深潛器家族的中國龍——“蛟龍”號

讀過科幻作家儒勒·凡爾納名著《海底兩萬里》的同學(xué)，大都對主人公乘坐的“鸚鵡螺號”潛水艇留有很深印象.隨著科技的發(fā)展，科幻故事中的“鸚鵡螺號”已逐漸變成了真正的海洋探測裝備，這就是載人深潛器.

一、深潛器的基本原理

很早以前，人類帶著對深海的好奇，借鑒高空氣球原理，采用深水載人球和浮力艙相組合的方式建造了載人潛水器，這種潛水器被稱為第一代載人潛水器.從20世紀(jì)50年代末到60年代中期，載人潛水器的技術(shù)得到迅猛發(fā)展，自由自航式潛水器取代了前期載人潛水器，成為第二代潛水器.

一般的潛水艇的推進(jìn)裝置采用軸推進(jìn)方式，從主推進(jìn)電機(jī)引出一根長長的主推進(jìn)軸，從耐壓艇體中穿出，帶動艇尾的螺旋槳.主軸和耐壓艇體之間的空隙需要進(jìn)行密封處理，潛深幾百米的普通潛艇，密封措施一般是在主軸和艇殼之間墊一個(gè)皮碗密封圈.但對于設(shè)計(jì)潛深達(dá)7000米的深潛器，每平方米艇體要承受7100噸的水壓，此時(shí)無論是皮碗還是別的什么密封材料都毫無意義.如果深潛器采用常規(guī)的軸推進(jìn)方式，那么在幾千米的水下，我們將會聽到“砰”的一聲，海水壓垮密封圈，從主軸和艇體之間的空隙迸射進(jìn)來……由于密封裝置無法維持高達(dá)700個(gè)大氣壓的內(nèi)外壓差，因此，自航式深潛器的推進(jìn)艙必須做成非耐壓結(jié)構(gòu)，即艙內(nèi)和艙外的壓強(qiáng)大致均衡，都是700個(gè)大氣壓左右.深潛器的操縱人員集中呆在一個(gè)極其堅(jiān)固的球形耐壓艙內(nèi)，這也是全艇唯一的能在水下維持1個(gè)大氣壓環(huán)境的地方.使動力艙和外界海洋環(huán)境保持壓力均衡的方式，是在設(shè)備中充滿輕質(zhì)液體，動力裝置的各種設(shè)備，包括電動機(jī)的轉(zhuǎn)子和線圈，都浸泡在這種絕緣的液體中.第一艘自由自航式潛水器叫“潛碟”（Diving Saucer），后改叫SP-350，是在1959年下水的，可以下潛到305米，重量不到4噸.它的誕生揭了開第二代載人潛水器的快速發(fā)展的序幕.

二、深潛器的研究現(xiàn)狀

眾所周知，浩瀚的海洋占地球表面積的71%，深海底部豐富的石油蘊(yùn)藏、無數(shù)的錳團(tuán)以及其他資源，吸引著一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家競相拓展海洋開發(fā)事業(yè).深潛技術(shù)是進(jìn)行海洋開發(fā)的必要手段，它是由深潛器、工作母船（水面支援船）和陸上基地組成的一個(gè)完整的系統(tǒng)，而深潛器是其關(guān)鍵的部份.人類利用深海載人潛水器探索海洋已經(jīng)走過了50年的歷程，美國、法國、俄羅斯、日本等相繼研制成功6000米級深海載人潛水器.這些裝備到達(dá)的范圍遍及海洋的大陸坡、海山頂、火山口、洋脊以及6000米的洋底，在地質(zhì)、地球化學(xué)、地球物理和海洋生物等方面取得了大量的重要發(fā)現(xiàn).

