“奮斗者”號再探萬米深海，制造一個(gè)深潛器到底有多難

作者：云?？破請F(tuán)隊(duì)，張鼎（中國海洋大學(xué)）

文章來源于科學(xué)大院公眾號（ID：kexuedayuan）

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中國“奮斗者”號載人潛水器兩次“打卡”馬里亞納海溝，坐底深度10909米，創(chuàng)造了中國載人深潛的新紀(jì)錄，標(biāo)志著我國的深潛事業(yè)又邁上了一個(gè)嶄新的臺(tái)階。昨天， “奮斗者”號再次進(jìn)行了萬米級海試。

從淺海到深海，從潛水者到深潛器，人類是如何一步步走向海底的？而制造一臺(tái)深潛器有多難？

偉大的先行者們

神秘的海洋自古以來就是孕育神秘傳說和偉大探索夢想的溫床。幾十米長粗壯腕足的海怪、西方的塞壬和東方的鮫人、失落的亞特蘭蒂斯、居住著龍王的海底龍宮……無數(shù)神話與科幻作品的靈感來源于那片深藍(lán)，而人類對于它的探索也從未停止過。

《海王尼普頓》，作者Antoine Coysevox

受限于技術(shù)條件與財(cái)富水平，古人們對海水深處的探索大多停留于淺表。對于沒有潛水器具的他們來說，幾十米深的水下就已經(jīng)危險(xiǎn)重重了。即使是這樣，古人還是為后人留下了寶貴潛水經(jīng)驗(yàn)。

在公元前4世紀(jì)，波斯帝國就出現(xiàn)了世界上最早的職業(yè)潛水者——負(fù)責(zé)從海底的沉船中打撈貨物和珠寶。此外，地中海東岸采珍珠的腓尼基人、日韓等地的海女以及我國廣東地區(qū)的古代疍民，也用肉身探索了全球各地物產(chǎn)較為豐富的近海海域。雖然他們所使用的潛水工具只是一些簡單的麻繩、石塊或者充氣動(dòng)物膀胱，下海的初衷也是生活所迫，但客觀上，這些先民們的確是人類探索海平面以下世界的先行者。

韓國海女（圖片來源：miss貓大人/lvmama.com）

16世紀(jì)，英國科學(xué)家威廉·伯恩第一次提出了潛水艇的設(shè)想。他在1578年設(shè)計(jì)了一艘由皮革密封，以木條為骨架，可以在水下滑行的“木桶”。

威廉.伯恩1578年構(gòu)想的潛艇原理圖（Submarine by William Bourne, in Inventions or devices, 1578.）

威廉.伯恩的“木桶”具體是什么樣子已不可考，但是毫無疑問，這艘“潛水艇”的誕生為那個(gè)時(shí)代的工程師們打開了新世界的大門。他們開始思考一種之前從未設(shè)想過的交通方式。40年后，荷蘭人科尼利斯·德雷貝爾在英王詹姆斯一世的支持下，制造出了世界上第一艘憑借人力驅(qū)動(dòng)可以在水下航行的船只，這是世界上第一艘人力潛艇，也是現(xiàn)代潛艇的雛形。

科尼利斯·德雷貝爾潛艇復(fù)原圖 （https://www.hisour.com/zh/cornelis-drebbel-13858/）

從潛艇到深潛器

潛水艇的出現(xiàn)極大地開闊了人類的視野，從此之后那層厚厚的海水開始慢慢變“薄”，深海的迷霧被人類逐漸揭開。但是，潛水艇的下潛深度非常有限，各種潛艇的工作極限深度只有幾百米，想要下潛到更深處，普通的潛水艇是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要專門的深潛器。

深海的巨大水壓為有別于潛艇的深潛器提出了完全不同的要求。1928年，美國人巴頓用鋼鐵制造了一個(gè)球型潛水裝置。這個(gè)“球”內(nèi)置簡單的照明、呼吸和通訊設(shè)施，至于動(dòng)力系統(tǒng)、生命維持系統(tǒng)之類現(xiàn)代深潛器標(biāo)配一概欠奉，只是靠著與母船連接的一條鋼索+電纜下潛與上浮。

