Как покорить глубину претендента с помощью парового двигателя?

Обзор

Одна из основных проблем для подводной лодки с паровым двигателем, которая уходит на большие глубины, заключается в том, что для сгорания паровой энергии требуется избыток кислорода. В то время системы сжатого воздуха разрабатывались как передовые технологии, но лишь незначительно улучшали ситуацию.

До тех пор, пока в начале 1900-х годов не были разработаны практические электрические батареи и двигатели, за одним исключением, подводные лодки могли перемещаться всего на несколько десятков футов под поверхностью и должны были приводиться в движение вручную (в основном прославляя греблю), потому что они не могли сжигать топливо в котлах. чтобы поддерживать работу корабля, или должны были полагаться на подводное плавание над уровнем моря, и в основном это были просто надводные корабли с большей частью осадки под водой.

Другая серьезная проблема заключалась в том, что теперь можно было построить подводную лодку, достаточно прочную, чтобы выдерживать давление моря, превышающее давление моря на глубине 500 метров в тот период времени.

Некоторые из заметных исторических событий в этом направлении обсуждаются ниже, после чего следует альтернативный подход, который был бы более правдоподобным. Но гибрид некоторых из этих технологий, приспособленный для того, чтобы некоторые из ненужных идей (например, электрическое освещение), которые были разработаны позже, были удалены, делает концепцию, по крайней мере, вообразимой и возможной.

Погружной аппарат на паровой тяге: USS Monitor

USS Monitor ( показан выше, как он выглядел в море) был военным кораблем с паровой тягой, поступившим на вооружение в 1861 году и использовавшимся во время Гражданской войны в США.

Первая паровая подводная лодка

Первая из когда- либо построенных подводных лодок с паровым двигателем , Ictíneo II, реконструкция которой показана выше (на основе предшественника 1859 года), была спущена на воду в 1867 году и совершила около двадцати погружений в течение двух лет. Это стало возможным благодаря первой в мире воздушно-независимой силовой установке, подвиг, который не повторялся еще около 70 лет в 1940-х годах. Его теоретическая максимальная глубина составляла 500 метров, но на самом деле он никогда не работал глубже 50 метров и теоретически мог оставаться под водой до восьми часов.

Ictíneo (от греческих слов «рыба» и «корабль») был спущен на воду в 1859 году в гавани Барселоны. . . . Подводная лодка, сделанная из оливкового дерева, поддерживаемая дубовыми кольцами и обшитая медью толщиной два миллиметра, имела длину всего 23 фута (7 метров) и едва ли имела достаточно места для капитана и экипажа из четырех человек, которые приводили корабль в движение. . . .в случае возникновения чрезвычайной ситуации грузы можно было немедленно сбросить на поверхность. Стеклянные порты сбоку, сверху и в носовой части были спроектированы таким образом, чтобы давление воды протолкнуло их внутрь корпуса, что сделало протечки практически невозможными. . . . Внутренняя часть подводной лодки была освещена свечой, израсходовавшей драгоценный кислород, хотя и служившей интегральным индикатором, когда кислород начал заканчиваться. . . . Машина могла оставаться под водой в течение 2 часов и погружаться на глубину до 20 метров. . . . Роберт Фултон, американец, живший в то время во Франции, разработал успешный «Наутилус», испытания которого начались в Сене в 1800 году. Он мог оставаться под водой в течение 5 часов с помощью сжатого воздуха. Немецкий изобретатель Вильгельм Бауэр спустил на воду свой «Брандтаухер» в 1850 году и свой «Зетойфель» в 1856 году (оба затонули). Американский изобретатель Гораций Ханли спустил на воду «HLHunley», первую подводную лодку, потопившую вражеский военный корабль (и первую подводную лодку, которая 3 раза потопила себя, убив 25 человек) в 1863 году, несколько лет спустя [.] . . . Каким бы современным ни был Ictíneo по сравнению с его многочисленными современниками, у него все же были те же основные недостатки, которыми обладали многие подводные лодки того времени: ограниченный радиус действия из-за ограниченной подачи воздуха и очень низкая скорость. Все ранние подводные лодки приводились в движение мускулами человека.

