кормовій частині кожної ЦГБ (усього 4 клапани), і тому рекомендується занурювати апарат з невеликим диферентом на ніс, щоб запобігти утворенню повітряних кишень. Керування клапанами здійснюється зсередини апарата за допомогою перемикача, який подає напругу на соленоїд, встановлений у клапані. Клапани зазвичай закриті і повинні отримати живлення, щоб відкритися, забезпечуючи безпечну роботу. Клапан працює в морській воді від джерела постійного струму 18–28 В з пропускною здатністю 5 097 л за хвилину на рівні моря. Ці клапани під’єднані до шини постійного струму 28 В. Щоб наповнити ЦГБ, вимикач на консолі пілота активує соленоїдний клапан. Соленоїд спрацьовує, дозволяючи вільний вихід повітря з верхньої частини цистерни. ЦГБ швидко заповнюється через відкриті шпигати, розташовані в нижній частині цистерни. Коли цистерна заповнена, загоряється сигнальна лампа, і пілот відпускає вимикач активації. Коли соленоїд знеструмлено, пружина закриває клапан. При закритому клапані ЦГБ готова до продування. Клапани можуть закриватися у будь-який момент під час заповнення, якщо вимикач на консолі пілота буде відпущений, тож заповнення може бути зупинене. Передбачене також автоматичне продування ЦГБ, яке здійснюється за допомогою запобіжного пристрою, який входить до пневматичної системи. Автоматичне продування активується, якщо апарат випадково занурюється нижче робочої глибини. 1.3 Датчики рівня солі Два сенсори, які живляться від мережі 28 В постійного струму через підсилювач, контролюють рівень води в кожній цистерні. Сенсори встановлені в центрі кожної цистерни один у верхній частині та один у нижній. Вони сигналізують, коли цистерна заповнена або майже порожня. Коли обидві лампи вимкнені — цистерна суха. 1.4. Зовнішнє продування Кожна цистерна також має зовнішнє з’єднання для продування у своїй кормовій частині. Це дозволяє продувати цистерни, коли апарат знаходиться під водою. 2. Система змінного баласту Дві вирівнювальні цистерни, які складають систему змінного баласту мезоскафа, є зовнішньо встановленими цистернами. Кожна цистерна розміщена під міцним корпусом і може вміщувати 348 л морської води. Цистерни виготовлені з товстостінної сталевої труби високого тиску (зовнішній діаметр 219 мм, товщина стінки 10 мм) і класифікуються як «ємності високого тиску». Вони проходять через всю довжину апарата (11,28 метра) з лівого та правого бортів і кріпляться до корпусу серією сталевих стрічок, обгорнутих неопреном. Стрічки прикручені до кронштейнів, приварених до корпусу, які також покриті неопреном. Для запобігання поздовжньому переміщенню цистерн їх кормовий фланець кріпиться фітингом до кронштейна, який приварений до міцного корпусу. Кожна цистерна герметизована на кінцях сталевою кришкою, закріпленою болтами. Лінії для продування і заповнення цистерн проходять через сталеві торцеві кришки, а через вузли введення комунікацій входять у міцний корпус. Фільтри встановлені на кожній із двох ліній для заповнення/осушення. Поблизу поверхні апарат має нейтральну плавучість, коли ці цистерни заповнені водою наполовину. Можливість впускати воду або витісняти її стисненим повітрям забезпечує вертикальне маневрування в межах робочих глибин. Для зменшення водотоннажності до однієї або обох цистерн подається стиснене повітря, яке витісняє воду. Для збільшення водотоннажності процедура виконується у зворотному порядку: до цистерн надходить морська вода, а повітря, що витісняється, випускається у морську воду або всередину апарата. 3. Система баластування сталевим дробом Система баластування сталевим дробом виконує дві функції: збільшення плавучості мезоскафа шляхом дозованого випуску дробу через спеціально розроблений електромагнітний клапан; забезпечення аварійної підіймальної сили до шести тонн завдяки можливості швидкого скидання всього запасу дробу. 3.1 Бункери зі сталевим дробом Між двома цистернами головного баласту (ЦГБ) з лівого та правого бортів розташовані бункери зі сталевим дробом. За формою вони повторюють контур корпусу, як і ЦГБ. Кожен бункер заповнений дробом до рівня приблизно 10 см нижче ватерлінії. Бункери постійно відкриті до моря, що дає змогу зрівнювати тиск і запобігає іржавінню дробу до стану некерованого злежування. Коли дріб повністю занурений у морську воду, корозійний вплив мінімізується, і гранули залишаються сипкими. Дріб виготовляється зі сталі марки Globe Steel S-780C. Кожен бункер прикріплений до бортів корпусу кріпленнями, подібними до тих, що застосовані на ЦГБ, але з подовженими отворами, призначеними для компенсації люфту, який виникає через розширення та стискання корпусу під тиском. Бункери виготовлені з листової сталі та підсилені внутрішніми сталевими шпангоутами. Виробник — компанія Giovanola Brothers. 