Aqualung и история регуляторостроения

Aqualung и история регуляторостроения

Каждый, кто занимается подводным плаванием, знает, что идея регулятора для погружений на сжатом воздухе принадлежит Ж.-И. Кусто. Но идея, как это часто случается, так и осталась бы идеей (у офицера в отставке не было денег), если бы не другой талант Кусто - талант убеждать.
Он убедил руководство компании Air Liquide (мирового лидера газовых технологий, поставляющего кислород, азот, водород и другие газы для нужд различных отраслей промышленности - от пищевой до ракетостроения) в перспективности своей идеи.
Air Liquide приняла решение помочь талантливому энтузиасту и выделила ему в помощь инженера Эмиля Ганьяна.
Нужно было иметь серьезные основания, чтобы в самый разгар войны финансировать какие-либо проекты. И основания для этого были. К тому времени в водолазном деле использовались в основном два вида снаряжения: традиционное вентилируемое, где воздух подается с поверхности по шлангу, и сравнительно новое регенеративное с замкнутым циклом дыхания (вдох из аппарата, выдох в аппарат), работающее на чистом кислороде.
Оба вида снаряжения имели существенные недостатки. Вентилируемое снаряжение громоздкое, в нем можно только ходить по грунту. В регенеративном снаряжении хотя и можно плавать, но оно непростое в обслуживании и имеет ограничения по глубине. Требовалось где-то брать кислород, регенеративное вещество. И что немаловажно - кислород взрывоопасен.

Напрашивался простой вывод - надо использовать сжатый воздух. В это время уже существовали стальные баллоны со сжатым воздухом. Правда, пока в основном 7-литровые, но уже с рабочим давлением 150 атмосфер. Вот только не было механизма, который мог бы автоматически понижать это давление до необходимой величины.
Известно, что человек может нормально дышать только в том случае, если давление вдыхаемого воздуха равно давлению окружающей среды. Именно идею создания такого механизма Ж.-И. Кусто принес в компанию Air Liquide в 1943 году.

И вот уже в 1945 году появляется первый регулятор CG45 (Cousteau-Gagnan 45). С легкой руки Ж.-И. Кусто прижилось название изделия - "акваланг" (aqualung - "водные легкие"), а впоследствии и название компании Aqualung - бессменного лидера в индустрии снаряжения для подводного плавания.
В 1946 году компания Air Liquide создает фирму La Spirotechnique (Spiro) для массового производства и продажи нового изделия. Этот момент можно рассматривать как начало истории "регуляторостроения" и преодоление первого этапа - возможности дыхания под водой с использованием воздуха при автономном погружении.
В течение дальнейших 55 лет инженерная мысль работала над тем, чтобы создать качественный, надежный и, что немаловажно, доступный по цене регулятор.
Характеризуя регулятор CG45, можно сказать, что он давал только возможность дышать под водой. О качестве самого дыхания пока речи не шло. Одноступенчатый с гофрированными трубками вдоха и выдоха, громоздкий, нетехнологичный, с большим сопротивлением дыханию и, в конце концов, дорогой регулятор тем не менее пользовался таким спросом, что компания Air Liquide для его реализации в США была вынуждена создать в 1947 году фирму US Divers.

Разработчики Spiro видели необходимость доработки CG45, и к 1955 году создали регулятор Mistral. Этот регулятор был меньших габаритов, но проблемы, которые были в CG45, кардинально решены не были. Например, работа дыхания на глубине 50 метров у регулятора Mistral по сегодняшним меркам была просто чудовищной - 4.5 Дж/л. Все те же гофрированные трубки вдоха и выдоха, нетехнологичный в изготовлении корпус говорили о том, что доработка регулятора такого типа - тупиковый путь.
Параллельно созданию регулятора Mistral инженеры Spiro сформулировали принципы, которые определили пути развития "регуляторостроения" на многие десятилетия вперед.
Даже сегодня, уже в XXI веке, у тех, кто разрабатывает и производит регуляторы, не вызывает сомнений то, что регулятор должен быть двухступенчатым. Первая ступень - редуктор, который понижает высокое давление в баллонах до среднего. Редуктор может быть или мембранным, или поршневым. Вторая ступень - дыхательный автомат, в котором давление понижается от среднего до давления окружающей среды, а вдох и выдох осуществляются не как в "Мистрали" - в разные камеры дыхательного автомата, а в одну.

