物理老師帶你解讀“奮斗者”號萬米深潛

張軍

2020年注定是我國科技發(fā)展不平凡的一年，11月，又有鼓舞人心的事件精彩亮相——我國自主研制的“奮斗者”號全海深載人潛水器順利完成萬米深潛試驗。這意味著，我國在材料科學、精密加工、自動巡航、水下通信等多個領(lǐng)域的研究邁上了一個新的臺階。

再復(fù)雜的科學與技術(shù)，也有其基本原理。今天，我們運用物理知識，對“奮斗者”號的深潛本領(lǐng)進行一個簡單梳理。

戴上塑料薄膜手套或乳膠手套，然后把手伸到水下，我們會感到手套緊緊地貼在手上，這是因為液體內(nèi)部存在壓強。

在開口的飲料瓶側(cè)壁不同高度的地方戳幾個小孔，然后往瓶里注滿水，水會從側(cè)壁的小孔噴出來。從下面小孔流出的水，噴得更急。這是因為液體內(nèi)部越深處，液體的壓強越大。

我們不妨用液體內(nèi)部壓強公式來測算一下。為簡化計算，海水密度取P水=1.0×103kg/m3，g取10N/kg，根據(jù)p=p水gh，我們可以知道，在p水與g不變的情況下，p與h成正比。也就是說，深度越深，液體內(nèi)部的壓強越大。

需要說明的是，由于含鹽量、溫度、雜質(zhì)含量、壓強等不同，海面下不同深度、不同地點的海水密度其實是不同的。不同深度、不同地點的g值也是不同的。

另外，水面還有大氣壓。溫度為0℃、緯度為45°海平面上的氣壓稱為標準大氣壓，約為1.0×105Pa。人體的表面積按2米2計算，則受到的大氣壓力為2×105N。這是一個多大的力呢？相當于一個質(zhì)量為20噸的物體所受的重力！那么，人為什么沒有被壓壞呢？因為我們體內(nèi)的液體、氣體同樣有壓強，能夠抵御外界的氣壓。經(jīng)過漫長的進化，我們早已適應(yīng)地球的大氣環(huán)境，以至于通常情況下我們感受不到氣體在壓我們，這也是人類在很長時間內(nèi)不知道空氣存在的原因之一。

海面下，水深每增加10米，海水水壓增加1個標準大氣壓。海面下的物體承受的壓強，是水壓和水面氣壓的總和。

當我們潛水的時候，2米深的水產(chǎn)生的壓強已經(jīng)讓我們覺得胸悶。普通人如果不使用任何潛水設(shè)備，一般來說只能下潛10米，這個深度已經(jīng)可以壓垮一輛空油罐車了。如果是專業(yè)人員，可以下潛到30-50米（電視劇《狄仁杰》中提到的在邗溝盜鹽的“水鬼”，就是吃潛水飯的漁民），但是渾身都會劇烈疼痛。法國潛水員曾創(chuàng)造113米的裸潛紀錄，當然，這個挑戰(zhàn)是玩命的。

水下40米處，水壓高達4個標準大氣壓，乒乓球會被壓爆。

水下300米處，水壓高達30個標準大氣壓。所以潛艇通常在水下300-600米深度活動，如果下潛太深，普通的潛艇材料會被壓成一塊金屬板。冷戰(zhàn)時期，蘇聯(lián)研制的M級685型攻擊核潛艇，最大潛深達到了1250米。但是這艘潛艇屬于科研實驗性質(zhì)，它的外殼是鈦合金打造的，能承受高壓，不過價格太高了，要花血本。

玻璃碎片是個硬茬兒吧？700米的深度，普通玻璃會被壓成粉末。

1000米的深度，如果溫度低于10℃，連甲烷氣體都會形成水合物——這就是可燃冰。

這么大的壓強環(huán)境，海底還會有生物存在嗎？

有的，而且非常多。

和人一樣，海底的魚類也適應(yīng)了水面下的高壓。我們常吃的帶魚一般生活在20-200米的水層，現(xiàn)在已經(jīng)可以人工養(yǎng)殖了。200米水深以下的魚，我們稱之為深海魚。有資料顯示，深海龍魚可生活在水下1500米，吞噬鰻可生活在水下1800米。水下7000米處，依然有魚類在活動。超萬米深的馬里亞納海溝，還有生物的蹤跡。這些都是能硬抗的主！

