潛入海底300年

顏慧

出于好奇心，人類對海洋深處的探索早在2000多年前就開始了。據(jù)說，公元前4世紀(jì)時，馬其頓國王亞歷山大大帝曾乘坐一個玻璃制成的大桶潛入大海進(jìn)行觀察，看見過一只大海怪。在古希臘時期，亞里士多德記述了一種供潛水員采集海綿的小型“潛水鐘”。這種裝置猶如倒置的茶杯，潛水員不必露出水面，在潛水鐘內(nèi)部可換氣。明代科學(xué)家宋應(yīng)星1637年完成的《天工開物》，記載了中國南海沿岸的潛水采珠者利用錫制的彎管進(jìn)行呼吸和治療潛水病的方法。

人類技術(shù)史上第一個可容納一人以上并且有實用意義的潛水鐘，是英國的天文學(xué)家艾德蒙·哈雷發(fā)明的。1716年，哈雷在簡陋的實驗室中設(shè)計了這樣一個潛水鐘：在一個圓錐型空木桶的外面包上鉛，使這個桶能垂直下沉，潛水鐘上裝有玻璃窗，空氣由掛在潛水鐘下方的箍鉛木桶補充。因貯氣木桶內(nèi)壓力較大，空氣可輸入潛水鐘內(nèi)。哈雷與他的同事在潛水鐘內(nèi)潛至18米深的海水處停留了1.5小時。這一改變時代的偉大發(fā)明，距今已經(jīng)整整300年了。

潛水器的發(fā)展歷程

19世紀(jì)初，英國的郭蒙貝西發(fā)明了從水上接泵運送空氣的機(jī)械潛水器，也就是頭盔式潛水器。1924年，有人開始使用玻璃做潛水鏡，并出現(xiàn)了利用泵從水面上吸取空氣的“面罩式潛水器”，這是水肺潛水器材的前身。就在同一年，日本人使用面罩式潛水器潛入地中海海底70米，成功撈起沉船“八阪”號內(nèi)的金塊，震驚了全世界。

人類為進(jìn)一步了解深海，采用深水球和浮力艙相結(jié)合的方式逐步進(jìn)入深海，這就是人類歷史上最早的深潛器。這種深潛器的最杰出代表是美國的“曲斯特 ”II號。1960年1月23日，美國人唐·華爾什和深潛器發(fā)明者的兒子丁·皮卡特乘坐“曲斯特”II號，在太平洋馬里亞納海溝下潛到10916米（海溝最深點為11034米），在當(dāng)時創(chuàng)造了人類下潛最深海溝的歷史。但該潛水器無航行和作業(yè)能力，并且采用汽油作為浮力艙，在水面和深水的操縱都很困難，活動范圍也非常有限，沒有得到進(jìn)一步發(fā)展。

如果說“曲斯特”II號的出現(xiàn)僅僅是破了一個世界紀(jì)錄，那么“阿爾文”號則真正開創(chuàng)了人類探測海洋資源的歷史。“阿爾文”號1964年在美國建造，工作深度為1829米。1974年經(jīng)過改裝后，工作深度達(dá)到4500米，可搭載3名人員，水下工作時間為6～8小時。作為國際上使用效率最高的載人潛水器，“阿爾文”號進(jìn)行過很多頗具影響的作業(yè)。如1966年初，“阿爾文”號和另一臺遙控潛水器一起打撈起掉落在地中海的一顆氫彈；1977年，“阿爾文”號在將近2500米深處的加拉帕戈斯斷裂帶首次發(fā)現(xiàn)海底熱液和其中的生物群落。兩年后，“阿爾文”號在東太平洋洋中脊發(fā)現(xiàn)第一個高溫“黑煙囪”（海底富含硫化物的高溫?zé)嵋夯顒訁^(qū)）。20世紀(jì)80年代，“阿爾文”號又成功地參與了對泰坦尼克號沉船的搜尋和考察。至今“阿爾文”號已累計完成5000次以上的下潛作業(yè)，為深海研究做出了巨大貢獻(xiàn)。

俄羅斯是目前世界上擁有載人潛水器最多的國家，比較著名的有1987年建成的“和平”I號和“和平”II號兩艘6000米級潛水器。它帶有12套檢測深海環(huán)境參數(shù)和海底地貌設(shè)備，最大的特點是能源充足，可在水下停留17～20小時。好萊塢大片《泰坦尼克》中的很多鏡頭就是“和平”I號和“和平”II號潛水器拍攝的。2011年他們又開發(fā)了兩個6000米級的載人潛水器“羅斯”號和“孔蘇爾”號交付俄海軍使用。

