Aqua Lung и история регуляторостроения

Aqua Lung 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 Aqua Lung - 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 холода и 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 день 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+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.

Битва регуляторов

В последнее время появилась тенденция приводить технические характеристики и даже графики-диаграммы для рекламы регуляторов. Любопытно разобраться с тем, что же действительно важно в работе регулятора, как он работает, и что стоит за цифрами приводимых производителями характеристик, хотя бы с точки зрения здравого смысла.

Попытаемся теоретически смоделировать процесс дыхания. Мы опишем его максимально доступно. Итак, легкие - это сосуд переменного объема, соединенный посредством полости рта, гортани и бронхов с атмосферой. За счет работы межреберной мускулатуры увеличивается объем грудной клетки, легкие растягиваются, увеличиваются в объеме и практически мгновенно заполняются воздухом.

Легкие и атмосфера в нашей схеме - это сообщающиеся сосуды, не разделенные никакими клапанами (подобными клапанам регуляторов), и поэтому смело делаем допуск, что разрежения воздуха в легких в связи с увеличением объема практически не происходит. Произведение давления на объем - это константа только для замкнутых сосудов. С точностью до наоборот этот процесс происходит при выдохе.

А если вдох делается из идеального регулятора, то?..

Первое - под водой вдох происходит не из окружающей атмосферы, а из камеры вдоха дыхательного автомата (второй ступени регулятора), поэтому идеальный регулятор должен работать так, чтобы воздух в камере вдоха находился всегда при давлении, равном давлению в легких.

Второе - поскольку камера вдоха любого регулятора значительно меньше объема легких и, по сути, является продолжением полости рта, из нее много не вдохнешь. Подача воздуха в камеру производится через клапаны, через механизмы регулятора, отделяющие легкие от сжатого воздуха в баллоне.

Поэтому идеальный регулятор должен пополнять камеру вдоха с такой же скоростью и в том же объеме, в котором происходит увеличение объема легких во время вдоха. Т. е. он должен максимально имитировать атмосферу в модели сообщающихся сосудов.

Конечно же, каждому человеку интересно узнать, насколько его регулятор близок к идеальному. Как оценить качество "имитации атмосферы"?

Сегодня все результаты тестов регуляторов, проводимые производителями, были получены в следующей модели. Камера вдоха регулятора герметично соединена с сосудом переменного объема. Объем сосуда изменяется - то увеличивается, то уменьшается каждый раз на 3 литра со скоростью примерно 20 раз в минуту, что соответствует расходу воздуха 62.5 литров в минуту. Вся система находится под давлением, соответствующим глубине 50 метров. Таковы требования международного стандарта EN 250.

Для контроля за изменением давления к сосуду переменного объема присоединен манометр (рис. 1). В процессе тестирования происходит много циклов вдоха-выдоха, но на диаграмме, как на рис.2, обычно приводят кривую изменения давления в сосуде в течение одной фазы вдоха и одной фазы выдоха. При построении этой кривой по горизонтальной оси откладывают объем воздуха, прошедшего через регулятор с начала фазы дыхания, а по вертикальной оси вниз - величину разряжения, вверх - величину избыточного давления в сосуде в данный момент времени. На вертикальной оси указывают значения давления в единицах 1 кПа = 10 мБар = 100 мм водяного столба.

 

При увеличении объема сосуда давление в нем уменьшается и создается разрежение, т. к. сосуд отделен от источника воздуха клапаном легочного автомата. Разрежение нарастает до тех пор, пока клапан дыхательного автомата не откроется (точка "А" на рис. 2). Величина максимального разрежения в фазе вдоха - это есть усилие подрыва клапана вдоха. Чем меньше это усилие, тем легче вдох и тем ближе тестируемый регулятор к идеальному.

Далее в процессе вдоха разрежение снижается и становится положительным (точка "В" на рис. 2), т. е. объем воздуха, подаваемого регулятором, растет быстрее, чем увеличивается объем сосуда. Но в конечной фазе вдоха скорость подачи воздуха опять падает, переставая компенсировать увеличивающийся объем сосуда, и разряжение вновь растет (кривая движется вниз, рис. 2) вплоть до начала фазы выдоха.

В фазе выдоха объем сосуда начинает сокращаться, в полости регулятора возникает избыточное давление, которое закрывает клапан вдоха и открывает тарельчатый клапан выдоха. После преодоления усилия открытия клапана выдоха (точка "С" на рис. 2) поведение кривой избыточного давления плавное и объяснимое простотой конструкции клапана выдоха.