«Наутилус» был оснащен парусом, но, очевидно, его можно было использовать только при движении по поверхности. Под водой корабль приводился в движение винтовым винтом, вращаемым вручную. Ictíneo использовал педальный привод, и для достижения скорости 1 миля в час требовалось 4 человека (примерно такая же скорость, как у подводной гребной лодки, разработанной 3 века назад). Этого темпа не всегда было достаточно, чтобы преодолеть влияние течений и приливов. . . .

Когда Ictíneo I был раздавлен грузовым судном во время стоянки в порту Барселоны, Монтуриоль решил спроектировать более крупную подводную лодку с паровым приводом. Ictíneo II, который более чем в два раза длиннее Ictineo I, был спущен на воду между 1864 (с использованием человеческой силы) и 1867 (с паровой силой). Она стала первой в мире подводной лодкой с двигателем внутреннего сгорания.

В то время считалось, что паровой двигатель практически невозможно запустить под водой, потому что он израсходует весь кислород и превратит внутреннюю часть корабля в печь. Чтобы преодолеть это, Монтуриоль изобрел химическую печь, основанную на реакции между хлоратом калия, цинком и диоксидом марганца — процесс, который производил достаточно тепла, чтобы вскипятить воду для запуска паровой машины. Чтобы дополнить эту изобретательность, реакция выделяла кислород в качестве побочного продукта.

Монтуриоль успешно разрешил два основных препятствия, с которыми сталкивались изобретатели подводных лодок: подача воздуха и механическая мощность. Фактически, он разработал раннюю форму анаэробного (независимого от воздуха) двигателя, который был повторен только в 1940-х годах с турбиной Вальтера в Германии и, наконец, с первой атомной подводной лодкой, USS Nautilus.

Ictineo II был первым в своем роде, обеспечивающим собственный кислород, без регулярного всплытия или использования трубки, как это видно на Nautilus. . . . Из-за всего оборудования на судне только 2 человека могли поместиться в подводной лодке, изначально рассчитанной на экипаж из 20 человек. Ictíneo II совершил почти 20 безаварийных демонстрационных заездов. Он мог оставаться под водой в течение восьми часов и погружаться на глубину до 50 метров. Монтуриоль рассчитал, что максимально возможная глубина составляет 500 метров, но решил не рисковать погружаться на такую ​​глубину.

В 1868 году, вскоре после спуска на воду, новаторский Ictíneo II был конфискован верфью и отправлен на слом вместе со своим предшественником. Причина? Монтуриоль не мог платить по счетам.

Единственная известная паровая подводная лодка

Самыми известными историческими паровыми подводными лодками были британские подводные лодки класса K, спроектированные в 1913 году, и в конечном итоге они были признаны большой неудачей (на фотографии выше изображена одна из них, которая села на мель).

Подводные лодки стали более опасными, потому что восемь внутренних переборок были спроектированы и испытаны во время разработки, чтобы выдерживать давление, эквивалентное всего 70 футам (21 м) , что может привести к их обрушению, если корпус будет поврежден на глубине ниже этой цифры. . . . Погружение с паровой надводной части обычно требовало 30 минут. Минимальное время, необходимое для закрепления главных двигателей, переключения на аккумуляторные двигателии погружение в аварийных условиях составляло почти 5 минут, что, хотя и лучше, чем 15 минут прототипа Swordfish, считалось едва достаточным. Пожары в котлах были сначала потушены, чтобы предотвратить скопление дыма под водой: сложная серия гидравлических и механических стержней и рычагов опускала двойные воронки друг от друга в горизонтальное положение в колодцах в надстройке, а также одновременно закрывая люки над приемниками воронок. . Главные всасывающие вентиляторы также были закрыты вместе с патрубками забортной воды для конденсаторов и питания котлов. Считалось, что с их скоростью 24 узла (44 км / ч; 28 миль в час) подводные лодки могли развернуться и обогнать практически любую угрозу, если они будут атакованы в надводном положении, без необходимости быстрого пикирования. Возможно, это было желаемое за действительное,

Наиболее часто цитируемая жалоба на этот класс заключалась в том, что у подводных лодок было «слишком много проклятых дыр ...» или отверстий в прочном корпусе, которые необходимо было закрепить перед началом погружения, большинство из которых обеспечивало доступ с воздуха / моря к частям подводной лодки. лодка обычно беспилотная во время погружения.