日本在1989年建成了下潛深度為6500米的“深海6500”潛水器，水下作業(yè)時間達(dá)8小時。該潛水器裝有三維水聲成像等先進(jìn)的研究觀察裝置，可旋轉(zhuǎn)的采樣籃使操作人員可以在兩個觀察窗視野下進(jìn)行取樣作業(yè)，這是其他載人潛水器所無法做到的。它在 4000 多米深海處發(fā)現(xiàn)了古鯨遺骨及寄生的貽貝類、蝦類等典型生物群，并對錳結(jié)核、熱液礦床、鉆結(jié)殼和水深達(dá) 6500 米的海洋斜坡和大斷層進(jìn)行調(diào)查。

經(jīng)過幾代人的努力，中國的潛水技術(shù)目前已走在世界前列。特別是歷經(jīng)10年研制成功的“蛟龍”號潛水器更是杰出代表。2012年6月30日，中國 “蛟龍”再次刷新“中國深度”——下潛7062米。

潛水技術(shù)在軍事上的運用

潛水技術(shù)在軍事上大放異彩始于第二次世界大戰(zhàn)，其中，法國人對潛水技術(shù)的發(fā)展影響深遠(yuǎn)。1943年，法國海軍軍官運用空氣瓶的裝置，制造了使空氣密閉循環(huán)的“空氣罩潛水器”，不久法國又開發(fā)了開放式“空氣潛水器”。1954年，世界上第一艘核潛艇“鸚鵡螺”號在法國問世后，各海軍大國紛紛發(fā)展核潛艇。迄今，世界上共有美國、俄羅斯、英國、法國和中國5個國家擁有核潛艇。美國自從20世紀(jì)50年代中期建造成第一艘核潛艇之后，相繼設(shè)計建造了“鰩魚”“鰹魚”“長尾鯊”“鱘魚”“洛杉磯”“海狼”和“弗吉尼亞”級核潛艇。

在核武器體系中，戰(zhàn)略核潛艇以其隱蔽性好、機(jī)動性強(qiáng)、生存力大成為戰(zhàn)略核威懾力量的中堅，使陸基戰(zhàn)略導(dǎo)彈和戰(zhàn)略轟炸機(jī)“望洋興嘆”。對于不首先使用核武器的國家來說，一旦遭受核突擊，大部分陸基戰(zhàn)略導(dǎo)彈和戰(zhàn)略轟炸機(jī)可能癱瘓，導(dǎo)彈核潛艇則比較安全可靠，是最有效的核報復(fù)力量。因此，核大國都把戰(zhàn)略核潛艇視為重點發(fā)展的戰(zhàn)略兵力。戰(zhàn)略核潛艇一般較大，目前各國現(xiàn)役戰(zhàn)略核潛艇排水量在7000～25000噸之間，所載戰(zhàn)略導(dǎo)彈分12、16、20和24枚不等。此外，導(dǎo)彈核潛艇還裝有4～8個魚雷發(fā)射管，配備魚雷或反艦飛彈以供自衛(wèi)。

潛艇的潛深取決于艇身的結(jié)構(gòu)和材料，艇身目前有單殼式和雙殼式兩種結(jié)構(gòu)。單殼式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是重量較輕，生產(chǎn)程序簡單和維修費用低，美國等西方國家的潛艇多采用這種結(jié)構(gòu)。雙殼式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建造費用較高，但抗壓性好，生存力強(qiáng)，改裝余地也大，主要為俄羅斯等少數(shù)國家所采用。潛艇耐壓殼體通常用高強(qiáng)度合金鋼建造，每平方厘米能承受5600～6300千克的壓力，下潛深度可達(dá)300米。核潛艇潛航深度有進(jìn)一步增加的趨勢，向600米甚至1000米大關(guān)突破。潛深增加，可提高潛艇隱蔽性和減少反潛武器對潛艇的威脅，潛深超過300米就可有效躲避反潛深水炸彈的攻擊。俄羅斯“阿庫拉”級攻擊潛艇下潛深度的下潛深度可達(dá)400米；美國“海狼”級攻擊核潛艇下潛深度超過600米；俄羅斯“阿爾法”級攻擊潛艇采用鈦合金為殼體材料，最大潛深高達(dá)900米。

潛艇的最大優(yōu)勢是隱蔽性。潛艇下潛在水里，使雷達(dá)、光電和衛(wèi)星偵察都無能為力，只有聲吶才能探測到。潛艇只要降低自身噪聲就能增加隱蔽性。據(jù)計算，噪聲每降低20分貝就可使敵方被動聲吶探測距離降低50%，使自身被動聲吶探測距離增加一倍。