Работа, выполняемая при дыхании, делится на две части. Работа на вдохе и работа на выдохе. Поскольку разные механизмы регулятора отвечают за фазы вдоха и выдоха, то работа эквивалентна площади, описанной графиком давления и осью времени (рис.3).

Во время фазы вдоха (график 1 на рис.3) энергия затрачивается только в начальной и конечной части цикла (зона "А" на рис.3). В средней части кривой значение давления положительно, и легкие расширяются благодаря избыточному давлению в камере вдоха регулятора. Именно благодаря этому значение работы при вдохе очень незначительно.

Работа при выдохе - площадь под графиком 2 (рис.3) значительно больше работы на вдохе. Сопротивление выдоху воздуха в воду отлично от нуля по причине разности плотности сред, да и клапан выдоха для безотказной работы должен иметь значимое усилие открытия. Иначе движение воды вблизи тарелки клапана нарушало бы его герметичность.

Теперь, когда мы разобрались с физическим смыслом диаграмм работы регуляторов, давайте подумаем: как результаты этих тестов помогают нам при оценке качества и выборе регулятора?

Величина работы дыхания - это важный параметр, он так же, как и величина максимального усилия при вдохе, определяется стандартом EN 250. Требования EN 250 - это работа менее 3 Дж/литр и усилие на вдохе - 2.5 кПа.

Можно ли сравнивать результаты и графики тестирования регуляторов различных производителей? При кажущейся эквивалентности и объективности рисуемых кривых ответ на этот вопрос не очевиден.

Стандартом предусмотрены такие условия, как глубина - 50 метров, объем дыхания - 62.5 литра в минуту, температура - 20 градусов Цельсия, давление в баллоне 50 Бар. Однако на результаты измерения могут влиять: способ измерения давления и удаленность точки, в которой происходит замер от камеры вдоха дыхательного автомата, продолжительность одного цикла дыхания, объем каждого вдоха и объем сосуда. Все эти параметры определенно влияют на точность измерения и построения кривой.

А как изменяется характер кривой в зависимости от глубины и давления в баллоне? В каком положении заслонка Вентури и винт регулировки подачи потока воздуха? Ведь реально мы дышим из регулятора в условиях, всегда отличающихся от предусмотренных стандартом.

Тем не менее, интерес к результатам тестирования есть. Графики служат не для количественной, а для качественной оценки и сравнения конструкций регуляторов. Вспомним про идеальный регулятор. Его кривая должна бы выглядеть так, как показано на рис. 4, при любом давлении в баллоне, на любой глубине, при произвольном объеме дыхания.

Можно констатировать, что поведение реальных кривых самых современных регуляторов в фазе выдоха принципиально невозможно приблизить к кривой идеального регулятора. А вот поведение кривой в фазе вдоха, ее характер и уровень необходимого усилия при дыхании предсказуемы и объяснимы. Именно это и есть основной предмет усилий разработчиков-регуляторостроителей.

Понятно, чтобы дыхание было комфортным, необходимо значения кривой сопротивления вдоху приблизить к значениям идеального регулятора по двум параметрам. Первое и наиболее важное - это равномерность вдоха, гладкость кривой, ее горизонтальность. Ведь при естественном дыхании на суше легкие наполняются плавно, без значительных пульсаций. Второе - значение усилия, необходимого при вдохе особенно в его начальный момент подрыва клапана, должно быть минимальным.

Давайте попробуем разобраться, как и почему конкретные особенности конструкции первой и второй ступени регуляторов отражаются на характере кривой сопротивления дыханию.

Рассмотрим диаграмму дыхания различных моделей современных регуляторов. Поскольку иллюстрируемые в дальнейшем принципы универсальны и реализованы различными производителями, не будем указывать конкретные модели, а дадим им следующую классификацию.

Первые ступени регуляторов:
"А" - поршневой редуктор;
"В" - мембранный редуктор;
"C" - сбалансированный мембранный редуктор;
"D" - сбалансированный мембранный редуктор с системой инжектирования портов низкого давления (АИР ТУРБО).

Вторые ступени регуляторов:
"АА" - дыхательный автомат;
"ВВ" - дыхательный автомат с системой инжектирования (Вентури);
"CC" - сбалансированный дыхательный автомат с системой инжектирования (Вентури).