По этим принципам в 1956 году был создан первый поршневой несбалансированный регулятор Aquamatic, a в 1958 - первый поршневой сбалансированный Aquilon.
Надо сказать, что до середины 60-х годов Spiro была единственной в мире фирмой, которая имела технологическую базу для производства регуляторов в промышленных количествах. В отсутствие конкурентной борьбы довольно просто было остановиться на достигнутом, но, к чести компании, этого не случилось.
Еще один этап был завершен, а проблем и вопросов меньше не стало. Стало понятно, что мало просто обеспечить дыхание под водой, а надо сделать его максимально комфортным, приближенным к нормальным условиям дыхания человека на поверхности. Начался этап, который продолжается до сих пор - этап борьбы за качество дыхания.
Главная задача, которую теперь предстояло решить, можно сформулировать так: регулятор должен подавать на вдох в единицу времени столько воздуха, сколько необходимо подводному пловцу для осуществления нормального дыхания, не больше и не меньше, причем независимо от глубины.
Если больше (постоянная подача), то есть риск прорыва легочных тканей (баротравма легких), если меньше - та же самая баротравма плюс кислородное голодание. Баротравмы - это, конечно, крайности, но и в том и в другом случае это как минимум дискомфорт.

Может показаться странным, но эффект Вентури (инжектирование) был в то время большой проблемой для разработчиков.
Подводный пловец при плавании с однокамерным дыхательным автоматом большую часть времени проводит лицом вниз; давление на мембрану дыхательного автомата со стороны воды в таком положении больше, чем в камере вдоха. Мембрана прогибается, давит на рычаг, а рычаг открывает клапан. При поступлении воздуха в камеру дыхательного автомата за счет инжектирования мембрана еще больше прогибается, еще больше опускает рычаг, еще больше открывает клапан - происходит самопроизвольное стравливание воздуха.

В рамках борьбы с самопроизвольным стравливанием для регулятора Aquamatic в 1956 году был создан, если можно так выразиться, "боковой дыхательный автомат". Впоследствии его форму повторила компания Poseidon в своем регуляторе Cyclon. Понятна логика создания такого дыхательного автомата. Как бы вы ни опускали и ни поднимали голову - давление на мембрану со стороны воды и внутри дыхательного автомата одинаково.
Кроме того, при движении пловца лицом вперед не создается давление воды на мембрану, что до некоторой степени предотвращает самопроизвольное стравливание.
Однако разработчики и технологи фирмы Spiro отказались развивать идею "боковых" дыхательных автоматов, так как они были дороги в изготовлении и увеличивали стоимость регулятора. Даже сегодня регуляторы фирмы Poseidon имеют несколько большую стоимость, чем аналогичные у других фирм - именно из-за такой конструкции дыхательного автомата.

Направив свои силы на "обуздание" самопроизвольного стравливания воздуха, Spiro в 1970 году создала механизм управления потоком воздуха в дыхательном автомате, и эффект Вентури (инжектирование) поступил на службу человеку.
В том же 1970 году появляется новый регулятор Alize, в котором впервые и, как показала практика, навсегда клапан вдоха дыхательного автомата стал поточным. До этого он был противоточным, т.е. закрывался со стороны шланга давлением воздуха.
Подобная конструкция дыхательного автомата была небезопасна. В случае нарушения работы редуктора давление под клапаном вдоха могло вырастать, и это приводило бы к разрушению шланга.

Для того чтобы предупреждать рост давления, в порт среднего давления редуктора вкручивался предохранительный клапан. Этот узел делал регулятор дороже, и от него было решено отказаться, сделав в дыхательном автомате клапан поточным, который вместе с пружиной, помимо обеспечения вдоха, взял на себя функцию предохранительного клапана.
Другая, не менее важная проблема, стоявшая перед разработчиками регуляторов, - зависимость работы редуктора от давления в баллонах. Несбалансированные редукторы работали хорошо, но только на небольших глубинах и при давлении в баллонах не менее 50 атмосфер. Как только давление в баллонах становилось ниже этой величины, редуктор начинал подавать воздух так медленно, что дыхание становилось практически невозможным.