美國潛艇靜音效果長期處于領(lǐng)先地位，其中“洛杉磯”級攻擊核潛艇的噪聲約120分貝，“俄亥俄”級導(dǎo)彈核潛艇的噪聲則在100分貝左右，最新型的“海狼”級攻擊核潛艇據(jù)說已達(dá)95分貝的水平。潛艇噪聲如降到90分貝的量級，就低于海洋背景的噪聲，將很難被敵方聲吶探測到，在水下猶如進(jìn)入“無人之境”。

現(xiàn)代潛水技術(shù)的新特點

近幾年，隨著新技術(shù)、新材料的不斷涌現(xiàn)和廣泛運用，潛水技術(shù)得到很大的發(fā)展，呈現(xiàn)出幾個新的發(fā)展特點。

耐壓材料新型化

對于潛水器特別是深潛器，耐壓殼體對控制潛水器的重量至關(guān)重要。目前，世界上下潛深度較淺的載人潛水器耐壓材料的選擇一般為鋼材和鋁合金，大深度載人潛水器耐壓材料一般為鈦合金，也有采用鋼材的。鋼材價格適中，但密度較大，影響大深度載人深潛器重量及浮力的控制。鈦合金相對較輕，且強(qiáng)度高，但昂貴的價格限制了它在深潛器上的廣泛應(yīng)用。陶瓷是一種應(yīng)用于水下耐壓罐的新型耐壓材料，現(xiàn)在越來越受到人們的重視。陶瓷有較高的強(qiáng)度與重量比，適合極限深度。與同樣大小的鈦合金耐壓罐相比，在水中要輕幾百千克。2009年5月31日，美國伍茲霍爾海洋研究所研發(fā)的“海神”號機(jī)器人潛艇下潛約11000米，成功抵達(dá)馬里亞納海溝最深處的“挑戰(zhàn)者深淵”。在研究設(shè)計階段，考慮到“挑戰(zhàn)者深淵”的壓力是地表的1000倍，研究人員為尋找到合適的抗壓材料費勁了心思。經(jīng)過反復(fù)試驗，最后選擇了經(jīng)過特殊處理的陶瓷材料，這種陶瓷質(zhì)量輕薄，但表面十分“堅硬”，可以應(yīng)對“挑戰(zhàn)者深淵”的巨大水壓。實踐證明，“海神”號潛水器不僅比其他各類探索工具下潛更深，還能同時繪制海底地圖以及拍攝深水照片。

觀察設(shè)備高清化

隨著深潛器技術(shù)的成熟，人們對于深潛器的要求已不僅僅局限于“下得去，上得來”的水平，人類需要更加深刻地了解海底世界。因此，觀察設(shè)備越來越成為各個國家深潛器設(shè)計的重點。高清攝像機(jī)圖像質(zhì)量清晰，且其傳輸采用平行線傳輸方式，具有非常高的抗干擾能力，避免了定制昂貴的同軸電纜式的水密電纜，成為應(yīng)用于水下觀察系統(tǒng)的首選。目前，各大水下產(chǎn)品公司都已經(jīng)有了水下高清攝像機(jī)，未來還會使用三維水下高清攝像機(jī)。除了高清攝像機(jī)，水下燈光源、照度、色溫的選擇也會影響整個水下觀察系統(tǒng)的清晰度。

水聲通信可靠化

水聲通信是深潛器在深海中與支持母船取得聯(lián)系的唯一有效途徑，它受海洋環(huán)境影響較大。水聲通信的可靠性及準(zhǔn)確性對深潛器安全航行與作業(yè)將起到至關(guān)重要的作用。載人深潛器與水面取得聯(lián)系有3種方式：高速水聲通信（包括圖像、語音及文字信息），水聲電話（包括語音及文字信息，可作為高速水聲通信的備份，也可單獨使用），超短基線定位聲吶（主要提供深潛器相對于母船的方位與深度信息，將

為深潛器安全返航提供重要保障）。其中，水聲電話技術(shù)相對成熟，但需要清晰化，減小主機(jī)通話時的噪聲。發(fā)展距離遠(yuǎn)、效果好、可靠性高的高速水聲通信將成為未來發(fā)展的重點。當(dāng)前，國外的超短基線定位聲吶技術(shù)水平相對較高，但也需要進(jìn)一步提高其可靠性。

面向未來的潛水探索

以科學(xué)作業(yè)為主要目的的載人潛水器，主要任務(wù)是進(jìn)行海洋探察和資源開發(fā)。對該類載人深潛器，除了對可靠性、安全性提出更高要求外，還有一個突出要求就是要具備作業(yè)能力。近年來，在美國國家自然科學(xué)基金會的支持下，伍茲霍爾海洋研究所決定在現(xiàn)有“阿爾文”號基礎(chǔ)上對其部分設(shè)備進(jìn)行升級更新，并將新潛水器命名為“新阿爾文”號。與“阿爾文”號相比，“新阿爾文”號具有更大的下潛深度、電池功率和有效負(fù)載，更好的艙內(nèi)設(shè)計和觀察視野、電子電路，能在指定的深度工作更長時間等。這些都是圍繞形成更大的作業(yè)能力來考慮和設(shè)計的。