На рис. 5 представлена диаграмма дыхания регулятора "А-АА", состоящего из не самого простого несбалансированного поршневого редуктора "А" и дыхательного автомата "АА". В начале фазы вдоха растет разрежение в дыхательной камере до тех пор, пока не достигнет усилия, необходимого для подрыва клапана вдоха. Далее, в первой трети фазы объем подаваемого регулятором воздуха примерно соответствует скорости увеличения объема воздуха в сосуде испытательной установки, описанной в первой части.

Что происходит в этот момент в самом регуляторе? Под открывающимся клапаном дыхательного автомата, в шланге, соединяющем первую и вторую ступень, и в камере низкого давления воздух находится, относительно окружающей среды, под давлением, равным установочному давлению редуктора.

И вот клапан открылся, освободив путь этому воздуху в камеру вдоха дыхательного автомата. Источником воздуха условно можно считать камеру низкого давления редуктора. Клапан редуктора пока закрыт (зона "А" на рис. 5). Расход воздуха из этой камеры приводит к падению давления в ней и вызывает снижение объема воздуха, подаваемого регулятором. На диаграмме этот момент отражается как увеличение сопротивления вдоху (зона "В" на рис. 5). Далее разрежение в камере низкого давления приводит к открытию клапана вдоха первой ступени, и объем подаваемого регулятором воздуха стабилизируется, хотя и на более низком значении, чем первой фазе вдоха (зона "С" на рис. 5). Работа регулятора "А-АА" на вдохе составляет 0.87 Дж/л.

На рис. 6 представлена диаграмма сопротивления дыханию, полученная при испытании регулятора "A-BB", состоящего из того же редуктора "А" и дыхательного автомата "ВВ". В конструкции дыхательного автомата применен принцип инжектирования воздушного потока. Это привело к уменьшению сопротивления вдоха в первой фазе (зона "А" на рис. 6) за счет повышения подаваемого объема воздуха, однако, при разрежении в камере низкого давления редуктора усилие при вдохе растет, и диаграмма в конечной фазе практически соответствует кривой на рис. 5 (зоны "В" и "С" на рис. 6). Уменьшение сопротивления дыханию произошло благодаря инжекции в дыхательном автомате "ВВ". Работа при вдохе сократилась до 0.67 Дж/л.

Значительное падение давления в камере поршневого редуктора имеет конструктивную причину. Поскольку поршень имеет большой размер, его вес и необходимость, как правило, двух уплотнительных колец (O-rings), являются причиной ощутимой инерции при движении.

Разработчикам хорошо известно, что любой мембранный редуктор имеет величину падения давления в камере при вдохе в два раза меньшую, чем даже хорошо сбалансированный поршневой редуктор. Поэтому замена поршневого редуктора на мембранный способна привести к уменьшению сопротивления дыхания при вдохе, особенно в заключительной части фазы вдоха.

На рис. 7 приведена диаграмма регулятора "В-ВВ", где "В" - это мембранный редуктор. Работа при вдохе у такого комплекта составляет уже 0.39 Дж/л. Однако гладкость кривой сопротивления при вдохе явно нарушена.

В регуляторе "С-ВВ" использована первая ступень "С" со сбалансированной диафрагмой. Как видно на рис. 8, произошло значительное сглаживание кривой сопротивления дыханию. Более того, несколько иная конфигурация внутренних полостей редуктора обеспечила поступление большего объема воздуха в начальной фазе вдоха, что привело к избыточному давлению в тестовой установке. Работа при вдохе составила уже 0.26 Дж/л. Поведение кривой в первой фазе вдоха почти идеальное, но значительное увеличение сопротивления вдоху в конце фазы желательно преодолеть.

Как мы помним, инжектирование воздушного потока во второй ступени регулятора "ВВ" привело к увеличению объема подаваемого воздуха и снижению сопротивления вдоху. Аналогичный эффект достигается при инжектировании воздушного потока в первой ступени регулятора.

Регулятор "D-CC" состоит из сбалансированного мембранного редуктора с инжектированными портами низкого давления (система АИР-ТУРБО) и сбалансированного дыхательного автомата с регулируемым эффектом Вентури (инжектированием воздушного потока). Рассмотрим диаграмму, полученную в результате теста этого регулятора, приведенную на рис. 9. В начальной фазе вдоха после подрыва клапана происходит динамичное снижение сопротивления дыханию за счет эффекта Вентури. Вскоре регулятор фактически становится на постоянную подачу, и в камере вдоха регулятора второй ступени разрежение сменяется избыточным давлением.

