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出品| 网易新闻学院
: g: V% b1 J+ h 作者| 常松,清华大学材料加工工程系博士
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这可不是一只小龙虾,它是中国“蛟龙”号载人深潜器在南海海底采集的蜘蛛蟹,就通过下面这只“大手”抓呀抓~ / @# X2 W" N' d
- M% y9 f/ J; u 《海底两万里》扉页上有这样一句话:“比天空更深的是海洋。”而在小说连载的18世纪70年代,载人深潜还是“科幻”。直到1928年,美国人奥蒂斯·巴顿才建造了第一艘球形深海探测装置。
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. T. L" w6 z4 L3 t. `- _ 近30年来,探索海洋,特别是海底,成为了各国地球科学研究和海洋开发的新热点,载人深潜器自然成为了最为关注的“探海神器”。美国、日本、法国、俄罗斯等过都先后挑战成功3000米以上的深海,跻身世界高技术深潜俱乐部。
. V$ ] t$ M8 E2 s9 { 虽然中国的载人深潜器研发起步不算早,但是咱们的发展速度还是很快的,如今最先进的载人深潜器“蛟龙号”已经是第二代载人深潜器,拥有世界上最大的作业深度——7000多米,可以覆盖世界上99.8%的海域,且拥有水声通信、海底探测等方面的能力,达到了世界先进水平。
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出水的蛟龙号
9 j5 ^- ?3 ^4 A3 f, A+ H. \. x. o 就为了发现新物种?深海探测“图”啥 4 {3 W, a$ F3 Z& u1 b5 z" {- N
你不要天真的以为,我们深海探测只是为了发现这些“奇葩”的生物。“深海大洋”,占据了地球表面一半面积的区域,蕴含着价值“万亿美元”的金属矿产和油气资源。 ' ^" f3 q; B% R' _2 N9 {/ Q9 v' f
而且按照国际惯例,深海勘探奉行“平行开发”原则,就是说,勘探发现者要返还矿区面积的一半,交给国际海底管理局托管,剩下的一半是发现者的专属领域,有着有限商业开发权。也就是说,无论本国领土距离多远,率先勘探开发深海大洋区域的国家,对于海底资源拥有一半的权益。
" i1 r# B: J+ S& t* ^% P 7000米深度赶超日美,这么“深”有啥用?
; y D* o7 Q, F5 ^- W+ g; h. i 日本目前可以下潜的深度是6500米,美国的下一阶段目标也是6500。而我们目标不止于此,要冲击7000米。7000米,又是个什么概念呢? ! k* X$ r. N: g8 }" c. _; N
首先,海底7000米,这一深度将使中国可以触及地球上99.8%的海底。
+ t) y) E* w2 ^6 T" U 其次,目前世界上只有美国、法国、俄罗斯、日本拥有6000米级载人深潜器。“蛟龙”号载人潜水器已经在7000米级海试成功,那就意味着中国创造世界作业类载人潜水器的最大下潜深度。而“蛟龙”最终目标是挑战1万1千米深度,真正成为载人深潜发达国家。 2 _+ r4 `5 W& ?+ n$ u0 l w
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“蛟龙”号拍摄的海底生物 % S6 N* |9 o1 l) S
“蛟龙”号——自由航行,还“大尺度”
) W+ `' m0 J' j! _/ i 深潜器,顾名思义,就是可潜入深海并持续较长时间的潜水装置,用以在海洋深水区域完成观察、探测等特定任务。深潜器分载人潜器和遥控潜器两类。显而易见,载人的安全要求高,技术更为复杂。而载人深潜器又分为系缆式和自由自航式两种。 * \* A3 |5 P* \7 y K
“蛟龙”号属于后者。前者和母船得通过缆索或管道维系,就像婴儿和母亲脐带相连。自由自航式深潜器全得靠自己,在茫茫深海里把握方向,前进或后退,停滞或运动,下潜或上浮,生存与工作,艰难复杂可以想象。和不载人的遥控操纵的深潜器相比,载人深潜器尺度大,用途也广泛。
8 Y+ D. a, r% ~! o2 }, q 载人潜深器的构造形式通常是这样:载人舱设计为球形,这样可以耐受相当于数百个乃至上千个大气压的深水压力;这个球形的载人舱连结在一个艇体下,艇内装满比重较海水小的油类,可以产生浮力,又能经受外部深水的高压。深潜器靠压载重量下潜,当丢弃一部分压载物就可上浮。 : ?3 Q% w1 q( T( ~! u
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“蛟龙”号模型
1 f3 u& z0 L, |) o6 G, ?2 e “蛟龙”能载3个人,在水中正常工作12个小时。它具备深海探矿、海底高精度地形测量、深海可疑物探测和捕获、深海生物考察等功能。科学家能从“蛟龙”号的舱室中透过观察窗,直接观察深海和深海海底。在对海底做三维精确测绘时,可通过各种声学元器件传送声波信号给海面的母船,母船接收解码,进而处理成文字和图片等。 5 E/ y8 N6 P' \, g
这个萌萌的“小胖子”里面长啥样?
