蛟龙号有三大尖端技术:水声通信技术可传送图片

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北京时间7月26日,在东北太平洋的阳光照耀下,“蛟龙”号猛然浮出水面。就在数小时前,中国人的身影第一次出现在5000米以下深海,继美、法、俄、日之后,中国载人深潜器历史性地跻身“世界深海俱乐部”。


“蛟龙”号外形像是一条大白鲨,有着白色圆滚滚的身体,橙色的脑袋,身后的X形稳定翼就如同鱼尾巴。它是一条名副其实的深水鱼,科研人员以中国神话传说“蛟龙闹海”为其命名,希望它能在深海弄出大动静。


不过,“蛟龙”号可不仅是一项顶尖技术那么简单。美国《华尔街日报》评论指出,“中国计划以一台载人潜水器深潜太平洋,这将使它在一场勘探世界大洋最深处可能十分丰富的矿产资源的竞赛中超越美国。”事实上,从国内外的热烈反响来看,一条高科技的“蛟龙”正让黄土地的中国人重新审视自身的深海战略,深蓝之梦或将就此拉开。


专家揭秘三大技术突破


近底自动航行和悬停定位、高速水声通信、充油银锌蓄电池容量被誉为“蛟龙”号的三大技术突破。本报特邀“蛟龙”号研发人员、中国科学院沈阳自动化所水下机器人研究中心主任王晓辉解析有关技术。


“蛟龙”号可稳稳“定住”


如同开车一样,驾驶员的脚总放在油门上,难免产生疲劳感。“蛟龙”号驾驶员是幸运的,它具备自动航行功能,驾驶员设定好方向后,可以放心进行观察和科研。


王晓辉介绍说,“蛟龙”号现在可以完成三种自动航行:自动定向航行,驾驶员设定方向后,“蛟龙”号可以自动航行,而不用担心跑偏;自动定高航行,这一功能可以让潜水器与海底保持一定高度,尽管海底山形起伏,自动定高功能可以让“蛟龙”号轻而易举地在复杂环境中航行,避免出现碰撞;自动定深功能,可以让“蛟龙”号保持与海面固定距离。


更为令人称奇的是,“蛟龙”号还能悬停定位。一旦在海底发现目标,“蛟龙”号不需要像大部分国外深潜器那样坐底作业,而是由驾驶员行驶到相应位置,“定住”位置,与目标保持固定的距离,方便机械手进行操作。在海底洋流等导致“蛟龙”号摇摆不定,机械手运动带动整个潜水器晃动等内外干扰下,能够做到精确地“悬停”令人称道。在已公开的消息中,尚未有国外深潜器具备类似功能。


深海通信靠“声”不靠“电磁”


陆地通信主要靠电磁波,速度可以达到光速。但这一利器到了水中却没了用武之地,电磁波在海水中只能深入几米。“蛟龙”号潜入深海数千米,如何与母船保持联系?


科学家们研发了具有世界先进水平的高速水声通信技术,采用声纳通信。这一技术需要解决多项难题,比如水声传播速度只有每秒1500米左右,如果是7000米深度的话,喊一句话往来需要近10秒,声音延迟很大;声学传输的带宽也极其有限,传输速率很低;此外,声音在不均匀物体中的传播效果不理想,而海水密度大小不同,温度高低不同,海底回波条件也不同,加上母船和深潜器上的噪音,如何在复杂环境中有效提取信号难上加难。

据悉,“蛟龙”号上装载的高速水声通信技术由中国科学院声学所研发,能够适时传输语音、文字和图片,这是国外绝大多数载人深潜器所没有的。


世界深潜器最大容量电池之一


“蛟龙”号在深海要生存近十个小时,还要不停运动和作业,但又不能携带太重的燃料,因此能源供给是个大难题。


“蛟龙”号搭载了完全由我国自主研发的大容量充油银锌蓄电池,电量超过110千瓦时,这也是目前国际潜水器上最大容量的电池之一,“蛟龙”号可以有更长的水下工作时间和更多的仪器运作。目前,日本的潜水器蓄电池为86千瓦时,法国、美国均为50多千瓦时,只有俄罗斯的深潜器可以与之媲美。