Эта проблема решилась созданием сбалансированной 1-й ступени регулятора. И тут наблюдается интересная закономерность. Переход от мембранного несбалансированного к мембранному сбалансированному редуктору не приводил к серьезным изменениям в конструкции - в то время как сбалансированный поршневой имел гораздо более сложную конструкцию, и себестоимость его производства была как минимум в два раза больше себестоимости поршневого несбалансированного.
Более того, производство сбалансированного поршневого редуктора обходилось дороже производства сбалансированного мембранного. Но с высокой стоимостью сбалансированного поршневого редуктора можно было бы мириться, если бы он имел лучшие рабочие характеристики.

Что мы имеем в виду, когда говорим про характеристики первой ступени? Одна из главных, если не главная характеристика редуктора - это падение давления в его камере.
Когда делается вдох, порция отредуцированного воздуха под средним давлением переходит в дыхательный автомат, а оттуда - на вдох в легкие. Клапан редуктора открывается, и из баллона в камеру редуктора поступает следующая порция воздуха.
Так вот, величина падения давления в камере редуктора показывает, как быстро поступает порция воздуха из баллона в редуктор. Любой подводный пловец сам способен увидеть падение давления в камере редуктора.

Для этого нужно вкрутить в порт среднего давления проверочный манометр, подсоединить регулятор к баллону и сделать вдох. Стрелка на манометре отклонится и вернется в прежнее положение, показывая установочное давление редуктора. Величина, на которую отклоняется стрелка, и есть характеристика падения давления в камере редуктора.
Чем меньше падение давления, тем быстрее поступает очередная порция воздуха. Величина падения в камере любого мембранного сбалансированного редуктора не больше 0.5 бар, а у самого хорошего поршневого сбалансированного - 1 бар.

Кроме того, установочное давление поршневого редуктора либо нельзя изменить вообще, либо можно изменить только при полной разборке редуктора, что сильно усложняет техническое обслуживание такого регулятора.
Попытки сделать и без того недешевый поршневой сбалансированный редуктор еще и необмерзающим (использование силикона, покрытие пружины тефлоном и пр.) привели к еще большему его удорожанию и еще большему усложнению его технического обслуживания.
А потому подавляющее большинство тех, кто занимается экстремальными видами дайвинга, в основном используют сбалансированные мембранные регуляторы таких фирм, как Apeks, Poseidon, Aqua Lung.

Судя по тому, что на протяжении последних 30 лет поршневой редуктор дорабатывается с целью улучшения его характеристик, а мембранные сбалансированные не претерпевают качественных изменений в конструкции и при этом продолжают выдавать лучшие характеристики, путь улучшения поршневых регуляторов малоперспективный.
Однако с точки зрения соотношения "цена/качество" поршневые несбалансированные регуляторы будут еще долго использоваться, потому что они просты, надежны, дешевы и легки в обслуживании.

Вернемся к истории. Как уже говорилось выше, до середины шестидесятых годов фирма La Spirotechnique была монополистом в разработке и производстве регуляторов. Новые конструктивные решения, введение новых технологий были не результатом конкурентной борьбы, а плановой работой по усовершенствованию регуляторов.
К 1970 г. на рынке снаряжения по подводному плаванию существует уже немало компаний, занимающихся разработкой и производством регуляторов. Они тоже вносят свой вклад в борьбу за качество дыхания. Scubapro, например, впервые использует автоматическое управление эффектом Вентури, создает сбалансированный дыхательный автомат, переносит из профессионального водолазного снаряжения винт регулировки усилия пружины дыхательного автомата, доводит сбалансированный поршневой редуктор до такого состояния, что ожидать дальнейшего улучшения его характеристик вряд ли возможно.

Компания Poseidon в дыхательном автомате Jetstream впервые использует управляющий клапан для снижения усилий на вдохе.
Нужно напомнить, что все новые решения принимались и реализовывались в рамках существующих принципов, о которых говорилось выше (две ступени редуцирования, однокамерный дыхательный автомат, поточный клапан дыхательного автомата, поршневые и мембранные редукторы).
Поле для конструкторских новаций с каждым новым изобретением становилось все уже и уже. И, в конце концов, в технике наступает такой момент, когда приходится сказать себе, что в рамках существующих принципов и технологий лучше сделать уже ничего невозможно.