3.2 Система дозованого скидання сталевого дробу Ця система є пристроєм для скидання невеликих кількостей дробу з метою зменшення ваги апарата. Вона складається з двох електромагнітних клапанів — по одному для кожного бункера. Кожен клапан оснащено двома наборами котушок: на 110 В і на 28 В постійного струму. Котушки утримання на 110 В містять осердя з м’якого заліза, які можуть залишатися постійно намагніченими під дією струму 110 В. Ці «магнітні клапани» утримують дріб із м’якого заліза всередині баластних бункерів, коли осердя намагнічено, а живлення вимкнено. Це забезпечується тим, що дріб утримується в «горлі» клапана завдяки залишковій намамагніченості. Для розмагнічування клапана та вивільнення дробу застосовується періодична циклічна зміна полярності напруги на котушці із одночасним поступовим зниженням напруги за допомогою спеціальних резисторів. Зменшення напруги та циклювання полярності призводять до повного розмагнічення осердь клапана (з м’якого заліза) і самого дробу, оскільки залишкові магнітні ефекти усуваються. Котушки дозування на 28 В постійного струму фактично є електромагнітами, що регулюють потік дробу через клапан. Це відбувається тоді, коли котушки 110 В розмагнічені, а котушки 28 В знеструмлені. Потік дробу припиняється, коли на котушку подається напруга 28 В: м’яке залізо в «горлі» клапана намагнічується і блокує прохід. Режим утримання можна підтримувати навіть після зниження напруги до 14 В постійного струму. 3.3 Дозування У пульті пілота встановлено спеціально сконструйований таймер фірми Longines Watch Company. Таймер автоматично запускається та зупиняється, коли баластний дріб дозовано випускається з кожного бункера. Кількість скинутого дробу просто визначається за часовими одиницями, оскільки 2 кг дробу проходить через клапан за секунду. Цю операцію контролює пілот. Одне натискання кнопки на пульті пілота приблизно дорівнює пів секунди або 1 кг дробу. Диферентна система Диферентна система дає змогу пілоту компенсувати зміни диференту шляхом перекачування води між двома цистернами, розташованими на кінцях корпусу. Система містить 1 415 л прісної води. Цього об’єму достатньо для повного заповнення будь-якої з цистерн і забезпечує можливість коригувати диферент на кути до 10° як на ніс, так і на корму. Обидві цистерни, перекачувальна труба та насоси розміщені під палубою. Крім того, між цистернами прокладено вентиляційну лінію, що проходить у верхній частині міцного корпусу. Перекачування забезпечують два самовсмоктувальні насоси Jabsco (Model 10490), які приводяться в дію електродвигунами та керуються з пульта пілота. Кожен насос працює в одному напрямку, під’єднаний до шини постійного струму 110 В, розвиває швидкість 1750 об/хв і має продуктивність 318 л/хв. Система дає змогу компенсувати вплив переміщення двох членів екіпажу з одного кінця апарата в інший. Насоси працюють за потреби й керуються пілотом. Окремої системи для статичного керування бортовим креном не передбачено; його регулювання можливе шляхом асиметричного завантаження бункерів у системі баластування сталевим дробом. Рушійно-стерновий комплекс Рух мезоскафа забезпечується чотирма маршовими двигунами потужністю 18,4 кВт (25 к.с.) кожний. Двигуни трифазні, номінальною напругою 220 В, частотою 50 Гц, виготовлені компанією Pleuger. Вони заповнені прісною водою, мають компенсацію тиску і працюють від двох основних статичних інверторів. Ця конфігурація забезпечує керування швидкістю апарата та достатню потужність для досягнення максимальної швидкості приблизно чотири вузли. Крім того, маршові двигуни можуть бути повністю зреверсовані та повернуті у вертикальній площині, що забезпечує можливість створення тяги вгору, вниз або назад. Застосовуючи тягу вперед від двигунів з одного борта апарата та реверсну тягу двигунів з іншого борта, «Бен Франклін» може розвертатися на місці в межах власної довжини. У кормовій частині кіля установлені стерна. Вони мають конвенційну плоску лопатеву форму. Стерна мають електричний привід. Зазвичай, стерна використовуються лише у надводному положенні, а у підводному налаштовуються для роботи як тример, щоб компенсувати вплив течії та дрейфу. Пневматична система Пневматична система використовує стиснене повітря, яке зберігається зовні міцного корпусу в шести балонах, розрахованих на тиск 206,8 атм (3 000 psi) загальним об’ємом 2,16 куб.м. Ця система використовується для контролю системи змінного баласту, для продування цистерн головного баласту, та, додатково, для продування шлюзової камери. Повітряний компресор з електроприводом встановлений усередині корпусу. Зазвичай, він не використовується через надмірне споживання електроенергії для стискання великої кількості повітря. Крім клапанів вентиляції цистерн головного баласту, всі інші пневматичні клапани мають ручне керування і розташовані всередині міцного корпусу, а труби проходять через міцний корпус. Пневматична система на борту PX-15 може бути поділена на чотири контури: Система високого тиску: зберігання, заправка, випуск і розподіл повітря; Продування та вентиляція головного баласту; Продування та вентиляція змінного баласту; Продування шлюзової камери. 