貝比和巴頓的潛水球剖面示意圖（圖片來源：中國艦船研究）

1934年，巴頓和一名叫比伯的博物學(xué)家下潛到了923米的深度。后來，比伯還把下潛的經(jīng)歷寫成了一本書，向公眾詳細(xì)描述了他們看到的海底世界。不過受限于當(dāng)時(shí)的攝影技術(shù)，他們在海底并未取得可靠的影像資料，只能靠話語描述讓畫師畫出他們所見到的海底生物的樣子。他所講述的奇特海底生物一時(shí)之間讓他成為了科學(xué)界的笑柄——那時(shí)的人們還都以為那么深的海底是生命的禁區(qū)吶。

巴頓和貝比（左）（圖片來源：中國艦船研究）

向更深處進(jìn)發(fā)！

不過向深淵進(jìn)發(fā)、探索未知的欲望還是驅(qū)使著人類不斷下到更深。之后的幾十年里，深海探測技術(shù)的發(fā)展勢頭如火如荼，最值得一提的深潛器有兩臺(tái)：

一是瑞士探險(xiǎn)家皮卡德在巴頓的球型深潛器基礎(chǔ)上改進(jìn)、建造的“迪里亞斯特號”。它因1960年作為第一臺(tái)深潛至馬里亞納海溝底部的載人潛水器而名留青史。

迪里亞斯特號（圖片來源：維基百科）

另一臺(tái)則是1964年服役的美國“阿爾文號”。它的下潛深度4500米雖然不到迪里亞斯特號的一半，但它在接近40年的服役時(shí)間中下潛了4000多次，是深潛器界當(dāng)之無愧的“勞動(dòng)模范”。再加上4500這個(gè)下潛深度其實(shí)已經(jīng)足夠探索全球絕大部分的深海區(qū)域，故而在深海探測領(lǐng)域它居功甚偉。

阿爾文號潛艇（圖片來源：維基百科）

此外，美國 “深海挑戰(zhàn)者”號、日本“深海6500”號、俄羅斯“和平一號”、法國“鸚鵡螺”號載人深潛器也是深潛器家族中赫赫有名的成員。當(dāng)然，我們不會(huì)忘記中國的“蛟龍?zhí)枴焙汀吧詈Ｓ率俊碧枴Ｔ谶@里插一個(gè)有關(guān)于 “蛟龍?zhí)枴钡男≈R(shí)點(diǎn)，蛟龍的最大下潛深度是7062米，這個(gè)深度足以讓它探索全球海洋的99.8%的區(qū)域，而這次下潛的“奮斗者號”，它的目標(biāo)就是那僅剩的0.2%。

“鸚鵡螺號” 載人深潛器（圖片來源：亥姆霍茲海洋研究所）

深潛器，真的不是你想造就能造

仔細(xì)一看上面擁有深潛器的國家名單就會(huì)發(fā)現(xiàn)，深潛器家族雖然看上去欣欣向榮，許多國家都參與到深?？蒲许?xiàng)目當(dāng)中，但是能制造深潛器的，迄今為止還是那寥寥數(shù)個(gè)科技大國。

可能有人會(huì)覺得奇怪，人類在1960年就已經(jīng)制造出了能夠深入到馬里亞納海溝底部的潛水器，為什么60年過去了，能制造深潛器的國家還是只有美、法、俄、日、中等寥寥幾個(gè)國家呢？制造一臺(tái)深潛器的技術(shù)門檻究竟在哪兒？

其實(shí)，深潛器制造就像航天工程，是一個(gè)由多種工業(yè)部門協(xié)同合作才能成行的“大項(xiàng)目”。我們來舉幾個(gè)例子：

1. 拋掉與母船連接的粗笨“辮子”。要潛到幾千米深的水下，像巴頓那樣的構(gòu)造簡單的“金屬球”是萬萬不夠的。它的體積太過狹小，沒法容納更多的空氣，下潛時(shí)間十分有限；只能由鋼索牽引上浮與下沉，活動(dòng)范圍受限于母船以及鋼索長度不說，隨著鋼索的不斷加長，鋼索斷裂的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)隨著深度增加而飛速上升。

深潛器必須學(xué)會(huì)在近萬米深的水下自己上浮與下潛、巡航與懸停。為實(shí)現(xiàn)上浮與下潛，目前潛航員們主要的工具是電磁鐵，利用電磁鐵在深潛器外部或特殊艙室吸住一塊塊壓載鐵或鐵砂，使深潛器的整體密度大于海水實(shí)現(xiàn)下潛，而在上浮時(shí)只需要拋掉這些東西就可以了。