! j# p1 \( y1 l- l3 t6 T0 Y# ~ “蛟龙”号,长得是个十足的这个“小胖子”。它体型不是很大,长8.2米、宽3.0米、高3.4米,空气中重量不超过22吨,有效负载220公斤;最大下潜深度7000米;最大速度为每小时25海里,巡航每小时1海里。 ' n' P1 T* I! o4 C
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钱江晚报 梁津铭 制图
+ q9 V" O8 V7 ^) n, w, ]7 y$ h& y4 g: E. ] 进入“球仓”得从“蛟龙”头顶,顺着一架直通潜水器内部的直梯进去。载人球舱内部直径有2.1米,这么小的空间内并没有设置桌椅,而是在地板上铺上地毯,中央留一个凹槽,深潜器的驾驶员就坐在地板上,脚放到凹槽里。主驾驶左右两侧的舱壁下放着一摞坐垫,这就是两名乘员的座位。整个舱体大致和火车卧铺的空间差不多大,大家可以默默感受一下。
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主驾驶位置面前的一大堆屏幕和主控面板,所有设备的启动和操作都在这里进行,包括潜水器的操纵杆、水声电话终端、主机械手和副机械手的控制器都在这儿了。
) D" a7 v% F* `6 I3 e2 m2 ? 高清显示屏——主驾驶面前一共有四块显示屏,三块是水下高清摄像机的显示屏,另外一块则显示着潜水器的各项状态数值,包括动力储备情况、潜水器姿态、工作时间、下潜深度以及实时报警信息等。
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驾驶舱和各控制面板 " \" f) E1 ]( N
操纵杆还能取下来——触屏时代,这些面板也都是触屏的,潜航员可以轻松地在第一时间获得任何想要的数据。操纵杆就像模拟飞行中使用的游戏摇杆,方便调整水下姿态。有意思的是,两个机械手的操作杆并不是固定在控制台上的,而是可以取下来,放在潜航员们的膝盖上进行操作。这回就更像是玩游戏了。 " y; a7 C9 R; |' h
生命支持系统——不过,在千米深海潜水,可不是游戏。生命支持系统是保持驾驶员安全的关键。在舱内有一堆蓝色和黑色的钢瓶,装载着氧气和空气,最多可供三名潜航员84小时呼吸。生命支持系统是电脑自动控制的,一般情况下不需要人工干预。在紧急情况下,潜航员也可以对其进行人工调整。
, s0 H) \ b# N7 m- K" g! C 水下通信系统——同时,和母船的联系也非常关键,保证深潜器随时可以联络,球舱内部还安装有两套水下通信系统,由六七台计算机控制,保证潜航员和母船联络畅通。 / E9 n, l9 Y& ^4 W# ?/ C- v% ]$ y
“龙爪”分工明确——此外,既然叫“蛟龙”号,那么“龙爪”也是必需的。深潜器装有两个机械手各有分工。一个主攻精细化操作,力量较小,另一个力气很大,但动作 “野蛮”。为了保证视线无死角,在主驾驶和乘员侧各有直径12厘米的观测窗,三个视野是相互有所重合的。
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! |! K4 o& b" k/ H' o4 N! U “蛟龙”号在海底拍摄的照片 新华社
: j& Z7 ~5 A" z8 U& J/ d “蛟龙”如何上下海:下沉注水,上浮“扔东西”
# V/ U, g" D) ?9 V* U( f 和潜艇一样,深海潜水器也是向空气舱中注入海水。但是上浮就不一样了。水下5000米的压力相当于500个大气压。深海潜水器由于在深海内环境压力大,压缩空气不足以逼出空气舱中的海水。所以上浮的方式,和热气球差不多,就是往下面扔东西。
$ z4 y! R$ p; E3 R 深潜器配有电磁铁控制的压载铁。之所以用电磁铁控制,是因为如果深潜器失去动力出现故障的话,电磁铁就失效,压载铁会在重力的作用下自动脱离潜水器,使潜水器自动上浮。