1. Зберігання повітря Стиснене повітря зберігається на борту у сталевих балонах. Із цих балонів повітря високого тиску надходить у систему через корпусні вводи, корпусні клапани та трубопроводи, які ведуть до редуктора тиску типу Victor 90 В. Тут тиск повітря знижується з 200 атм до 100 атм (з 20 МПа до 10 МПа) перед тим, як воно розподіляється по всьому апарату. Частина системи низького тиску (100 атм) захищена запобіжним клапаном із уставкою на 110 атм. У надзвичайній ситуації цей запобіжний клапан і редуктор тиску можна обійти, і повітря високого тиску подати безпосередньо в систему продування головного баласту, змінного баласту та в шлюзову камеру. Уся система здатна приймати максимальний системний тиск 200 атм). Система продування головного баласту може бути заповнена до 200 кг/см² перед клапанами, установленими на корпусі, щоб запобігти можливому надлишковому тиску в цистернах головного баласту. 1.1 Зберігання повітря високого тиску Повітря високого тиску зберігається у шести балонах U.S. Steel. Балони мають три типорозміри: 198 л, 283 л та 595 л. Вони встановлені парами, по лівому і правому бортам, на верхній частині корпусу під похилою палубою. На правому борту встановлені балони 1 (595 л), 3 (198 л) та 5 (283 л), а на лівому — балони 2 (595 л), 4 (198 л) та 6 (283 л). У заповненому стані балони на 595 л містять 118,8 кг повітря; балони на 283 л — 56,7 кг, балони на 198 л— 39,9 кг. Загальна маса повітря —430,9 кг. Загальна місткість системи у повністю зарядженому стані — 2,15 м³ при 17,24 МПа (172,4 атм). Кожен балон підключений через власний корпусний клапан (клапан Argus), вимірювальний манометр та клапан керування, усі розташовані поруч із постом пілота. Лінії повітря об’єднані в один колектор, після чого подаються через одну магістральну лінію до редуктора тиску. Балони встановлені на кронштейнах, приварених до корпусу, та утримуються неопреновими сталевими хомутами. Хомути фіксуються гайками, що притискають їх до кронштейнів корпусу. Сталеві троси з нержавіючої сталі на кожному кінці балонів запобігають їхньому переміщенню вперед і назад. Усе повітря високого тиску надходить у корпус через шість вводів. 1.2 Заряджання повітрям високого тиску Пневматична система заряджається двома способами: Зовнішнє джерело повітря високого тиску Звичайний спосіб заряджання балонів високого тиску — через зовнішній заправний штуцер, розташований всередині рубки між шпангоутами 1 і 2. Тут повітря високого тиску з зовнішнього джерела проходить через систему заправки та надходить у балони. Додаткове з’єднання доступне всередині апарата, якщо потрібно виконати заряджання зсередини. Система розрахована на роботу при тиску до 413,7 атм (41,37 МПа). 1.2 Вентилювання корпусу Під час випробувальних операцій тиск у корпусі може підвищуватися через вентиляцію цистерн змінного баласту, накопичення кисню або зміни температури. Можна вирівняти цей внутрішній тиск із тиском навколишнього середовища на поверхні перед відкриванням люка за допомогою повітряного вентиля корпусу. Цей клапан — це відкрита лінія, що проходить через керувальний клапан, корпусний клапан, багатопрохідне введення та виходить до захищеного фітинга. Це вентилювання корпусу також може здійснюватися через шлюзову камеру або трубопроводи змінного баласту. 1.3. Розподіл Повітря високого тиску в апараті проходить через редуктор тиску, а далі його спрямовують трубопроводами до різних контурів системи. Уся стандартна внутрішня трубопровідна арматура пневматичної системи виконана із вуглецевої сталі, за винятком труб, якими подається морська вода — вони виготовлені з неіржавної сталі. 1.4. Продування та вентиляція головного баласту. Контур головного баласту під’єднаний до пневматичної системи на пульті пілота. Тут окрема лінія, що виходить із розподільного контуру, розгалужується на дві лінії. У кожній із цих двох ліній встановлено один керувальний клапан, який подає повітря під тиском 100 кг/см² до пари головних баластних цистерн. Після керувального клапана трубопровід знову розгалужується на дві лінії, кожна з яких підводиться до корпусного клапана і виходить назовні через ввід. За межами корпусу лінії проходять через зворотний клапан, а потім через діафрагму (обмежувач тиску) та входять у головну баластну цистерну. На кінці цієї лінії передбачено можливість під’єднання зовнішнього джерела повітря до кожної цистерни окремо. На кожній лінії продування ЦГБ встановлено фітинг — такий самий, як на зовнішніх аварійних клапанах та обох точках підзаряджання повітрям. Лінії продування входять у верхню частину цистерни з корми, трохи нижче вентиляційного клапана. У систему продування та вентиляції головного баласту вбудовано аварійний контур, розроблений для продування цистерн у разі, якщо апарат зануриться нижче своєї робочої глибини. Цей контур працює автоматично . 