Более серьезной проблемой была высокая температура в котельной, которая была частично смягчена установкой более крупных вентиляторов. Испарение на скорости имело тенденцию толкать нос в воду, ухудшая и без того плохие мореходные качества. Чтобы исправить это, был добавлен выпуклый нос в форме лебедя, который также включал балластную цистерну с «быстрым выдуванием» для улучшения управляемости. Тем не менее, проблемы все еще были; самым неприятным было то, что во время сильного шторма морская вода могла попасть в лодку через короткие сдвоенные трубы и потушить котел. . . . K3 установил неофициальный рекорд максимальной глубины погружения (266 футов (81 м)) после неконтролируемого спуска на дно Пентленд-Ферт. Кораблю удалось всплыть без дальнейших трудностей, несмотря на то, что он провел незарегистрированный период ниже «глубины сокрушения».

Улучшенная более поздняя версия достигла максимальной номинальной глубины погружения 250 футов (76 м).

Альтернативные решения

Альтернативный подход состоял бы в том, чтобы построить очень прочный водолазный колокол или батисферу (показан выше), который поднимался и опускался с помощью лебедки с парового корабля на поверхности.

Батисфера (греч. βαθύς, Bathus, «глубокий» и σφαῖρα, sphaira, «сфера») была уникальной сферической глубоководной подводной лодкой, которая была обесточена и опускалась в океан на тросе и использовалась для проведения серии погружений. у побережья Бермудских островов с 1930 по 1934 год. Батисфера была спроектирована в 1928 и 1929 годах американским инженером Отисом Бартоном для использования натуралистом Уильямом Бибом для изучения подводной дикой природы. Биб и Бартон вместе совершили погружения в батисферу, что стало первым случаем, когда морской биолог наблюдал за глубоководными животными в их естественной среде. Их погружения установили несколько последовательных мировых рекордов самого глубокого погружения, когда-либо совершаемого человеком. Рекорд, установленный самым глубоким из них, на глубину 3028 футов 15 августа 1934 года, продержался до тех пор, пока его не побил Бартон в 1949 году.

По состоянию на конец 1920-х годов самая большая глубина, на которую люди могли безопасно погрузиться в водолазных шлемах, составляла 100 футов, поскольку за этой точкой давление становится слишком большим. Подводные лодки того времени опускались максимум на 383 фута, но не имели окон, что делало их бесполезными для цели Биба по наблюдению за глубоководными животными. Самая большая глубина океана, на которую когда-либо спускался человек, составляла 525 футов в бронированном костюме, но эти костюмы также чрезвычайно затрудняли движение и наблюдение. То, что Биб надеялся создать, было глубоководным судном, которое могло бы погружаться на гораздо большую глубину, чем до сих пор спускался любой человек, а также позволяло бы ему четко наблюдать и документировать дикую природу глубокого океана.

Дизайн Бартона требовал сферического сосуда, поскольку сфера - наилучшая возможная форма для сопротивления высокому давлению. В сфере были отверстия для трех окон толщиной 3 дюйма (76 мм), сделанных из плавленого кварца, самого прочного прозрачного материала, доступного на тот момент, а также входной люк весом 400 фунтов, который нужно было завинтить перед спуском. Первоначально на сфере были установлены только два окна, а вместо третьего окна была установлена ​​стальная заглушка. Кислород подавался из баллонов высокого давления, находящихся внутри сферы, а внутри стенок сферы устанавливались емкости с натронной известью и хлоридом кальция для поглощения выдыхаемого CO2 и влаги. Пассажиры Батисферы должны были прогонять воздух мимо этих лотков с помощью вентиляторов из пальмовых листьев.

