跟隨萬米載人潛水器去探險(xiǎn)

肖溪樹

2012年，我國的“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器創(chuàng)造了我國最深的7062米深潛紀(jì)錄。如今，歷經(jīng)3年多時(shí)間，我國萬米級載人潛水器也研制成功并進(jìn)行了水池試驗(yàn)！這臺萬米級載人潛水器將成為繼“蛟龍?zhí)枴薄吧詈Ｓ率刻枴敝蟮挠忠弧皣仄鳌薄?/p>

下圖中這個(gè)外形近似于卵形，同時(shí)科幻感十足的大型設(shè)備，就是我國新一代萬米載人潛水器的真身。全新一代萬米載人潛水器也被稱為全海深載人潛水器，主要是因?yàn)槠渥畲罂蛇_(dá)10000米級別的潛深，不僅相比“蛟龍?zhí)枴保?000米級）有著極大的提升，更重要的一點(diǎn)在于，新一代萬米載人潛水器可以幫助我們征服最大深度為海平面以下11034米的馬里亞納海溝。

入海難，??? 難于上青天

也許有同學(xué)會說，無邊的海洋深度最多也不過1.1萬米，如今飛天登月都已付諸實(shí)施，怎么走進(jìn)海洋就如此之難呢？要說挑戰(zhàn)深海，還真的是比登天還難！相對于陸域和空域來說，深海的環(huán)境要復(fù)雜得多，黑暗、高壓、寒冷、神秘、寧靜……就拿海底的壓強(qiáng)來說吧。海水深度每增加10米，壓強(qiáng)就會增加1個(gè)大氣壓。那么，1.1萬米海底的壓強(qiáng)就是1100個(gè)大氣壓，大約為110兆帕。

110兆帕是個(gè)什么概念呢？形象點(diǎn)來說，相當(dāng)于1個(gè)手指甲蓋小的面積上要承受1100千克重的物體所產(chǎn)生的壓力。幾乎相當(dāng)于把一輛普通汽車壓在一個(gè)人的指甲蓋上，這是一個(gè)大得驚人的數(shù)字。

面對如此大的水壓，別說人到深海會被壓扁，就連載人潛水器也面臨極限挑戰(zhàn)。難怪如今能上天的人不少，而能到海底的人卻屈指可數(shù)。

載人球艙??? 打造深海“堡壘”

挑戰(zhàn)深海，必須建造一個(gè)堅(jiān)不可摧的“堡壘”以此來保護(hù)潛水員的生命安全。這個(gè)“堡壘”就是載人耐壓艙，這可是載人潛水器最核心的部件！

與大多數(shù)載人潛水器類似，新一代萬米載，人潛水器同樣也是以球形載人耐壓艙為核心，同時(shí)配備有包括動(dòng)力系統(tǒng)、生命支持系統(tǒng)、導(dǎo)航通信系統(tǒng)、觀察攝影記錄系統(tǒng)、作業(yè)機(jī)械臂乃至實(shí)現(xiàn)上浮/下潛的壓艙物在內(nèi)的各種必需設(shè)備。

之所以將載人耐壓艙設(shè)計(jì)成球形，主要是為了更好地抵消來自海水中各個(gè)方向的壓力，從而保證下潛人員的安全。球形薄壁殼體結(jié)構(gòu)自身的幾何特性，決定了其具有質(zhì)量輕和承壓高的特點(diǎn)。在生活中，同學(xué)們也許有過這樣的體驗(yàn)吧，用手掌緊握雞蛋時(shí)，不容易把雞蛋捏壞，其中的道理就是如此。因?yàn)榈皻さ谋”诮Y(jié)構(gòu)在受到一個(gè)圍壓作用時(shí)，其拱形曲面可以分散外力的作用，使得結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固。

全新一代萬米載人潛水器的球形載人耐壓艙直徑近2米，就大小而言，已經(jīng)是目前全球范圍內(nèi)體積和空間最大的。這一部分全部由被譽(yù)為“海洋金屬”的高強(qiáng)度鈦合金材料制成，其強(qiáng)度之大，足以承受1.1萬米深海環(huán)境下高達(dá)1100個(gè)大氣壓。