1.5. Продування та вентиляція змінного баласту Контур змінного баласту використовує повітря під тиском 100 кг/см², що подається через пневматичний розподільний контур. Трійниковий фітинг розділяє лінію розподілу змінного баласту на дві половини. Одна половина живить цистерну змінного баласту лівого борту, а друга — правого борту. Обидві сторони ідентичні. Манометр контролює тиск у вирівнювальній цистерні. Ці танки також можуть вентилюватися за борт через другу лінію. Вона проходить угору до верхньої частини корпусу апарата через корпусний клапан і виходить назовні через прохід та сітку. Усі контрольні клапани розташовані на посту пілота. 1.6 Контур шлюзу Від редуктора тиску лінія відгалужується від головного пневматичного розподільчого контуру та веде до шлюзової камери Ця лінія, діаметром 12 мм, іде через контрольний клапан і зворотний клапан до шлюзової камери. На лінії встановлено манометр (і відсічний клапан) для контролю тиску в камері, а також додаткову лінію і клапан для можливості вентиляції системи в апарат. Система гідравліки Гідравлічна система PX-15 має дві основні функції: Відкривати та закривати шлюзову камеру; Забезпечувати підтримання тиску в аварійній системі скидання баласту. Усі компоненти цієї системи керуються вручну. Основні компоненти системи: Гідравлічний насос; Резервуар; Перемикач (селекторний) клапан контуру; Акумулятор тиску; Регульований клапан контролю тиску; Сигналізація гідравлічного тиску; Лінії шлюзової камери; Лінії, манометри, фітинги тощо. Ручна гідравлічна система створює тиск у гідроакумуляторах для роботи аварійної баластної системи та люка шлюзової (трансферної) камери. Ручний насос, резервуар, акумулятори, запірні та селекторні клапани розташовані всередині мезоскафа. Введення гідравлічних ліній через корпус з’єднує виконавчі механізми із системою. Аварійний баласт зі сталевим дробом міститься у бункері з кожного борту апарата. У разі аварії дверцята на дні бункера з дробом можуть бути відчинені. Ручний селекторний клапан подає тиск або на аварійну баластну систему, або до клапана шлюзової камери. Зовні корпусу встановлено реверсивний поворотний привід для відкривання та закривання люка шлюзової камери. Підіймальний пристрій Для піднімання апарата під час докових або транспортних операцій чотири посилені точки кріплення приварено до циліндричної частини корпусу в районі шпангоутів 3 і 14. Два вушкові кронштейни, що виступають, мають отвори для штифта діаметром 88 мм із зручним руків’ям. Ці штифти для піднімання встановлюють лише під час підіймальних операцій і знімають під час звичайної експлуатації. Буксирний пристрій Для буксирування передбачено дві вуздечки, одну з яких постійно встановлено в носовій частині. Вуздечка кріпиться до апарата на двох буксирних вушках, приварених до апарата. Для вуздечок використовується нейлоновий канат. Електроживлення та розподіл 1. Головна акумуляторна батарея (АБ) 1.1 Головні батареї АБ для «Бена Франкліна» були виготовлені компанією Electrona у Бодрі, Швейцарія. Елементи є свинцево-кислотного типу (Electrona EP110S) з корпусами, спеціально зробленими для апарата. Кожен елемент, розташований у районі кіля, контактує з морською водою і тому має компенсацію від зовнішнього морського тиску. Елементи утримуються в спеціальній ніші кіля за допомогою неіржавного сталевого фіксатора. На кінці кожного елемента розташований резервуар, який містить приблизно 2 літри електроліту та 8 децилітрів оливи. Передня стінка резервуара зроблена з плексигласу й має маркування для контролю рівня електроліту. Оскільки олива забарвлена барвником, рівень електроліту можна контролювати на межі розділу між електролітом і оливою. Резервуар також оснащено під’єднанням до загального колектора для відведення газу та компенсації тиску. Зливна пробка на резервуарі використовується для вимірювання густини та додавання дистильованої води у разі потреби. АБ можуть бути повністю заряджені за 13 годин на суші або коли апарат перебуває на поверхні води. Під час заряджання батарей утворюється водень, а також споживається приблизно 53,5 см³ дистильованої води на елемент. Однак при запасі 2 літрів електроліту можливі приблизно 30 циклів заряджання без додавання води. Водень — це ще одна проблема. Більша частина утвореного водню виходить назовні; однак 600–800 см³ газу залишаються “захопленими” в кожному елементі ще шість годин після закінчення заряджання. Ця кількість газу впливає на підводну стійкість апарата, оскільки газ стискається під час занурення, через що апарат стає важчим. Піднімаючись у воді, газ розширюється, змушуючи апарат ставати легшим – тому мезоскаф буде нестабільним на глибинах до 100 метрів і стабільним (газ перебуватиме в розчині) на глибинах понад 100 метрів. Під час розряджання водень також утворюється та вивільняється з розчину при тиску 0,5 атмосфери. 