未来的潜艇:深海探测器揭开海底面纱!!

未来的潜艇:深海探测器揭开海底面纱!!


图1:飞向海底:“深海飞行2”号潜艇运用短粗的机翼推动向下。


粗略估计,人类大约探索了5%的海洋世界,几乎全部都在1,000英尺深的水域。这就是人们通常熟悉的蓝色部分,由阳光照射,是所有你见过的鱼类和色彩斑斓珊瑚礁的家园。在这下面是黑色的区域,约35,800英尺,到达马里亚纳海沟的底部。几乎所有主要的海洋学发现都在这个区域产生——热液喷口、在极温繁衍的罕见生物、能治疗肿瘤的海绵、上千种新物种、甚至发生在15,000英尺的“泰坦尼克号”事件——这是近50年来,少数载人潜艇所能到达的深度。


现在,工程师们希望通过一种新型载人潜艇,去解开海洋的神秘面纱。他们不需要去非常深的底部。实际上,只有约2%的海底在20,000英尺以下,在深处都是海沟。只要我们再往前扩展5,000英尺——即1英里——将会看到世界上98%的海洋。报偿将是巨大的。矿产公司希望在热液喷口发现镍矿;天燃气和石油公司热切盼望发现新能源;海洋生物学家们则希望研究气候的改变如何影响了生态系统。另外,这是人类对大自然简单的好奇心。人类已经登顶世界所有高峰和两极,深海却一直无人问津。


但是,将这艘潜艇送到如此深的海域,需要资金和技术。这艘船必须足够小,以靠电池前进;足够结实,以抵抗巨大的水压——23,000英尺深时达到10,340磅每平方英寸,相当于将一辆校车放在你头上。一艘载人潜艇还必须达到更高的标准:它必须保证乘坐者活着。


1960年,美国海军上尉唐•沃尔什Don Walsh和瑞士工程师雅克•皮卡尔Jacques Piccard进行了历史上第一次人类对世界上最深地带的考察。他们驾驶着一艘长50英尺的潜艇一样的深海探测器 “蒂里雅斯特”号 (Trieste)潜到35,800英尺深,直到马里亚纳海沟底。在玻璃观察窗因为水压而破裂,最终浮出水面以前,他们在世界的底部逗留了30分钟。自那以后没有人能超越这个记录活着返回。


他们应该这样做么?海洋学家就下一代深海探险是否由机器人还是人类或者两者来执行,展开了激烈的论战。支持远程控制潜水器的一方由海洋学家罗伯特·巴拉德领衔。巴拉德在载人潜艇领域著名,并发现了第一个热液喷口,参与发掘了“泰坦尼克”号的残骸。他的论点很简单:远程控制潜水器因不需要消耗能量的生命支持系统而能在海底停留更长时间——因此,比载人潜艇有更多机会去探索未知领域。机器人通过光纤电缆向船上发送高精度图片和视频。然后,轮船再将这些数据发送到一系列的控制中心,海洋学家在那里可以实时分析这些数据。“我对海底有兴趣,不是潜水的精神体验,”巴拉德说到。


另外一部分人认为,只有当人坐在驾驶舱中时,从海底搜集样本更加容易,没有任何机器能够替代人类全方位的思维。2004年,著名的海洋学家塞尔维亚·厄尔在佛罗里达群岛海域一艘1,400英尺深的潜艇中时,她忽然注意到一条6英尺长的翻车鱼。而这种鱼类之前一直被认为只会出现在海面。厄尔是持载人潜艇一方观点中最为突出的,她简明扼要的比喻到:“你会将机器人送到巴黎去品酒么?”


未来的潜艇


今天,只有5种载人潜艇可以到达15,000英尺深度:法国的“鹦鹉螺”号(Nautile);2艘俄罗斯潜艇;伍兹霍尔研究所的“阿尔文”号(Alvin),巴拉德正是用此发掘“泰坦尼克”号;日本的“新海6500”号(Shinkai 6,500),全世界下潜最深的潜艇,可以到达21,000英尺。(中国政府被报导正在研发一艘能到达23,000英尺的潜艇。)


这些潜艇的工作原理都相似。一艘辅助轮船将其放入水中,随着锚加重,潜艇开始下沉。为了在中等深度探索,驾驶员减轻了部分重量。潜艇开始摇摆,将水吸入或放出,以达到和周围水域的同等重量。电池驱动的发动机在短时间内从侧面驱动潜艇,压舱系统吸进更多水分,潜艇下沉至底部。在科学家探索完海底,并用机器人臂搜集完样本后,驾驶员减轻锚,潜艇浮上水面。


