Крижана точка роси або як пішла на дно АПЛ Трешер

10 квітня 1963 року став останнім днем для новітнього американського атомного підводного човна USS Thresher, який  пішов на дно Атлантики разом з усіма 129 членами екіпажу. І донині його уламки розкидані на глибині 2500 м. Це була перша катастрофа атомної субмарини в історії. Офіційне розслідування виявило кілька причин, але однією з найнесподіваніших і найсмертоносніших виявилася… точка роси.

* Довідково. У будь-якому повітрі, навіть найсухішому на дотик, завжди є водяна пара. Точка роси — це температура, при якій ця пара починає перетворюватися на воду (а якщо ще холодніше — на лід - це важливо для нашої історії ).

Уявіть: ви вийняли з холодильника пляшку — на ній одразу з'являються краплі. Повітря навколо пляшки охолодилося нижче за свою точку роси, і волога «випала». Ранкова роса на листі та траві з тієї ж причини. 

Що сталося на «Трешері»

Під час тестових занурень на різних глибинах човен опустився до великої глибини (близько 400 метрів), щоб перевірити герметичність усіх з'єднань під тиском води. Було виявлено конструктивний недолік - найімовірніше, протікання у машинному відділенні. Реактор автоматично заглушився, тим самим знерухомивши човен. Це серйозна аварія, але не катастрофа. Оскільки на цей випадок передбачено аварійне спливання. Якщо баластні цистерни, наповнені водою для балансування плавучості, продути повітрям, тим самим розвантаживши човен від десятків тонн ваги, він буквально вистрибує на поверхню, навіть якщо не працюють гвинти. Ситуація штатна і відпрацьована. Щоб терміново спливти, екіпаж так і зробив - відкрив клапани аварійного продування баластних цистерн. Стиснуте повітря високого тиску (200 - 300 атмосфер) мало виштовхнути воду з цистерн і підняти човен.
Ось воно - рятівне продування ! Зовсім скоро Трешер мірно погойдуватиметься на поверхні океану. Поруч судна супроводу, куди перейде екіпаж.

Але через кілька секунд потік повітря різко ослаб, а потім майже припинився. Аварія перетворилася на катастрофу.

У чому ж була причина ? Що могло завадити повітрю пройти трубами ? Причому ШВИДКО ! Оскільки кожна секунда на рахунку. Проблема була в поєднанні цього "швидко" + "вузько".

Коли повітря високого тиску з величезною швидкістю проходить через вузькі місця (редуктори, клапани, захисні сітчасті фільтри), воно різко розширюється. При розширенні газ сильно охолоджується — це закон природи (адіабатичне розширення).

* Фізика процесу.

1. А знову повертаємось до пляшки. Життя таке... Відкрийте різко пляшку з газованою водою і у верхній частині шийки ви побачите білясту хмаринку газу. Звідки вона взялася ? Газ був спеціально стиснутий під тиском усередині води під час розливу, а потім різко розширився і знову став вільним газом. Якщо в цей момент у цю швидко зникаючу газову хмаринку вставити термометр, то ви побачили б, що температура дійсно знизиться. Причому помітно.  Правда не надовго. Одна біда - якщо взяти наприклад харчовий термометр із довгим гострим щупом, що ідеально підходить для розміщення у вузькій шийці пляшки, він досить повільно реагує на зміну температури через свою інерційність (поки сенсор прогріється / охолоне). Хоча, поки за кілька секунд газ розсіється в повітрі, пару градусів зниження вам і вдасться помітити. Але це вже питання не до фізики процесу (він на жаль був доведений і у випадку загибелі "Трешера" - але занадто високою ціною !) а до інструментарію - слід вибрати інший, більш швидко реагуючий прилад. Наприклад тепловізор, заздалегідь навівши його на пляшку, увімкнути режим запису відео (у нас таких є кілька моделей) і зафіксувати, як газ короткочасно охолоне. А де ж тут конденсація - запитаєте Ви ? Вірно. Вуглекислий газ, що виходить із води та охолоджений через розширення, охолоджує і навколишнє повітря. Ось із нього і випадає "роса", вносячи значний внесок у ту саму білу швидкоплинну хмаринку.  
   