国外部分载人深潜器采用银锌蓄电池,但国内尚未应用过。银锌蓄电池采用充油的方式放在蓄电池箱内,减轻了“蛟龙”号的重量。


在高压环境下,大容量电池供电时可能产生一定量氢气,威胁“蛟龙”号安全。为此,“蛟龙”号同时选用了两个不同厂家进行产品试验,再进行改进,最终将析气量控制在规定范围内。


堪比“上天”承压数百倍于“神舟”飞船


1958年从上海交通大学船舶系毕业后,徐芑南长期从事潜艇研发工作。上世纪八九十年代,他创造性地研制出多种型号的无人深潜器和水下机器人。


10年之后的2002年,中国大洋协会正式牵头攻关7000米载人深潜器,已经退休6年的徐芑南受邀出山,担任总设计师,领衔中国船舶重工集团公司第702研究所等全国50多所单位开展集体攻关。接受媒体采访时,徐芑南生动地描绘道,“我的脑海中,经常想象着这样一幅画面:我们的潜航员驾驶着我国自主建造的深潜器,带着科学家在大洋深处航行,带回各种矿物资源、前所未见的物种,造福我们的社会和人民。”


潜入大洋谈何容易!深海环境面临高压低温、高腐蚀,环境变化多端,条件复杂各异。例如,水中每增加10米水深就约相当于增加1个大气压,“蛟龙”号设计最大下潜深度为7000米,则需承受700个大气的正压力,而“神舟”飞船在太空工作时也只承受约1个大气的负压力,载人深潜器上的每一个零件都受到深海压力的巨大考验。因此,科学家认为,“入海”的难度实际上并不亚于“上天”。


深海充满诱惑。载人深潜器就是敲开深海之门的钥匙。去年成功达到3759米下潜深度后,以中国大洋协会和中国船舶科学研究中心(属702所)名义撰写的《中国首台深海载人潜水器——蛟龙号》公开发表,系统描述了“蛟龙”号的各项参数。


这艘寄托中国探索深海使命的载人潜水器长8.3米,重达22吨,设计有效载荷240千克。


“蛟龙”号长什么样?从整体看去,“蛟龙”号外表像是一条鲨鱼,这符合生物仿生学原则。“接近鲨鱼,不过有点胖了。”徐芑南形容。


经过比较选择,“蛟龙”号最终被设计成球形,由12块球瓣和2块球形底板构成,以期在800以下深水中获得最好的重量—排水量比和最佳的强度、稳定性能。


常规潜艇绝大部分选用钢材,而载人深潜器的球壳则采用高强度钛合金。在这层钛合金的保护下,潜航员唐嘉陵、付文韬和叶聪开始了深海之旅。


身段灵巧水下“蛟龙”可做“六度”动作


从母船“向阳红09号”上布放成功后,“蛟龙”号顺利下潜。5000米海试的上下时间都要超过1个半小时。

到了海底1000米之下,就算是深海,这里没有氧气、没有阳光,非常寒冷,压力越来越大。到达海底5000米时,温度就只有2摄氏度左右。通过观测窗,潜航员们可以看到深海中游弋的动物、高低起伏的海底山峰……


“蛟龙”号载人舱内是常压环境,还有专门的供氧和吸收异味气体的生命支持系统,但潮湿问题目前还无法解决,因此夏天舱内温度就相对较高。


对身体而言,这不是一次舒适的旅行。在10余小时的时间里,潜航员们一直“蜗居”在一个2.1米内径的球体内。成年人伸开臂展,几乎可以碰到球体两端。


坐在中间的是主驾驶,左右两侧是科学家。潜航员付文韬透露,3个人很难同时站立起来,加上各种仪器,腿基本上都处于蜷缩状态。


“蛟龙”在水中行进的速度并不快。其设计巡航时速为1节,最大时速为2.5节,相当于每小时行驶4.63公里,比常人骑自行车还慢。


不过“蛟龙”号的身段却颇为灵巧。参与控制系统研发的中科院沈阳自动化所水下机器人研究中心主任王晓辉介绍说,“蛟龙”号拥有“6自由度空间运动能力”,既可以在三维直角坐标系上直线行走,比如通常所说的前进后退、上浮下潜、左移右移,还可以围绕直角坐标系三个轴旋转,比如改变舵向、左右摇摆、抬头低头等。


