勇往直“潛”的“奮斗者”號

2021-01-14 05:29:20本刊綜合

發明與創新 2021年7期

◆本刊綜合

在《山海經》中，海底生活著眾多奇異的海獸；在《西游記》里，美輪美奐的水晶宮藏著很多神兵利器，蝦兵蟹將守護著海底龍宮，這些神奇的故事都是古人對海洋的奇幻想象。深海，一直是人類想要探索的地方。

2020年11月28日，我國自主研發的“奮斗者”號載人潛水器結束萬米海試任務凱旋。在這次任務中，它共完成13次下潛，并成功坐底海洋最深處——馬里亞納海溝，坐底深度達10 909米，打破了我國載人深潛紀錄，標志著我國已具備在世界海洋最深處開展科學探索和研究的能力。

平靜或洶涌的海面下到底是怎樣的景象？潛入萬米海底是一段怎樣的旅程？“奮斗者”號載人潛水器又有哪些特殊本領？讓我們跟隨“奮斗者”號載人潛水器一起深入考察馬里亞納海溝，探秘萬米海底吧！

和“小伙伴”一起出海

“奮斗者”號載人潛水器這次出行可不是單打獨斗，科學家給它找了幾個好幫手，和它一起出海。

“雙母”護航

“雙母”即“探索一號”科考船（支持船）和“探索二號”科考船（保障船），它倆是“奮斗者”號載人潛水器的母船，為其保駕護航。

“探索一號”科考船長94.45米，型寬17.9米，排水量6250噸。它在海洋科考方面戰功卓越，經驗非常豐富，曾搭載無人潛水器“深海勇士”號和無人潛水器“海斗一號”等執行科考任務。

新手“探索二號”科考船長87.2米，型寬18.8米，是我國專門為萬米深海科考打造的，其搭載的很多設備都是我國自主研發的。作為多功能海洋科考平臺，它可同時容納60個人，海上連續工作最遠距離大于27 780千米，連續工作時間最長超過75天。

“雙潛”作業

“雙潛”指的是“雙潛水器”，即“奮斗者”號載人潛水器和“滄海”號無人著陸器。“滄海”號無人著陸器是全球獨家的深海著陸器，擔任“攝影師”的工作，負責記錄“奮斗者”號載人潛水器的一舉一動和拍攝海底的狀況，并實時傳輸畫面至海面。

在深海區，陽光沒辦法到達，因此“燈光師”必不可少，“滄海”號無人著陸器的助理“凌云”號便擔任這一“職務”。它能在海底自由活動，提供多角度照明服務。

“滄海”號無人著陸器先行一步到達海底，喚醒助手“凌云”號并將其從內部釋放出來。等到主角——“奮斗者”號載人潛水器到來，它們一起為主角服務。

“探索一號”科考船與“探索二號”科考船（圖/新華社）

身披利器去潛海

“奮斗者”號載人潛水器色彩十分鮮艷。它的“肚子”被涂成了綠色，因為在海水中，綠光衰減較慢，科學家可以在伸手不見五指的深海中追蹤它的身影。頂部的橘色十分醒目，也是為了方便母船及時快速地發現浮上水面的它。

除了外形靚麗，“奮斗者”號載人潛水器上還有不少不可小覷的科技利器。

世界上最大的全海深載人艙

載人潛水器的核心部件是載人艙。“奮斗者”號載人潛水器的載人艙直徑2米，能容納3名潛航員，是世界最大、搭載人數最多的全海深載人艙。能做到這一切，都要歸功于我國自主研制的高強度、高韌性和可焊接的新型鈦合金。用它來做艙體“鎧甲”材料，配合巧妙的設計和焊接工藝，載人艙不僅可以扛住海底的壓力和沖擊，還克服了鈦合金材料固有的尺寸效應——尺寸和厚度越大，其均勻性和力學性能的穩定性越難保證，為載人艙容量的擴大提供了條件。

之前的載人潛水器為了控制重量，載人艙都設計得非常小，根本無法搭載很多科學家和科研設備。2012年，著名導演詹姆斯·卡梅隆只身乘坐“深海挑戰者”號深潛器探險馬里亞納海溝，為了適應載人艙狹窄的空間，他甚至專門練習瑜伽。

“奮斗者”號載人潛水器的載人艙完成電子束焊接（圖/《科技日報》）

超長續航的“能量包”

