中国“蛟龙号”载人深潜器如何探测海底7062米？

出品| 网易新闻学院

作者| 常松，清华大学材料加工工程系博士

　　这可不是一只小龙虾，它是中国“蛟龙”号载人深潜器在南海海底采集的蜘蛛蟹，就通过下面这只“大手”抓呀抓~

　　《海底两万里》扉页上有这样一句话：“比天空更深的是海洋。”而在小说连载的18世纪70年代，载人深潜还是“科幻”。直到1928年，美国人奥蒂斯·巴顿才建造了第一艘球形深海探测装置。

　　近30年来，探索海洋，特别是海底，成为了各国地球科学研究和海洋开发的新热点，载人深潜器自然成为了最为关注的“探海神器”。美国、日本、法国、俄罗斯等过都先后挑战成功3000米以上的深海，跻身世界高技术深潜俱乐部。

　　虽然中国的载人深潜器研发起步不算早，但是咱们的发展速度还是很快的，如今最先进的载人深潜器“蛟龙号”已经是第二代载人深潜器，拥有世界上最大的作业深度——7000多米，可以覆盖世界上99.8%的海域，且拥有水声通信、海底探测等方面的能力，达到了世界先进水平。

　　出水的蛟龙号

就为了发现新物种？深海探测“图”啥

　　你不要天真的以为，我们深海探测只是为了发现这些“奇葩”的生物。“深海大洋”，占据了地球表面一半面积的区域，蕴含着价值“万亿美元”的金属矿产和油气资源。

　　而且按照国际惯例，深海勘探奉行“平行开发”原则，就是说，勘探发现者要返还矿区面积的一半，交给国际海底管理局托管，剩下的一半是发现者的专属领域，有着有限商业开发权。也就是说，无论本国领土距离多远，率先勘探开发深海大洋区域的国家，对于海底资源拥有一半的权益。

7000米深度赶超日美，这么“深”有啥用？

　　日本目前可以下潜的深度是6500米，美国的下一阶段目标也是6500。而我们目标不止于此，要冲击7000米。7000米，又是个什么概念呢？

　　首先，海底7000米，这一深度将使中国可以触及地球上99.8%的海底。

　　其次，目前世界上只有美国、法国、俄罗斯、日本拥有6000米级载人深潜器。“蛟龙”号载人潜水器已经在7000米级海试成功，那就意味着中国创造世界作业类载人潜水器的最大下潜深度。而“蛟龙”最终目标是挑战1万1千米深度，真正成为载人深潜发达国家。

　　“蛟龙”号拍摄的海底生物

“蛟龙”号——自由航行，还“大尺度”

　　深潜器，顾名思义，就是可潜入深海并持续较长时间的潜水装置，用以在海洋深水区域完成观察、探测等特定任务。深潜器分载人潜器和遥控潜器两类。显而易见，载人的安全要求高，技术更为复杂。而载人深潜器又分为系缆式和自由自航式两种。

　　“蛟龙”号属于后者。前者和母船得通过缆索或管道维系，就像婴儿和母亲脐带相连。自由自航式深潜器全得靠自己，在茫茫深海里把握方向，前进或后退，停滞或运动，下潜或上浮，生存与工作，艰难复杂可以想象。和不载人的遥控操纵的深潜器相比，载人深潜器尺度大，用途也广泛。

　　载人潜深器的构造形式通常是这样：载人舱设计为球形，这样可以耐受相当于数百个乃至上千个大气压的深水压力；这个球形的载人舱连结在一个艇体下，艇内装满比重较海水小的油类，可以产生浮力，又能经受外部深水的高压。深潜器靠压载重量下潜，当丢弃一部分压载物就可上浮。

　　“蛟龙”号模型

　　“蛟龙”能载3个人，在水中正常工作12个小时。它具备深海探矿、海底高精度地形测量、深海可疑物探测和捕获、深海生物考察等功能。科学家能从“蛟龙”号的舱室中透过观察窗，直接观察深海和深海海底。在对海底做三维精确测绘时，可通过各种声学元器件传送声波信号给海面的母船，母船接收解码，进而处理成文字和图片等。

这个萌萌的“小胖子”里面长啥样？

　　“蛟龙”号，长得是个十足的这个“小胖子”。它体型不是很大，长8.2米、宽3.0米、高3.4米，空气中重量不超过22吨，有效负载220公斤；最大下潜深度7000米；最大速度为每小时25海里，巡航每小时1海里。

　　钱江晚报 梁津铭 制图

　　进入“球仓”得从“蛟龙”头顶，顺着一架直通潜水器内部的直梯进去。载人球舱内部直径有2.1米，这么小的空间内并没有设置桌椅，而是在地板上铺上地毯，中央留一个凹槽，深潜器的驾驶员就坐在地板上，脚放到凹槽里。主驾驶左右两侧的舱壁下放着一摞坐垫，这就是两名乘员的座位。整个舱体大致和火车卧铺的空间差不多大，大家可以默默感受一下。

　　主驾驶位置面前的一大堆屏幕和主控面板，所有设备的启动和操作都在这里进行，包括潜水器的操纵杆、水声电话终端、主机械手和副机械手的控制器都在这儿了。

高清显示屏——主驾驶面前一共有四块显示屏，三块是水下高清摄像机的显示屏，另外一块则显示着潜水器的各项状态数值，包括动力储备情况、潜水器姿态、工作时间、下潜深度以及实时报警信息等。

