如何看待詹姆斯·卡梅隆下潛10898米
——“蛟龍”號海試現(xiàn)場總指揮劉峰談卡梅隆馬里亞納海溝探險

撰文/劉峰

如何看待詹姆斯·卡梅隆下潛10898米
——“蛟龍”號海試現(xiàn)場總指揮劉峰談卡梅隆馬里亞納海溝探險

撰文/劉峰

“深海挑戰(zhàn)者”潛水器

卡梅隆“蝸居”在直徑只有1.09米的載人球殼內(nèi)

“所有這一切的目標(biāo)并非僅僅是破紀(jì)錄以及做一些嘩眾取寵的下潛。我們同時還希望能夠挑戰(zhàn)的不僅是科學(xué)知識，還有工程技術(shù)的極限。”

1954年8月16日，詹姆斯·卡梅隆出生在加拿大安大略省的一個中產(chǎn)階級家庭。他的父親是一名電氣工程師，母親是一位藝術(shù)家，這似乎注定了卡梅隆天生就兼具工程和藝術(shù)兩方面的才華。初入電影圈，卡梅隆的才華很快就得到了好萊塢制片人的賞識，他不但是個優(yōu)秀的特技工程人員，更有出眾的想象力。卡梅隆對探知深海奧秘始終滿懷著熱情。從1989年拍攝電影《深淵》開始，到1997年乘坐俄羅斯深海載人潛水器“和平”號對沉睡于大西洋底的“泰坦尼克”號完成探險拍攝以及《泰坦尼克號》電影獲得當(dāng)年全球最佳票房之后，卡梅隆的深海探險活動就一發(fā)不可收拾。

為了探索“泰坦尼克”號的海底殘骸，通過實體攝影來加強(qiáng)電影的歷史真實性，卡梅隆召集了俄羅斯、美國和加拿大的科學(xué)家、攝影師、水手和歷史學(xué)家，于1995年組織了12次下潛。他們使用俄羅斯2艘“和平”號載人潛水器下潛到約3700米的沉船殘骸深處，用一臺遙控潛水器進(jìn)入沉船殘骸內(nèi)部，拍攝到了“泰坦尼克”號沉沒后人所未達(dá)的地方，獲得了最佳拍攝視角和震撼效果。《深海幽靈》是卡梅隆再次下潛尋訪“泰坦尼克”號沉船的紀(jì)錄片，為完成《泰坦尼克》和《深海幽靈》的拍攝，他下潛3700米的海底殘骸處的次數(shù)超過30次。

對于今年3月馬里亞納海溝“挑戰(zhàn)者深淵”的探險，卡梅隆曾表示：“所有這一切的目標(biāo)并非僅僅是破紀(jì)錄以及做一些嘩眾取寵的下潛。我們同時還希望能夠挑戰(zhàn)的不僅是科學(xué)知識，還有工程技術(shù)的極限。”

與現(xiàn)代載人潛水器的鼻祖“曲斯特”載人潛水器相比，卡梅隆的“深海挑戰(zhàn)者”的總重量不到“曲斯特”總重量的十二分之一。

人類深海探險隨科技的進(jìn)步而不斷發(fā)展，同時人類對探知深海的渴望也推動了深海技術(shù)的不斷創(chuàng)新，并促使深海技術(shù)裝備不斷走向成熟。

60年前建造的“曲斯特”載人潛水器可以算得上現(xiàn)代載人潛水器的鼻祖。它排水量達(dá)150噸，長18.14米，寬3.51米，高5.64米。潛水器載人球內(nèi)徑為2.1米，可以容納2人，1952年在意大利完成建造。經(jīng)過8年的試驗和技術(shù)改進(jìn)，1960年1月23日，唐·華爾什和亞格斯·皮卡德2人下潛到挑戰(zhàn)者深淵，奪得了下潛深度的冠軍，創(chuàng)造了人類進(jìn)入深海的輝煌歷史。