1.2 Специфікація – Головна АБ 1000 А·год при 10-годинному режимі (100 ампер); 750 А·год при 3-годинному режимі (250 ампер); Загальна ємність: 750 кВт·год; 2.8 літра (олива та електроліт) у кожному резервуарі; Термін служби — 650 циклів за 3 роки; 30 циклів між доливаннями води; Батарейний корпус — тверда гума; Маса батареї приблизно 72,6 кг; Габарити приблизно: 201 мм завширшки × 535 мм завдовжки × 231 мм заввишки; Максимальний робочий крен – 45°. Для контролю стану батареї встановлено прилад запису ампер-годин, розташований поруч із станцією керування. Акумуляторна система складається з 378 2-вольтових елементів, які можуть бути з’єднані в різні послідовно-паралельні комбінації та згруповані у чотири основні блоки. Загальна енергоємність батареї становить 756 кВт·год. Група A — складається з шести 56-вольтових гірлянд, з’єднаних усередині міцного корпусу, щоб забезпечити 168 вольт (усього 336 вольт). Група B — складається з двох 56-вольтових гірлянд і чотирьох 28-вольтових гірлянд, з’єднаних усередині міцного корпусу, щоб забезпечити 112 В постійного струму та або 28 В постійного струму, або 224 вольта, у серії з групою C, для живлення рушійної установки. Група C — складається з чотирьох 28-вольтових гірлянд, з’єднаних усередині міцного корпусу, щоб забезпечувати або 28 В постійного струму, або 112 вольт, у серії з групою B, для живлення рушійної системи. Група D — складається з трьох 28-вольтових гірлянд, з’єднаних паралельно всередині міцного корпусу для подачі 28 В постійного струму. 2. Аварійна АБ 2.1 Аварійні батареї У випадку, якщо живлення головної батареї буде перервано, компанією D & B Battery Co., DCUA, передбачено 14 свинцево-кислотних елементів із кальцієвою решіткою для живлення системи постійного струму 28 В. Елементи встановлені всередині міцного корпусу позаду душової та туалету. Тип свинцево-кальцієвої батареї особливо підходить для використання в підводних апаратах, оскільки кількість водню, що виділяється під час розряджання, занадто мала, щоб її можна було виміряти. Кожен елемент забезпечує 2.2 В, у сумі — 31 В. Для заряджання використовується зарядний пристрій Model ARF 26 A3D (115 В, 60 Гц). 2.2 Специфікації аварійної АБ (елементи DCUA 13) 168 ампер-годин на елемент × 30 V = 5 кВт·год; Розмір елемента: 273×162 × 187 мм; Маса: 17.24 кг кожен; Напруга елемента в середньому становить від 1,75 до 2,20 вольта протягом терміну служби (від 24,5 до 31 вольта для системи з 14 елементів); Робоча температура: від -17.8°C до +60°C; Густина електроліту повністю зарядженої АБ приблизно 1,300; Повний розряд: 8 годин до 1,75 вольта (168 А·год). 3. Зарядні пристрої Зарядна установка, розташована в автомобілі технічної підтримки, складається з восьми автоматично керованих випрямлячів, поділених на три групи: · Група 1 — 2 зарядні пристрої для 84 елементів кожен (168 В) · Група 2 — 3 зарядні пристрої для 56 елементів кожен (112 В) · Група 3 — 3 зарядні пристрої для 14 елементів кожен (28 В) Випрямлячі змонтовані у восьми шафах приблизно однакового розміру. Охолодження здійснюється природною конвекцією — холодне повітря надходить знизу і виходить зверху. У верхній частині кожного зарядного пристрою розташовані вольтметр, амперметр, ампер-годинний лічильник та вольтметр-реєстратор. Передбачений ключовий перемикач для вибору режиму заряджання. Вхідна напруга — 440 В змінного струму. Можна встановити два режими заряджання: підводне заряджання (коли апарат перебуває у воді); наземне заряджання (коли апарат на суші). 3.1 Підводне заряджання Ця програма дає змогу повністю зарядити батарею за відносно короткий час (близько 13 годин), утворюючи мінімальну кількість газу. Швидше заряджання може спричинити викид сірчаної кислоти. 3.2 Наземне (сервісне) заряджання Ця програма відрізняється від підводної меншою силою струму другого етапу заряджання. Програма дещо довша, оскільки тиск води відсутній і не може запобігти викиду кислоти. Крім того, потрібен нижчий зарядний струм для запобігання підвищенню температури понад 35°C. Окрім восьми вже згаданих зарядних пристроїв, передбачено зарядний пристрій для окремих елементів, який може заряджати від одного до шести елементів одночасно. Вхідна напруга — 110 В змінного струму. 4. Вентиляція і компенсація тиску АБ Оскільки всі основні батареї розташовані поза межами міцного корпусу, передбачено метод для запобігання їх пошколженню під дією тиску морської води — компенсаційна система. Крім того, є засіб для відведення водню, що утворюється в кожному елементі. Система відведення газів і система компенсації морською водою об’єднані в єдину інтегровану систему. Кожен елемент має підвідну трубку, що веде від його резервуара до колектора, розташованого над кілем. Колектор з’єднаний з великим склопластиковим резервуаром, розташованим у передній частині кіля. Резервуар відкритий до моря, тому тиск морської води передається з резервуара в колектор і далі до кожного елемента. Є п’ять колекторів (3 правого борту та 2 лівого), і кожен має два запобіжні клапани для випуску водню. 