这个貌似升降机的模式可以工作,但因为潜艇将人、电子设备和发动机都置于抗压球形钛船身中,它们非常重——“阿尔文”号重约36,000磅——需要巨大的辅助轮船。因为电池技术的限制,以前的潜艇并不能让科学家在海底长时间停留;“阿尔文”号目前的时间是4小时。其结果是,载人深海探索效率极低。想象用5辆吉普车在非洲大陆探险。


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图2:最深的潜水者——“海神”号成为第三艘到达马里亚纳海沟底部的潜艇。


但是,新科技正在改变设计者看待潜艇的方式。2008年,伍兹霍尔研究所宣布了花2100万美元重修“阿尔文”号的计划。这将使其到达21,000英尺的海域(“阿尔文”号现在最大深度为 14,760英尺)。除了新的钛合金能以更轻重量抵抗更强水压外,修复的重点是大量引进锂离子电池技术。锂离子电池不仅比现在的铅酸电池轻,并能够产生两倍的电力。这意味着有更多的水下活动时间,同时驱动海底设备。因为资金的缺乏,重修按计划分两阶段进行。(海洋学家指出国家宇航局今年的预算是1760亿美元,但资助伍兹霍尔研究所的自然科学基金会所获海洋研究资金只有3.3亿美元。)第一阶段,在2011年前完成电池和个人领域的升级。但是,“阿尔文”号预计在第二阶段才扩展最大深度,乐观估计是在2015年完成。


格雷厄姆·霍克斯是潜艇设计公司霍克斯海洋科技公司的创始人。这位英国裔工程师(厄尔的前夫)颇为激动地总结到:“在几个世纪后,人类将意识到这是一个海洋星球,并将迎来海洋探险的伟大时代。他们将建造一艘巨大的潜艇,下沉到海底,然后他们将会发现一个小板,上书:‘霍克斯曾来过这里。’ ”


霍克斯的目标是要将深海开放给那些能够为一艘小潜艇支付几百万美元的人。他在商业上和工程上的榜样是私人飞机。潜艇的设计含固定的机翼和光滑细长的机身,和飞机一样。驾驶员坐在一个小型抗压舱中。其它东西,包括发动机,电子设备和用于浮力的轻型泡沫都置于舱外的机身上,以减轻重量。潜艇非常轻巧——比其驶过的水轻。它的机翼是反向的,电子推进器保证潜艇浮动至水面。和飞机需要上升推力一样,霍克斯的潜艇需要下降推力。


霍克斯最近设计完成了浅水域潜艇“超级猎鹰”号(Super Falcon)。这艘重4,000磅的潜艇售价150万美元,采用飞行器设计,能到达1,000英里海深。但是,建设一艘轻型的深海潜艇是一项更大的挑战。霍克斯称,他已通过坚固的金属陶瓷混合物和抗压锂离子电池系统,解决了这一问题。


4年前,他开始为计划造访马里亚纳海沟的探险家斯蒂文·福赛特建造一艘重达8,000磅的深海潜艇——“挑战者”号(Challenger )。在宾利法尼亚州立大学应用研究实验室进行的压力测试中,潜艇的观察窗口碎裂。霍克斯称是临近窗口的钛部分制造缺陷导致的结果。


在福赛特因2007年的一场私人飞机相撞事故丧生后,霍克斯停止建造“挑战者”号(福赛特的遗孀现在拥有原始机器),并将他的注意力转向“超级猎鹰”号。随着这艘潜艇的上市,霍克斯的目标是要将他在“挑战者”号项目中学到的经验运用到新的商业潜艇“深海飞行2”号的建造上(Deep Flight II)。这艘潜艇能在任何深度自由穿梭。“挑战者”号运用和“阿尔文”号类似的减重系统区帮助下降。“深海飞行2”号将用一个更强悍的锂聚合物电池取代重量,所以推进器能促使其下降,从而在水中更灵活。


即使霍克斯能在未来两年内建设,这艘潜艇还是太小,不足以承载太多科学设备。“阿尔文”号固然笨重,但可以在观察舱中负载很多摄影机和监视器。潜艇过于狭小的“后备箱空间”使科学圈认为霍克斯制造了噱头,他却称这些批评基于过时的论调。相机这样的设备变得更小和更有效率,他指出,“深海飞行2”号潜艇将有机器手臂。


无论受到何种批评,霍克斯制造的潜艇对海洋生物学家都是一个巨大的恩惠。他们使用如“阿尔文”号等潜艇进行观测,限制较大。“深海飞行2”号可以使科学家们自由穿行。“ ‘阿尔文’号是深海海底探索的有利工具,” 加利福尼亚州蒙特雷湾水族馆研究所的一名海洋生物学家布鲁斯·罗宾逊说,“但是,它在大部分海洋动物生活的中等深度水域工作效率低。我们还没有建造出如生活在那片海域动物那样行动自如的潜艇。”