當深海魚被快速撈出水面時，身體外面承受的壓強大幅度減小，但是體內(nèi)壓強依然很大，這個致命的壓強差會導(dǎo)致器官和組織內(nèi)的氧氣、氮氣等從血液析出，魚類會因血液循環(huán)受阻或器官破裂而亡，這就是俗稱的“減壓病”。同樣的道理，深水作業(yè)的潛水員在下潛過程中，體內(nèi)壓強也在發(fā)生變化，以適應(yīng)水下的高壓，這個一般容易實現(xiàn)。但是在上浮時，再由高壓恢復(fù)到低壓狀態(tài)就沒那么容易了，每上升10米都得休息適應(yīng)一段時間，否則潛水員也會因“減壓病”損傷細胞或器官。

7000米水下，鋼板會像紙一張柔弱。此處壓強相當于用手掌托起7輛10噸重的卡車。

到水下萬米深度處，壓強又會變得多大呢？有人做過計算，這相當于2000頭非洲象踩在一個人的背上.或者3輛SUV壓在人的大腳趾上！

如此巨大的壓強，帶來的挑戰(zhàn)可想而知。中國載人深潛研究起步比較晚，從1986年第一艘載人潛水器研制成功，至今也不過35年，但是研發(fā)人員劈波斬浪，先后突破了多項核心技術(shù)。到“蛟龍”號、“深海勇士”號建造成功，我們已在水下定位、聲吶探測、機械控制、消除母船噪聲、抗洋流干擾、懸停和自動駕駛、動力系統(tǒng)等多個領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗，抗壓材料的技術(shù)也走向成熟。“奮斗者”號更是融合了前兩代裝備的優(yōu)勢，更進一步。

載人艙是深潛器的核心，位置偏下方，承受的壓強更大一些。為了讓載人艙在各方向受力均勻，避免應(yīng)力集中，設(shè)計成了球形。我們在小學就學習過，球形外殼的設(shè)計可以承受更大的壓強。比如，我們徒手握雞蛋就很難握破。球形設(shè)計受力本領(lǐng)強，在理論上和實際應(yīng)用中都已得到證明。此外，為了更抗壓，深潛器還使用了新型鈦合金材料。

如何實現(xiàn)下潛和上浮

我們先來分析一下，潛艇在海洋中是如何實現(xiàn)下潛和上浮的。我們可以從浮力與重力的大小關(guān)系、潛艇平均密度與水密度的大小關(guān)系這兩個角度來看。

為簡化分析，我們依然假定海水的密度不變，并假定潛艇在海面之下，外觀體積不變，這樣浸沒在水下時排開海水的體積V排也不變。根據(jù)浮力公式F浮=p海水gV排，可知浮力不變。當打開潛艇中的空氣艙室，往內(nèi)灌入海水時，潛艇自重G增大。在液面下，若G=F浮，則潛艇懸浮;若G>F浮，則潛艇下潛。如果往空氣艙室壓入空氣，將海水排出，則潛艇自重G減小，當G

從密度角度看，也很好理解。調(diào)節(jié)灌入艙室內(nèi)的海水，就可以調(diào)節(jié)潛艇的平均密度。當潛艇平均密度大于海水密度時，潛艇就能下潛;當潛艇平均密度等于海水密度時，潛艇在海面下懸浮;當潛艇平均密度小于海水密度時，潛艇就能上浮，最終漂浮。

那么，深潛器也是使用這種方法嗎？不行，實現(xiàn)不了。前面分析過，海水越深，海水的壓強就越大。潛艇活動的海水深度一般為300-600米，這個深度的水壓為30-60個標準大氣壓。想要將空氣艙室里的海水排出，加在空氣艙室的空氣壓強也就需要30-60個標準大氣壓，設(shè)備和技術(shù)手段是可以做到的。但是在萬米深度，海水壓強約為1000個標準大氣壓，深潛器的實際條件無法產(chǎn)生這么大的高壓。此招行不通。

那么，深潛器是如何下潛和上浮的呢7重點靠兩招。

第一，改變自重或自身平均密度。

人抱著一塊石頭，可以順利地潛到水下。如果我們想浮起來，只要把石頭丟掉就行了。丟掉石頭后，浮力減小得不多，但重力減小了很多。深潛器也采用了類似的方法，只不過帶的不是石頭，而是壓載鐵。“奮斗者”號身上裝配了4塊壓載鐵，總質(zhì)量將近2噸。當“奮斗者”號準備上浮時，它會拋掉2塊壓載鐵，上浮就容易得多了。由G=mg=2×103kg×10N/kg=2×104N可知，2噸的壓載鐵都拋掉的話，深潛器可多獲得約1.75×104N的額外浮力（壓載鐵本身所受浮力約為2500N）。