Момент, в который начинает сказываться падение давления в камере редуктора, наступает только в середине цикла вдоха благодаря инжектированию портов редуктора. С этого момента объем подачи воздуха регулятором начинает сокращаться. В конечной фазе в камере вдоха регулятора второй ступени избыточное давление меняется на разрежение. Постоянная подача прекращается, и вновь появляется сопротивление вдоху. Таким образом, использование редуктора со сбалансированной мембраной существенно ограничило увеличение сопротивления вдоху в средней части цикла, а мощное инжектирование воздушного потока в обоих ступенях регулятора позволило и вовсе преодолеть последствия падения давления в камере редуктора. Работа регулятора "D-CC" при вдохе составила всего 0.1 Дж/л.

Надо отметить, что балансировка первой и второй ступени в меньшей степени влияет на поведение кривой и в большей степени предназначена для стабилизации характеристик регулятора в различных условиях эксплуатации. Зависимость сопротивления дыханию от давления в баллоне практически полностью компенсируется балансировкой редуктора. Балансировка дыхательного автомата позволяет снизить усилие подрыва клапана и обеспечивает его работоспособность в широком диапазоне установочных давлений редуктора.

Однако на величину сопротивления дыханию и поведение кривой существенное влияние оказывает глубина. При росте давления окружающей среды существенно растет плотность воздуха, проходящего через камеру низкого давления редуктора, шланг и клапан дыхательного автомата. Увеличение плотности приводит к снижению скорости потока воздуха за счет увеличения силы трения между стенками систем регулятора и воздушным потоком. Именно поэтому стандартом EN 250 при тестировании регуляторов оговорена глубина проведения теста. Изменением настроек регулятора можно добиться очень хороших показателей в конкретных условиях теста, однако, его работа в других условиях может оказаться неприемлемой.

Приведем пример. Каждый владелец регулятора с возможностью управления заслонкой Вентури и регулировкой усилия подрыва клапана (регулировкой сжатия пружины клапана дыхательного автомата) начинает с опробования этих возможностей. Это приводит к тому, что на какой-то глубине вращение ручек и рычажков позволяет подобрать наиболее комфортный режим работы регулятора и добиться максимальной легкости вдоха.

При уменьшении глубины вдох становится еще легче, но при вынимании регулятора изо рта обнаруживается, что он подтравливает воздух, если загубник направлен вверх или если регулятор просто становится на постоянную подачу (free flow). Это происходит именно из-за изменения плотности воздуха и его влияния на параметры работы регулятора. К сожалению, никто из производителей не публикует данные о том, как и в каких интервалах меняются эти параметры.

Напрашивается очевидный вывод, что красивая диаграмма, полученная в стандартных условиях, не является гарантией комфортности и безотказной работы регулятора. Однако, рассмотренные на представленных диаграммах принципы верны и позволяют оценить усилия регуляторостроителей на наше с вами общее благо.

Изложенная информация дает нам возможность поразмышлять о том, в каком направлении будут совершенствовать свои конструкции производители идеального регулятора. Но это тема отдельного разговора.

Если вы читаете этот текст, это значит, что информация, изложенная в одноименной статье в 5-м номере журнала "Октопус", заинтересовала вас, и вы смогли дойти до конца текста, сквозь все термины, диаграммы и опечатки.

Напомню кратко выводы. Все продаваемые на нашем рынке регуляторы соответствуют требованиям стандарта EN 250. Это является гарантией их работоспособности. Разобравшись с диаграммами дыхания, полученных в тестовых условиях, мы определили, как влияют на характеристики регуляторов различные технические решения. А именно:

Использование мембраны в качестве управляющего элемента снижает падение давления в камере редуктора в процессе вдоха, снижая сопротивление дыханию. Применение эффекта Вентури в первой и второй ступенях увеличивает производительность регулятора, снижая влияние падения давления в камере редуктора на величину сопротивления вдоху. Сбалансированный механизм клапана первой ступени обеспечивает снижение усилия его открытия и независимость этого усилия от изменения давления в баллоне. Сбалансированный механизм клапана второй ступени обеспечивает снижение усилия его открытия и независимость этого усилия от установочного давления редуктора.

Теперь мы понимаем, чем руководствовались разработчики при конструировании и с чем они боролись. Чего им удалось достичь?