1960年1月23日唐.華爾什和亞格斯.皮卡德2人乘坐“曲斯特”下潛到挑戰(zhàn)者深淵，奪得了下潛深度的冠軍，創(chuàng)造了人類進(jìn)入深海的輝煌歷史

由于當(dāng)時技術(shù)條件的限制，“曲斯特”體積和重量龐大，給建造與使用帶來極大的困難。它的操縱性很差，在海底根本沒有自航能力，活動范圍極其有限，更談不上拍照、取樣和開展深海調(diào)查能力。在它創(chuàng)造了世界深度紀(jì)錄之后，就逐漸淡出了人們的視線。和“曲斯特”相比，卡梅隆的“深海挑戰(zhàn)者”潛水器高7.3米，用玻璃微珠復(fù)合材料作為浮力材料，潛水器的總重量僅11.8噸，不到“曲斯特”潛水器的十二分之一。

隨著深海技術(shù)和材料的不斷發(fā)展，載人潛水器的設(shè)計和制造不再利用汽油為其提供浮力，取而代之的是比重更小、且能夠耐壓的浮力材料，從而使載人潛水器的體積、重量都遠(yuǎn)小于先前的“曲斯特”潛水器，水面布放和回收都更加方便，而且還安裝了推進(jìn)器，保證了它們能夠在水下自由航行。

卡梅隆的11000米載人潛水器，目的是為了極限探險，不像用于深海科學(xué)考察的載人潛水器那樣需要幾千次的下潛壽命。“深海挑戰(zhàn)者”無法匹敵目前用于深海考察載人潛水器每天都需要下潛的頻度要求。

在深海載人潛水器的關(guān)鍵技術(shù)中，難度最大的無疑是載人球艙設(shè)計和加工制造。載人球艙的直徑越大，對材料的要求就越高，加工制造難度也越大。簡單來說，球殼中材料的應(yīng)力與下潛深度成正比，與球殼直徑的立方成正比。為了減少潛水器總體重量，近年來制造的載人球殼多采用比重小、強(qiáng)度大的鈦合金材料。目前用于深海科學(xué)考察的幾型載人潛水器的載人球艙直徑都在2米左右，以保證3個下潛人員的生存活動空間。

卡梅隆的11000米載人潛水器，目的是為了極限探險，不像用于深海科學(xué)考察的載人潛水器那樣需要幾千次的下潛壽命，它的設(shè)計壽命也許幾次就可以滿足要求，因此無須在可靠性方面花太多精力。為了保證載人球殼能夠耐受1100個大氣壓的考驗，同時為了減小制造難度，節(jié)省經(jīng)費(fèi)開支，只能盡可能地減小球殼的直徑，自己受委屈“蝸居”在直徑只有1.09米的球殼內(nèi)。這樣的載人球殼只需采用普通的高強(qiáng)度鋼就可以制造，而無需采用強(qiáng)度高、但價格昂貴的鈦合金材料。

對于一次深海探險來講，“蝸居”在這樣狹小空間內(nèi)67個小時，也許可以勉強(qiáng)接受，但要求他第二天連續(xù)下潛，則是不可想象的。卡梅隆此次探險隨行的心理學(xué)家說：“下次下潛至少要在幾個星期之后，以使卡梅隆的身心健康得到恢復(fù)。”顯然，“深海挑戰(zhàn)者”無法匹敵目前用于深海考察載人潛水器每天都需要下潛的頻度要求。

卡梅隆的“深海挑戰(zhàn)者”潛水器最大的特點在于它裝備了8臺高清攝像機(jī)，其中4臺安裝在了載人球殼的外面。他的團(tuán)隊為這次探險專門開發(fā)了可以在水下拍攝3D影像的系統(tǒng)，以獲得最佳的水下拍攝效果。這種技術(shù)創(chuàng)新無疑為深海攝像技術(shù)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。