在這次深海作業中，“奮斗者”號載人潛水器能持續工作6個小時，鋰電池功不可沒。為了穩定供電和保證用電安全，這些鋰電池在使用前都經過了嚴格的安全檢驗，如撞擊、穿釘、海水浸泡、短路等。此外，它們還必須進行高壓環境下的安全測試。只有順利通過了所有測試的鋰電池，才有資格成為“奮斗者”號載人潛水器的“能量包”。

上百塊單體鋰電池排列成若干組，模塊之間充滿了油，這些油的作用可大了。如果某個模塊溫度升高，熱量會傳遞給這些油，再通過電池箱體傳遞給外部海水，從而起到散熱作用。

下潛上浮的神器

為了完成上浮下潛，“奮斗者”號載人潛水器的“肚子”兩邊裝配了與下潛深度相匹配的“鐵塊”——總重量近2噸的4塊壓載鐵。下潛時，壓載鐵幫助“奮斗者”號載人潛水器依靠重力往下潛；上浮時，“奮斗者”號載人潛水器會將壓載鐵拋出。

在“奮斗者”號載人潛水器返航的過程中，外層的浮力材料也會助它一臂之力。這種特殊的材料由無數顆納米級的玻璃微珠構成，以部件的形式像積木一樣搭建在一起，由螺栓連接。作為“救生衣”，浮力材料不僅能讓潛水器獲得足夠的浮力，還特別結實，能經受住海底的巨大水壓。即使變形了，也能隨壓力的減小恢復原狀。

千里傳“聲”的通信系統

在漆黑一片的深海，無線電波被海水屏蔽，但“奮斗者”號載人潛水器居然能正常航行和通信，它是如何辦到的呢？秘密就是聲波。聲波在海水中傳播時，衰減程度遠小于無線電波，在深海通信導航方面作用巨大。依靠聲學系統，“奮斗者”號載人潛水器能與伙伴們實時“溝通”，實現水下定位導航。

“奮斗者”號載人潛水器與伙伴們還通過光信號交流。相比其他顏色的光，藍綠光不易被海水吸收和散射，可作為“滄海”號無人著陸器和“奮斗者”號載人潛水器準確定位的指示信號。此外，“奮斗者”號載人潛水器還通過閃爍的藍色激光傳送信息，將拍攝畫面編碼后傳送給“滄海”號無人著陸器。

這次深潛，“奮斗者”號載人潛水器還當起了“主播”，來了一場全球直播。“滄海”號無人著陸器身上有一根極細的光纜與“探索二號”科考船相連，可實時傳輸拍攝到的畫面。傳輸畫面后，再通過船載天線經由衛星傳至演播室，經過處理后呈現給觀眾。

萬米海底通信原理圖（圖/星宇飄零）

除此之外，“奮斗者”號載人潛水器還有靈巧的機械手，能夠360°旋轉，操作精度高達1厘米，能輕輕松松完成水下布放、拾取等操作。2020年11月16日，它只花了約30分鐘的時間便找回了先前布放的3個取樣器，可謂現實版的“大海撈針”。

“逐夢深海”行動指南

從出發至海底，再到平安“歸家”，“奮斗者”號載人潛水器的深海之旅每一步都被規劃好了。

1.布放

布放指“奮斗者”號載人潛水器從母船“探索一號”科考船轉移到海面的過程。在“探索一號”科考船的后甲板上，巨大的A形架、拖曳絞車、輸運軌道等組成了布放系統，負責“奮斗者”號載人潛水器的日常存放、保養和檢修等工作。

“奮斗者”號載人潛水器布放入水（圖/新華視點）

2.下潛

蛙人脫鉤解開攬繩后，“奮斗者”號載人潛水器便注水潛入水中。隨著水下深度加深，海水的顏色從碧藍到深藍，逐漸變暗。臨近海底時，“奮斗者”號載人潛水器會拋下第一組壓載鐵讓自己懸浮在水中并保持平衡。

3.坐底

在綜合考慮速度、姿態和地質情況后，潛水員會操控“奮斗者”號載人潛水器，使其完全下潛到海床上。

“奮斗者”號載人潛水器坐底海底的瞬間，大量沉積物揚起，它們的密度非常小，類似黏土質的顆粒，直徑不足2微米，也是采集目標之一。

4.巡航作業

安全著陸后，“奮斗者”號載人潛水器開始工作。它要完成拍攝、巡航等任務，同時采集海洋生物、底層海水等。

5.上浮

完成工作后，在壓載鐵和浮力材料的幫助下，“奮斗者”號載人潛水器會上浮至海面。

6.回收

經過蛙人掛攬、起吊等操作后，“奮斗者”號載人潛水器重新回到“探索一號”科考船的懷抱。