Действие механизмов регулятора стабильно, не зависит от глубины и давления в баллоне. Насколько это соответствует нашим понятиям об идеальном регуляторе? Вспомним, что он должен обеспечивать нам стабильную подачу воздуха, с минимальным сопротивлением дыханию, вне зависимости от внешних условий. Другими словами, действие механизмов регулятора должно быть таково, чтобы объем подаваемого воздуха не зависел от глубины или давления в баллоне. Сравните обе выделенные фразы и найдите отличие.

Объем воздуха, проходящего через седло клапана первой ступени, - произведение скорости движения воздуха на сечение клапана, Ob= V x Sk.

Скорость движения воздуха - функция V=f(DP), где DP - разница давлений над отверстием клапана и под отверстием клапана.

Под клапаном давление всегда равно установочному плюс давление окружающей среды. Над клапаном давление равно давлению в баллоне. При снижении давления в баллоне DP тоже уменьшается, причем, намного. Ведь рабочий диапазон давлений в баллоне от 50 до 220 бар. Таким образом, при изменении давления в баллоне скорость прохождения воздуха через отверстие клапана заметно снижается, следовательно, объем проходящего воздуха падает и растет сопротивление дыханию.

Идеальный регулятор должен изменять действие механизмов таким образом, чтобы компенсировать снижение скорости прохождения воздуха, увеличивая эффективное сечение клапана. Тогда объем подачи, равный произведению скорости на сечение, будет константой.

Это возможно.

На рисунке 1 приведена упрощенная схема механизма клапана редукторов Titan и Cousteau ("Aqua Lung"). Механизм является сбалансированным, но, в отличие от многих аналогичных конструкций, направляющая клапана с расположенной внутри балансировочной камерой подвешена между двумя пружинами. При решении уравнения сил, действующих на направляющую, приходим к формуле:

DP * Sk = Fynp.2 - Fynp. l,

где Fynp.2 и Fynp. l силы упругости пружин.

При уменьшении DP, из-за снижения давления в баллоне, пружина 2 выталкивает направляющую клапана вверх, сжимая пружину 1. При этом увеличивается ход клапана и эффективное сечение клапана. Сомневающиеся могут проверить это, составив уравнение самостоятельно. Помогу в этом всем желающим на форуме сайта.

Такая конструкция обеспечивает различие в действии механизма клапана при изменении давления в баллоне, стабилизируя объем подаваемого воздуха.

Рассмотрим, что меняется при изменении глубины. Допустим, что регулятор первой ступени обеспечивает постоянный объем подаваемого воздуха не зависимо от глубины. Далее воздух попадает в шланг дыхательного автомата и через механизм клапана в камеру вдоха. Для простоты понимания представим себе всю систему в виде клапана, перепускающего воздух (рис. 2). Давление с разных сторон клапана отличается на величину установочного давления редуктора.

V = f(DP),

где DP = Руст. - установочное давление редуктора;
Ргл. - давление водяного столба.

Как мы помним, объем проходящего воздуха зависит от скорости движения V, а скорость зависит от разницы давлений DP. В действительности на скорость движения воздуха также сильно влияет трение на внутренних поверхностях регулятора. С увеличением глубины растет плотность протекающего через регулятор воздуха. Это приводит к заметному увеличению силы трения и снижению скорости потока.

Чтобы компенсировать это, необходимо увеличивать разность давлений DP, т. е. установочное давление редуктора, с увеличением глубины.

Таким образом, мы подошли к понятию "интеллектуальный регулятор". Интеллектуальность заключается в том, что действие механизмов регулятора зависимо от внешних условий адаптивно к изменению давления в баллоне и глубине погружения таким образом, чтобы обеспечивать стабильность параметров дыхания. Это и есть перспектива дальнейшего развития и совершенствования регуляторов.

Если посмотреть на историю "регуляторостроения", то можно четко разделить ее на этапы, а сами регуляторы на поколения.

- Первое поколение - одноступенчатые регуляторы и с совмещенными ступенями редуцирования.
- Второе поколение - регуляторы с разнесенными (двумя) ступенями редуцирования.
- Третье поколение - регуляторы с поточным дыхательным автоматом.
- Четвертое поколение - регуляторы со сбалансированными ступенями редуцирования и минимальной работой дыхания.