4.1 Колектор Колекторна система поділена на п’ять секцій, які загалом відповідають електричному групуванню елементів. Колекторні труби виготовлені з поліетилену діаметром 100 мм та товщиною стінки 5 мм, кожна з гвинтовою кришкою на кінцях для очищення. Кожен елемент з’єднаний з колектором гнучким шлангом із прозорого ПВХ діаметром 14 мм, посиленого нейлоновим армуванням, зі спеціальними ПВХ-фітингами. Шланг насаджується на колектор і фіксується накидною гайкою з неопреновою прокладкою. У місці приєднання шланга до колектора передбачена відвідна трубка, що виступає всередину колектора більш ніж на половину свого діаметра. Це запобігає потраплянню морської води в елемент у разі відмови запобіжного клапана, оскільки солона вода потрапляє безпосередньо у головний резервуар. Кожен колектор з’єднаний із верхньою частиною головного резервуара гнучким прозорим ПВХ-шлангом діаметром 38 мм, посиленим нейлоновим армуванням, товщиною стінки 5 мм. У місці підключення шланга до колектора встановлено вигнутий уловлювач, що дозволяє водолазу легко перевірити, чи не проникла морська вода. Вся система містить 1 481 літр мінеральної оливи MARCOL 70, пофарбованої в помаранчевий колір. 4.2 Резервуар Основний компенсувальний резервуар (955), виготовлений з 10-мм склопластику, армованого сталлю. Для його наповнення морською водою використовується ПВХ-труба діаметром 10 см, відкрита до моря у верхній частині резервуара та опущена на кілька міліметрів від дна. Верхній отвір цієї труби знаходиться на одному рівні з рівнем оливи в газових випускних клапанах, розташованих у кожному кінці колекторів. Резервуар має оливозаправний штуцер, зливну пробку та чотири датчики рівня морської води. Датчики розміщені на кормовому кінці резервуара та використовуються для визначення рівня морської води. Нормальні значення: нормальний рівень (75,7 літра морської води); 1/2 повний (302,8 л); 3/4 повний (567,8 л) повний (приблизно 832,7 літра). Зазвичай світиться лише один індикатор. Однак при зануренні апарата інші індикатори вмикаються через надходження морської води до резервуара. Ця додаткова кількість морської води спричинена стисливістю оливи та газу, що знаходиться у кожній комірці (приблизно 0,6 л на комірку). На глибині 61 м у резервуар надходить приблизно 520 літрів морської води, що призведе до ввімкнення трьох індикаторів. 4.3 Вентиляція У системі 10 запобіжних клапанів для розвантажування водню – по одному на кожному кінці колектора. Призначення цих клапанів – дозволити вихід водню з акумуляторних елементів без допуску морської води в систему. Газ потрапляє у нижню частину клапана і накопичується під тиском. У певний момент поплавковий вузол (дві покриті ПВХ сферичні частини, з’єднані разом) виштовхується вниз в оливу, відкриваючи порт, що дозволяє газу виходити у верхню (заповнену морською водою) частину корпусу. Якщо поплавок не рухається вниз, хрускіт тиску приблизно 2 psi змістить сідло клапана і пропустить газ. Порт оточений перевернутим ковпаком, і коли тиск усередині ковпака зростає, він штовхає газ вниз під край, дозволяючи газовим бульбашкам виходити в морську воду. Верхня та нижня частини корпусу клапана зроблені з ПВХ та з’єднані фланцевим з’єднанням. У нижній частині кожного клапана є датчик морської води та трубка, що веде до резервуара з нержавної сталі. Якщо морська вода потрапляє в клапан, вона стікатиме в цей малий резервуар (2½ дюйма діаметром і 6 дюймів довжиною). Перш ніж датчик засвітиться, морська вода має наповнити резервуар і підвести рівень до нижньої частини клапана. Будь-яке накопичення води вище датчика, ймовірно, потрапить у колектор і продовжить рух через одну з ліній, що ведуть до головного резервуара. 5. Розподільча система Перед входженням у корпус, струм від акумуляторної батареї проходить через формовані неопренові з’єднувачі з кабелем, а потім через плавкі запобіжники 400 Ампер, залиті у кабель спеціальною епоксидною системою. Запобіжники встановлено для захисту кабельних введень у разі короткого замикання. Від цих запобіжників 38 відрізків кабелю проходять у корпус через 38 введень, а потім у великі коробки з запобіжниками під палубою в районі введень. Від коробок з запобіжниками кабелі проходять до багаторежимного перемикача у головному електророзподільному щиті. Режимний перемикач, у свою чергу, подає живлення на рухову систему, шину 110 В постійного струму і шину 28 В постійного струму. Є чотири положення цього перемикача: три режими розподілу живлення плюс одне положення для заряджання батарей. Для заряджання батарей 16 кабелів зарядки прокладаються від зарядної станції у машині підтримки до режимного перемикача. Вторинний вибір здійснюється через перемикач батареї B. Основним навантаженням для системи постійного струму є пара статичних інверторів змінної частоти, які живлять маршові двигуни змінним струмом. Наступним за потужністю є два статичні інвертори фіксованої частоти, що живлять двигуни позиціювання маршових двигунів. Система постійного струму також включає подачу 112 В для зовнішнього освітлення та подачу 28 В для бортового обладнання, включно із загальним освітленням. П’ять основних навантажень: Лівий борт, 60 кВА рушійний інвертор (Інвертор I); Правий борт, 60 кВА рушійний інвертор (Інвертор II); Інвертори системи позиціювання маршових двигунів (Інвертори III та IV); Освітлення 112 В постійного струму (зовнішнє) та допоміжне обладнання; Освітлення 28 В постійного струму та внутрішнє обладнання. Внутрішнє обладнання включає два перетворювача 28 В постійного струму в 115 В, 60 Гц для обмеженого використання. Два статичні інвертори, що працюють від 336 В постійного струму, живлять чотири головні двигуни. Два статичні інвертори перетворюють 168 В постійного струму на 115 В змінного струму для двигунів позиціювання. Інвертори розташовані в середній частині корпусу, але керуються з поста керування. Головні інвертори є трифазними та забезпечують реверсування головних двигунів. Вихідна частота головних інверторів може змінюватися від 5 Гц при 70 В змінного струму до 50 Гц при 220 В змінного струму. Схема захисту від надструму передбачена для запобігання пошкодженням як у вхідній, так і у вихідній секціях Інвертори для двигунів позиціонування — інвертори фіксованої частоти . Вони змонтовані так, щоб дозволити реверсування позиційних двигунів типу Pleuger H5-S-10-4. Вихід вторинного інвертора становить 115 В змінного струму при 60 Гц. Система життезабезпечення 1. Норми забезпечення Проєктування елементів систем життєзабезпечення (СЖЗ) автономних місій базується на метаболічних потребах екіпажа. Окрім фізіологічних потреб, необхідно також передбачити забезпечення водою для санітарно-гігієнічних та побутових потреб. Норми забезпечення, використані для місії підводного дрейфу, наведені в таблиці нижче: 2. Місткість резервуарів Загальний обсяг питної води розподілено між двома системами зберігання, що забезпечують воду різної температури: Холодна Вода: Половина питної води зберігається в резервуарах, які мають добрий тепловий контакт із обшивкою корпусу. Це забезпечує охолоджену питну воду. Місткість — 1 360 кг. Гаряча Вода: Решта питної води зберігається в добре ізольованих резервуарах при температурі близько 99°C (210°F). Місткість гарячої води — 725 кг. Ця вода використовується головним чином для відновлення (розведення) ліофілізованих продуктів. Зберігання гарячої води було обрано замість електронагріву холодної води з метою мінімізації ваги та витрат електроенергії. Зберігання Кисню. Кисень для дихання екіпажу зберігається у двох кріогенних цистернах місткістю по 225 кг кожний у рідкому вигляді. Загальний запас кисню: 450 кг (2×225 кг). 3. Переробка відходів Система переробки відходів здійснює хімічну обробку та зберігання метаболічних відходів на борту. У такій конфігурації потрібен мінімальний обсяг енергії, а також немає потреби у прокладанні трубопроводів крізь корпус. Система споживає енергію лише для роботи мацератора та пристрою видалення запахів — і обидва працюють дуже короткий час. Усі операції з відкачування та промивання виконуються за допомогою ручних механізмів. Відходи зберігаються у цистернах, розташованих під палубою між шпангоутами. Шість таких цистерн здатні вмістити 2 721 кг відходів. 4. Очищення повітря Очищення повітря потребує контролю рівня CO₂, запахів і забруднювачів, останні з яких утворюються внаслідок метаболічних процесів людини та роботи обладнання і матеріалів усередині корпусу. Гідроксид літію (LiOH) використовується для поглинання CO₂. Щоб заощаджувати електроенергію, LiOH застосовується в конфігураціях панелей, розташованих по всьому апарату, щоб природні конвекційні потоки у міцному корпусі проходили через них. Ці панелі також містять активоване вугілля для видалення запахів і деяких видів забруднювачів. Необхідна маса панелей LiOH розрахована як 1,81 кг (4 фунти) на людину на добу. Забруднювачі, які не абсорбуються вугіллям, нейтралізуються портативним активним пристроєм для видалення запахів, який складається з вентилятора, хімічного абсорбуючого сектора та сектора хімічного окислення. Цей пристрій активується періодично, коли рівень забруднювачів досягатиме значних значень. Рівні забруднювачів визначаються за допомогою газоаналізаторних трубок Dräger. Приблизно 40 різних типів трубок доступно для контролю очікуваного спектра газових забруднювачів. Ця система не потребує електроживлення. Вимірювання виконуються шляхом вставляння трубки в ручний насос, відламування її кінчика та накачування в неї певної кількості навколишнього повітря. Хімічна речовина всередині каліброваної трубки змінює колір уздовж її довжини пропорційно до концентрації конкретного забруднювача. Кожне вимірювання займає приблизно одну хвилину. Як резервний, протягом місії "Гольфстрим" використовувався газоаналізатор Fyrite, який добре працював. При досягненні рівня чадного газу 20 ppm запускався активний пристрій видалення забруднюючих речовин на 1 годину, при рівні 30 ppm — на 4 години. 