中国奋斗者号下潜10909米破纪录：这仨物理难点，咋解决的？

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作者：大神团·卢云深

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作者介绍：卢云深，新东方超尖生计划授课老师，清华大学机械工程与自动化学士，清华大学材料科学与工程专业硕士。初中“希望杯”数学竞赛一等奖，高中物理竞赛河南省第一名。

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自地理大发现时代以来，人类探索了整个地球表面，并且先后征服了地球的北极、南极，还有世界最高峰珠穆朗玛峰，然而世界的第四极——最深的海沟 “马里亚纳海沟”，至今仍然从未有人到达它的最深处。

自从著名科幻作家儒勒·凡尔纳于1869年出版小说《海底两万里》，人类就没有停止过对海底探险的幻想。

然而理想很丰满，现实很骨感。深海环境极大的水压，在很长一段时间都是人类无法克服的难题。

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海水同淡水相比，其中含有大量矿物盐分，这使得海水的密度要高于淡水，在海平面1000m以下，海水密度通常为1027kg/m3，海水压力达到10MPa，相当于成年人手掌大小的面积上压着一辆重20吨的大货车。

而“马里亚纳海沟”的深度据推测要在11034米以上，那里的水压更是1000m深处水压的11倍。

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这种超级严酷的环境阻碍了人类探索的步伐，以至于很长一段时间内，人类对海底的了解甚至不如对火星表面的了解程度深。

尽管如此，人类其实从很早以前就开始了探索海底的尝试。亚里士多德在公元前4世纪就描述了可以将大型金属锅倒扣辅助人类潜水，这种设备被后人统称为潜水钟， “通过放下一口大锅能够使潜水员像在陆地上一样呼吸，因为这个大锅不充满水，而是保持空气”。

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直到1535年，古列尔莫·德洛伦纳创造并使用了第一个现代潜水钟，并将其用于打捞海底沉船中的财宝。

1689年，丹尼斯·帕宾提出潜水钟内的压力和新鲜空气可以通过连通压力泵或风箱来维持。这一设想直到1789年才由工程师约翰•斯密顿实现。

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图2 早期潜水钟 来源：http://www.wikipedia.org/Diving_bell

潜水钟由于底部不封口，其下潜深度通常都在100米以内。

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为了继续探索大海更深处，人类还需要有更先进的发明创造。为了使潜水舱受压均匀,1930年美国工程师奥蒂斯·巴顿建造了由铸钢打造的球形潜水器—潜水球Bathysphere，它的直径有1.5米，钢板厚度超过2.5厘米，设备总重达到了2450千克，并在1932年下潜到了海面下900米。

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由于潜水球很难操纵，又容易受到海中洋流影响翻滚，到了1934年，这一设备就被废弃了。

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图3 潜水球概念图 来源：http://www.wikipedia.org/Bathysphere

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真正能够用于探索1000米以下深海的设备则是由瑞士探险家奥古斯特·皮卡德及其儿子雅克·皮卡德所发明建造的深海潜艇Bathyscaphe。

1931年5月27日，奥古斯特·皮卡德搭乘自制热气球上升到15781米的高空，这是人类首次到达平流层。之后他发现自己所设计的热气球贡多拉舱体，只要进行一些改造，也能适用于深海潜水。

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以此为契机他在1937年发明了一个钢制深海潜艇。1948年，他完成了气泡形状的潜水舱“FNRS-2”的建造。到了1960年，奥古斯特·皮卡德的儿子雅克·皮卡德，下潜到了马里亚纳海沟10911米深处的“挑战者深渊”。

图4的里雅斯特号深潜器 图4的里雅斯特号深潜器 来源：http://www.wikipedia.org/Trieste_(bathyscaphe)

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三个月前，2020年11月19日。中国自主研发的“奋斗者”号载人深潜器在马里亚纳海沟成功坐底，创造了10909米的中国载人深潜新纪录，也是世界唯二实现马里亚纳海沟探底的载人作业型深潜器，上一个达成此成就的是2019年的美国“极限因子”号。

