孔鴻濱

2011年7月28日上午，我國(guó)首臺(tái)自主研發(fā)的載人潛水器“蛟龍”號(hào)，在5000米級(jí)海試中第三次潛入深海，再次將中國(guó)載人深潛的記錄刷新為5188米?！膀札垺碧?hào)在中國(guó)大洋協(xié)會(huì)多金屬結(jié)核勘探合同區(qū)圓滿完成了海底照相、攝像、海底地形地貌測(cè)量、海洋環(huán)境參數(shù)測(cè)量、海底定點(diǎn)取樣等各項(xiàng)試驗(yàn)任務(wù)。“蛟龍”號(hào)不斷創(chuàng)造著新的紀(jì)錄，標(biāo)志著我國(guó)已經(jīng)成為繼美、法、俄、日之后第五個(gè)掌握深度載人深潛技術(shù)的國(guó)家。美國(guó)媒體稱，中國(guó)載人潛水器的深海試水意味著美國(guó)在深?？碧降念I(lǐng)先地位已被超越，這場(chǎng)頗具商業(yè)、科學(xué)和軍事意義的競(jìng)賽甚至可以與中國(guó)規(guī)模浩大的登月工程相媲美。法新社發(fā)表評(píng)論文章指出，“蛟龍”號(hào)取得的最新深潛紀(jì)錄，從理論上標(biāo)志著大洋底部豐富的資源都在中國(guó)可接觸的范圍之內(nèi)了。

橫空出世

深海探測(cè)技術(shù)是海洋開(kāi)發(fā)技術(shù)的前沿與制高點(diǎn)之一，體現(xiàn)著一個(gè)國(guó)家的綜合技術(shù)實(shí)力。深海探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域主要包括載人潛水器、遙控潛水器和自治式潛水器三種類(lèi)型?！膀札垺碧?hào)是一臺(tái)由我國(guó)獨(dú)立設(shè)計(jì)、自主集成研制的載人潛水器。“蛟龍”號(hào)于2002年立項(xiàng)，早在2007年下水試驗(yàn)前，它還只有一個(gè)通用名HOV （Human Occupied Vehicle，載人深潛器）?！膀札垺碧?hào)載人潛水器長(zhǎng)8.2米，寬3米，高 3.4米，重量不超過(guò)22噸，可承載一名潛航員和兩名科學(xué)家共3人，除了人員外，還可負(fù)載220千克。從整體看，“蛟龍”號(hào)外表就像一條兇猛的鯊魚(yú)，它是完全按照仿生學(xué)的原理來(lái)設(shè)計(jì)建造的?！膀札垺碧?hào)在水中行進(jìn)的速度并不快，其設(shè)計(jì)巡航時(shí)速為1節(jié)（1節(jié)=1.852千米/小時(shí)），最大時(shí)速為2.5節(jié)，比常人騎自行車(chē)還慢。“蛟龍”號(hào)設(shè)計(jì)的最大工作深度為7000米，從理論上來(lái)說(shuō)它的工作范圍可覆蓋全球99.8%的海洋，其所攜帶的電池可保證在水下正常工作12小時(shí)。

身懷絕技

下深海的難度不亞于上青天，這也是人類(lèi)對(duì)深海的了解還不如月球的重要原因。深不可測(cè)的海水是深潛的最大屏障，除了越來(lái)越大的壓力，電磁波的傳播都異常困難，即使是陽(yáng)光也只能在深海中傳播不到200米的距離。我國(guó)科研人員在短短的數(shù)年時(shí)間內(nèi)突破了載人深潛器總體設(shè)計(jì)、耐壓結(jié)構(gòu)、生命保障、系統(tǒng)控制等一系列重大技術(shù)難題?！膀札垺碧?hào)的成功深潛是與其所擁有的“絕活”密不可分的。

作為全世界屈指可數(shù)的載人深潛器，“蛟龍”號(hào)具備了適應(yīng)深海作業(yè)的基本功能：

抗拒海水高壓的“金鐘罩鐵布衫” 對(duì)深潛來(lái)說(shuō)，耐壓和密封是考驗(yàn)深海載人潛水器性能最重要的兩個(gè)指標(biāo)。物理常識(shí)告訴我們，海水中每增加10米水深就增加約1個(gè)大氣壓?！膀札垺碧?hào)設(shè)計(jì)的最大下潛深度為7000米，在這個(gè)深度下，巴掌大小的面積將承受70多噸的壓力，這對(duì)于機(jī)器的每一個(gè)零件都是莫大的考驗(yàn)?！膀札垺碧?hào)看似平淡無(wú)奇的外殼安裝了70多毫米的鈦合金壁，每平方米都可以承受１萬(wàn)噸的壓力，足以應(yīng)付7000米的深海環(huán)境。相比之下，“神舟”飛船在太空中也只需承受約1個(gè)大氣的負(fù)壓力，所以有科學(xué)家認(rèn)為，“入?！钡碾y度并不亞于“上天”。