“其实‘蛟龙’号在水下是很灵巧的,就是动作稍微慢些。”他描述说。


除了行动灵巧,“蛟龙”号还手脚灵便。“蛟龙”号第四次下潜过程中,潜航员叶聪就利用机械手捕获过海参等生物,放在生物篮里。这样的机械手有两只,具有相当于人的肩、肘、腕等的“关节”,伸缩自如。


8只水下照明灯如同“蛟龙”号的眼睛,可以确保潜航员看清楚15米以内的各种情况。


声纳如同“蛟龙”号的耳朵。它配有1台最大作用距离为200米的成像声纳、7台避碰声纳、1台能够探测不同海底地形小目标的测深侧扫声纳以及1台多普勒海流测速仪。


人们还预想到,“蛟龙”号的行程未必总是一帆风顺,如果被海底的水草或者淤泥缠住,“蛟龙”号还应具备多种应急逃生的技能。


它可以抛掉两个100公斤的压载铁,以获得200公斤的浮力;还可以引爆蓄电池箱上的电爆螺栓,扔掉部分蓄电池;而如果是机械臂在抓东西时被水草缠住,上述应急措施都无法起作用时,“蛟龙”号还可以壮士断臂,以求逃生。


如果是整体陷入淤泥等不能自拔,“蛟龙”号的最后一招是引爆电爆螺栓,浮力块将带着船载的9000米长缆浮上水面。正在密切监视的母船看到浮力块上的闪光灯,就捞起长缆,用绞车把“蛟龙”号硬生生地“拎上来”。


根据中国大洋协会的描述,“蛟龙”号一次7000米的深度下潜一般需要12个小时,包括投放、回收各半小时,上浮下潜各2.5个小时,海底工作时间6个小时。一个下潜一般从早晨开始,下午天黑前结束。


正常情况下,“蛟龙”号可以在水下生存12个小时,而紧急情况下,生命支持系统可以支撑近3天的时间。

首赴南海将获取与可燃冰有关数据


“蛟龙”下水,目标何在?中国大洋协会公开资料表示,“蛟龙”号可执行6项科学考察任务,包括:沉积物、浮游生物定点取样,矿产钻芯取样,海水温度测量,绘制高精度地形地貌图,沉船照相和摄像,以及深海管道和电缆等维护与检查等。


“为什么一定要载人下到深海?”中国科学院广州能源所副所长吴能友自问自答,现在科学家寻找深海矿产、生物无异于“海底捞针”,而“载人深潜器最大的好处就是带给科学家身临其境的感觉!”吴能友说,科学家潜入深海,能更直观地了解海底环境,发现研究目标物。


此外,科学家还可以借助“蛟龙”号携带海底钻机等各种仪器下潜到海底,获取珍贵的样品和数据。


成功下潜到5000米后,“蛟龙”号的行动范围可以覆盖地球75%的海洋;徐芑南透露,明年“蛟龙”号将择机进行7000米海试,一旦成功,将可以覆盖全球99.9%以上的海洋。除个别海沟外,“蛟龙”号将可以无所不至。


丰富而未知的深海资源从此将触手可及。中国著名海洋地质学家、中科院院士汪品先此前向媒体透露,其正在主持的“南海深部过程演变研究计划”将率先利用“蛟龙”号在南海进行海底可燃冰的勘探工作。


南方日报记者了解到,确切地说,拟定明春进行的“蛟龙”号首次科考任务瞄准了深海一种叫做“冷泉碳酸盐岩”的物质,它是能源界广泛关注的“可燃冰”的伴生物,了解其形成机理和分布,将大大有助于人类对重要的潜在未来资源“可燃冰”的开发利用。


此外,“蛟龙”号明年的首次科考还可能瞄准海底生物。“蛟龙”号带回的成果将有助于人们了解这个神秘的生物世界。


还有深海油气勘探。中国科学院南海海洋研究所副所长王东晓告诉记者,海底一二千米的地方存在大量油气,分布面积很广,但目前的深海勘探技术只能探测到200米水深,“蛟龙”号潜入深海,有望带来新进展。