2. А що буде, якщо навпаки стиснути повітря ? То воно .. нагріється ? Саме так !!! І саме це щосекунди відбувається в мільйонах дизельних двигунів по всьому світу. Коли поршень рухається вгору, він за 10-15 мс стискає повітря в 15-20 разів. У результаті повітря розжарюється до 500-900°C. Не потрібні свічки запалювання і високовольтна частина ! У цей момент насос високого тиску впорскує паливо, яке миттєво спалахує від перегрітого повітря, повітряно - дизельна суміш згоряє, розширюючись, штовхаючи поршень униз, тим самим здійснюючи корисну роботу - обертаючи колінчастий вал і приводячи автомобіль у рух. 

Але повернемося до катастрофи "Трешера". 
Отже, аварійно відкриті клапани і стиснуте повітря попрямувало видавлювати воду, щоб забезпечити підводному човну позитивну плавучість. Але повітря виходило і розширювалося так швидко, що температура його падала нижче точки роси, а потім і зовсім нижче нуля. Волога, яка завжди міститься у стиснутому повітрі, миттєво перетворювалася спочатку на воду, а потім на лід. А ось це вже небезпечно !

Якби ж канали продування в "Трешері" були ширшими ! Але ні. Лід із миттєво охолодженого повітря осідав прямо на сітках фільтрів і у вузьких каналах трубопроводів. Утворювалися крижані пробки. Повітря майже перестало проходити. Продування або повністю зупинялося, або йшло короткими ривками (лід то наростав, то частково зривався потоком). Так, через кілька хвилин лід би розтанув. Але на великій глибині цих хвилин не було. Човен так і не зміг набути позитивної плавучості, продовжував занурюватися і після досягнення граничної глибини був роздавлений водою під тиском, на який він не був розрахований.

Чому це стало смертельним

Ну гаразд ще вузькі трубопроводи. Можливо вони б і не були повністю закупорені льодом. Але катастрофі "допоміг" інший фактор.

У ході розслідування з'ясувалося, що захисні сітчасті фільтри, які й стали місцем утворення крижаних пробок, взагалі не повинні були залишатися на готовому човні — їх ставили тільки на період будівництва, щоб захистити клапани від стружки, яка залишилася після механічної обробки. Але на «Трешері» їх, з усього видно, не зняли...
Так що нічого обвинувачувати точку роси. Так можна і сказати, що океан винний в тому, що в ньому тонуть кораблі. Нічого особистого - тільки фізика. Плюс злочинний недбалий людський фактор мав місце.
Але як можна було встановити "винуватця" на такій глибині ? Де не те що від льоду нічого не залишилось, а й сам Трешер розпався на тисячі фрагментів через ударне стиснення (імплозію), як і глибоководний апарат "Титан" роздавлений у процесі занурення майже до свого однофамільця - "Титаніка", який і потягнув його за собою в могилу в червні 2023 року. Тим не менш аналогічну ситуацію вдалось відновити практично зі 100 % достовірністю іншим способом : пізніше на однотипному човні Tinosa провели точно такий самий повний тест аварійного продування. Результат повторився один в один: труби та редуктори вкрилися інеєм, звузивши прохід, тим самим витрата повітря впала катастрофічно.

Чого навчила ця трагедія

Після загибелі «Трешера» в американському підводному флоті з'явилася жорстка програма SUBSAFE. Системи аварійного продування повністю переглянули: прибрали небезпечні вузькі місця, покращили осушення повітря високого тиску, ввели обов'язкові випробування саме в режимі повної витрати. Подібні випадки більше не повторювалися. Газ звісно охолоджувався, але не переходив у лід.

Історія «Трешера» — один із найжорсткіших уроків того, як звичайний фізичний закон, який ми зустрічаємо щодня (запітніле лобове скло, іній на плажці з морозилки), в екстремальних умовах може стати причиною загибелі сучасного корабля і десятків людей. Крижана Точка роси виявилася смертоносною.