海洋深處的探險(xiǎn)家——“蛟龍?zhí)枴?/h1>
2022-04-23 22:17:58葉聰
第二課堂(初中版) 2022年4期
作者簡介：葉聰，中國船舶重工集團(tuán)有限公司第七○二研究所副所長、水下工程研究開發(fā)部主任，“蛟龍?zhí)枴鄙詈］d人潛水器首席潛航員，全海深載人潛水器總設(shè)計(jì)師，“奮斗者號(hào)”總設(shè)計(jì)師、萬米海試總指揮。他被譽(yù)為“中國載人深潛第一人”，24歲時(shí)就成為“蛟龍?zhí)枴钡闹魅卧O(shè)計(jì)師，陪同“蛟龍?zhí)枴币淮我淮瓮黄?000米、5000米、7000米，歷經(jīng)數(shù)次磨煉和調(diào)整，可謂是見證了“蛟龍?zhí)枴钡某錾统砷L。
上有航天“遠(yuǎn)征”，下有海底“蛟龍”
如今，人類的航天事業(yè)發(fā)展欣欣向榮，對于海洋的探索又處于何種階段呢？海洋是生命的搖籃，所有生命的祖先都誕生在海洋之中，地球表面約71%是海洋，海底蘊(yùn)藏著豐富的資源，礦物和能源儲(chǔ)量都超過陸地。遠(yuǎn)古時(shí)期，甚至有人嘗試坐在罐子里去水下看一看。2012年，電影《阿凡達(dá)》的導(dǎo)演詹姆斯·卡梅隆，乘坐潛水器下潛到了10898米。不過這些嘗試，都只是在深度上進(jìn)行探索，并未實(shí)現(xiàn)海底作業(yè)。2012年，我國自主研發(fā)的“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器海試成功。作為載人潛水器，它首度開創(chuàng)了世界作業(yè)類載人潛水器最大下潛深度7062米的歷史，并先后在南海、東太平洋、西南印度洋、馬里亞納海溝等七大海區(qū)開展了152次下潛，獲得了彌足珍貴的地質(zhì)與生物樣品3800余件。
那么，“蛟龍?zhí)枴笔窃鯓影才殴ぷ?，與航天工作又有何不同呢？
下潛工作與同學(xué)們經(jīng)常看到的航天工作是不一樣的。在時(shí)間安排上，航天員被送入太空，會(huì)在太空停留一段時(shí)間，短則幾天，長至一年半載，衛(wèi)星在軌道上的運(yùn)行更是一種長期的工作。而潛水器的工作模式則是，在出海的時(shí)間里，每天下潛一次，下潛時(shí)長和工作時(shí)長取決于下潛深度。下潛深度越深，下潛所花的時(shí)間就越多，工作時(shí)間就相對減少;下潛深度越淺，下潛的時(shí)間就越少，花在工作上的時(shí)間就增加了。就像一個(gè)人的精力是有限的，假如每天有5個(gè)小時(shí)用來學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和語文，花掉2個(gè)小時(shí)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)，那么學(xué)習(xí)語文就只剩下3個(gè)小時(shí)?！膀札?zhí)枴泵看蜗聺摃r(shí)長，最長達(dá)到12個(gè)小時(shí)，下潛到7000米深度的工作時(shí)間設(shè)計(jì)為3個(gè)小時(shí)。
乘坐“蛟龍?zhí)枴毕聺摽吹降木跋?/p>
法國作家凡爾納的小說《海底兩萬里》曾為我們描述了一個(gè)奇幻的海底世界，主人公乘潛艇深入大洋海底，看到了許多珍貴的海洋生物。我們乘坐"蛟龍?zhí)?下潛是一種怎樣的體驗(yàn)?zāi)?？?huì)看到許多海洋生物嗎？
在下潛過程中，有時(shí)候會(huì)有動(dòng)物清晰地從"蛟龍?zhí)?的窗口游過，是非常美的。但下潛是一個(gè)光線逐漸變暗的過程，所以，往往看到的都是像水母一樣能夠自己發(fā)光的生物。下潛深度超過1000米后，就很難看見大型動(dòng)物了。
深海工作幾乎就是在黑暗中摸索，有一個(gè)對于深海工作的比喻非常貼切∶"3個(gè)小時(shí)的工作就像是在黑夜里坐了3個(gè)小時(shí)的觀光電梯。"總的來說，深海中的生物非常少，給人的第一感覺像一片荒漠，但有時(shí)，溫度或者食物會(huì)吸引一些在寒冷又黑暗的海水里潛伏的獅子魚、小蝦子等生物。
“蛟龍?zhí)枴迸c潛艇的區(qū)別