第二，穿件“救生衣”，幫助上浮。

因救生衣的密度小于我們?nèi)梭w密度，所以可以給我們提供額外的浮力;或者把人體和救生衣看成一個整體，平均密度小于水，易于上浮。

深潛器的這件“救生衣”，我們稱為浮力材料。它可以降低深潛器的整體密度，或者說為深潛器提供額外的浮力。

假定浮力材料密度為p=0.5×103kg/m 3，體積V=1m3，g取10N/kg，海水密度取p水=1.O×103kg/m3，則浮力材料自身所受重力大小G=pgV=0.5×103kg/m3×10N/kg×1m3=5000N，而所受浮力大小F浮=p水V排9=1.0×103kg/m 3×1m3×10N/kg =10000N，這樣浮力與重力就有了△F=F浮—G=5000N的差值，這個5000N的差值就稱為凈浮力。也就是說，穿“救生衣”的深潛器與不穿“救生衣”的深潛器相比，多出了5000N的浮力。大家也可以看出，海水密度與浮力材料的密度之比越大，這種材料的有效載荷能力越高。

一般來說，浮力材料在潛水器上部比較多，這樣可以幫助深潛器保持直立姿態(tài)。

說起來容易，要想真正制造出這樣的浮力材料，就不是一件容易的事情了。

深海水壓很大，材料必須耐壓;在海水高鹽環(huán)境中，材料必須耐腐蝕;海面下復(fù)雜的水流會沖刷，因此材料還必須耐磨……不僅如此，當材料附著在主體結(jié)構(gòu)外面時，還必須考慮到不能從主體結(jié)構(gòu)上脫落，考慮到整體的比重分布，考慮到外觀的流線型設(shè)計，等等。

“奮斗者”號采用的固體浮力材料為微米級大小的空心玻璃微珠，具有密度小、耐磨耐高溫、隔音隔熱、電絕緣等多方面優(yōu)點，抗壓能力超過110MPa。這是我國科研工作者連續(xù)多年研發(fā)的成果。

重力分布也很關(guān)鍵

我們都折過紙飛機，折紙對左右對稱要求很高，前后的重力分布也很有講究。如果紙飛機重力分布不科學，飛行時就會出現(xiàn)栽頭、轉(zhuǎn)彎、運動軌跡不規(guī)則等多種狀況。真正的民航客機是非常重視配載的，乘客位置、行李擺放、貨艙的貨物堆放、燃油質(zhì)量的變化，都會對飛機的重力分布產(chǎn)生影響。印尼獅航曾有一段時間經(jīng)常發(fā)生事故，以至于被歐盟禁止飛往歐洲，發(fā)生事故的原因之一就是計算飛機重力分布的手段落后。

深潛器與飛機類似，如果重力分布不合理，在下潛或上浮過程中的平衡就會受影響。對于深潛器而言，里面的空間非常寶貴，可謂寸土寸金。2012年，卡梅隆駕駛自己設(shè)計的“深海挑戰(zhàn)者”號下潛時，整個人只能彎腰駝背地窩在直徑只有109厘米的鋼球駕駛艙里，他還專門為此練習了瑜伽。

因此，在深潛器的設(shè)計中，對于質(zhì)量是能去則去，而對于空間是能摳就摳。

海面下還有潛在的威脅嗎

對深潛器造成影響的，還遠不止因海水受重力作用而產(chǎn)生的壓強。

看似平靜的海面下兇險異常。海水因鹽度、溫度、密度存在差異，會形成水下界面，稱為躍層。界面大家并不陌生，海面是海水和大氣的界面，玻璃表面是空氣和玻璃的界面。說句笑話，我們的臉面其實就是空氣和我們臉的界面。當光由透明介質(zhì)照射到不透明介質(zhì)的界面時，比如光由空氣照射到平面鏡的表面，一部分會反射到原來的介質(zhì)（空氣）中，遵守光的反射規(guī)律;一部分被平面鏡表面吸收，導(dǎo)致溫度升高。如果是光斜射到水面，除了反射的那部分和吸收的那部分，還有部分折射到水下。聲音也會發(fā)生反射和折射。但是在海面下，情況就復(fù)雜了。海洋內(nèi)部的密度界面受到外部擾動時，會發(fā)生內(nèi)部波動，即內(nèi)波，與海面波相對。海水密度的層間變化很小，躍層上下的密度差約為0.1%，只要有很小的擾動，就會產(chǎn)生內(nèi)波。海洋中內(nèi)波分布廣，隨機性強，波速較小，波長范圍會從幾十米到幾十千米，振幅會從幾米到百米。內(nèi)波界面的兩側(cè)，有很大的海水流速差，從而對水下物體產(chǎn)生很大的剪切力，甚至可以讓鋼纜斷裂。1963年4月10日，美國海軍“長尾鯊”號核潛艇沉沒，艇上129人無一生還，這是人類歷史上第一次核潛艇沉沒事故，很多專家懷疑就是內(nèi)波在作祟。