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; R s$ n& o/ s# U6 s" y 压载铁示意图 3 W0 S! `8 K* d* `
压载铁的配置特别讲究:“装少了,下不去。装多了,回不来。”由于不同海域、不同深度的海水密度都不尽相同,潜水器在水中受到的浮力并不是一定的。海面海水的密度是1021kg/m3,而7000米深的海水密度变成每立方米1059kg/m3。在7000米深度时受到的浮力大概比在海面时要大800多公斤力。 5 ~/ s- C0 O: ~
在下潜过程中,整个浮力的变化都要靠压载铁来平衡。“蛟龙”号海试团队已建立了一套周密的数学模型,根据在不同海域测得的海水温度、盐度和深度等参数来计算下潜时需要的压载铁重量。
4 K7 Z5 T) X, t" m' I: G$ ` 而且为了确保上浮,潜航员的安全,除了压载铁之外,蓄电池箱和采样篮,甚至机械手都可以抛弃。一旦上浮后,报警系统就可以发射浮标到海面,等待母船救援。
5 E) ]. \- f }6 R1 P “蛟龙”号和它的五星级装潢的“保姆船”
0 n( w! V6 o) L* R: i “蛟龙”号只是深潜器,负责上下海,运输还得靠母船,同时母船也是“蛟龙”号的功能依托。“蛟龙”号水面支持系统包括母船——“向阳红09”,上面布放回收系统,以及其他各种加装的系统和设备,同样是一个庞大的、功能齐全的系统。
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+ U3 ?! Z4 _5 I3 ? 向阳红09和“蛟龙”号 : w- h4 r* i" y
“向阳红09”已有近30多年的历史。为了迎接“蛟龙”号的诞生,“老房子”被彻底翻新改造,加装了局域网、视频监视系统,以及其他一系列专用装备,装潢达到星级宾馆水平,改造后陈旧的“老家”焕然一新。 # b0 T% B; x3 q5 q! @ }+ x7 Z3 F6 s
在船上,蛟龙号有一张奇形怪状的床——轨道车。每一次回家后都必须睡到床上。这个床还装有轮子,能自由升降,方便将海底带上来的东西从床下运走。而为了保证“蛟龙”号的健康,还得定期体检,有大约1吨多重的东西可以拆卸,船上还配有升降机车可以自由运输。
X5 u8 V; I6 l 为了检测海况,“向阳红09”还装了信息网络、监视系统、CTD、LADCP、Bathy2010等。其中CTD能够提供海域的温度、压力、盐度、电导率、声速和密度等水文参数;LADCP又叫声学海流剖面仪,它能提供海域不同深度剖面的流速、流向数据;Bathy2010是走航观测设备,通过声波测量海底以下0—120米深度的典型地层结构。有了这些东西,“蛟龙”号探海就有了安全保障。
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. U/ M, D3 e( [+ ]4 j" s4 p. m 蛟龙号回收至甲板(摄影 高悦) : ]9 H7 S. R3 d( a
8 t" ^' S( P' m* ^) w1 T% a) j- O 冲刺海底一万米
7 T+ r( U- r0 M/ X+ z1 } 深潜员说,7000米的海底就像到达月球一样,那是一个非常非常遥远的、无人踏足的地方。在这里“蛟龙”号获取海水样品和沉积物样品,同时还探测到了小型的生物。 - v7 _% C3 Z7 Q8 z2 Z* N
有了“蛟龙”号,中国算是挤进了世界载人深潜“高技术俱乐部”,成功实现了主要设备的国产化。未来载人深潜器的目标是11000米级的载人潜水器,在海洋最深处的海底自由航行、作业。
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编辑| 于冉帝 " u1 J4 g, i9 u- H( O g
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