General Electric предоставила лампу, которая должна была быть установлена ​​внутри одного из окон, чтобы освещать животных за пределами сферы, а Bell Laboratories предоставила телефонную систему, с помощью которой водолазы внутри сферы могли общаться с поверхностью. Кабели для телефона и для обеспечения электричеством лампы были запаяны внутри резинового шланга, который входил в корпус батисферы через сальник. . . . После того, как первоначальная версия сферы была отлита в июне 1929 года, было обнаружено, что она слишком тяжелая, чтобы ее можно было поднять лебедкой, которая будет использоваться для опускания ее в океан, что потребовало от Бартона расплавить сферу и заново отлить. . Окончательная, более легкая конструкция состояла из полой сферы из литой стали толщиной 1 дюйм (25 мм) и диаметром 4,75 фута (1,5 м). Его вес составлял 2,25 тонны над водой,

Хотя на самом деле это было разработано в 1928 году, согласно предыдущему сообщению StackExchange по этой теме , необходимая технология существовала к концу 1800-х годов.

Похоже, что сила лебедки, а не способность конструкции противостоять давлению, была ограничивающим фактором максимальной глубины батисферы, и эту проблему можно было решить в эпоху пара с помощью более амбициозного источника финансирования.

Давление на дне Марианской впадины составляет около 8 тонн на квадратный дюйм... около 1000 атмосфер. Вы не можете сделать воду достаточно горячей, чтобы закипеть при такой температуре, поэтому ваш котел должен быть внутри сосуда высокого давления подводной лодки.

Паровой машине нужен источник тепла... много тепла. То есть вам нужно будет сидеть рядом с топкой и котлом внутри герметичной стальной банки.

Таким образом, у вас очень быстро кончится воздух, у вас там будет огонь, а не только несколько человек, люди, пытающиеся зажечь огонь, умрут от удушья задолго до того, как они доберутся до такой глубины. Это хуже, чем запуск двигателя внутреннего сгорания в герметичном контейнере ... подводные лодки никогда не могли работать под водой на дизельных или бензиновых двигателях, им либо нужны были дыхательные трубки, либо они работали на батареях, когда они работали немного глубже, чем просто под водой до атомные подводные лодки. Посмотрите на «лучшее», что можно было сделать с использованием пара и подводных судов в 1860-х годах ... например, USS Monitor затонул, потому что вода попала через вентиляционные отверстия.

Если вы запускаете паровой двигатель на подводной лодке, вам нужно получить привод к гребным винтам вне корпуса высокого давления. Поэтому вам нужны вращающиеся уплотнения, способные выдерживать давление в 1000 атмосфер без утечек. Это огромный запрос на технологию, которая только что изобрела паровой двигатель.

Итак, в раннюю эру пара у вас должен быть источник тепла, не связанный с огнем (вам нужна работающая атомная промышленность?), и вам нужен какой-то способ получить привод через сосуд высокого давления (вам нужны работающие генераторы и электродвигатели). ?). Вы просите очень несбалансированный цикл разработки, мир с ядерными реакторами и генераторами, в котором уже нет технологий паровых двигателей... это немного похоже на то, что средневековые рыцари должны быть вооружены световыми мечами.

Это невозможно, потому что Бездна Челленджера не была известна во времена паровых машин.

Бездна Челленджера была обнаружена в 1875 году, но до 1950-х годов о ее настоящей глубине ничего не было известно. Гипотетическая подводная лодка, пытающаяся достичь его в 1876 году, должна была пройти всего 8000 метров. Но это реальная глубина 11.000.

В своей книге « Семь миль вниз» Жак Пикар рассказывает, что всего за десять лет до своего исторического путешествия на дно бездны в 1960 году он считал Филиппинскую впадину самым глубоким местом на Земле.