之所以選用鈦合金來制造載人耐壓艙，是因?yàn)殁伜辖鸩粌H強(qiáng)度高，而且彈性好，可以賦予載人球艙堅(jiān)固的外殼，即便在下潛和上浮的過程中，也能保持硬度而不變形。而且，在鈦表面形成的氧化膜可使鈦鈍化，從而不受海水腐蝕，進(jìn)而可以提高載，人球艙的耐用性。鈦合金的密度較低，僅為鋼的60%，這樣可以用更小的結(jié)構(gòu)重量來滿足特定的功能要求。鈦合金還具有耐低溫、無磁性、抗沖擊等性能，并且透聲性和加工性很好，因此是一種優(yōu)秀的深潛器材料。

浮力材料??? 托起“回家夢”

你也許會問，雖說鈦合金的密度要比鋼鐵小，但還是比海水大不少，那載人潛水器潛入海底后怎么“回家”呢？

載人潛水器潛入深海，“回家”是必須的！這也是科學(xué)家需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。實(shí)，自然界中的魚鱗就具有這樣的本領(lǐng)，在水里既下得去，也上得來。那魚類是如何做到的呢？對于大多數(shù)魚類來說，魚鰾就是一個(gè)調(diào)節(jié)身體密度的器官。我們可以把魚鰾看作一個(gè)“空氣袋”，充氣多了就會變大，并使魚的體積增大。魚的體積變大了，密度自然就小了，這樣就能夠上浮了。反之，則會下沉。

同樣的道理，我們也可以通過改變潛水器的密度，來實(shí)現(xiàn)“下得去，上得來”的目標(biāo)。而配置低密度固體浮力材料就是一個(gè)很好的辦法。浮力材料的密度大約只有海水的一半，其作用就是把潛水器的密度降下來。一般情況下，浮力材料的質(zhì)量會占到潛水器總質(zhì)量的1/3左右，而占用的體積比例則會更大一些。

我國“萬泉號”深淵著陸器采用國產(chǎn)深海浮力材料，最大下潛深度達(dá)到了10901米，標(biāo)志著國產(chǎn)深海浮力材料達(dá)到了世界先進(jìn)水平，改變了我國深海浮力材料受制于人的局面。2017年，中國“微球”托起了“深海勇士號”載人深潛器的“回家夢”。中國“深海勇士號”的海試成功，充分驗(yàn)證了國產(chǎn)固體浮力材料的優(yōu)秀品質(zhì)。

“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器采用的是無動(dòng)力自主下沉與上浮技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)“下得去，上得來”的目標(biāo)。在下潛時(shí)，為了保證潛水器密度大于海水，需要在潛水器上配備一定質(zhì)量的壓載鐵。當(dāng)下潛至海洋深處時(shí)，潛水員可以根據(jù)情況拋掉一定數(shù)量的壓載鐵，以實(shí)現(xiàn)潛水器的懸?；蛘呱细?。而在完成深海作業(yè)之后，就需要把壓載鐵這個(gè)“包袱”全部拋掉，從而使得潛水器的密度小于海水，這樣才能產(chǎn)生向上的浮力。

走進(jìn)深海，離不開固體浮力材料。萬米載人潛水器更是需要高性能的固體浮力材料。

深潛員的“擒拿利器”

我國萬米載，人潛水器的球形耐壓艙能滿足3位潛水員的工作需求。在深海，潛水員是不能出艙的，那么他們?nèi)绾芜M(jìn)行作業(yè)呢？

“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器有兩個(gè)機(jī)械臂，分別有多個(gè)“關(guān)節(jié)”，相當(dāng)于人的肩、肘、腕等?！吧詈Ｓ率刻枴睗撍饕矒碛幸浑p靈巧的機(jī)械臂。這雙機(jī)械臂作為海底科考應(yīng)用作業(yè)的重要裝備，在深海探測中發(fā)揮了重要作用。

我國萬米載人潛水器具有覆蓋全球海洋100%海域的作業(yè)能力，機(jī)械臂同樣也是其進(jìn)行水下作業(yè)的首選工具。據(jù)悉，我國萬米載人潛水器的機(jī)械臂具有臂力強(qiáng)、手腕穩(wěn)、動(dòng)作滑等特點(diǎn)，并可以與其他工具配合開展水下采樣、測量等作業(yè)。