堪與航天工程媲美的生命支持系統(tǒng) “蛟龍”號(hào)擁有獨(dú)特的生命支持系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不亞于“神舟六號(hào)”宇航員安全保障系統(tǒng)。在大洋深處，狹窄的艙內(nèi)必須保證氧氣、二氧化碳達(dá)到一定濃度，同時(shí)也要保持艙內(nèi)擁有正常的艙壓、溫度、濕度，還要保證不能有異味?！膀札垺碧?hào)潛水器中裝配了生命支持系統(tǒng)和兩套氧氣供給系統(tǒng)，力求萬(wàn)無(wú)一失。 該生命支持系統(tǒng)可為3名下潛人員提供水下的供氧、收集潛水員呼出的二氧化碳。正常情況下，生命支持系統(tǒng)可保證3人12小時(shí)生命安全，應(yīng)急情況下可提高到3人84小時(shí)。

來(lái)去自如的下潛上浮技術(shù) 由于深海巨大的壓力，載人潛水器要想自由上下并非易事。“蛟龍”號(hào)采用了無(wú)動(dòng)力下潛上浮技術(shù)。在潛水器的兩側(cè)配備了4塊壓載鐵，其重量可以根據(jù)不同的下潛深度與要求調(diào)整。在下潛過(guò)程中，壓載鐵使?jié)撍骶邆湄?fù)浮力，以一定速度下潛；當(dāng)潛水器到達(dá)設(shè)定深度時(shí)，可拋載其中兩塊壓載鐵，使?jié)撍魈幱诹愀×彝顟B(tài)，保持在這個(gè)深度上實(shí)現(xiàn)相關(guān)作業(yè)；當(dāng)任務(wù)完成，再拋棄另外2塊壓鐵，使?jié)撍骶邆湔×?，按照一定的速度上浮，到達(dá)水面。除了堅(jiān)固，“蛟龍”號(hào)還具備非常輕便的特性，它共裝有12立方米特殊的玻璃微珠材料，每立方米可以產(chǎn)生400千克的浮力，足以讓它在深水中保持平衡。

明察秋毫的“火眼金睛” 在電磁波都無(wú)法穿透的漆黑深海里，要能識(shí)別出前方的物體必須要有過(guò)人的本領(lǐng)?！膀札垺碧?hào)裝配有非常齊全的探測(cè)設(shè)備。8只水下燈可以確保潛水器前15米范圍內(nèi)的照明。在船首周?chē)植嫉?臺(tái)攝像機(jī)和靜態(tài)照相機(jī)，為操作者提供全方位圖像信息。探測(cè)障礙物的圖像聲納具有200米的探測(cè)范圍。潛水器上水深側(cè)掃聲納能探測(cè)各種地形上的許多種微小的目標(biāo)。同時(shí),在潛水器上還安裝有7個(gè)測(cè)距聲納。

死里逃生的多種手段 在遇到緊急情況時(shí)，“蛟龍”號(hào)提供了三種安全措施來(lái)確保工作人員的安全：通過(guò)拋棄蓄電池等重物，可以獲得近2噸的浮力以確保上??；作業(yè)時(shí)如果機(jī)械手被水下物體纏住，潛航員可以選擇從手腕或者手臂處斷開(kāi)，拋掉機(jī)械手以求脫身；在“蛟龍”號(hào)的頂部裝有5000米長(zhǎng)的纜繩，一旦出現(xiàn)緊急情況，浮標(biāo)就會(huì)帶著纜繩浮出水面，這時(shí)母船上的絞車(chē)就可以幫助“蛟龍”號(hào)化險(xiǎn)為夷了。

