中國「蛟龍號」載人深潛器如何探測海底7062米？

出品| 網易新聞學院

作者| 常松，清華大學材料加工工程系博士

　　這可不是一隻小龍蝦，它是中國「蛟龍」號載人深潛器在南海海底採集的蜘蛛蟹，就通過下面這隻「大手」抓呀抓~

　　《海底兩萬里》扉頁上有這樣一句話：「比天空更深的是海洋。」而在小說連載的18世紀70年代，載人深潛還是「科幻」。直到1928年，美國人奧蒂斯·巴頓才建造了第一艘球形深海探測裝置。

　　近30年來，探索海洋，特別是海底，成為了各國地球科學研究和海洋開發的新熱點，載人深潛器自然成為了最為關注的「探海神器」。美國、日本、法國、俄羅斯等過都先後挑戰成功3000米以上的深海，躋身世界高技術深潛俱樂部。

　　雖然中國的載人深潛器研發起步不算早，但是咱們的發展速度還是很快的，如今最先進的載人深潛器「蛟龍號」已經是第二代載人深潛器，擁有世界上最大的作業深度——7000多米，可以覆蓋世界上99.8%的海域，且擁有水聲通信、海底探測等方面的能力，達到了世界先進水平。

　　出水的蛟龍號

就為了發現新物種？深海探測「圖」啥

　　你不要天真的以為，我們深海探測只是為了發現這些「奇葩」的生物。「深海大洋」，佔據了地球表面一半面積的區域，蘊含著價值「萬億美元」的金屬礦產和油氣資源。

　　而且按照國際慣例，深海勘探奉行「平行開發」原則，就是說，勘探發現者要返還礦區面積的一半，交給國際海底管理局託管，剩下的一半是發現者的專屬領域，有著有限商業開發權。也就是說，無論本國領土距離多遠，率先勘探開發深海大洋區域的國家，對於海底資源擁有一半的權益。

7000米深度趕超日美，這麼「深」有啥用？

　　日本目前可以下潛的深度是6500米，美國的下一階段目標也是6500。而我們目標不止於此，要衝擊7000米。7000米，又是個什麼概念呢？

　　首先，海底7000米，這一深度將使中國可以觸及地球上99.8%的海底。

　　其次，目前世界上只有美國、法國、俄羅斯、日本擁有6000米級載人深潛器。「蛟龍」號載人潛水器已經在7000米級海試成功，那就意味著中國創造世界作業類載人潛水器的最大下潛深度。而「蛟龍」最終目標是挑戰1萬1千米深度，真正成為載人深潛發達國家。

　　「蛟龍」號拍攝的海底生物

「蛟龍」號——自由航行，還「大尺度」

　　深潛器，顧名思義，就是可潛入深海並持續較長時間的潛水裝置，用以在海洋深水區域完成觀察、探測等特定任務。深潛器分載人潛器和遙控潛器兩類。顯而易見，載人的安全要求高，技術更為複雜。而載人深潛器又分為系纜式和自由自航式兩種。

　　「蛟龍」號屬於後者。前者和母船得通過纜索或管道維繫，就像嬰兒和母親臍帶相連。自由自航式深潛器全得靠自己，在茫茫深海里把握方向，前進或後退，停滯或運動，下潛或上浮，生存與工作，艱難複雜可以想像。和不載人的遙控操縱的深潛器相比，載人深潛器尺度大，用途也廣泛。

　　載人潛深器的構造形式通常是這樣：載人艙設計為球形，這樣可以耐受相當於數百個乃至上千個大氣壓的深水壓力；這個球形的載人艙連結在一個艇體下，艇內裝滿比重較海水小的油類，可以產生浮力，又能經受外部深水的高壓。深潛器靠壓載重量下潛，當丟棄一部分壓載物就可上浮。

　　「蛟龍」號模型

　　「蛟龍」能載3個人，在水中正常工作12個小時。它具備深海探礦、海底高精度地形測量、深海可疑物探測和捕獲、深海生物考察等功能。科學家能從「蛟龍」號的艙室中透過觀察窗，直接觀察深海和深海海底。在對海底做三維精確測繪時，可通過各種聲學元器件傳送聲波信號給海面的母船，母船接收解碼，進而處理成文字和圖片等。

這個萌萌的「小胖子」裡面長啥樣？

　　「蛟龍」號，長得是個十足的這個「小胖子」。它體型不是很大，長8.2米、寬3.0米、高3.4米，空氣中重量不超過22噸，有效負載220公斤；最大下潛深度7000米；最大速度為每小時25海里，巡航每小時1海里。

　　錢江晚報 梁津銘 製圖

　　進入「球倉」得從「蛟龍」頭頂，順著一架直通潛水器內部的直梯進去。載人球艙內部直徑有2.1米，這麼小的空間內並沒有設置桌椅，而是在地板上鋪上地毯，中央留一個凹槽，深潛器的駕駛員就坐在地板上，腳放到凹槽里。主駕駛左右兩側的艙壁下放著一摞坐墊，這就是兩名乘員的座位。整個艙體大致和火車卧鋪的空間差不多大，大家可以默默感受一下。

　　主駕駛位置面前的一大堆屏幕和主控面板，所有設備的啟動和操作都在這裡進行，包括潛水器的操縱桿、水聲電話終端、主機械手和副機械手的控制器都在這兒了。

高清顯示屏——主駕駛面前一共有四塊顯示屏，三塊是水下高清攝像機的顯示屏，另外一塊則顯示著潛水器的各項狀態數值，包括動力儲備情況、潛水器姿態、工作時間、下潛深度以及實時報警信息等。

