科技前沿:走向海洋强国之路——深海勇士号载人深潜器 - 海底岩石采样装备

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我国自主设计研发的载人深海潜水器——深海勇士号,长9m,高4m,重20t,是目前全世界深海作业时间最长的潜水器, 可连续在4500m深海连续工作6h以上,这也是一项新的世界纪录。超长时间动力来自高性能的磷酸铁锂电池,电池寿命是常规电池的10倍,这是中国科研人员五年前突破日本的技术的严密封锁而取得的成果。

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深海勇士号

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深海4500m,是海洋生物和矿藏分布最密集的区域。目前,除了美国、法国、俄罗斯、日本,能拥有该深度的载人深潜能力的就是中国了。

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深海勇士号由母船——“探索一号”运抵南海目标海域,由滑轮组起吊后投放在预定海面,从海面下潜4500m历时90min,除去上浮时间,留给舱内人员的工作时间大约3h。在这3h内,除了仪器设备自动采集相关数据外,舱内人员还要完成潜水器的行进姿态操作,利用机械臂对海底的海水、泥沙、岩石和生物进行采样。期间,潜水器和球形仓内的人员要面临海底低温、火山管口的热液高温、巨大压强等各方面的严峻挑战。“深海勇士”这一称号,无论对于潜水器还是舱内人员,都是当之无愧的。

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海底热液

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大量先进传感器技术为下潜提供参数支持,包括电压与电流、温度、潜水器姿态、姿态调节罐液位、压载水仓液位、舱内二氧化碳与氧气浓度、空气湿度、气压、各个方向的运动速度、海水阻力、障碍物距离等传感器,向舱内驾驶人员与母船指挥员提供实时数据。

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深海勇士号在下潜之前漂浮在海面,传感设备和通讯检查无误后开始向水仓注水。在注水过程中,水仓内的空气被抽出,气压减小,在压强差的作用下,海水被压入水仓,潜水器的总重增大后实现下潜。在水下,被抽出的空气形成大量气泡,气泡在上升过程中,由于海水深度的减小,压强随之减小,气泡越来越大,上升至海面,能被母船人员观察到。但完成注水后,在水面上将再也看不到潜水器,潜水器与母船的通信将依赖先进的水声系统完成。

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深海勇士号推进器旋翼

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如同嫦娥四号软着陆式的登月,深海勇士好接近海底时,也采用类似方式:通过推进器旋翼对海水施加向下的推力,利用力的相互作用实现减速触底。除了这种方式,还可以采用向下喷射铅粒、抛弃压载铅块来减小重力,实现潜水器运动姿态的改变。由于铅的密度较大,细小的铅粒还能比较连续地改变重力,潜水器运动状态改变的效果更好,但铅是一种重金属,对海水及海洋生物的污染不可忽视。2012年,著名导演卡梅隆驾驶的“深海挑战号”就是采用了铅粒与铅块,但这种做法最终被深海勇士号的总设计师胡震所否定。

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国外“深海挑战者”喷射铅粒

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在4500m的深海,潜水器每平方米表面将承受4500t重的压力,利用压强公式,不难算出压强达到450倍的标准大气压,大约是家庭高压锅内气压的200多倍,而普通高压锅在达到5个标准大气压时,随时会发生剧烈爆炸。打个比方,这样的压力相当于在指甲盖上,同时站立着10个初二学生。这么大的压强,对潜水器特别是球形载人仓的要求非常高,万一破损,舱内人员将在瞬间被高压海水撕裂。

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潜水器在深海的采样工作,将由一台高精度的机械臂完成,毫米级的精准度不亚于人的手指动作。整个机械臂长2m,由6个“关节”和1个“手爪”组成。“手爪”的结构类似于一个碗夹,区别在于驱动“手爪”的动力由电动机、齿轮提供,而连接电机和“手爪”的缆绳取代了肌肉的作用。机械臂可以轻松抓取60kg的物体,由于浮力的作用,在海底它能抓取的物重更大。

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深海勇士号“手爪”与碗夹对比

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21世纪的今天,人类面临人口膨胀、资源短缺、环境恶化等三大难题,解决这些问题的答案答案就是海洋。到目前为止,还有95%海底没有人类涉足,富饶美丽的海底世界亟待人类去探索,水下机器人就是探索神秘海洋的哨兵,而设计和驾驶深海潜水器的科考人员,则是探索深海的勇士!到2020年,中国将成为世界上拥有载人深海潜水器最多的国家。更深、更广、更远,强大的深海探测能力,将引领中国向海洋强国加快迈进!

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恒厚
活跃在2025-1-26
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