游刃有余的機(jī)動(dòng)性能 “蛟龍”號(hào)擁有“6自由度空間運(yùn)動(dòng)能力”，既可以在三維直角坐標(biāo)系上直線行走，比如通常所說(shuō)的前進(jìn)后退、上浮下潛、左移右移，又可以圍繞直角坐標(biāo)系3個(gè)軸旋轉(zhuǎn)，比如改變舵向、左右搖擺、抬頭低頭等。除了行動(dòng)靈巧外，“蛟龍”號(hào)還具有相當(dāng)于人的肩、肘、腕等的“關(guān)節(jié)”，手腳靈便，伸縮自如。它共配備了7個(gè)功能機(jī)械手，分別是1個(gè)沉淀物取樣工具、5個(gè)熱液取樣工具和1臺(tái)海底鉆孔機(jī)。在“蛟龍”號(hào)第4次下潛過(guò)程中，潛航員曾利用機(jī)械手捕獲過(guò)海參等生物，并精確地把采集到的樣品放在生物籃里。

傲人之處

除了上述提到的六項(xiàng)基本功能，與國(guó)際上現(xiàn)有的大深度載人潛水器相比，“蛟龍?zhí)枴痹诩夹g(shù)上還擁有3個(gè)顯著的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

近底自動(dòng)航行功能和懸停定位功能 如同開(kāi)車(chē)一樣，駕駛員的腳總放在油門(mén)上，難免產(chǎn)生疲勞感。“蛟龍”號(hào)的駕駛員無(wú)疑是幸運(yùn)的，它具備自動(dòng)航行功能，駕駛員設(shè)定好方向后，可以不必駕駛而放心進(jìn)行觀察和科研?！膀札垺碧?hào)現(xiàn)在可以完成3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)行駛中保持與海面固定距離。更令人稱奇的是，“蛟龍”號(hào)還能懸停定位?！膀札垺碧?hào)配置了7個(gè)推力器，具有6個(gè)自由度的自動(dòng)調(diào)整，便于目標(biāo)搜索和定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)海底微地形地貌的掃描和機(jī)械手的水下采樣。一旦在海底發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，“蛟龍”號(hào)無(wú)需像大部分國(guó)外深潛器那樣坐地作業(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，這樣便于機(jī)械手進(jìn)行操作。在深海，洋流等外因可能導(dǎo)致“蛟龍”號(hào)搖擺不定，同時(shí)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)也可能帶動(dòng)整個(gè)潛水器晃動(dòng)，所以能夠做到精確的“懸停”真令人稱道。在已公開(kāi)的消息中，尚未有國(guó)外深潛器具備類(lèi)似功能。

高速水聲通信功能 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?！膀札垺碧?hào)潛入深海數(shù)千米，如何與母船保持聯(lián)系是一個(gè)技術(shù)難題。由于電磁波在水中傳播時(shí)衰減嚴(yán)重，在海水中只能深入幾米，而聲波是人類(lèi)迄今為止已知的唯一能在水中遠(yuǎn)距離傳播的能量形式，所以海洋中檢測(cè)、通信、定位和導(dǎo)航主要利用聲波。在海水中，聲音傳播速度只有1531米/秒，如果身處 7000米深度，喊一句話來(lái)回需要近10秒。限制水聲通信研究和發(fā)展的根本原因在于水聲信道的復(fù)雜性、多變性及多樣性。具體來(lái)說(shuō)，水聲信道具有聲速小、帶寬受限、時(shí)變多徑傳播、環(huán)境噪聲高等特點(diǎn)。近20年來(lái)，對(duì)于高速水聲通信來(lái)說(shuō)，主要提出了基于自適應(yīng)時(shí)域均衡的單載波傳輸體制和基于正交頻分復(fù)用的多載波體制。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)驗(yàn)，“蛟龍”號(hào)采用了由中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)所研發(fā)的水聲通信和信號(hào)處理技術(shù)，可以接近實(shí)時(shí)地將水下的語(yǔ)音、圖像、文字等信息傳輸?shù)侥复?，?秒鐘之內(nèi)就能被水面上的母船所接收。與國(guó)外載人潛水器的水聲通信系統(tǒng)相比，其功能和性能都是首屈一指的。值得一提的是，“蛟龍”號(hào)深海載人潛水器的聲學(xué)系統(tǒng)包括：水聲通信機(jī)、高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納、避碰聲納、成像聲納、聲學(xué)多普勒測(cè)速儀。其主要功能分別為：實(shí)現(xiàn)潛水器與母船之間的圖像、語(yǔ)音、文字和指令通信，測(cè)量海底微地形地貌，測(cè)量各方位障礙物的距離，探測(cè)前方的目標(biāo)，測(cè)量潛水器的三維運(yùn)動(dòng)速度和下方的海流速度剖面。

