跟隨萬米載人潛水器去探險

2020-07-28 03:08:36肖溪樹

科學大眾 2020年11期

■文/肖溪樹

2012年，我國的“蛟龍?zhí)枴?載人潛水器創(chuàng)造了我國最深的7 062米深潛紀錄。如今，歷經3年多時間，我國萬米級載人潛水器也研制成功并進行了水池試驗！這臺萬米級載人潛水器將成為繼“蛟龍?zhí)枴薄吧詈Ｓ率刻枴敝蟮挠忠弧皣仄鳌薄?/p>

下圖中這個外形近似于卵形，同時科幻感十足的大型設備，就是我國新一代萬米載人潛水器的真身。全新一代萬米載人潛水器也被稱為全海深載人潛水器，主要是因為其最大可達10 000米級別的潛深，不僅相比“蛟龍?zhí)枴保? 000米級）有著極大的提升，更重要的一點在于，新一代萬米載人潛水器可以幫助我們征服最大深度為海平面以下11 034米的馬里亞納海溝。

全新一代萬米載人潛水器

入海難，難于上青天

也許有同學會說，無邊的海洋深度最多也不過1.1萬米，如今飛天登月都已付諸實施，怎么走進海洋就如此之難呢？要說挑戰(zhàn)深海，還真的是比登天還難！相對于陸域和空域來說，深海的環(huán)境要復雜得多，黑暗、高壓、寒冷、神秘、寧靜……就拿海底的壓強來說吧。海水深度每增加10米，壓強就會增加1個大氣壓。那么，1.1萬米海底的壓強就是1 100個大氣壓，大約為110兆帕。

110兆帕是個什么概念呢？形象點來說，相當于1個手指甲蓋大小的面積上要承受1 100千克重的物體所產生的壓力。幾乎相當于把一輛普通汽車壓在一個人的指甲蓋上，這是一個大得驚人的數(shù)字。

面對如此大的水壓，別說人到深海會被壓扁，就連載人潛水器也面臨極限挑戰(zhàn)。難怪如今能上天的人不少，而能到海底的人卻屈指可數(shù)。

載人球艙打造深海“堡壘”

挑戰(zhàn)深海，必須建造一個堅不可摧的“堡壘”，以此來保護潛水員的生命安全。這個“堡壘”就是載人耐壓艙，這可是載人潛水器最核心的部件！

與大多數(shù)載人潛水器類似，新一代萬米載人潛水器同樣也是以球形載人耐壓艙為核心，同時配備有包括動力系統(tǒng)、生命支持系統(tǒng)、導航通信系統(tǒng)、觀察攝影記錄系統(tǒng)、作業(yè)機械臂乃至實現(xiàn)上浮/下潛的壓艙物在內的各種必需設備。之所以將載人耐壓艙設計成球形，主要是為了更好地抵消來自海水中各個方向的壓力，從而保證下潛人員的安全。球形薄壁殼體結構自身的幾何特性，決定了其具有質量輕和承壓高的特點。在生活中，同學們也許有過這樣的體驗吧，用手掌緊握雞蛋時，不容易把雞蛋捏壞，其中的道理就是如此。因為蛋殼的薄壁結構在受到一個圍壓作用時，其拱形曲面可以分散外力的作用，使得結構更加堅固。

全新一代萬米載人潛水器的球形載人耐壓艙直徑近2米，就大小而言，已經是目前全球范圍內體積和空間最大的。這一部分全部由被譽為“海洋金屬”的高強度鈦合金材料制成，其強度之大，足以承受1.1萬米深海環(huán)境下高達1 100個大氣壓。

之所以選用鈦合金來制造載人耐壓艙，是因為鈦合金不僅強度高，而且彈性好，可以賦予載人球艙堅固的外殼，即便在下潛和上浮的過程中，也能保持硬度而不變形。而且，在鈦表面形成的氧化膜可使鈦鈍化，從而不受海水腐蝕，進而可以提高載人球艙的耐用性。鈦合金的密度較低，僅為鋼的60%，這樣可以用更小的結構重量來滿足特定的功能要求。鈦合金還具有耐低溫、無磁性、抗沖擊等性能，并且透聲性和加工性很好，因此是一種優(yōu)秀的深潛器材料。

“深海勇士號”載人耐壓艙

浮力材料托起“回家夢”

你也許會問，雖說鈦合金的密度要比鋼鐵小，但還是比海水大不少，那載人潛水器潛入海底后怎么“回家”呢？

載人潛水器潛入深海，“回家”是必須的！這也是科學家需要解決的一個關鍵問題。其實，自然界中的魚類就具有這樣的本領，在水里既下得去，也上得來。那魚類是如何做到的呢？對于大多數(shù)魚類來說，魚鰾就是一個調節(jié)身體密度的器官。我們可以把魚鰾看作一個“空氣袋”，充氣多了就會變大，并使魚的體積增大。魚的體積變大了，密度自然就小了，這樣就能夠上浮了。反之，則會下沉。

同樣的道理，我們也可以通過改變潛水器的密度，來實現(xiàn) “下得去，上得來”的目標。而配置低密度固體浮力材料就是一個很好的辦法。浮力材料的密度大約只有海水的一半，其作用就是把潛水器的密度降下來。一般情況下，浮力材料的質量會占到潛水器總質量的1/3左右，而占用的體積比例則會更大一些。

我國“萬泉號”深淵著陸器采用國產深海浮力材料，最大下潛深度達到了10 901米,標志著國產深海浮力材料達到了世界先進水平，改變了我國深海浮力材料受制于人的局面。2017年，中國“微球”托起了“深海勇士號”載人深潛器的“回家夢”。中國“深海勇士號”的海試成功，充分驗證了國產固體浮力材料的優(yōu)秀品質。

“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器采用的是無動力自主下沉與上浮技術，以實現(xiàn) “下得去，上得來”的目標。在下潛時，為了保證潛水器密度大于海水，需要在潛水器上配備一定質量的壓載鐵。當下潛至海洋深處時，潛水員可以根據情況拋掉一定數(shù)量的壓載鐵，以實現(xiàn)潛水器的懸停或者上浮。而在完成深海作業(yè)之后，就需要把壓載鐵這個“包袱”全部拋掉，從而使得潛水器的密度小于海水，這樣才能產生向上的浮力。

走進深海，離不開固體浮力材料。萬米載人潛水器更是需要高性能的固體浮力材料。