在科幻小說《海底兩萬里》中，主人公跟隨尼摩船長，乘坐一艘名為“鸚鵡螺號(hào)”的潛艇，進(jìn)行了一場海底奇幻旅行?！胞W鵡螺號(hào)”內(nèi)部寬敞舒適，甚至有博物館和圖書館。同學(xué)們都知道潛艇是一種在水下運(yùn)行的艦艇，那么載人潛水器和潛艇有什么區(qū)別呢？
最早的潛艇，是為了作戰(zhàn)任務(wù)而誕生的，強(qiáng)調(diào)作戰(zhàn)能力和軍事用途。潛艇像一條瘦長的魚，重達(dá)幾千噸到上萬噸。它的耐壓殼體是一個(gè)連續(xù)的圓柱體，分很多個(gè)艙室，有武備艙室、指揮艙室、人員住宿艙室、動(dòng)力艙室等。
潛水器強(qiáng)調(diào)的是下潛深度和作業(yè)能力，服務(wù)于深海探索和科學(xué)研究。深海下潛考驗(yàn)的是耐壓結(jié)構(gòu)，下潛深度往往是以千米級(jí)為單位，像潛艇一樣巨大的連續(xù)圓柱體就不是最佳的形狀結(jié)構(gòu)。所以，潛水器往往是采用球形或者半球形的結(jié)構(gòu)，這樣可以對變形有非常規(guī)則的預(yù)測和密封保證。像“蛟龍?zhí)枴保褪欠稚⒑酮?dú)立的布局。載人艙、計(jì)算機(jī)艙、電池艙等分開布局，隔開艙室空余的部分，則用浮力材料來填充。
“蛟龍?zhí)枴钡恼Q生歷程
潛水器的重量一般為幾十噸，便于母船拖帶和在特殊地形進(jìn)行下潛機(jī)動(dòng)定點(diǎn)作業(yè)?！膀札?zhí)枴?000米級(jí)載人潛水器，曾被國外視為天方夜譚。而在當(dāng)時(shí)，國外只有6000米級(jí)的載人潛水器。這個(gè)技術(shù)當(dāng)時(shí)在我國是一片空白，經(jīng)過十幾年反復(fù)打磨，才成就這一大國重器。從畫出第一張草圖，到成功下潛至深海7000米，這個(gè)過程中發(fā)生了什么？
研究團(tuán)隊(duì)花了很長的時(shí)間在試驗(yàn)，從入水到實(shí)現(xiàn)最大深度7000米，花了四年的時(shí)間。在試驗(yàn)過程中，研究團(tuán)隊(duì)也在不斷調(diào)整設(shè)計(jì)思路，調(diào)整潛水器。從潛水器2009年的照片和2012年的照片的對比中，可以發(fā)現(xiàn)很多變動(dòng)，例如攝像機(jī)、云臺(tái)、機(jī)械手、采樣籃等。
另外，研究團(tuán)隊(duì)也非常珍惜這種試驗(yàn)的機(jī)會(huì)。四年的時(shí)間，除了調(diào)試、改進(jìn)潛水器，研究團(tuán)隊(duì)也做了科學(xué)應(yīng)用的工作。世界上有很多海域，我們國家的潛水器沒有去探索過，這些年的多次試驗(yàn)，也在那些地方采集了樣品和數(shù)據(jù)。
科研工作，不像電影里那么炫酷?？蒲胁皇羌磁d的，而是一個(gè)非?？茖W(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、復(fù)雜，且時(shí)間較長的積累、驗(yàn)證、調(diào)整的過程。這才是科研工作的主旋律。牛頓也不是因?yàn)樘O果一落就想到了萬有引力，而是在后續(xù)付出了很多時(shí)間和精力來研究，才有了后來的萬有引力定律。
“蛟龍?zhí)枴碧剿鳂O端環(huán)境
“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器凝聚了結(jié)構(gòu)耐壓密封、運(yùn)動(dòng)控制、通信定位、操縱、探測等多種技術(shù)，它的使命自然不僅是潛入幾千米的深度，更重要的是去收集樣品、采集數(shù)據(jù)、布放設(shè)備以及在海底現(xiàn)場開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)。它在深海環(huán)境中會(huì)怎樣工作呢？有哪些高難度的作業(yè)？
海底除了像沙漠一樣色彩單調(diào)，還有一些其他極端環(huán)境，比如熱液黑煙囪、可燃冰冷泉、海溝、海山等。這些環(huán)境對應(yīng)的是比較奇特的生物、化學(xué)、地質(zhì)、物理現(xiàn)象。