①美國

長期以來，美國一直是載人深潛領(lǐng)域的領(lǐng)先者，著名的“阿爾文”（Alvin）號深潛器從1964年投入使用，曾創(chuàng)造出一年最多下潛約270次的紀(jì)錄.目前，Alvin號已經(jīng)有了40多年的使用歷史，下潛次數(shù)已經(jīng)超過了4300次.1966年，美國一架B52轟炸機(jī)在西班牙海域上空與一架空中加油機(jī)相撞，B52上的氫彈不幸落入西班牙海域，Alvin通過精確的搜尋，于1966年4月7日將其打撈出水.1985年9月，Alvin號搭載三位科學(xué)家在距紐芬蘭368海里的地方，找到了“泰坦尼克號”殘骸.盡管Alvin號有著曾有著輝煌的歷史，但是Alvin在下潛深度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能與日本、俄羅斯和法國的深潛器相比，作業(yè)范圍有限.此外，Alvin號已經(jīng)使用了40多年，使用維護(hù)費(fèi)用與日俱增.為了加速對深海的探索步伐，確保美國在深海研究及深海技術(shù)方面處領(lǐng)先地位，美國國家科學(xué)基金會（NSF）決定建造一艘更先進(jìn)的新Alvin號以取代現(xiàn)役載人深潛器Alvin號.新Alvin號能達(dá)全球大約99％的海底，下潛深度及載人艙體積增大，這也導(dǎo)致潛水器的空氣重量增加1362-2270kg；上浮下潛速率增大；能量密度提高；由于潛水器的水動力性能和推進(jìn)系統(tǒng)的改進(jìn)，提高了潛水器的操縱性；艙內(nèi)體積的增大和更合理的艙內(nèi)布置改善了艇員環(huán)境；艙內(nèi)電子儀器更先進(jìn)和科學(xué)儀器的負(fù)載增大；利用水壓載方式減少了考察海域?qū)撍鞯奈锢怼⒒瘜W(xué)方面的影響.此外，在安全系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、作業(yè)工具等方面也有進(jìn)一步的改進(jìn).

②法國

法國研制的載人深潛器有Nautile號和Cyana號，作業(yè)水深分別6000m和3000m，兩艘深潛器擁有數(shù)千次的下潛記錄，完成了對大洋多金屬結(jié)核區(qū)域、海溝、海底火山、深海海底生態(tài)的調(diào)查和探測以及沉船打撈、對傾廢場的搜索.Nautile（鸚鵡螺號）建造于1984年，最大下潛深度為6000m，截至目前已經(jīng)下潛近1500次，由法國海洋科學(xué)研究院負(fù)責(zé)管理、維護(hù)和組織使用.

③俄羅斯

俄羅斯北極科考隊(duì)2007年8月2日完成了代號為“北極－2007”的極地探險(xiǎn)的最重頭的表演，深海潛水機(jī)器人成功潛至4300米深的北冰洋海底，并將一面俄羅斯國旗插在上面，再次向世界表明了俄羅斯對北極宣誓主權(quán)之心.

④日本

日本后來居上，成為新的深潛界明星.近20年間，日本的深海研究突飛猛進(jìn)，1989年建成了潛深為6500米的“深海（Shinkai）6500”載人潛水器，重量26噸，水下作業(yè)時(shí)間8小時(shí)，裝有三維水聲成像等先進(jìn)的觀察裝置.可旋轉(zhuǎn)的采樣籃使得操作人員可以在兩個(gè)觀察窗的任何一個(gè)進(jìn)行取樣作業(yè)，自投入使用以來已下潛了1000余次，創(chuàng)造了最大下潛深度約6492米的世界紀(jì)錄.

⑤中國

值得中國人驕傲的是，繼中國的神舟系列飛船實(shí)現(xiàn)“可上九天攬?jiān)隆眽粝胫螅腥A民族又讓“可下五洋捉鱉”變成了現(xiàn)實(shí)：2011年7月26日，我國首臺自主設(shè)計(jì)、自主集成的載人深潛器“蛟龍”號首次下潛至5038.5米，順利完成5000米級海試主要任務(wù).這個(gè)下潛深度意味著“蛟龍”號可以到達(dá)全球超過70%的海底，而“蛟龍”號的設(shè)計(jì)深度為世界第一的7000米，預(yù)計(jì)2012年將進(jìn)行7000米級海試，理論上它的工作范圍可覆蓋全球99.8%的海洋區(qū)域，標(biāo)志著中國繼美、法、俄、日之后成為第五個(gè)掌握大深度載人深潛技術(shù)的國家.

潛入大洋談何容易！深海環(huán)境面臨高壓低溫、高腐蝕、環(huán)境變化多端、條件復(fù)雜各異等困難.例如，水中每增加10米水深就約相當(dāng)于增加1個(gè)大氣壓，“蛟龍”號設(shè)計(jì)最大下潛深度為7000米，則需承受700個(gè)大氣的正壓力，而“神舟”飛船在太空工作時(shí)也只承受約1個(gè)大氣的負(fù)壓力，載人深潛器上的每一個(gè)零件都受到深海壓力的巨大考驗(yàn).因此，科學(xué)家認(rèn)為，“入海”的難度實(shí)際上并不亞于“上天”.

“蛟龍”號外形像是一條大白鯊，有著白色圓滾滾的身體，橙色的腦袋，身后的X形穩(wěn)定翼就如同魚尾巴.這艘寄托中國探索深海使命的載人潛水器長8.3米，重達(dá)22噸，設(shè)計(jì)有效載荷240千克.它是一條名副其實(shí)的深水魚，科研人員以中國神話傳說“蛟龍鬧海”為其命名，希望它能在深海弄出大動靜.