目前的幾型科學(xué)考察用潛水器下潛和上浮的速度都在12節(jié)之間，如果以這樣的速度下潛到挑戰(zhàn)者深淵，需要4小時，來回就要8小時，極大地限制了海底作業(yè)時間。而“深海挑戰(zhàn)者”下潛速度卻提高到了4.5節(jié)，這一技術(shù)大大節(jié)省了下潛上浮時間，有效地增加了潛水器海底工作時間。卡梅隆的技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊，潛心研究8年的時間，終于實現(xiàn)了前人無法達(dá)到的目標(biāo)。這些技術(shù)創(chuàng)新無疑在深海技術(shù)領(lǐng)域掀起一股強(qiáng)勁的創(chuàng)新熱潮，必將進(jìn)一步推動深海技術(shù)的革新和發(fā)展。

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全世界仍在使用的各類載人潛水器約90艘，有的用于深海科學(xué)考察；有的用于海底觀光；有的用于海底探險。這當(dāng)中潛深超過1000米的僅12艘，下潛更深的潛水器數(shù)量則更少。

目前擁有6000米以上深度載人潛水器的國家包括美國、日本、法國、俄羅斯。中國建造的“蛟龍”號載人潛水器設(shè)計深度7000米，2011年開展了5000米級載人深潛試驗，下潛深度達(dá)到5188米，2012年夏季將進(jìn)一步開展7000米級深潛試驗。

20世紀(jì)60年代是小深度載人潛水器發(fā)展的鼎盛時期，20世紀(jì)90年代是大深度載人潛水器發(fā)展的成熟期。20世紀(jì)80到90年代，美國、法國、日本和俄羅斯等國相繼發(fā)展了用于海洋科學(xué)研究和海洋資源調(diào)查的大深度潛水器，最具代表性的有美國的“阿爾文”號，日本的“深海6500”，法國的“鸚鵡螺”號和俄羅斯的“和平”號。

法國的“鸚鵡螺”號

在“阿爾文”號接近50年的歷史中，創(chuàng)造了諸多輝煌。1977年在加拉帕格斯裂隙，科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)海底熱泉附近生活著豐富的另類海底生物，因為海底沒有任何光線，科學(xué)家推斷這些生物依靠化學(xué)合成而非光合作用獲得自身需要的能量，這一革命性的發(fā)現(xiàn)，掀起了生命起源命題的大討論。“阿爾文”號的名聲大噪還因為它在1966年與其他潛水器在地中海搜尋，一起成功打撈起美國丟失的一顆氫彈。

法國于1985年研制成工作水深6000米的“鸚鵡螺”號載人潛水器，其重量為18.5噸，可載3人，水下作業(yè)時間5小時，裝有2只分別為6自由度和5自由度的機(jī)械手以及用作工具箱、樣品存放的采樣籃，并配有海水取樣器、沉積物取樣器、巖石取芯器、溫度測量儀以及液壓錘和其他切割工具。“鸚鵡螺”號可以進(jìn)行多種海底樣品的采集和其他復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)，還能隨時獲得潛水器本身的精確位置。它具有重量輕、上浮下潛速度快、能側(cè)向移動、觀察視野好、可攜帶一個小型水下機(jī)器人等特點，已進(jìn)行過多金屬結(jié)核區(qū)域、海溝、深海海底生態(tài)等調(diào)查和沉船、有害廢料搜索等任務(wù)，至今已下潛過1000余次。

日本的“深海6500”潛水器

前蘇聯(lián)和芬蘭于1987年聯(lián)合研制了2艘6000米載人潛水器“和平1”和“和平2”，重量均為19噸。它們是僅有的2艘用馬氏體Ni鋼制造載人球殼的潛水器。它們水下瞬時航速高達(dá)5節(jié)，垂直潛浮速度可從每分鐘幾厘米到每分鐘3540米；備有高分辨率的攝像系統(tǒng)，2只多自由度機(jī)械手及一套取樣裝置，12套測量深海環(huán)境參數(shù)和海底地形地貌的科學(xué)設(shè)備。30年來，它們在太平洋、印度洋、大西洋和北極海底進(jìn)行了上千次的科學(xué)技術(shù)考察，包括對海底熱液硫化物礦床、深海生物及浮游生物調(diào)查和取樣；大洋中脊水溫場測量；失事核潛艇“共青團(tuán)員”號核輻射檢測以及“泰坦尼克”號沉船的水下攝影等。在2007年8月2日由“和平1”與“和平2”載人潛水器聯(lián)合完成的“北極－2007”海洋科學(xué)考察，使這2艘載人潛水器再次引起世人矚目，并由此正式引發(fā)了國際社會在北極的利益之爭。