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图5“奋斗者”号载人深潜器 来源：中国科学院网站

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想要进行海底探测，主要有三个难点。

首先是材料，深潜设备相当于一个在外部承受大量压力的压力容器，如果材料强度不足，深潜器就有可能在深海海水压力下被压扁，潜水员就会有生命危险。

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其次还有能源问题，海底探测设备主要依靠电池提供动力，电池的续航能力在很大程度上会影响勘探计划。

最后一个难点，是通讯问题。深潜设备同海上作业平台间无线通信，受到距离影响会有较长时间延迟，同时通信还受海中洋流及海水盐度变化的干扰。

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后两个问题可以通过在深潜设备与母船间连接输电通信线缆解决，然而线缆会大大限制深潜器的活动，同时可能被海底岩体挂断。

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载人作业型深潜器不仅需要下潜到深海底部，还要能自由地四处探索收集海底矿物动物标本，因此无法使用线缆连接。“奋斗者”号的成功探底说明我国在潜艇续航电池及水下通信领域都有了质的突破，甚至实现了人类首次万米下深海直播。

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“奋斗者”号深潜器作为载人作业型深潜器，它能够搭载3名潜航员，使用了最新研发的高强度材料钛合金Ti62A来制造球形载人舱，舱体球壳厚度超过13cm，钛合金材料的密度 是钢铁材料密度的57%，可它的屈服强度却能达到1200MPa以上，是普通304不锈钢的4倍，同时还具有更好的低温韧性，可以适应深海 ℃ 到 ℃ 的低温环境。

钛合金表面易形成致密氧化膜，对海水也有很高抗腐蚀能力。

钛合金应用的技术难点主要在材料加工方面，载人球壳需要把钛合金原材料加工成两个精确的半球再完美焊接成球体，中国是世界上美国俄国之外第三个掌握此技术的国家，“奋斗者”号也是国产深潜载人球壳的首次应用。

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图6奋斗者号载人舱的国产钛合金球壳 图源：解放日报

有了坚固的载人舱可以保证深潜器安全下沉，此外还需要保证它能安全上浮。

潜水器要想浮上来有两种方式，一种是消耗能源动力，另一种是无动力上浮技术。前者浪费宝贵的能源，会缩短潜水器工作半径和时间，后者则需要用到固体浮力材料。固体浮力材料需要在保证压缩强度的前提下，拥有尽可能低的密度来创造浮力。

为解决这个问题中科院理化所使用了高强度空心玻璃微珠材料，空心玻璃微珠是直径为数微米到数百微米的中空玻璃薄壁小珠，玻璃珠抗压强度高，中间空心降低了材料密度，利用致密填充堆积技术将它们加入到拥有低密度高强度特点的树脂中，这样就研制出了能够胜任深海探险的新式固体浮力材料。

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坚固的载人舱包裹着固体浮力材料，使得整个深潜器外表面就像深海鱼类一样柔软有弹性，从某种角度来说，这也可以算作仿生学的实际应用。

图6空心玻璃微珠 左：光学显微镜透射光图 右：光学显微镜反射光图 来源：中国科学院理化技术研究所网站

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从蛟龙号、深海勇士号，再到奋斗者号，无数科研人员十几年的辛勤工作让我们终于有机会把中国人安全送到海底一万米。

科技的发展，让人类把一个又一个的“不可能”变为可能，把梦想变为现实；让人类攀上世界最高的山峰，潜入世界最深的海底。

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这一切的一切都来源于科技工作者们长年坚持不断的学习研究，而支持他们不懈努力的动力也都来自少年时代探索未知世界的梦想。

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参考资料：中国科学报-《奋斗者”号：从国产到“国创”》

http://www.wikipedia.org/Diving_bell

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http://www.wikipedia.org/Bathysphere

http://www.wikipedia.org/Trieste_(bathyscaphe)

http://www.wikipedia.org/Mariana_Trench

作者介绍：卢云深，新东方超尖生计划授课老师，清华大学机械工程与自动化学士，清华大学材料科学与工程专业硕士。初中“希望杯”数学竞赛一等奖，高中物理竞赛河南省第一名。本文原创自新东方智慧学堂（zhihuixuetang_xdf），与精英为伍，成就未来精英。