海面下洋流環(huán)境復(fù)雜，波浪共振、浮體結(jié)構(gòu)共振響應(yīng)還會導(dǎo)致深潛器的升降、晃蕩、扭轉(zhuǎn)，渦流振動、湍流振動等還會誘發(fā)深潛器外殼材料疲勞破壞，等等。

我們可以體驗一下，雙手握住一截鐵絲的兩端，將其反復(fù)彎折。彎折處溫度會越來越高（通過做功，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能），最終鐵絲會斷裂，這就是疲勞破壞。海面下，那些變幻莫測的海水就如同我們的雙手，時刻對深潛器產(chǎn)生作用。

此外，在材料的制造過程中，由于分子和原子排列得不均勻，會讓材料產(chǎn)生肉眼難以看到的微小裂紋。當深潛器下潛時，受壓不斷增大，會導(dǎo)致材料內(nèi)部裂紋迅速擴展，最終導(dǎo)致宏觀斷裂。這種斷裂事先很難發(fā)現(xiàn)征兆，稱為脆性斷裂。不過可以告訴大家，“奮斗者”號使用的新鈦合金在斷裂韌性等綜合指標上完全滿足深潛要求。

人類是怎么“看到”海底的

可見光照射到海水后，隨著深度加深而逐漸削弱。紅光和橙光的穿透距離不到10米，綠光和藍光最多可達到100米，但光強減弱99%。另外，海水透明度的差異也會導(dǎo)致光線穿透距離的不同，能夠抵達1000米水深的光只有極少量。由于可見光很難穿透海水，所以無法用可見光直接觀察水下。相比而言，藍光在水下的穿透能力是最強的，但是即使海水的透明度很高，光前進100米，光強也會衰減到只剩1%。

深海里沒有陽光，所以生命也無法進行光合作用。目前研究表明，生物依靠海底熱泉中化學物質(zhì)的能量，形成了獨特的生態(tài)鏈。

電磁波也很難穿透海水，所以難以用來探測海底。海水平均深度為3800米，遙感技術(shù)也難以穿透。

初中物理提到，利用超聲波的反射可以發(fā)現(xiàn)潛艇、魚群等水下目標，還能測繪海底地形。需要告訴大家的是，使用聲吶裝置探測海底，隨著水體變深，測量的精度會變差。如果到4000米深度，可分辨的最高精度只有10米左右。目前通過聲吶探測過的海底，僅占地球海底面積的10%。

還有一種方法是利用重力加速度的微小變化，高中會學習到相關(guān)知識。海水較淺的地方，海面到海底距離短，因海底巖石密度比海水大，根據(jù)萬有引力定律，此處重力加速度會較大，這樣就會聚集更多的海水，導(dǎo)致海平面略高?，F(xiàn)在人造衛(wèi)星對海面高度的測量精度可以達到毫米級，根據(jù)數(shù)據(jù)可測算出水平方向的水深分布，但是對海底地形的了解精度只能達到數(shù)千米。

2020年11月13日，深海著陸器“滄?！碧柡汀皧^斗者”號分別坐底馬里亞納海溝后，確定彼此位置用的是聲學定位。大家在電視直播中看到，“滄?！碧栂颉皧^斗者”號發(fā)出藍綠色的光，引導(dǎo)“奮斗者”號向它移動。之所以使用藍綠色的燈光，就是因為不易被海水吸收。至于電視實時直播，則是“奮斗者”號艙內(nèi)的攝像頭將拍攝的畫面編碼，通過激光發(fā)射器傳給“滄海”號，由“滄?！碧栟D(zhuǎn)換為數(shù)字畫面，通過光纜傳送到海面的母船，母船將信號傳給通信衛(wèi)星就OK了。

人類終于看到萬米海底的實時高清畫面！

距離人類1960年首次探底馬里亞納海溝，已經(jīng)過去了一甲子！

“奮斗者”號深潛，所涉及的科學知識遠遠不止這些，還有設(shè)備、電纜、儀器在海水中的防腐問題，液壓系統(tǒng)的可靠性問題，鋰電池的溫度升高問題，等等。我們掌握的知識越多，理解也會越深刻。

深海蘊含豐富的資源，深海隱藏著太多的秘密，我們對深海了解還很少。在海洋強國目標的激勵下，我們“深潛、深網(wǎng)、深鉆、深漁”的技術(shù)必將不斷進步，我國的科研工作者一定能為全球海洋開發(fā)事業(yè)作出原創(chuàng)性、奠基性貢獻。

（責任編輯：白玉磊）