大容量充油銀鋅蓄電池 “蛟龍”號(hào)在深海要生存近10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。與太空空間站可利用太陽(yáng)能不同，深海載人潛水器在海底只能靠自身攜帶的能源?！膀札垺碧?hào)搭載了由中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所研制的大容量充油銀鋅蓄電池。它采用充油壓力補(bǔ)償?shù)哪蛪汗ぷ鞣绞?，為了保證電池能在海底7000米的高壓環(huán)境中安全可靠地工作，具備耐壓結(jié)構(gòu)和氣液分離結(jié)構(gòu)。該蓄電池相比國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品，在比能量、下潛深度和容量等指標(biāo)上都有提高，性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際同類(lèi)電池的先進(jìn)水平。銀鋅蓄電池的電量超過(guò)110千瓦時(shí)，是目前國(guó)際潛水器上容量最大的電池之一，可以使“蛟龍”號(hào)有更長(zhǎng)的水下工作時(shí)間和操作更多的儀器設(shè)備。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。充油銀鋅蓄電池的成功研制為7000米載人潛水器的研制打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

歷史使命

研發(fā)深海載人潛水器是保衛(wèi)我國(guó)海洋國(guó)土和資源的迫切所需。深海載人潛水器是運(yùn)載科學(xué)家、工程技術(shù)人員和各種電子裝置、特種設(shè)備快速、精確地到達(dá)各種深海復(fù)雜環(huán)境，進(jìn)行高效勘探、科學(xué)考察和接近海底作業(yè)的裝備，是和平開(kāi)發(fā)和利用深海資源的重要技術(shù)手段。

“蛟龍”號(hào)載人潛水器可以執(zhí)行多方面的使命：運(yùn)載科學(xué)家和工程人員進(jìn)入深海，在海山、洋脊、盆地、熱液噴口等復(fù)雜海底地形完成航行、坐地、懸停等機(jī)動(dòng)，有效執(zhí)行海洋地質(zhì)、海洋地球物理、海洋地球化學(xué)、海洋地球環(huán)境和海洋生物等科學(xué)考察；完成熱液噴口的溫度檢測(cè)，收集熱液噴口附近的海水樣品，在保溫保壓的條件下取回樣品；進(jìn)行浮游生物、沉積物、吸附在巖石上的微生物樣品的采集；進(jìn)行錳結(jié)核、熱液礦的勘察和測(cè)量，完成鉆取巖石芯樣的水下作業(yè)；水下設(shè)備檢測(cè)、維修、海底電纜和管道檢測(cè)和其它深海觀察，以及沉物打撈等水下工程作業(yè)；執(zhí)行軍事偵察、掃雷、布雷等任務(wù)，試驗(yàn)和回收魚(yú)雷、水雷、深彈等水中兵器，營(yíng)救失事潛艇的艇員，觀察武器的水下發(fā)射情況等。

百舸爭(zhēng)流

目前，全世界共有各類(lèi)載人深潛器13艘，其中有11艘由日本、法國(guó)、俄羅斯和美國(guó)的不同組織使用。

美國(guó)是較早開(kāi)展載人深潛項(xiàng)目的國(guó)家之一。1964年建造的“阿爾文”號(hào)載人潛水器是他們的代表作，可以下潛到4500米的深海。1985年，它曾因發(fā)現(xiàn)“泰坦尼克”號(hào)沉船的殘骸而登上《時(shí)代》周刊封面。如今它已經(jīng)進(jìn)行過(guò)近5000次下潛，是當(dāng)今世界上下潛次數(shù)最多的載人潛水器。美國(guó)于1968年還建造了6000米級(jí)潛深的載人潛水器“海涯”號(hào)，重量為26噸。由于建造時(shí)的技術(shù)條件限制，其性能落后，1974年改裝后歸海軍使用，現(xiàn)已退役。

日本于1989年建成了下潛深度為6500米的“深海6500”號(hào)載人潛水器，重量也為26噸，水下作業(yè)時(shí)間為8小時(shí)。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(gè)觀察窗視野下進(jìn)行取樣作業(yè)。它曾下潛到6527米深的海底，創(chuàng)造了載人潛水器深潛的世界紀(jì)錄。

俄羅斯是目前世界上擁有載人潛水器最多的國(guó)家。比較著名的是1987年建成的“和平1號(hào)”和“和平2號(hào)”兩艘6000米級(jí)潛水器，帶有12套檢測(cè)深海環(huán)境參數(shù)和海底地貌的設(shè)備，最大特點(diǎn)就是所攜帶能量比較充足，可以在水下作業(yè)17～20小時(shí)。影片《泰坦尼克號(hào)》中很多鏡頭就是取自“和平1號(hào)”和“和平2號(hào)”的探測(cè)鏡頭。近期，俄羅斯仍在繼續(xù)研制更為先進(jìn)的深海潛水器“領(lǐng)事”號(hào)，并打算在6000米深海載人潛水器的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究潛深超萬(wàn)米的潛水器。