有了這些高科技材料的保駕護(hù)航，萬米載人潛水器將帶領(lǐng)中國人首次出發(fā)去萬米海底探險(xiǎn)。同學(xué)們想象一下，坐在神秘的球形載人艙內(nèi)，將會遇到怎樣的景象呢？那里是萬物叢生，還是一片荒蕪？深潛的過程中將會有哪些奇遇呢？所有的謎底，萬米載人潛水器都將一一為我們揭開，讓我們拭目以待吧！

延伸閱讀

世界上最深的海溝——馬里亞納海溝

文/周軍

要論世界，上最著名的海溝，當(dāng)數(shù)位于西太平洋的馬里亞納海溝，約在6000萬年前形成。馬里亞納海溝號稱是最接近地心的地方，深度達(dá)11034千米，把喜馬拉雅山扔進(jìn)去都無法填平。

馬里亞納海溝是板塊運(yùn)動(dòng)時(shí)碰撞形成的。太平洋板塊撞上并沉到相對較輕的菲律賓板塊之下碰撞處衍生出了包括馬里亞納海溝、馬里亞納島弧、馬里亞納海槽和西馬里亞納海嶺等在內(nèi)的一系列深海溝壑。

馬里亞納海溝呈南北走向的弧狀，像一把大湯匙，類似海底表面狹窄的折痕或溝槽，嵌在北太平洋西部海床中。它全長約2500千米，寬度幾十千米，深度也是“遠(yuǎn)近高低各不同”。馬里亞納海溝里并非處處是“深坑”，在底部行走還可能會遇到高度難測的海山，其余大部分水深在8000米以上，其中馬里亞納海溝南部區(qū)域水深超過10900米，其最深點(diǎn)被稱為“挑戰(zhàn)者深淵”，也被認(rèn)為是“地球第四極”。

以前人們認(rèn)為，由于超大的靜水壓力、缺乏陽光和食物供給，加之特殊的海底地形劇烈的構(gòu)造活動(dòng)等多種極端環(huán)境因素，海面6000米以下的地方會是一片死氣沉沉、與世隔絕的世界。

然而，早在二十世紀(jì)四五十年代，蘇聯(lián)和丹麥的科考調(diào)查船就曾經(jīng)對全球13條深度超過6000米的海溝開展了一系列調(diào)查?？茖W(xué)家在其中8條海溝發(fā)現(xiàn)了300多個(gè)新物種，其中1/3以上的新物種都只存在于深淵環(huán)境。這些發(fā)現(xiàn)使科學(xué)家認(rèn)識到，黑暗的深淵世界生活著極其獨(dú)特的“深淵生物群落”。

迄今為止，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的生活在最深海底環(huán)境的魚類——獅子魚，生長在馬里亞納海溝8145米深處。我國的科考團(tuán)隊(duì)也曾在馬里亞納海溝約7400米處誘捕到若干尾深海獅子魚。此外，在馬里亞納海溝深約10897米處，科學(xué)家們還采集到一種叫短腳雙眼鉤蝦的生物，這些小蝦從頭到尾只有幾厘米。

從科學(xué)家以往的探測活動(dòng)中，我們可以得知，馬里亞納海溝深處的沉積物構(gòu)成與其他海底陸地相差無幾，都是由生物殘骸的分解物、塵埃、火山灰等混合而成。特殊之處在于，馬里亞納海溝沉積物的礦物粒子直徑非常小，含水量也非常高。

我們都知道，越到海洋深處，環(huán)境壓力就會越大。據(jù)科學(xué)家估測，馬里亞納海溝約1萬米深處的大氣壓比標(biāo)準(zhǔn)大氣壓要大1000多倍，相當(dāng)于每平方厘米的面積要承受近1100千克的重量，壓力可想而知。然而，這里的沉積物并沒有因此變得十分堅(jiān)硬，甚至被稱為“軟泥巴”。為什么在這樣的環(huán)境壓力下，沉積物依舊可以保持松軟狀態(tài)？科學(xué)家對此解釋為，海底泥土所承受的壓力有來自內(nèi)部的，也有來自外部的，但內(nèi)外兩種壓力平衡之后，再加上水壓比物質(zhì)的抗壓程度低，所以該物質(zhì)就會保持原來的形態(tài)。

（責(zé)任編輯：陸艷）