我曾經(jīng)在溫度為300多攝氏度的高溫?zé)嵋涵h(huán)境中作業(yè)，探測黑煙囪。探測設(shè)備上會(huì)布設(shè)很多傳感器，然后操作探測設(shè)備，準(zhǔn)確地進(jìn)入到300多攝氏度的黑煙囪盆口中央，進(jìn)行探測、采集、取樣。如果過于接近高溫區(qū)域，傳感器就會(huì)感應(yīng)到，然后回饋給系統(tǒng)，提醒我們返回。這是一個(gè)需要同時(shí)兼顧探測需求和自我防護(hù)的復(fù)雜過程。
提到海底黑煙囪，同學(xué)們可能想到火山噴口，濃煙滾滾，巖漿從里面流淌出來。其實(shí)不是這樣的，黑煙囪是指海底富含硫化物的高溫?zé)嵋夯顒?dòng)區(qū)，因熱液噴出時(shí)形似黑煙而得名，高度從十幾厘米到一百多米不等。
深海帶來的挑戰(zhàn)
“蛟龍?zhí)枴钡难兄?，為我國深水載人潛水器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。如今，我國已擁有了不同型號(hào)的載人和無人潛水器，在深海作業(yè)中各有側(cè)重、相互配合，可以更高效地幫助我們?nèi)ヌ剿骱Ｑ蟆?/p>
未來我們的深海探測器還將實(shí)現(xiàn)哪些突破呢？
首先是深度，我們還將向著更深的海域出發(fā)。越深意味著壓強(qiáng)越大，目前已知地球最深處——馬里亞納海溝最深處約1.1萬米。在這個(gè)深度的壓強(qiáng)相當(dāng)于一個(gè)人的身體要承受1.6萬噸壓力，想象一下：有2500頭非洲象同時(shí)站在你的背上是何種感覺？（一頭成年非洲象重6噸左右）所以，這對于潛水器的耐壓外殼材料、焊接技術(shù)、浮力材料等要求就會(huì)更高。
深海潛水器帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)是多方面的，除了解決壓強(qiáng)問題外，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，潛水器也將升級(jí)各種部件配置。因?yàn)樵谖磥?，水下的作業(yè)會(huì)越來越復(fù)雜，科學(xué)家要求探測的數(shù)據(jù)種類、數(shù)量越來越多，需要獲取的樣品質(zhì)量越來越高。為了滿足這些需求，就要配備不同的作業(yè)工具、不同的系統(tǒng)。例如更加安全穩(wěn)定、動(dòng)力強(qiáng)大的能源系統(tǒng)，超清相機(jī)也會(huì)同步升級(jí)，還包括運(yùn)動(dòng)控制、通信定位、操縱、探測等方面。
海洋對于我們拓展活動(dòng)空間、探尋海洋資源及科學(xué)探索都有著重要的意義?！膀札?zhí)枴睂?shí)現(xiàn)了在占世界海洋面積99.8%的廣闊海域中使用，剩下的0.2%被稱為“深淵”。2020年5月9日，我國的“海斗一號(hào)”首次成功在深度為10884米的海底用高清視頻探測深淵海底及底棲生物，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手觸發(fā)釆集萬米海底水樣、機(jī)械手抓取插管進(jìn)行海底沉積物取樣等全部作業(yè)內(nèi)容，遙控拋載上浮，安全回收。科考中，“海斗一號(hào)”在馬里亞納海溝實(shí)現(xiàn)4次萬米下潛，最大下潛深度達(dá)10907米，刷新了中國潛水器最大下潛深度紀(jì)錄。
而關(guān)于海洋的秘密，人類只探尋到5%，面對茫茫大海，我們的探索還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。希望對深海感興趣的同學(xué)們，能夠把自己的學(xué)習(xí)、將來的工作，和深海聯(lián)系起來，未來深海的藏寶圖等你們來繪制！
（整理陳哲怡
編輯文墨）
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那么，“蛟龍?zhí)枴笔窃鯓影才殴ぷ?，與航天工作又有何不同呢？
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乘坐“蛟龍?zhí)枴毕聺摽吹降木跋?/p>
法國作家凡爾納的小說《海底兩萬里》曾為我們描述了一個(gè)奇幻的海底世界，主人公乘潛艇深入大洋海底，看到了許多珍貴的海洋生物。我們乘坐"蛟龍?zhí)?下潛是一種怎樣的體驗(yàn)?zāi)?？?huì)看到許多海洋生物嗎？