最终,会存在政府资助研究和私人探险家相互共存的航海空间。毕竟,这里有太多涉及领域。“海洋组成了三分之二的地球,而它们目前未被探索,”霍克斯说,“我们希望发现我们所不知道的世界。”


“阿尔文”号潜艇:尺寸:长24英尺,宽9英尺,高12英尺;重量:20顿;操作时间:10.5小时;人员:1名驾驶员,2名研究者;最大深度:21,000英尺(2015年)上升速度:157英尺/分


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图3:科学潜艇——“阿尔文”号。


在2015年,完成2100万美元的修复工程,为这艘45岁的潜艇带来全新的船体。更轻的电池到达更深(21,000英尺),停留时间更长(10小时),上升速度快50%,达到每小时1,78英里。——马歇尔·路易斯·瑞夫斯


* 灯光:10束LED灯是原先白炽灯亮度的5倍、寿命的4倍——5年或更长。每个灯能被精确控制为研究者和高精度相机提供稳定、聚焦的光线。


* 船体:船体由一种叫做复合泡沫塑料的材质保持浮力。这种材质由数十亿微小的充气玻璃球体嵌入环氧树脂,像变硬的聚苯乙烯泡沫塑料。复合泡沫塑料曾被运用于石油钻塔和潜水设备,但“阿尔文”号将使用一种组合了两种不同尺寸玻璃球体的新版本。这意味着它们能结合的更加紧密,达到前所未有的强度重量比。


* 推进器:6个电子推进器使潜艇朝任一方向行进。原来的范围只限于几百码内,但如果没有别的需要电力驱动,“阿尔文”号能够行进2英里。


* 机器臂:新的“阿尔文”号拥有一双更有力和灵活设置的机器手臂,它的框能承载最多400磅的设备或者样本。它的工具包括测量热液喷口的感应器和取样沉淀物的提取设备。


* 船舱:直径7英尺的船舱通过精确机械制造,由坚固的轻型钛合金组成。即便是一英寸的1/50这样小的差异,都会导致舱体在深海的巨大水压下崩溃。


* 视口:5个视口——比现在的多2个,宽超过1英尺——使研究者通过4英尺厚的树脂玻璃拥有更广的视野。新的排列可以使驾驶者无需站立就可以从左至右观测。


* 压舱物:钢铁重量将“阿尔文”号下沉至底部。一个压舱物系统在潜艇到达底部后,通过卸下部分设备调整浮力;从玻璃纤维箱中释放空气来停留。驾驶员只需释放钢铁重量,就能上升。


* 电池:最大的更新是锂离子电池,提供两倍能量,重量仅为铅酸电池的一半。它们能使停留时间超过10小时(比现在的长5个小时),最高时速3海里,从目前的2海里/小时提升。


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图4:“深海飞行2”号潜艇: 尺寸:长16英尺,宽4.5英尺,高4英尺;重量:5,000磅;操作时间:8小时;人员:1-2名配置;最大深度:开始6,500英尺,最后35,800英尺;垂直速度:上升500英尺/分,下降400英尺/分。


水下飞机——“深海飞行2”号


格雷厄姆·霍克斯希望设计一艘相对便宜的深海潜艇,从船发射,易于驾驶,为大批私人探险家打开深海探险之门。他的飞行潜艇可以单独或成对运转并在海底前行数英里——马歇尔·路易斯·瑞夫斯


* 电池:霍克斯使用最先进的锂离子电池,它们的外壳受压后可潜艇提高浮力。


* 船体材料:由美国海军发展、霍克斯团队改良的混合制陶术产生了比钛更高的强度力量比。船体包围了受压的舱体和电池等其他设备。


* 驾驶舱:驾驶员能使用操纵杆控制机翼。卧式反赢了潜水者和鱼类的自然姿态,能使驾驶员的眼睛尽可能靠近视口和机器臂。它也最小化了受压舱的尺寸,让潜艇减轻到仅5,000磅。


* 推进器:工作状态时,4组侧面电子推进器——5片螺旋桨——能保证在海底灵活机动稳定行进。观光状态时,2个高速的推进器可以使潜艇速度达到600英尺每分钟。


* 机翼:两个短粗的机翼可以使潜艇在水下任一方向飞行。不像小型飞船缓慢的上升或下降,潜艇使用水流产生反向推动力。它没分钟能潜400英尺,比现在的潜艇快4倍。


* 灯光和相机:机翼和鼻部的LED灯可以使驾驶员和高精度相机看到40英尺范围内的事物。激光探针检测前方的障碍物,声纳系统扫描水中生物,驾驶员能快速打开灯光并给即将离开的动物照相。


* 舱体:圆柱型的舱体需要比球体更加坚固2倍。霍克斯正在使用一种特殊的碳混合物,原来是为火箭喷嘴设计的,抗压缩更强。碳混合物比钛轻,帮组产生浮力。


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