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勇往直“潜”的“奋斗者”号

2021-01-11 08:31:31 发明与创新·小学生 2021年2期

本刊综合

在《山海经》中,海底生活着众多奇异的海兽;在《西游记》里,美轮美奂的水晶宫藏着很多神兵利器,虾兵蟹将守护着海底龙宫,这些神奇的故事都是古人对海洋的奇幻想象。深海,一直是人类想要探索的地方。

2020年11月28日,我国自主研发的“奋斗者”号载人潜水器结束万米海试任务凯旋。在这次任务中,它共完成13次下潜,并成功坐底海洋最深处——马里亚纳海沟,坐底深度达10 909米,打破了我国载人深潜纪录,标志着我国已具备在世界海洋最深处开展科学探索和研究的能力。

平静或汹涌的海面下到底是怎样的景象?潜入万米海底是一段怎样的旅程?“奋斗者”号载人潜水器又有哪些特殊本领?让大家跟随“奋斗者”号载人潜水器一起深入考察马里亚纳海沟,探秘万米海底吧!

马里亚纳海沟

延伸阅读:

马里亚纳海沟位于太平洋西部,是目前已知的海洋最深处,最深的地方达11千米,可容纳陆地上第一高峰——珠穆朗玛峰。

在海洋,越往深处水压越高。在万米多深的马里亚纳海沟底部,压强相当于2000头非洲象踩在一个人的背上。由于距离海面较远,阳光难以到达,这里完全黑暗,温度和含氧量都非常低,与南极、北极、珠穆朗玛峰并称为“地球四极”。

令人意想不到的是,在这片深海荒漠中也有生命,它们以一种不可思议的形式存在着,神秘感十足。另外,这里自然资源丰富,那些隱藏在海洋深处的未知奥妙与巨大财富吸引着人类去探索。从1960年至2020年12月,除“奋斗者”号载人潜水器外,“的里雅斯特”号、“深海挑战者”号、“极限因子”号等载人潜水器也成功抵达这里。

和“小伙伴”一起出海

“奋斗者”号载人潜水器这次出行可不是单打独斗,科学家给它找了几个好帮手,和它一起出海。

“双母”护航

“双母”即“探索一号”科考船(支撑船)和“探索二号”科考船(保障船),它俩是“奋斗者”号载人潜水器的母船,为其保驾护航。

“探索一号”科考船长94.45米,型宽17.9米,排水量6250吨。它在海洋科考方面战功卓越,经验非常丰富,曾搭载无人潜水器“深海勇士”号和无人潜水器“海斗一号”等实行科考任务。

新手“探索二号”科考船长87.2米,型宽18.8米,是我国专门为万米深海科考打造的,其搭载的很多设备都是我国自主研发的。作为多功能海洋科考平台,它可同时容纳60个人,海上连续工作最远距离大于27 780千米,连续工作时间最长超过75天。

“双潜”作业

“双潜”指的是“双潜水器”,即“奋斗者”号载人潜水器和“沧海”号无人着陆器。“沧海”号无人着陆器是全球独家的深海着陆器,担任“摄影师”的工作,负责记录“奋斗者”号载人潜水器的一举一动和拍摄海底的状况,并实时传输画面至海面。

在深海区,阳光没办法到达,因此“灯光师”必不可少,“沧海”号无人着陆器的助理“凌云”号便担任这一“职务”。它能在海底自由活动,提供多角度照明服务。

“沧海”号无人着陆器先行一步到达海底,唤醒助手“凌云”号并将其从内部释放出来。等到主角——“奋斗者”号载人潜水器到来,它们一起为主角服务。

身披利器去潜海

“奋斗者”号载人潜水器色彩十分鲜艳。它的“肚子”被涂成了绿色,因为在海水中,绿光衰减较慢,科学家可以在伸手不见五指的深海中追踪它的身影。顶部的橘色十分醒目,也是为了方便母船及时快速地发现浮上水面的它。

除了外形靓丽,“奋斗者”号载人潜水器上还有不少不可小觑的科技利器。

世界上最大的全海深载人舱

载人潜水器的核心部件是载人舱。“奋斗者”号载人潜水器的载人舱直径2米,能容纳3名潜航员,是世界最大、搭载人数最多的全海深载人舱。能做到这一切,都要归功于我国自主研制的高强度、高韧性和可焊接的新型钛合金。用它来做舱体“铠甲”材料,配合巧妙的设计和焊接工艺,载人舱不仅可以扛住海底的压力和冲击,还克服了钛合金材料固有的尺寸效应——尺寸和厚度越大,其均匀性和力学性能的稳定性越难保证,为载人舱容量的扩大提供了条件。