在下潛過程中，有時(shí)候會(huì)有動(dòng)物清晰地從"蛟龍?zhí)?的窗口游過，是非常美的。但下潛是一個(gè)光線逐漸變暗的過程，所以，往往看到的都是像水母一樣能夠自己發(fā)光的生物。下潛深度超過1000米后，就很難看見大型動(dòng)物了。
深海工作幾乎就是在黑暗中摸索，有一個(gè)對于深海工作的比喻非常貼切∶"3個(gè)小時(shí)的工作就像是在黑夜里坐了3個(gè)小時(shí)的觀光電梯。"總的來說，深海中的生物非常少，給人的第一感覺像一片荒漠，但有時(shí)，溫度或者食物會(huì)吸引一些在寒冷又黑暗的海水里潛伏的獅子魚、小蝦子等生物。
“蛟龍?zhí)枴迸c潛艇的區(qū)別
在科幻小說《海底兩萬里》中，主人公跟隨尼摩船長，乘坐一艘名為“鸚鵡螺號(hào)”的潛艇，進(jìn)行了一場海底奇幻旅行?！胞W鵡螺號(hào)”內(nèi)部寬敞舒適，甚至有博物館和圖書館。同學(xué)們都知道潛艇是一種在水下運(yùn)行的艦艇，那么載人潛水器和潛艇有什么區(qū)別呢？
最早的潛艇，是為了作戰(zhàn)任務(wù)而誕生的，強(qiáng)調(diào)作戰(zhàn)能力和軍事用途。潛艇像一條瘦長的魚，重達(dá)幾千噸到上萬噸。它的耐壓殼體是一個(gè)連續(xù)的圓柱體，分很多個(gè)艙室，有武備艙室、指揮艙室、人員住宿艙室、動(dòng)力艙室等。
潛水器強(qiáng)調(diào)的是下潛深度和作業(yè)能力，服務(wù)于深海探索和科學(xué)研究。深海下潛考驗(yàn)的是耐壓結(jié)構(gòu)，下潛深度往往是以千米級(jí)為單位，像潛艇一樣巨大的連續(xù)圓柱體就不是最佳的形狀結(jié)構(gòu)。所以，潛水器往往是采用球形或者半球形的結(jié)構(gòu)，這樣可以對變形有非常規(guī)則的預(yù)測和密封保證。像“蛟龍?zhí)枴保褪欠稚⒑酮?dú)立的布局。載人艙、計(jì)算機(jī)艙、電池艙等分開布局，隔開艙室空余的部分，則用浮力材料來填充。
“蛟龍?zhí)枴钡恼Q生歷程
潛水器的重量一般為幾十噸，便于母船拖帶和在特殊地形進(jìn)行下潛機(jī)動(dòng)定點(diǎn)作業(yè)?！膀札?zhí)枴?000米級(jí)載人潛水器，曾被國外視為天方夜譚。而在當(dāng)時(shí)，國外只有6000米級(jí)的載人潛水器。這個(gè)技術(shù)當(dāng)時(shí)在我國是一片空白，經(jīng)過十幾年反復(fù)打磨，才成就這一大國重器。從畫出第一張草圖，到成功下潛至深海7000米，這個(gè)過程中發(fā)生了什么？
研究團(tuán)隊(duì)花了很長的時(shí)間在試驗(yàn)，從入水到實(shí)現(xiàn)最大深度7000米，花了四年的時(shí)間。在試驗(yàn)過程中，研究團(tuán)隊(duì)也在不斷調(diào)整設(shè)計(jì)思路，調(diào)整潛水器。從潛水器2009年的照片和2012年的照片的對比中，可以發(fā)現(xiàn)很多變動(dòng)，例如攝像機(jī)、云臺(tái)、機(jī)械手、采樣籃等。
另外，研究團(tuán)隊(duì)也非常珍惜這種試驗(yàn)的機(jī)會(huì)。四年的時(shí)間，除了調(diào)試、改進(jìn)潛水器，研究團(tuán)隊(duì)也做了科學(xué)應(yīng)用的工作。世界上有很多海域，我們國家的潛水器沒有去探索過，這些年的多次試驗(yàn)，也在那些地方采集了樣品和數(shù)據(jù)。
科研工作，不像電影里那么炫酷?？蒲胁皇羌磁d的，而是一個(gè)非?？茖W(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、復(fù)雜，且時(shí)間較長的積累、驗(yàn)證、調(diào)整的過程。這才是科研工作的主旋律。牛頓也不是因?yàn)樘O果一落就想到了萬有引力，而是在后續(xù)付出了很多時(shí)間和精力來研究，才有了后來的萬有引力定律。
“蛟龍?zhí)枴碧剿鳂O端環(huán)境