Регулятором пятого поколения станет "интеллектуальный" регулятор, самостоятельно регулирующий сечения клапанов, установочное давление в процессе погружения, и т. п., обеспечивая стабильно легкое и комфортное дыхание при любых внешних условиях.

Эти выводы подтверждаются конкретными разработками ведущих мировых производителей. Более того, первый регулятор пятого поколения уже прошел двенадцатимесячный цикл испытаний и готов к производству. Надеюсь, что во второй половине декабря он станет доступен российским дайверам. Это регулятор "Легенда" (Legend) "Aqua Lung".

Глубина, м	Давление (СД) регулятора Legend, бар	Давление (СД) регулятора Titan, бар
0	9.4	9.2
10	10.6	10.2
20	12	11.2
30	13.3	12.2
40	14.8	13.2
50	16.2	14.2

В конструкции сбалансированного клапана редуктора использован элемент направляющей, позволяющий изменять эффективное сечение клапана. Установочное давление редуктора растет при увеличении глубины (рис. 3), компенсируя повышающуюся плотность воздуха.

Сбалансированный дыхательный автомат обеспечивает стабильное усилие подрыва клапана и отсутствие травления, даже при увеличении установочного давления редуктора. Приятно, что при фантастических характеристиках регулятора, его стоимость не выйдет из средней ценовой категории.

В заключение хочу ответить на уже поступившие (по первой части материала) упреки в излишней техничности изложения. Физический смысл приводимых диаграмм и уравнений школьники проходят в 6-8 классах. Я уверен, что любой дайвер, усвоивший курс Open Water, без труда разберется в них при наличии желания.

Понимание принципов работы регулятора, отдельных его механизмов необходимо не только при выборе снаряжения, но, в первую очередь для его грамотной и безопасной эксплуатации, для понимания возможностей снаряжения и его адекватной оценки, особенно в экстремальных ситуациях.

Что такое грамотная эксплуатация? Чем обеспечивается безопасность и безотказность регулятора? Это вопросы, требующие отдельного рассмотрения.

Aqua Lung - фильтры для регуляторов

Регулятор, устройство исключительно надежное, и при ежегодном обслуживании должен служить долго. Так почему же мы жалуемся на поломки и увеличение сопротивления на вдохе? Причиной, как правило, является качество воздуха забиваемого компрессором или состояние баллона.

Вода, особенно морская, повреждает уплотнения внутри регулятора, воздух может содержать твердые частицы, приводящие к отказу регулятора, и масло, которое не только забивает регулятор, но и может привести даже к потере сознания под водой - что особенно опасно.

Для того, чтобы не пропустить в регулятор, а значит и на вдох примеси, нужен фильтр. В регуляторах производства компании Aqua Lung, он же является индикатором воздуха.

По внешнему виду фильтра, вы всегда можете определить какой воздух был в вашем баллоне:

Черно-коричневый налет, говорит о большой концентрации масла в воздухе, значит проблема в компрессоре. Буро-рыжий - в вашем баллоне влага, и его стенки ржавеют; таким воздухом пользоваться тоже нельзя. Зеленовато-серый цвет фильтра - вода попала в регулятор, возможно, его не правильно промывали. Белый налет, в ваш регулятор попала соленая вода, и он требует срочного обслуживания.

Но все это можно увидеть только на неполированном фильтре, поэтому Aqua Lung использует неполированные металло-порошковые фильтры-индикаторы воздуха. Следите за состоянием своего фильтра - проверяйте его после каждого погружения. Тогда вы сможете вовремя обнаружить проблему и избежать последствий.

Все фильтры в регуляторах производства Aqua Lung, устанавливаются на посадочных кольцах, что исключает возможность прохождения части воздуха в регулятор мимо фильтра. Используйте только неполированные фильтры, установленные на посадочном кольце!

Типы фильтров производства компании Aqua Lung: Фильтры бывают конические - для разъемов системы YOKE, и плоскими - для разъемов системы DIN. Причем для редуктора Titan, используется плоский фильтр большего диаметра и для разъемов YOKE, и для разъемов системы DIN.

P. S. Если у вас увеличилось сопротивление на вдохе, упала пропускная способность вашего регулятора, то, вероятно, рано нести регулятор в ремонт, а нужно проверить фильтр. Возможно, он забился маслом или твердыми частицами, содержавшимися в воздухе, который вы использовали, и фильтр нужно просто заменить. Поэтому стоит иметь при себе запасной фильтр.