宋亮
《海底两万里》的扉页上有这样一句话:“比天空更深的是海洋。”而在小说连载的18世纪70年代,载人深潜还是“科幻”。直到1928年,美国人奥蒂斯·巴顿才建造了第一艘球形深海探测装置。
近30年来,探索海洋,特别是海底,成了各国地球科学研究和海洋开发的新热点,载人深潜器自然成了最为关注的“探海神器”。美国、日本、法国、俄罗斯等国都先后挑战成功探索3000米以上的深海,跻身世界高技术深潜俱乐部。
虽然中国的载人深潜器研发起步不算早,但是其发展速度还是很快的,如今最先进的载人深潜器“蛟龙号”已经是第二代载人深潜器,拥有世界上最大的作业深度——7000多米,可以覆盖世界上99.8%的海域,且拥有水声通信、海底探测等方面的能力,达到了世界先进水平。
中国“蛟龙号”载人深潜器在南海海底采集过蜘蛛蟹,是通过机械臂抓上来的。不过不要天真地以为,我们探测深海只是为了发现这些“奇葩”的生物。深海大洋占据了地球表面一半面积的区域,蕴含着价值万亿美元的金属矿产和油气资源。
而且按照国际惯例,深海勘探奉行“平行开发”原则,勘探发现者要返还矿区面积的一半给国际海底管理局托管,剩下的一半才是发现者的专属领域,有着有限商业开发权。也就是说,无论距离本国领土多远,率先勘探开发深海大洋区域的国家,对于海底资源拥有一半的权益。
日本目前可以下潜的深度是6500米,美国的下一阶段目标也是6500米。而我们的目标不止于此,要冲击7000米。7000米又是个什么概念呢?
首先,海底7000米,这一深度将使中国可以触及地球上99.8%的海底。其次,目前世界上只有美国、法国、俄罗斯、日本拥有6000米级载人深潜器。“蛟龙号”载人潜水器已经在7000米级海试成功,那就意味着中国创造了世界作业类载人潜水器的最大下潜深度。而“蛟龙号”的最终目标是挑战11 000米深度,使我国真正成为载人深潜发达国家。
深潜器,顾名思义,就是可潜入深海并持续较长时间的潜水装置,用以在海洋深水区域完成观察、探测等特定任务。深潜器分载人潜器和遥控潜器两类。显而易见,载人的安全要求高,技术更为复杂。而载人深潜器又分为系缆式和自由自航式两种。
“蛟龙号”属于后者。前者和母船通过缆索或管道维系,就像婴儿和母亲通过脐带相连。自由自航式深潜器则全靠自己,在茫茫深海里把握方向,前进或后退,停滞或运动,下潜或上浮,生存与工作的艰难复杂可以想象。和不载人的遥控深潜器相比,载人深潜器尺度大,用途也广泛。
载人潜深器的构造形式通常是这样:载人舱设计为球形,这样可以耐受相当于数百个乃至上千个大气压的深水压力;这个球形的载人舱连接在一个艇体下,艇内装满比重较海水小的油类,可以产生浮力,又能经受外部深水的高压。深潜器靠压载重量下潜,当丢弃一部分压载物就可上浮。
“蛟龙号”能载3个人,在水中正常工作12小时。它具备深海探矿,海底高精度地形测量,深海可疑物探测,捕获、考察深海生物等功能。科学家能从“蛟龙号”的舱室中透过观察窗,直接观察深海和深海海底。在对海底做三维精确测绘时,可通过各种声学元器件传送声波信号给海面的母船,母船接收解码,进而处理成文字和图片等。
“蛟龙号”是个十足的“小胖子”,它体型不是很大,长8.2米、宽3.0米、高3.4米,空气中重量不超过22吨,有效负载220千克;最大下潜深度7000米;最大速度为25海里每小时,巡航速度1海里每小时。
进入载人球舱得从“蛟龙号”头顶顺着一架直通潜水器内部的直梯进去。载人球舱内部直径有2.1米,这么小的空间内并没有设置桌椅,而是在地板铺上地毯,中央留一个凹槽,深潜器的驾驶员就坐在地板上,脚放到凹槽里。主驾驶左右两侧的舱壁下放着一摞坐垫,这就是两名乘员的座位。整个舱体大致和火车卧铺的空间差不多大。
主驾驶位置面前还有一大堆主控面板,所有设备的启动和操作都在这里进行,包括潜水器的操纵杆、水声电话终端、主机械手和副机械手的控制器都在这儿了。
主驾驶面前一共有四块显示屏,三块是水下高清摄像机的显示屏,另外一块则显示着潜水器的各项状态数值,包括动力储备情况、潜水器姿态、工作时间、下潜深度以及实时报警信息等。
