獨家探秘“蛟龍號”深海潛水器

王家敏

深海技術與太空技術并列,是各國極度重視的高新技術領域,有重要的科研與應用價值。 “蛟龍號”的亮相,宣告中國成為第五個掌握3500米以上大深度載人深潛技術的國家

數千米的深海海底是地球上最寧靜而神秘的地方,那里生存著古老的原核生物。然而,好奇心并不是海洋科學家探索深海的唯一原因,要知道,那里還蘊藏著豐富的能源,它們對人類未來的生存意義非凡。

從20世紀50年代末開始,美、法、俄、日等國先后開始建造載人潛水器。迄今,世界上僅有的五艘6000米級深海載人潛水器為這些國家所擁有,它們能夠到達遍及海洋深處的大陸坡、海山頂、火山口、洋脊以及漆黑的洋底。

8月26日,中國科技部和國家海洋局宣布,我國第一臺自行設計、自主集成研制的“蛟龍號”載人深海潛水器3000米級海上試驗取得成功,最大下潛深度3759米。實際上,“蛟龍號”的最大設計深度為當今“世界之最” ——達到7000米。

深海載人潛水器是運載科學家、工程技術人員到達深海復雜環境,進行勘探、科學考察和開發和利用資源的重要技術裝備。“蛟龍號”項目負責人劉峰說,“深海技術與太空技術并列,是各國極度重視的高新技術領域,有重要的科研與應用價值。”

“蛟龍號”的亮相,宣告中國成為第五個掌握3500米以上大深度載人深潛技術的國家,并立即引起世界的關注。

第37次下潛

7月13日,中國海南島東側南海海域,海面溫度30℃,海底地勢平緩,海水平均深度3757米。

“蛟龍號”在這里進行第37次深潛試驗。現場的人們并沒有預測到,這一次海試不僅完成了潛水器的系統調試,還將下潛深度增加了2米,達到3759米。海試現場總指揮劉峰說,“此前的海試已陸續選擇在50米、300米、1000米級海域進行,這一階段試驗的3000米級深度是一個重要階段。”

全球海洋平均深度為3682米。此前,只有上述四國的深海載人潛水器能在3500米級深度自如展開科研與勘測活動。

中國研制、試驗中的深潛系統由“蛟龍號”載人潛水器、水面支持系統(包括“向陽紅09”海試船和水面A型起吊架等)、潛航員培訓等三部分組成。

此時,母船正航行在天氣狀況良好的海面上,“蛟龍號”放置在后甲板。下潛后,潛水器將通過聲波通訊等方式與母船建立聯系。母船能實時監控潛水器的運行深度、縱傾、橫搖、速度等數據和載人艙內溫度、氧氣狀態等信息,并能即時發出調整指令。

潛水器載人艙內可承載一名潛航員和兩名科研人員。主潛航員葉聰,31歲,已從事海洋研究工作七年,參與“蛟龍號”設計研制,曾18次成功駕駛“蛟龍號”探訪深海。

潛航員系統包括經過專門訓練的潛航員和試航員共11人,葉聰介紹說,“在海試階段,除潛航員外,還有工程調試人員進入載人艙,對潛水器狀態進行檢測與調試。”

海試前,中國大洋協會已對這片預選海域的地形、底流、地質等進行了長期觀測與調查。海試前夕,試驗海域也進行了全面掃海,清除漁網等障礙。下潛前一天,參與下潛的人員會依照操作計劃再三溝通確認。

清晨8點,海試準備到位。工作人員首先在后甲板上對潛水器的通訊設備、導航系統等各項性能進行初步測試。葉聰說,“每次試驗前都需要將一份長長的表格逐項確認打鉤。”

“母船現場工作人員將實時監測海面風向、洋流速度、海水鹽度、密度等狀況,并據此調整潛水器性能參數。”劉峰告訴《中國新聞周刊》記者,“海試期間正值西南季風強勁多發季節,母船上還有天氣預報人員。”

隨后,三名潛航人員依次從頂部艙口進入載人艙。水面測試開始,A型起吊架將潛水器平穩放置到海面上。

“蛟龍號”采用常用的“深潛器無動力下潛上浮技術”。潛水器兩側配備4塊壓載鐵,重量可以根據不同深度與要求調整。在下潛過程中,壓載鐵使潛水器具備負浮力,按照一定速度下潛;當潛水器到達設定深度時,可操作拋載其中兩塊壓載鐵,使潛水器處于零浮力懸停狀態,保持在這個深度上實現作業,包括航行、拍照、取樣等;當任務完成,再拋棄另外2塊壓鐵,使潛水器具備正浮力,按照一定的速度上浮,到達水面。