法國(guó)1985年研制成功的“鸚鵡螺”號(hào)潛水器最大下潛深度可達(dá)6000米，重量為18.5噸，可載3人，水下作業(yè)時(shí)間為5小時(shí)。它具有重量輕、上浮下潛速度快、能側(cè)向移動(dòng)、觀察視野好、可攜帶一個(gè)小型水下機(jī)器人等特點(diǎn)，已完成多金屬結(jié)核區(qū)域、深海海底生態(tài)調(diào)查以及搜索沉船、有害廢料等任務(wù)。

深潛軼事

由于受到空間的限制，“蛟龍”號(hào)內(nèi)徑僅2.1米的球體艙必須能承載一名潛航員和兩名科研人員。生命支持系統(tǒng)是保障下水人員正常工作的基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不亞于“神舟六號(hào)”宇航員的安全保障系統(tǒng)。艙內(nèi)必須保證氧氣、二氧化碳達(dá)到一定的濃度，同時(shí)還要保持艙內(nèi)擁有正常的艙壓、溫度和濕度?！膀札垺碧?hào)狹窄的空間要求下水人員身體不能有異味；體重不能超過(guò)80千克；不能患有幽閉恐懼癥；還要具備一定的精細(xì)操作能力。每次下潛前，下水人員都不能吃刺激性味道和容易導(dǎo)致腸胃不適的食品。艙內(nèi)不便上廁所，雖然下水人員每次下潛都會(huì)準(zhǔn)備巧克力、壓縮餅干等高熱量的食物和飲用水，但為了減少排泄，他們都不敢多吃，將近10個(gè)小時(shí)都不能喝水。溫差是下水人員必須面對(duì)的另外一個(gè)問(wèn)題。隨著下潛深度的增大，海水溫度從海面上的30℃會(huì)逐漸下降為5000米深度的1.4℃。由于潛水器艙內(nèi)狹小，潛航員要貼著艙壁原地不動(dòng)的坐著，經(jīng)常是貼著的一半身體冰涼，另一半?yún)s非常熱。

特殊的工作環(huán)境使得潛航員的選拔培訓(xùn)都極其嚴(yán)格，他們要在長(zhǎng)達(dá)四年的時(shí)間里接受系統(tǒng)的心理、生理和專(zhuān)業(yè)知識(shí)等培訓(xùn)。培訓(xùn)的內(nèi)容包括潛水器相關(guān)理論知識(shí)、設(shè)備檢查維護(hù)、潛水器操作、水面支持設(shè)備的使用等方面。面對(duì)深海未知、漆黑的環(huán)境，潛航員心理素質(zhì)的培訓(xùn)尤顯重要。

展望未來(lái)

“蛟龍”號(hào)在試水5000米級(jí)深度成功后，國(guó)人“可下五洋捉鱉”的愿望已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。有報(bào)道稱，我國(guó)將在2012年向更深的7000米級(jí)潛水器極限深度進(jìn)發(fā)，將超過(guò)日本在該領(lǐng)域所創(chuàng)造的世界記錄。

必須指出的是，中國(guó)深海研究與世界水平還有著顯著的差距——我國(guó)尚未形成完整的深海觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，甚至沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的深海研究機(jī)構(gòu)。長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)的海洋戰(zhàn)略重心一直放在淺海，深海領(lǐng)域的研究并未受到足夠重視，目前95%左右的海洋科研經(jīng)費(fèi)仍是投向近海。反觀國(guó)外，印度在印度洋上早已捷足先登，就連俄羅斯也常常跑到南海進(jìn)行科學(xué)考察……

從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，“蛟龍”號(hào)雖然在5000米級(jí)海試期間保持總體狀態(tài)穩(wěn)定，但仍有部分技術(shù)項(xiàng)目有待完善。例如采樣籃拋棄機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)仍需改進(jìn)，取樣作業(yè)工具仍待專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)，潛水器GPS定位功能急需增設(shè)，液壓系統(tǒng)、潛水器涂裝仍需改進(jìn)等等。

前路漫漫，我們期待著“蛟龍”號(hào)能夠給我們帶來(lái)更多來(lái)自深海的驚喜。