近底自動航行及懸停定位、高速水聲通信、充油銀鋅蓄電池容量被譽(yù)為“蛟龍”號的三大技術(shù)突破.

1.“蛟龍”號可穩(wěn)穩(wěn)“定住”

如同開車一樣，駕駛員的腳總放在油門上，難免產(chǎn)生疲勞感.“蛟龍”號駕駛員是幸運(yùn)的，它具備自動航行功能，駕駛員設(shè)定好方向后，可以放心進(jìn)行觀察和科研.“蛟龍”號現(xiàn)在可以完成三種自動航行：自動定向航行，駕駛員設(shè)定方向后，“蛟龍”號可以自動航行，而不用擔(dān)心跑偏；自動定高航行，這一功能可以讓潛水器與海底保持一定高度，盡管海底山形起伏，自動定高功能可以讓“蛟龍”號輕而易舉地在復(fù)雜環(huán)境中航行，避免出現(xiàn)碰撞；自動定深功能，可以讓“蛟龍”號保持與海面固定距離.更為令人稱奇的是，“蛟龍”號還能懸停定位.一旦在海底發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，“蛟龍”號不需要像大部分國外深潛器那樣坐底作業(yè)，而是由駕駛員行駛到相應(yīng)位置，“定住”位置，與目標(biāo)保持固定的距離，方便機(jī)械手進(jìn)行操作.在海底洋流等導(dǎo)致“蛟龍”號搖擺不定，機(jī)械手運(yùn)動帶動整個(gè)潛水器晃動等內(nèi)外干擾下，能夠做到精確地“懸停”令人稱道.在已公開的消息中，尚未有國外深潛器具備類似功能.

2.深海通信靠“聲”不靠“電磁”

陸地通信主要靠電磁波，速度可以達(dá)到光速.但這一利器到了水中卻沒了用武之地，電磁波在海水中只能深入幾米.“蛟龍”號潛入深海數(shù)千米，如何與母船保持聯(lián)系？科學(xué)家們研發(fā)了具有世界先進(jìn)水平的高速水聲通信技術(shù)，采用聲吶通信.這一技術(shù)需要解決多項(xiàng)難題，比如水中聲音傳播速度只有1500米／秒左右，如果是7000米深度的話，喊一句話往來需要近10秒，聲音延遲很大；聲學(xué)傳輸?shù)膸捯矘O其有限，傳輸速率很低；此外，聲音在不均勻物體中的傳播效果不理想，而海水密度大小不同，溫度高低不同，海底回波條件也不同，加上母船和深潛器上的噪音，如何在復(fù)雜環(huán)境中有效提取信號難上加難.據(jù)悉，“蛟龍”號上裝載的高速水聲通信技術(shù)由中國科學(xué)院聲學(xué)所研發(fā)，能夠適時(shí)傳輸語音、文字和圖片，這是國外絕大多數(shù)載人深潛器所沒有的.

3.世界深潛器最大容量電池之一

“蛟龍”號在深海要生存近十個(gè)小時(shí)，還要不停運(yùn)動和作業(yè)，但又不能攜帶太重的燃料，因此能源供給是個(gè)大難題.“蛟龍”號搭載了完全由我國自主研發(fā)的大容量充油銀鋅蓄電池，電量超過110千瓦時(shí)，這也是目前國際潛水器上最大容量的電池之一，“蛟龍”號可以有更長的水下工作時(shí)間和更多的儀器運(yùn)作.目前，日本的潛水器蓄電池為86千瓦時(shí)，法國、美國均為50多千瓦時(shí)，只有俄羅斯的深潛器可以與之媲美.銀鋅蓄電池采用充油的方式放在蓄電池箱內(nèi)，減輕了“蛟龍”號的重量，但在高壓環(huán)境下，大容量電池供電時(shí)可能產(chǎn)生一定量氫氣，威脅“蛟龍”號安全，為此，“蛟龍”號同時(shí)選用了兩個(gè)不同廠家進(jìn)行產(chǎn)品試驗(yàn)，再進(jìn)行改進(jìn)，最終將析氣量控制在規(guī)定范圍內(nèi).

“蛟龍”號可不僅是一項(xiàng)頂尖技術(shù)那么簡單.美國《華爾街日報(bào)》評論指出，“中國計(jì)劃以一臺載人潛水器深潛太平洋，這將使它在一場勘探世界大洋最深處可能十分豐富的礦產(chǎn)資源的競賽中超越美國.”事實(shí)上，從國內(nèi)外的熱烈反響來看，這條高科技的“中國龍”正讓我們重新審視自身的深海戰(zhàn)略，深藍(lán)之夢或?qū)⒕痛死_.