“蛟龍號”總設計師徐芑南告訴《中國新聞周刊》記者,設計最快下潛上浮速度是42米每分鐘,到達7000米海底需要大約3小時。

這一次,潛水器以37米每分鐘勻速緩緩下潛,到達預定深度需要約100分鐘。期間,潛航員和母船每隔5分鐘或者20分鐘可能進行一次通話。

深度顯示器上的數字開始跳動,潛航員與調試人員也各就各位,首先根據預定計劃對潛水器性能進行測試,如對航速、自動控制系統等進行考核;其次進行潛航員身體和心理狀況監測;并測試潛水器的作業功能。葉聰告訴《中國新聞周刊》記者,“每次下潛到達預定深度后,我們通過插放國旗、采取水樣、抓獲海底生物等工作,進行機械手操控訓練和標本采集訓練。”

潛航工作中,潛航器需要接受海水壓力的考驗。3000多米的深海,潛水器所承受的壓力將達到每平方米3000多噸,一個成年人的手掌大概是0.01平方米,這意味著載人艙表面一個手掌大的面積就將承受30多噸的壓力;如果到達7000米深度,則將承受70多噸壓力。

海水溫度也將隨深度增加而下降。當天的海面溫度為30℃,艙內39.7℃。下潛到3500米左右,海水溫度已經降至2℃,潛水器主體結構溫度也隨之下降。葉聰說,“艙內溫度將保持在15℃左右。”

“海底壓力與溫度變化也是下潛的重要參數,”劉峰告訴《中國新聞周刊》記者,“潛水器大部分結構由鈦合金構成,在壓力增大和溫度降低作用下,載人球體等體積將變小,浮力也將發生變化。所以,每一次下潛都需要對壓載鐵的重量進行精密計算。”

海底懸停中,“蛟龍號”在海底緩慢航行,一片未知世界在潛航員眼前展開,葉聰看到“艙外漆黑,各種奇異的海洋生物在燈光中不斷出現”。

完成當天的預定任務后,“蛟龍號”繼續在海底定高(在設定的離地高度,自動跟蹤海底地形)緩慢航行,下午4時53分23秒,找到了該海域3759米深處。

下午6時左右,“蛟龍號”在海面落日余暉中浮出水面。當天的下潛時間為9小時零3分,接近設計最大工作時長12小時。

潛航人員回到母船甲板上時,他們被潑了一盆海水。葉聰說,這是每次海試后的歡迎儀式,“大家都很興奮,給你澆上一盆海水,從上到下濕透,然后把你舉起來。”

3000米的“逗號”

這是3000米級海試中下潛最深的一次。

從5月31日到7月18日,“蛟龍號”載人潛水器在中國南海進行了密集的海上試驗:共完成17次下潛,其中7次超過2000米深度,4次突破3000米。劉峰介紹說,“蛟龍號”在3000米級的多項性能和功能指標通過了驗證,其中包括耐壓結構及設備、水面支持系統、無動力下潛上浮系統、蓄電池及供電設備等18個項目。

“蛟龍號”深海載人潛水器研制專項總設計師徐芑南介紹,海試前,中船重工集團公司702所首先進行了模擬壓力測試和密封性能測試。壓力測試中,潛水器被放置在一個密閉的壓力桶裝置里,以水增壓模擬7000米深處海水壓力的方式,對每個部件進行了70兆帕壓力考核。

2009年8月15日,首次海試開始,“蛟龍號”下潛,需要解決的問題逐漸浮出水面。葉聰說,“37次海試中,一共有11人參與了下潛試驗,其中潛航員3人,試航員8人,參加海試的參試人員有170多人。”

去年8月15日至24日50米級海試時,水聲通信一直不能建立,海試母船無法找到潛水器;8月28日,300米級海試時,一只主蓄電池爆裂;1000米級海試期間,遭遇惡劣天氣,只能選擇10月3日下水,這一天進行了高速水聲通信的試驗;2010年6月,3000米級海試例行檢查中,發現幾滴海水進入高度計中造成絕緣故障。