深潛器家族的中國(guó)龍——“蛟龍”號(hào)

讀過(guò)科幻作家儒勒·凡爾納名著《海底兩萬(wàn)里》的同學(xué)，大都對(duì)主人公乘坐的“鸚鵡螺號(hào)”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(hào)”已逐漸變成了真正的海洋探測(cè)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(duì)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(zhǎng)長(zhǎng)的主推進(jìn)軸，從耐壓艇體中穿出，帶動(dòng)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(duì)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(wú)論是皮碗還是別的什么密封材料都毫無(wú)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(huì)聽(tīng)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(lái)……由于密封裝置無(wú)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(dòng)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(dòng)力裝置的各種設(shè)備，包括電動(dòng)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(kāi)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(wú)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(guó)家競(jìng)相拓展海洋開(kāi)發(fā)事業(yè).深潛技術(shù)是進(jìn)行海洋開(kāi)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(guò)了50年的歷程，美國(guó)、法國(guó)、俄羅斯、日本等相繼研制成功6000米級(jí)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(guó)

長(zhǎng)期以來(lái)，美國(guó)一直是載人深潛領(lǐng)域的領(lǐng)先者，著名的“阿爾文”（Alvin）號(hào)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(hào)已經(jīng)有了40多年的使用歷史，下潛次數(shù)已經(jīng)超過(guò)了4300次.1966年，美國(guó)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(guò)精確的搜尋，于1966年4月7日將其打撈出水.1985年9月，Alvin號(hào)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(hào)”殘骸.盡管Alvin號(hào)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(guó)的深潛器相比，作業(yè)范圍有限.此外，Alvin號(hào)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(duì)深海的探索步伐，確保美國(guó)在深海研究及深海技術(shù)方面處領(lǐng)先地位，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）決定建造一艘更先進(jìn)的新Alvin號(hào)以取代現(xiàn)役載人深潛器Alvin號(hào).新Alvin號(hào)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(dòng)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?、化學(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(guó)

法國(guó)研制的載人深潛器有Nautile號(hào)和Cyana號(hào)，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(duì)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(cè)以及沉船打撈、對(duì)傾廢場(chǎng)的搜索.Nautile（鸚鵡螺號(hào)）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(guó)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(hào)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(guó)旗插在上面，再次向世界表明了俄羅斯對(duì)北極宣誓主權(quán)之心.

④日本

日本后來(lái)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(lái)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(guó)

值得中國(guó)人驕傲的是，繼中國(guó)的神舟系列飛船實(shí)現(xiàn)“可上九天攬?jiān)隆眽?mèng)想之后，中華民族又讓“可下五洋捉鱉”變成了現(xiàn)實(shí)：2011年7月26日，我國(guó)首臺(tái)自主設(shè)計(jì)、自主集成的載人深潛器“蛟龍”號(hào)首次下潛至5038.5米，順利完成5000米級(jí)海試主要任務(wù).這個(gè)下潛深度意味著“蛟龍”號(hào)可以到達(dá)全球超過(guò)70%的海底，而“蛟龍”號(hào)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(jí)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(guó)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(guó)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(hào)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?！钡碾y度實(shí)際上并不亞于“上天”.

“蛟龍”號(hào)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(yú)尾巴.這艘寄托中國(guó)探索深海使命的載人潛水器長(zhǎng)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(yú)，科研人員以中國(guó)神話傳說(shuō)“蛟龍鬧海”為其命名，希望它能在深海弄出大動(dòng)靜.

近底自動(dòng)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(hào)的三大技術(shù)突破.

1.“蛟龍”號(hào)可穩(wěn)穩(wěn)“定住”

如同開(kāi)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(hào)駕駛員是幸運(yùn)的，它具備自動(dòng)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(hào)現(xiàn)在可以完成三種自動(dòng)航行：自動(dòng)定向航行，駕駛員設(shè)定方向后，“蛟龍”號(hào)可以自動(dòng)航行，而不用擔(dān)心跑偏；自動(dòng)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(dòng)定高功能可以讓“蛟龍”號(hào)輕而易舉地在復(fù)雜環(huán)境中航行，避免出現(xiàn)碰撞；自動(dòng)定深功能，可以讓“蛟龍”號(hào)保持與海面固定距離.更為令人稱奇的是，“蛟龍”號(hào)還能懸停定位.一旦在海底發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，“蛟龍”號(hào)不需要像大部分國(guó)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(hào)搖擺不定，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)整個(gè)潛水器晃動(dòng)等內(nèi)外干擾下，能夠做到精確地“懸?！绷钊朔Q道.在已公開(kāi)的消息中，尚未有國(guó)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(méi)了用武之地，電磁波在海水中只能深入幾米.“蛟龍”號(hào)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(lái)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(hào)難上加難.據(jù)悉，“蛟龍”號(hào)上裝載的高速水聲通信技術(shù)由中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)所研發(fā)，能夠適時(shí)傳輸語(yǔ)音、文字和圖片，這是國(guó)外絕大多數(shù)載人深潛器所沒(méi)有的.

3.世界深潛器最大容量電池之一

“蛟龍”號(hào)在深海要生存近十個(gè)小時(shí)，還要不停運(yùn)動(dòng)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(hào)搭載了完全由我國(guó)自主研發(fā)的大容量充油銀鋅蓄電池，電量超過(guò)110千瓦時(shí)，這也是目前國(guó)際潛水器上最大容量的電池之一，“蛟龍”號(hào)可以有更長(zhǎng)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(guó)、美國(guó)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(hào)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(hào)安全，為此，“蛟龍”號(hào)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(hào)可不僅是一項(xiàng)頂尖技術(shù)那么簡(jiǎn)單.美國(guó)《華爾街日?qǐng)?bào)》評(píng)論指出，“中國(guó)計(jì)劃以一臺(tái)載人潛水器深潛太平洋，這將使它在一場(chǎng)勘探世界大洋最深處可能十分豐富的礦產(chǎn)資源的競(jìng)賽中超越美國(guó).”事實(shí)上，從國(guó)內(nèi)外的熱烈反響來(lái)看，這條高科技的“中國(guó)龍”正讓我們重新審視自身的深海戰(zhàn)略，深藍(lán)之夢(mèng)或?qū)⒕痛死_(kāi).