“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器凝聚了結(jié)構(gòu)耐壓密封、運(yùn)動(dòng)控制、通信定位、操縱、探測等多種技術(shù)，它的使命自然不僅是潛入幾千米的深度，更重要的是去收集樣品、采集數(shù)據(jù)、布放設(shè)備以及在海底現(xiàn)場開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)。它在深海環(huán)境中會(huì)怎樣工作呢？有哪些高難度的作業(yè)？
海底除了像沙漠一樣色彩單調(diào)，還有一些其他極端環(huán)境，比如熱液黑煙囪、可燃冰冷泉、海溝、海山等。這些環(huán)境對應(yīng)的是比較奇特的生物、化學(xué)、地質(zhì)、物理現(xiàn)象。
我曾經(jīng)在溫度為300多攝氏度的高溫?zé)嵋涵h(huán)境中作業(yè)，探測黑煙囪。探測設(shè)備上會(huì)布設(shè)很多傳感器，然后操作探測設(shè)備，準(zhǔn)確地進(jìn)入到300多攝氏度的黑煙囪盆口中央，進(jìn)行探測、采集、取樣。如果過于接近高溫區(qū)域，傳感器就會(huì)感應(yīng)到，然后回饋給系統(tǒng)，提醒我們返回。這是一個(gè)需要同時(shí)兼顧探測需求和自我防護(hù)的復(fù)雜過程。
提到海底黑煙囪，同學(xué)們可能想到火山噴口，濃煙滾滾，巖漿從里面流淌出來。其實(shí)不是這樣的，黑煙囪是指海底富含硫化物的高溫?zé)嵋夯顒?dòng)區(qū)，因熱液噴出時(shí)形似黑煙而得名，高度從十幾厘米到一百多米不等。
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未來我們的深海探測器還將實(shí)現(xiàn)哪些突破呢？
首先是深度，我們還將向著更深的海域出發(fā)。越深意味著壓強(qiáng)越大，目前已知地球最深處——馬里亞納海溝最深處約1.1萬米。在這個(gè)深度的壓強(qiáng)相當(dāng)于一個(gè)人的身體要承受1.6萬噸壓力，想象一下：有2500頭非洲象同時(shí)站在你的背上是何種感覺？（一頭成年非洲象重6噸左右）所以，這對于潛水器的耐壓外殼材料、焊接技術(shù)、浮力材料等要求就會(huì)更高。
深海潛水器帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)是多方面的，除了解決壓強(qiáng)問題外，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，潛水器也將升級(jí)各種部件配置。因?yàn)樵谖磥?，水下的作業(yè)會(huì)越來越復(fù)雜，科學(xué)家要求探測的數(shù)據(jù)種類、數(shù)量越來越多，需要獲取的樣品質(zhì)量越來越高。為了滿足這些需求，就要配備不同的作業(yè)工具、不同的系統(tǒng)。例如更加安全穩(wěn)定、動(dòng)力強(qiáng)大的能源系統(tǒng)，超清相機(jī)也會(huì)同步升級(jí)，還包括運(yùn)動(dòng)控制、通信定位、操縱、探測等方面。
海洋對于我們拓展活動(dòng)空間、探尋海洋資源及科學(xué)探索都有著重要的意義?！膀札?zhí)枴睂?shí)現(xiàn)了在占世界海洋面積99.8%的廣闊海域中使用，剩下的0.2%被稱為“深淵”。2020年5月9日，我國的“海斗一號(hào)”首次成功在深度為10884米的海底用高清視頻探測深淵海底及底棲生物，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手觸發(fā)釆集萬米海底水樣、機(jī)械手抓取插管進(jìn)行海底沉積物取樣等全部作業(yè)內(nèi)容，遙控拋載上浮，安全回收。科考中，“海斗一號(hào)”在馬里亞納海溝實(shí)現(xiàn)4次萬米下潛，最大下潛深度達(dá)10907米，刷新了中國潛水器最大下潛深度紀(jì)錄。
而關(guān)于海洋的秘密，人類只探尋到5%，面對茫茫大海，我們的探索還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。希望對深海感興趣的同學(xué)們，能夠把自己的學(xué)習(xí)、將來的工作，和深海聯(lián)系起來，未來深海的藏寶圖等你們來繪制！
（整理陳哲怡
編輯文墨）
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