Надо менять либо принципы, либо технологии. Однако подобные решения очень дорого стоят и не сразу принимаются. Для того чтобы удержаться на рынке, нужно хотя бы раз в несколько лет выпускать новый регулятор. Но как это сделать, не меняя ничего принципиально в технологии, не имея никаких принципиально новых конструкторских решений?
Эту задачу могли решить только маркетологи. На смену технологическим приходят дизайнерские и рекламные решения.
Для того чтобы "отстроиться" от конкурента. Mares делает рубиновую подушку клапана, инженеры фирмы Atomic, делают свой регулятор Atomic из титана, a Poseidon - дыхательный автомат Triton очень оригинальной формы, Scubapro дает пожизненную гарантию своим регуляторам.

Фирмы-производители в своих каталогах и рекламных блоках приводят графики, которые похожи один на другой, и цифры, не всем понятные. В рекламе даются ссылки на использование регуляторов разных фирм военно-морскими силами стран NATO. Однако это сомнительный довод.
ВМС любой страны - это организация консервативная и неповоротливая в принятии решений. Так, например, регулятор Mistral был снят со снабжения ВМС Франции в 1989 году, хотя Spiro перестала производить его еще в конце 60-х годов.

Реклама, конечно, двигатель торговли, и отстраиваться от конкурента, конечно, нужно, но очень твердая рубиновая подушка клапана разбивает седло, Atomic покупают чаще все-таки из латуни, а дыхательный автомат Triton 10 лет не может найти своего места на рынке дыхательной техники для подводного плавания.
Главное, все это не имеет никакого отношения к качеству дыхания, простоте обслуживания и тем более к снижению цены.
Между тем конструкторы фирмы Spiro работали над качеством и надежностью отдельных узлов и деталей регуляторов, делая более удобным их обслуживание. Бурный технологический подъем, применение новых материалов, уменьшение издержек в производстве обеспечивало улучшение качества регуляторов, в то время как их цена оставалась прежней.

За последние 15 лет был создан, в частности, уникальный незамерзающий регулятор Supra Arctic (1988) (в доработанном варианте известный сегодня как Cousteau D Glacia), где в дыхательном автомате впервые была использована запатентованная система теплообменников, а в редукторе применена система улучшенной подачи воздуха AirTurbo.
К середине 90-х годов появляется "сухая" камера, защищающая пружину и мембрану редуктора от грязи. Это удешевило регулятор и упростило его обслуживание. Произошел полный отказ от камер, залитых силиконом. Появился самый компактный мембранный сбалансированный редуктор Titan, по своим рабочим характеристикам не уступающий редуктору Supra. He позабыли и о "мелочах": например, во всех регуляторах Aqua Lung применяются фильтры-индикаторы качества воздуха.

Сегодня для индустрии регуляторов, применяемых в подводном плавании, настал переломный момент. К началу XXI века практически все "внутренние" проблемы регуляторов современной конструкции были полностью решены.
Современные регуляторы позволяют подводнику не просто дышать, а дышать комфортно. Сейчас необходимо добиться того, чтобы обеспечить комфортное дыхание на любой глубине.

Эта задача связана с проблемой плотности воздуха, которая увеличивается с глубиной и влияет на работу дыхания.
Дело в том, что с глубиной плотность воздуха растет, а диаметры проходных сечений редуктора, шланга и дыхательного автомата остаются неизменными. Неизменным остается и установочное давление в камере редуктора по отношению к давлению окружающей среды.
В результате сопротивление подаче воздуха растет, скорость его движения в проходных сечения падает и на вдох в единицу времени воздуха поступает меньше. Ни один из существующих регуляторов эту проблему решить не может.

Для решения этой проблемы нужны две вещи. Во-первых, должен быть сбалансированный дыхательный автомат, который не срабатывает как предохранительный клапан при относительном увеличении установочного давления редуктора. Во-вторых, должен быть редуктор, установочное давление которого менялось бы в зависимости от глубины.
Например, на глубине 50 метров при установочном давлении 10 бар редуктор должен подавать воздух в дыхательный автомат под давлением не 15 (10+5) бар, как все существующие сегодня редукторы, а, скажем, 17 бар. Такие дыхательные автоматы есть. Такого редуктора нет.
Однако... невероятное рано или поздно становится реальностью.