海底矿产资源丰富。王东晓提醒说,此次“蛟龙”号远赴东北太平洋海试,其海域正是联合国国际海底局批准给中国的矿产专属区。“蛟龙”号也从海底获取了锰结核样品。


科学家是“蛟龙”号未来的“大客户”。吴能友强调,“蛟龙”现在的作业能力还不是很强,未来一定会强调应用,才能真正有助于中国深海战略的发展。


“你不要小看‘蛟龙’号的机械手,它不仅可以抓起200公斤的岩石样品,而且可以轻巧地抓取生物,还配有大量的摄像、摄影、声纳、钻机装备。”吴能友展望,未来科学家将把深海作为天然实验室,利用“蛟龙”号把实验样品放入深海进行科学实验,经过若干实验时间后再取回样品,从而模拟出实验室无法提供的环境条件。


美国的“阿尔文”号载人深潜器诞生于上世纪60年代,如今在美国、日本等国家,研究深海的科学家经常可以乘坐深潜器探索深海奥秘。科学家们热切盼望,中国的深海研究也能早日迎来这一天。


“蛟龙”出世标志中国向深海领域发力


在世界载人深潜领域,中国无疑处在赶超者的地位。


二次世界大战后,美国率先在这一领域发力。到1960年,美国利用已经退役的“的里亚斯特”号深潜器将潜水员首次送入马里亚纳海沟,这里距离海面约为11034米,是全球海洋的最深处。

美国长期是载人深潜领域的领先者。著名的“阿尔文”号深潜器从1964年投入使用,至今仍是美国载人深潜的主力,曾创造出一年最多下潜约270次的纪录。但由于当时国际市场上镍、铜等深海金属的价格不高,美国渐渐减少了在载人深潜领域的投入。


日本、法国后来居上,成为最新的深潜界的明星。王东晓介绍说,近20年间,日本的深海研究突飞猛进,其“深海”深潜器创造了最大下潜深度约6492米的世界纪录。


长期以来,中国的海洋战略重心放在浅海,深海并未受到足够重视,目前95%左右的海洋科研经费仍是投向近海。


“蛟龙”号横空出世,无疑是对中国海洋战略转型的一个最好注脚。王东晓评价说,“蛟龙”号深潜成功堪称中国深海战略的一次标志性突破,未来一旦成功完成7000米级海试,“蛟龙”号更有望打破日本保持的载人深潜纪录。继美、日、法、俄之后,中国正在成为崛起的第五个载人深潜大国。


“国家正有步骤地推动深海战略,先以南海作为桥头堡,再扩展到太平洋和印度洋。”王东晓分析说。


科学领域的需求也蓬勃增长,“蛟龙”号的命运正折射了这一显著变化。1992年,徐芑南等科学家大力呼吁中国研发载人深潜器时,应者寥寥。10年之后,中国大洋协会牵头强力推进这一项目,直接起因就是其与国际海底管理局签订了7.5万平方公里的锰结核勘察计划。


除以“蛟龙”号为代表的载人深潜器研发外,中国大洋协会从2004年开始还推动进行环球航测,进行环绕全球海洋的科学考察。


但仍需指出,中国深海研究与世界水平还有显著差距——中国尚没有形成完整的深海观测网络,甚至没有专门的深海研究机构。反观国外,印度在印度洋上几乎无所不在,俄罗斯竟然常常跑到南海进行科学考察……


日本后来居上的案例更引人深思。上世纪90年代,日本成立了专门的全球海洋研究机构,以研究的名义拓展其深海战略。日本人总是津津乐道其“138度战略”,当时日本的船只凡是经过西太平洋上东京138度的位置时,都把有关数据搜集起来,逐渐形成了颇有影响力的研究。


蔚蓝海洋占地球表面积的70%,深度超过2000米的深海又占其中60%。“蛟龙”号之后,来自深海的新惊喜或许会越来越多。


南方日报记者张胜波实习生邱妍


统筹林亚茗赵威


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