伴隨著深海技術(shù)的日益成熟，出現(xiàn)了另一種面向深海探險的載人深潛器。該類深潛器以滿足人類對深海世界的好奇心為主要目的，其使用對象為一些探險家。與前一類載人深潛器不同，該種潛水器以挑戰(zhàn)極限為主要目標(biāo)， 因此對深度指標(biāo)提出更高要求。近期出現(xiàn)的“深海挑戰(zhàn)”號，“深海挑戰(zhàn)者”號以及“法螺（Triton） 36000/3”為該類深潛器的代表?！吧詈Ｌ魬?zhàn)者”號安裝了多個高清攝像頭，可以全程進(jìn)行三維攝像，同時具備賽車和魚雷的高級性能，而且還配有專業(yè)設(shè)備收集小型海底生物，以供地面的科研人員研究。該潛水器行進(jìn)路線被設(shè)計成“直上直下”型，先是一頭扎向海溝底部，然后緩慢地直直上升?！吧詈Ｌ魬?zhàn)者”號下潛的速度可達(dá)到每分鐘150米，這一速度在潛水器中是非常驚人的。2012年3月26日，好萊塢著名導(dǎo)演詹姆斯·卡梅隆乘坐“深海挑戰(zhàn)者”號抵達(dá)太平洋下10898米深處的馬里亞納海溝，成為全球第二批到達(dá)該處的、第一位只身潛入萬米深海底的挑戰(zhàn)者。

未來我們還將構(gòu)建深海裝備體系，實現(xiàn)載人與無人裝備之間相互支持和協(xié)同作業(yè)。協(xié)調(diào)好載人與無人潛水器的關(guān)系，發(fā)揮載人與無人潛水器的各自優(yōu)勢，是潛水技術(shù)發(fā)展必須解決的問題。日本政府投入巨資建設(shè)了水面母船支持的多類型深海潛水器，其無人遙控深潛器潛水深度達(dá)到11000米。此外，日本海洋研究開發(fā)機(jī)構(gòu)已成功研制了以燃料電池為動力的無人深海探測器“浦島”號，目前的續(xù)航能力已達(dá)317千米，創(chuàng)造了無人深海探測器的續(xù)航距離新紀(jì)錄。“浦島”號無需從母船補充能源，可沿著計算機(jī)事先設(shè)定的線路潛水3500米深。由于可以進(jìn)行自動導(dǎo)航，因此可以前往海底火山、地震發(fā)生區(qū)域和冰下等危險海域進(jìn)行無人探測。美國、俄羅斯、法國等發(fā)達(dá)國家目前也已經(jīng)擁有了從先進(jìn)的水面支持母船，到深海（有的工作深度達(dá)11000米）遙控潛水器、深海（6000米）自治機(jī)器人、深海（6500米）載人潛水器、600米單人常壓潛水服、深海（6000米）可移動長期工作站和深海（6000米）資源開采機(jī)器人等完整的技術(shù)裝備體系，實現(xiàn)了裝備之間的相互支持、聯(lián)合作業(yè)、安全救助，能夠順利完成水下調(diào)查、搜索、采樣、維修、施工、救撈等任務(wù)。

新技術(shù)及新裝備的開發(fā)也是潛水器開發(fā)的重要方向。深海高強(qiáng)度材料如陶瓷材料、水下高能量密度的能源、水下微細(xì)光纜技術(shù)以及通信導(dǎo)航等核心技術(shù)的進(jìn)展，將極大提升深海裝備研制能力和水平，如美國的下潛11000米的“海神”號混合型無人潛水器就采用了上述高新技術(shù)。在發(fā)展10000米以深科學(xué)探測和資源勘探開發(fā)的無人裝備外，一些國家開始規(guī)劃分階段地進(jìn)行居住型載人深?？臻g站的研究與建設(shè)，包括固定式海底觀測系統(tǒng)和移動式載人平臺。美國在規(guī)劃中明確提出，要通過重視新技術(shù)及新裝備的研發(fā)，確保深海運載器技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用繼續(xù)保持世界領(lǐng)先地位。其他國家也不甘落后，相信未來會有更多讓我們意想不到的潛水器問世，讓人類潛入更深的大洋底部，探索神秘的深海世界。

【責(zé)任編輯】張小萌