这些面板也都是触屏的,潜航员可以轻松地在第一时间获得任何想要的数据。操纵杆就像模拟飞行中使用的游戏摇杆,方便调整水下姿态。有意思的是,两个机械手的操作杆并不是固定在控制台上的,而是可以取下来放在潜航员们的膝盖上进行操作,这就更像是玩游戏了。
不过,在千米深海潜水,可不是游戏。生命支持系统是保持驾驶员安全的关键。在舱内有一堆蓝色和黑色的钢瓶,装载着氧气和空气,最多可供3名潜航员维持84小时呼吸。生命支持系统是电脑自动控制的,一般情况下不需要人工干预。在紧急情况下,潜航员也可以对其进行人工调整。
同时,和母船的联系也非常关键,为了保证深潜器随时可以联络,球舱内部还安装有两套水下通信系统,由六七台计算机控制,保证潜航员和母船联络畅通。
此外,既然叫“蛟龙号”,那么“龙爪”也是必需的。深潜器的两个机械手各有分工:一个主攻精细化操作,力量较小;另一个力气很大,但动作“野蛮”。为了保证视线无死角,在主驾驶和乘员侧各有直径12厘米的观测窗,三个视野是相互有所重合的。
和潜艇一样,深海潜水器下沉也是向空气舱中注入海水,但是上浮就不一样了。水下5000米的压力相当于500个大气压。深海潜水器由于在深海内环境压力大,压缩空气不足以逼出空气舱中的海水,所以上浮的方式和热气球差不多,就是往下面“扔东西”。
深潜器配有电磁铁控制的压载铁。之所以用电磁铁控制,是因为如果深潜器失去动力出现故障,则电磁铁就失效,压载铁会在重力的作用下脱离潜水器,使潜水器自动上浮。
压载铁的配置特别讲究,正所谓“装少了,下不去;装多了,回不来”。由于不同海域、不同深度的海水密度不尽相同,潜水器在水中受到的浮力并不是一定的。海面海水的密度是1021千克每立方米,而7000米深的海水密度变成1059千克每立方米。在7000米深度时受到的浮力大概比在海面时要大800多千克力(1千克力≈9.8牛顿)。
在下潜过程中,整个浮力的变化都要靠压载铁来平衡。“蛟龙号”海试团队已建立了一套周密的数学模型,根据在不同海域测得的海水温度、盐度和深度等参数来计算下潜时需要的压载铁重量。
而且为了确保潜航员的安全,除了压载铁之外,蓄电池箱和采样篮,甚至机械手都可以抛弃。一旦上浮后,报警系统就可以发射浮标到海面,等待母船救援。
“蛟龙号”只是深潜器,负责上下海,运输还得靠母船,同时母船也是“蛟龙号”的功能依托。“蛟龙号”的母船是“向阳红09”,其具备布放回收系统以及其他各种加装的系统和设备,同样是一个庞大的、功能齐全的系统。
“向阳红09”已有30多年的历史。为了迎接“蛟龙号”的诞生,“向阳红09”这栋“老房子”被彻底翻新改造,加装了局域网、视频监视系统以及其他一系列专用装备,改造后陈旧的“老家”焕然一新。
在母船上,“蛟龙号”还有一张奇形怪状的“床”——轨道车。每一次回家后“蛟龙号”都必须“睡到床上”。这张床还装有轮子,能自由升降,方便将海底带上来的东西运走。而为了保证“蛟龙号”的健康,还得定期体检,它有大约1吨多重的东西可以拆卸,船上还配有升降机车可以自由运输。
为了检测海况,“向阳红09”还装了信息网络、监视系统、CTD、LADCP、Bathy2010等设备。其中,CTD能够提供海域的温度、压力、盐度、电导率、声速和密度等水文参数;LADCP又叫声学海流剖面仪,它能提供海域不同深度剖面的流速、流向数据;Bathy2010是走航观测设备,通过声波测量海底以下0~120米深度的典型地层结构。有了这些设备,“蛟龙号”探海就有了安全保障。
深潜员说,想要到达7000米深的海底就像到达月球一样,那是一个非常非常遥远的、无人踏足的地方。“蛟龙号”在那里获取海水样品和沉积物样品,同时还探测到了小型的生物。
有了“蛟龙号”,中国算是挤进了世界载人深潜的“高技术俱乐部”,成功实现了主要设备的国产化。未来载人深潜器的目标是11 000米级的载人深潜,在海洋最深处的海底自由航行、作业。