5. Температура та вологість Контроль температури й вологості атмосфери всередині корпусу здійснюється повністю пасивними засобами. Для місії дрейфу в Гольфстримі попередній аналіз показував, що внутрішня температура апарата становитиме приблизно на 5,6–8,3 °C вище температури морської води. Температура всередині апарата повинна залишатися в межах від 17°C до 27 °C у відповідності з очікуваним діапазоном температур морської води в районі Гольфстриму, і це без потреби в теплоізоляції корпусу. Неізольовані стінки конденсуватимуть вологу та підтримуватимуть відносну вологість на рівні 40–70 % під час дрейфу. Для місій у холодніших водах може знадобитися активне опалення та осушення повітря — залежно від чисельності екіпажу та тепловиділення обладнання. 6. Використання під час місії За можливим винятком регулювання температури, вологості та використання кисневих масок, наявні системи життєзабезпечення у своїй теперішній конфігурації є достатніми для екіпажу до 12 осіб протягом короткотривалих періодів. Компанія Grumman проводила ретельний аналіз вимог до систем життєзабезпечення для кожної місії "Бена Франкліна" щоб гарантувати, що безпека апарата та його екіпажа не буде порушена. Аварійне обладнання 1. Аварійне обладнання у випадку неможливості спливання мезоскафа Аварійний баласт сталевого дробу Система складається з двох бункерів, котрі утримують по 3 тонни залізного дробу у кожному бункері. Система забезпечує швидкий його скид, щоб створити значну позитивну плавучість у разі труднощів із спливанням штатними методами. Ця система повністю незалежна від електроживлення. Система працює так: Гідравлічний тиск 140 кг/см² накопичується в акумуляторі, який утримує лівий і правий гідравлічні поршні у положенні, що не дозволяє відкритися люкам у нижній частині кожного бункера. Після відкривання клапана, який дає змогу гідравлічній рідині повернутися до резервуара, тиск на поршень знімається, і люк відкривається. Вага дробу переміщує поршень до протилежного кінця циліндра після зняття тиску; Відкритий люк дає змогу дробу швидко висипатися; У разі заклинювання поршня через корозію чи інші причини гідравлічну рідину можна подати на протилежний бік поршня, щоб створити додаткову силу. Швидке послідовне відкривання клапанів забезпечує виконання всієї операції, включно з подаванням тиску на зворотний бік поршня. Поршень подвійної дії виготовлено компанією HYDRO-LUXE у Швейцарії та модифіковано для використання на борту «Бена Франкліна». 2. Аварійне обладнання для дихання екіпажа Окрім аптечки першої допомоги, на борту передбачено аварійне постачання кисню та протипожежне оснащення. Аварійне подання O₂ використовується в разі потрапляння диму або інших подразників в атмосферу корпусу. Хоча для спливання та відкриття люка зазвичай потрібно лише кілька хвилин, запас аварійного кисню розраховано щонайменше на чотири години. Передбачено шість масок, кожна масою близько 6,35 кг (14 фунтів). Маски працюють на основі супероксиду, який одночасно абсорбує CO₂ та генерує O₂. Науково-дослідне обладнання Ілюмінатори: 29 одиниць; Підводна телевізійна система Hydro Products TV — встановлена на механізмі панорамування та нахилу, обладнана йодид-талієвою лампою потужністю 250 Вт. Цей блок розташований у передній нижній частині обтічника апарата для переднього та нижнього огляду; Телебачення — встановлена підводна телевізійна система Eastman; Корисне навантаження — 5 тонн. Екіпаж Багатонаціональний екіпаж мезоскафа "Бен Франклін" складали 6 гідронавтів: Жак Піккар (фр. Jacques Piccard) — старший науковець на борту, а також конструктор та інженер апарата (Швейцарія); Дон Казимир (англ.Donald J.Kazimir) — капітан та колишній офіцер підводного човна ВМС США (США); Ервін Еберсольд (англ. Erwin Aebersold) — пілот, льотчик із великим досвідом (Швейцарія); Френк Басбі (англ. Frank Busby) — океанограф ВМС США, мав найбільший досвід роботи на підводних апаратах (США); Кен Хег (англ. Kenneth Haigh) — акустик, океанограф Королівського флоту Великої Британії (Велика Британія); Чет Мей (англ. Chester May) — науковець НАСА, відповідальний за спостереження за екіпажем (США). Вплив У 2008 році артисти Матьє Рульманн та Селер спільно випустили альбом під назвою Mesoscaphe, присвячений подорожі «Бена Франкліна». Твори чи публікації https://www.youtube.com/watch?v=Wgn7D7UfsYs — Фільм ВМС США 1971 року про подорож "Бен Франкліна". https://www.youtube.com/watch?v=C7eAg28Ckhk— Будівництво мезоскафа https://www.youtube.com/watch?v=cRmFYJxu5F0 —інтер’єр та капітан Дон Казимир на штурманському місці https://www.youtube.com/watch?v=3UVnbIv--UI — "Бен Франклін" у Морському музеї Ванкувера. https://oceandata.sci.gsfc.nasa.gov/gallery/646/ 50-та річниця експедиції "Гольфстрим" Див. також Мезоскаф "Огюст Піккар" (мезоскаф) Примітки Джерела Войтов Д. В. «Подводные обитаемые аппараты» — АСТ, Астрель — Москва—2002 —303с. Посилання https://web.archive.org/web/20160916210646/http://seawifs.gsfc.nasa.gov/FRANKLIN/HTML/ben_franklin.html https://web.archive.org/web/20090118123851/http://seawifs.gsfc.nasa.gov/FRANKLIN/HTML/FSTSS/FSTSS_intro.html https://web.archive.org/web/20040211145043/http://seawifs.gsfc.nasa.gov/FRANKLIN/HTML/franklin_captains_log.html