　　驾驶舱和各控制面板

操纵杆还能取下来——触屏时代，这些面板也都是触屏的，潜航员可以轻松地在第一时间获得任何想要的数据。操纵杆就像模拟飞行中使用的游戏摇杆，方便调整水下姿态。有意思的是，两个机械手的操作杆并不是固定在控制台上的，而是可以取下来，放在潜航员们的膝盖上进行操作。这回就更像是玩游戏了。

生命支持系统——不过，在千米深海潜水，可不是游戏。生命支持系统是保持驾驶员安全的关键。在舱内有一堆蓝色和黑色的钢瓶，装载着氧气和空气，最多可供三名潜航员84小时呼吸。生命支持系统是电脑自动控制的，一般情况下不需要人工干预。在紧急情况下，潜航员也可以对其进行人工调整。

水下通信系统——同时，和母船的联系也非常关键，保证深潜器随时可以联络，球舱内部还安装有两套水下通信系统，由六七台计算机控制，保证潜航员和母船联络畅通。

“龙爪”分工明确——此外，既然叫“蛟龙”号，那么“龙爪”也是必需的。深潜器装有两个机械手各有分工。一个主攻精细化操作，力量较小，另一个力气很大，但动作 “野蛮”。为了保证视线无死角，在主驾驶和乘员侧各有直径12厘米的观测窗，三个视野是相互有所重合的。

　　“蛟龙”号在海底拍摄的照片 新华社

“蛟龙”如何上下海：下沉注水，上浮“扔东西”

　　和潜艇一样，深海潜水器也是向空气舱中注入海水。但是上浮就不一样了。水下5000米的压力相当于500个大气压。深海潜水器由于在深海内环境压力大，压缩空气不足以逼出空气舱中的海水。所以上浮的方式，和热气球差不多，就是往下面扔东西。

　　深潜器配有电磁铁控制的压载铁。之所以用电磁铁控制，是因为如果深潜器失去动力出现故障的话，电磁铁就失效，压载铁会在重力的作用下自动脱离潜水器，使潜水器自动上浮。

　　压载铁示意图

　　压载铁的配置特别讲究：“装少了，下不去。装多了，回不来。”由于不同海域、不同深度的海水密度都不尽相同，潜水器在水中受到的浮力并不是一定的。海面海水的密度是1021kg/m3，而7000米深的海水密度变成每立方米1059kg/m3。在7000米深度时受到的浮力大概比在海面时要大800多公斤力。

　　在下潜过程中，整个浮力的变化都要靠压载铁来平衡。“蛟龙”号海试团队已建立了一套周密的数学模型，根据在不同海域测得的海水温度、盐度和深度等参数来计算下潜时需要的压载铁重量。

　　而且为了确保上浮，潜航员的安全，除了压载铁之外，蓄电池箱和采样篮，甚至机械手都可以抛弃。一旦上浮后，报警系统就可以发射浮标到海面，等待母船救援。

“蛟龙”号和它的五星级装潢的“保姆船”

　　“蛟龙”号只是深潜器，负责上下海，运输还得靠母船，同时母船也是“蛟龙”号的功能依托。“蛟龙”号水面支持系统包括母船——“向阳红09”，上面布放回收系统，以及其他各种加装的系统和设备，同样是一个庞大的、功能齐全的系统。

　　向阳红09和“蛟龙”号

　　“向阳红09”已有近30多年的历史。为了迎接“蛟龙”号的诞生，“老房子”被彻底翻新改造，加装了局域网、视频监视系统，以及其他一系列专用装备，装潢达到星级宾馆水平，改造后陈旧的“老家”焕然一新。

在船上，蛟龙号有一张奇形怪状的床——轨道车。每一次回家后都必须睡到床上。这个床还装有轮子，能自由升降，方便将海底带上来的东西从床下运走。而为了保证“蛟龙”号的健康，还得定期体检，有大约1吨多重的东西可以拆卸，船上还配有升降机车可以自由运输。

　　为了检测海况，“向阳红09”还装了信息网络、监视系统、CTD、LADCP、Bathy2010等。其中CTD能够提供海域的温度、压力、盐度、电导率、声速和密度等水文参数；LADCP又叫声学海流剖面仪，它能提供海域不同深度剖面的流速、流向数据；Bathy2010是走航观测设备，通过声波测量海底以下0—120米深度的典型地层结构。有了这些东西，“蛟龙”号探海就有了安全保障。

　　蛟龙号回收至甲板(摄影 高悦)

冲刺海底一万米

　　深潜员说，7000米的海底就像到达月球一样，那是一个非常非常遥远的、无人踏足的地方。在这里“蛟龙”号获取海水样品和沉积物样品，同时还探测到了小型的生物。

　　有了“蛟龙”号，中国算是挤进了世界载人深潜“高技术俱乐部”，成功实现了主要设备的国产化。未来载人深潜器的目标是11000米级的载人潜水器，在海洋最深处的海底自由航行、作业。

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编辑| 于冉帝