日本在1981年建成的潛深為2000米的載人潛水器樣機(jī)基礎(chǔ)上，于1989年建成了潛深為6500米的“深海6500”載人潛水器，重26噸，水下作業(yè)時間8小時，裝有三維水聲成像等先進(jìn)的觀察裝置。可旋轉(zhuǎn)的采樣籃使操作人員可以在2個觀察窗間任選一個進(jìn)行取樣作業(yè)，這是其他載人潛水器無法做到的。它進(jìn)行過錳結(jié)核、熱液礦床、鈷結(jié)殼等資源調(diào)查；進(jìn)行過水深達(dá)6500米的海洋斜坡和海底斷層調(diào)查；從地球物理角度對日本島礁沿線的地殼運(yùn)動以及地震、海嘯等進(jìn)行過調(diào)查；還在4000余米深海處發(fā)現(xiàn)了古鯨遺骨及其寄生的貽貝類、蝦類等典型生物群。自投入使用以來已下潛了1420余次。

5000米級海試是中國載人深潛第一次真正意義上挑戰(zhàn)深海極限環(huán)境的嘗試，試驗的成功標(biāo)志著我國深海載人技術(shù)已跨入國際第一梯隊，步入國際先進(jìn)行列。我們有理由去期待7000米級海試再創(chuàng)輝煌。

人類探索新知的渴望是推動科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的重要力量。根據(jù)國際上深海技術(shù)的成熟度和我國不斷發(fā)展的經(jīng)濟(jì)技術(shù)實力，考慮深度指標(biāo)突破和經(jīng)濟(jì)適用等各方面的因素，中國確定了研發(fā)7000米載人潛水器的目標(biāo)，并計劃實現(xiàn)5項標(biāo)志性突破。

7000米載人潛水器將要突破的5項標(biāo)志性成果

◆在世界上同類型的載人潛水器中具有最大工作深度——7000米，這意味著該潛水器可在占世界海洋面積99.8%的廣大海域使用。

◆與其他國家載人潛水器相比具有最為強(qiáng)大的動力；這表明該潛水器能長時間地進(jìn)行水下作業(yè)、具有從事高強(qiáng)度作業(yè)的能力。

◆具有針對作業(yè)目標(biāo)穩(wěn)定的懸停定位能力，為該潛水器完成高精度作業(yè)任務(wù)提供了可靠保障。

◆具有先進(jìn)的水聲通信和海底微地形地貌探測能力，高速傳輸圖像和語音，探測海底的小目標(biāo)。

◆配有多種高性能作業(yè)工具，確保載人潛水器能在特殊的海洋環(huán)境或海底地質(zhì)條件下完成保溫保壓取樣和潛鉆取芯等復(fù)雜任務(wù)。

“蛟龍”號在5000米級海試中完成5次下潛，5次穿越4000米深度，4次到達(dá)5000米深度，創(chuàng)造了最大下潛5188米的深度紀(jì)錄。“蛟龍”號各種設(shè)備的耐壓、密封等關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)受了考驗和驗證，潛水器總體狀態(tài)穩(wěn)定，試驗內(nèi)容全面完成。5000米級海試是中國載人深潛第一次真正意義上挑戰(zhàn)深海極限環(huán)境的嘗試，試驗的成功標(biāo)志著我國深海載人技術(shù)已跨入國際第一梯隊，步入國際先進(jìn)行列。

惡劣的海況、極端深海環(huán)境的技術(shù)挑戰(zhàn)成就了中國載人深潛隊伍的迅速成長。我們有理由相信，從中國載人深潛精神中一路走來的中國載人深潛隊伍，一定能夠在7000米級海試中創(chuàng)造新的輝煌。