　　駕駛艙和各控制面板

操縱桿還能取下來——觸屏時代，這些面板也都是觸屏的，潛航員可以輕鬆地在第一時間獲得任何想要的數據。操縱桿就像模擬飛行中使用的遊戲搖桿，方便調整水下姿態。有意思的是，兩個機械手的操作桿並不是固定在控制台上的，而是可以取下來，放在潛航員們的膝蓋上進行操作。這回就更像是玩遊戲了。

生命支持系統——不過，在千米深海潛水，可不是遊戲。生命支持系統是保持駕駛員安全的關鍵。在艙內有一堆藍色和黑色的鋼瓶，裝載著氧氣和空氣，最多可供三名潛航員84小時呼吸。生命支持系統是電腦自動控制的，一般情況下不需要人工干預。在緊急情況下，潛航員也可以對其進行人工調整。

水下通信系統——同時，和母船的聯繫也非常關鍵，保證深潛器隨時可以聯絡，球艙內部還安裝有兩套水下通信系統，由六七台計算機控制，保證潛航員和母船聯絡暢通。

「龍爪」分工明確——此外，既然叫「蛟龍」號，那麼「龍爪」也是必需的。深潛器裝有兩個機械手各有分工。一個主攻精細化操作，力量較小，另一個力氣很大，但動作 「野蠻」。為了保證視線無死角，在主駕駛和乘員側各有直徑12厘米的觀測窗，三個視野是相互有所重合的。

　　「蛟龍」號在海底拍攝的照片 新華社

「蛟龍」如何上下海：下沉注水，上浮「扔東西」

　　和潛艇一樣，深海潛水器也是向空氣艙中注入海水。但是上浮就不一樣了。水下5000米的壓力相當於500個大氣壓。深海潛水器由於在深海內環境壓力大，壓縮空氣不足以逼出空氣艙中的海水。所以上浮的方式，和熱氣球差不多，就是往下面扔東西。

　　深潛器配有電磁鐵控制的壓載鐵。之所以用電磁鐵控制，是因為如果深潛器失去動力出現故障的話，電磁鐵就失效，壓載鐵會在重力的作用下自動脫離潛水器，使潛水器自動上浮。

　　壓載鐵示意圖

　　壓載鐵的配置特別講究：「裝少了，下不去。裝多了，回不來。」由於不同海域、不同深度的海水密度都不盡相同，潛水器在水中受到的浮力並不是一定的。海面海水的密度是1021kg/m3，而7000米深的海水密度變成每立方米1059kg/m3。在7000米深度時受到的浮力大概比在海面時要大800多公斤力。

　　在下潛過程中，整個浮力的變化都要靠壓載鐵來平衡。「蛟龍」號海試團隊已建立了一套周密的數學模型，根據在不同海域測得的海水溫度、鹽度和深度等參數來計算下潛時需要的壓載鐵重量。

　　而且為了確保上浮，潛航員的安全，除了壓載鐵之外，蓄電池箱和採樣籃，甚至機械手都可以拋棄。一旦上浮後，報警系統就可以發射浮標到海面，等待母船救援。

「蛟龍」號和它的五星級裝潢的「保姆船」

　　「蛟龍」號只是深潛器，負責上下海，運輸還得靠母船，同時母船也是「蛟龍」號的功能依託。「蛟龍」號水面支持系統包括母船——「向陽紅09」，上面布放回收系統，以及其他各種加裝的系統和設備，同樣是一個龐大的、功能齊全的系統。

　　向陽紅09和「蛟龍」號

　　「向陽紅09」已有近30多年的歷史。為了迎接「蛟龍」號的誕生，「老房子」被徹底翻新改造，加裝了區域網、視頻監視系統，以及其他一系列專用裝備，裝潢達到星級賓館水平，改造後陳舊的「老家」煥然一新。

在船上，蛟龍號有一張奇形怪狀的床——軌道車。每一次回家後都必須睡到床上。這個床還裝有輪子，能自由升降，方便將海底帶上來的東西從床下運走。而為了保證「蛟龍」號的健康，還得定期體檢，有大約1噸多重的東西可以拆卸，船上還配有升降機車可以自由運輸。

　　為了檢測海況，「向陽紅09」還裝了信息網路、監視系統、CTD、LADCP、Bathy2010等。其中CTD能夠提供海域的溫度、壓力、鹽度、電導率、聲速和密度等水文參數；LADCP又叫聲學海流剖面儀，它能提供海域不同深度剖面的流速、流向數據；Bathy2010是走航觀測設備，通過聲波測量海底以下0—120米深度的典型地層結構。有了這些東西，「蛟龍」號探海就有了安全保障。

　　蛟龍號回收至甲板(攝影 高悅)

衝刺海底一萬米

　　深潛員說，7000米的海底就像到達月球一樣，那是一個非常非常遙遠的、無人踏足的地方。在這裡「蛟龍」號獲取海水樣品和沉積物樣品，同時還探測到了小型的生物。

　　有了「蛟龍」號，中國算是擠進了世界載人深潛「高技術俱樂部」，成功實現了主要設備的國產化。未來載人深潛器的目標是11000米級的載人潛水器，在海洋最深處的海底自由航行、作業。

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編輯| 於冉帝

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