蛟龍?zhí)栂聺撨^程示意圖（圖片來源：央視視頻）

2. 讓深潛器與海面保持通訊。水下的情形十分復(fù)雜，紛擾的海流、好奇的海洋生物、操作過程中可能產(chǎn)生的誤差都是對深潛器的威脅，深潛器必須時(shí)刻保持與母船的通訊。但是，電磁波在水下的衰減非常快，最遠(yuǎn)通訊的距離還不到千米。因?yàn)槁暡ㄔ谒袀鞑r(shí)衰減遠(yuǎn)小于電磁波，就成了第一選擇。目前，世界上最可靠的水下通信技術(shù)就是水聲通信，是一種將聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號，再將電信號轉(zhuǎn)化為聲波頻率在4000赫茲左右聲信號的連續(xù)套娃技術(shù)。

水聲通信應(yīng)用示意圖（https://kknews.cc/science/9x56kl5.html）

簡單的描述是無法說明這項(xiàng)技術(shù)到底有多難的，海洋聲音場中混雜著船舶噪聲、水流回聲以及魚類和其他海洋生物發(fā)出的其他聲音，如何對海水中傳來的聲波進(jìn)行正確的辨別接受和轉(zhuǎn)化是一個(gè)巨大的難題。所以光是這項(xiàng)技術(shù)就能將地球上的大部分軍事科研能力弱的國家攔在門外。

3. 深海對深潛器最大的考驗(yàn)還是巨大的壓強(qiáng)。如果我們把一輛日常生活中常見的油罐車丟入海里，在空載的情況下大概十幾二十米的水深就足以把它壓成一片扭曲的鐵皮。在萬米深海，深潛器其他部位也是灌滿了海水，內(nèi)外壓強(qiáng)一致不至于被壓成廢鐵，但是裝有深潛員的球狀載人艙不成，它的表面每一個(gè)點(diǎn)所承受的壓強(qiáng)大概為100.6MPa，換算成人話就是每平方米1萬噸的壓力，“也就”六分之一艘遼寧艦而已……所以，為應(yīng)對更加極端的深海我們需要特殊材料。

左邊是承受了深水高壓的保溫壺（https://www.zhihu.com/question/47453175）

一般來說，高強(qiáng)度、高韌性、十分穩(wěn)定、抗腐蝕（并且十分昂貴）的鈦合金是最合適制造潛水倉的材料，所以，這一步又趕走了大量在新材料領(lǐng)域科研經(jīng)費(fèi)拮據(jù)的國家。我國在奮斗者號上使用的是我國自主研發(fā)的全新高強(qiáng)高韌鈦合金，理論屈服應(yīng)力達(dá)到或者超過了820MPa，足以應(yīng)對深海的巨大水壓。

4. 加工技術(shù)。深潛器的零件制造、冷彎、焊接，精密加工等等，哪個(gè)都不是一個(gè)制造業(yè)弱國玩得轉(zhuǎn)的。舉個(gè)例子，蛟龍?zhí)柕募庸ぞ却蟾攀且桓^發(fā)絲的50分之一，且由于害怕機(jī)械加工可能造成的金屬劃痕，這項(xiàng)工作只能由技術(shù)高超的工人手工完成。

安裝時(shí)還要注意，全程不能產(chǎn)生一點(diǎn)劃痕或者在儀器的縫隙間掉入一點(diǎn)異物，否則深海巨大的壓強(qiáng)會(huì)將這個(gè)不起眼的縫隙撕開一個(gè)巨大的口子。此外，操控、供氧、電池、照明、影像……無不考驗(yàn)著一個(gè)國家的精密儀器制造、電子工程技術(shù)等等方面的能力。

結(jié)語

這次下水的奮斗者號萬米深潛器是貨真價(jià)實(shí)的“大國重器”，它不僅意味著我國邁向國際深潛設(shè)施制造前列，更代表著我國將來在深海地質(zhì)、環(huán)境污染、生命起源等重大課題領(lǐng)域國際話語權(quán)的提升。讓我們再一次祝賀“奮斗者號”！

最后，用 “蛟龍”號首批潛航員、“載人深潛英雄”傅文韜的話來結(jié)束吧：“深海探測，既是海洋資源勘探、科學(xué)研究的需要，也是環(huán)境保護(hù)的需要。作為深海探測的重要一環(huán)，我國載人深潛事業(yè)的不斷發(fā)展，推動(dòng)了海洋強(qiáng)國的建設(shè)，大大提升了我們的民族自信心和自豪感?！?/p>