之前的载人潜水器为了控制重量,载人舱都设计得非常小,根本无法搭载很多科学家和科研设备。2012年,著名导演詹皇·卡梅隆只身乘坐“深海挑战者”号深潜器探险马里亚纳海沟,为了适应载人舱狭窄的空间,他甚至专门练习瑜伽。

超长续航的“能量包”

在这次深海作业中,“奋斗者”号载人潜水器能持续工作6个小时,锂电池功不可没。为了稳定供电和保证用电安全,这些锂电池在使用前都经过了严格的安全检验,如撞击、穿钉、海水浸泡、短路等。此外,它们还必须进行高压环境下的安全测试。只有顺利通过了所有测试的锂电池,才有资格成为“奋斗者”号载人潜水器的“能量包”。

上百块单体锂电池排列成若干组,模块之间充满了油,这些油的作用可大了。如果某个模块温度升高,热量会传递给这些油,再通过电池箱体传递给外部海水,从而起到散热作用。

下潜上浮的神器

为了完成上浮下潜,“奋斗者”号载人潜水器的“肚子”两边装配了与下潜深度相匹配的“铁块”——总重量近2吨的4块压载铁。下潜时,压载铁帮助“奋斗者”号载人潜水器依靠重力往下潜;上浮时,“奋斗者”号载人潜水器会将压载铁抛出。

在“奋斗者”号载人潜水器返航的过程中,外层的浮力材料也会助它一臂之力。这种特殊的材料由无数颗纳米级的玻璃微珠构成,以部件的形式像积木一样搭建在一起,由螺栓连接。作为“救生衣”,浮力材料不仅能让潜水器获得足够的浮力,还特别结实,能经受住海底的巨大水压。即使变形了,也能随压力的减小恢复原状。

千里传“声”的通信系统

在漆黑一片的深海,无线电波被海水屏蔽,但“奋斗者”号载人潜水器居然能正常飞行和通信,它是如何办到的呢?秘密就是声波。声波在海水中传播时,衰减程度远小于无线电波,在深海通信导航方面作用巨大。依靠声学系统,“奋斗者”号载人潜水器能与伙伴们实时“沟通”,实现水下定位导航。

“奋斗者”号载人潜水器与伙伴们还通过光信号交流。相比其他颜色的光,蓝绿光不易被海水吸取和散射,可作为“沧海”号无人着陆器和“奋斗者”号载人潜水器准确定位的指示信号。此外,“奋斗者”号载人潜水器还通过闪烁的蓝色激光传送信息,将拍摄画面编码后传送给“沧海”号无人着陆器。

这次深潜,“奋斗者”号载人潜水器还当起了“主播”,来了一场全球直播。“沧海”号无人着陆器身上有一根极细的光缆与“探索二号”科考船相连,可实时传输拍摄到的画面。传输画面后,再通过船载天线经由卫星传至演播室,经过处理后呈现给观众。

除此之外,“奋斗者”号载人潜水器还有灵巧的机械手,能够360°旋转,操作精度高达1厘米,能輕轻松松完成水下布放、拾取等操作。2020年11月16日,它只花了约30分钟的时间便找回了先前布放的3个取样器,可谓现实版的“大海捞针”。

“逐梦深海”行动指南

从出发至海底,再到平安“归家”,“奋斗者”号载人潜水器的深海之旅每一步都被规划好了。

1.布放

布放指“奋斗者”号载人潜水器从母船“探索一号”科考船转移到海面的过程。在“探索一号”科考船的后甲板上,巨大的A形架、拖曳绞车、输运轨道等组成了布放系统,负责“奋斗者”号载人潜水器的日常存放、保养和检修等工作。

2.下潜

蛙人脱钩解开揽绳后,“奋斗者”号载人潜水器便注水潜入水中。随着水下深度加深,海水的颜色从碧蓝到深蓝,逐渐变暗。临近海底时,“奋斗者”号载人潜水器会抛下第一组压载铁让自己悬浮在水中并保持平衡。

3.坐底

在综合考虑速度、姿态和地质情况后,潜水员会操控“奋斗者”号载人潜水器,使其完全下潜到海床上。

“奋斗者”号载人潜水器坐底海底的瞬间,大量沉积物扬起,它们的密度非常小,类似黏土质的颗粒,直径不足2微米,也是采集目标之一。

4.巡航作业

安全着陆后,“奋斗者”号载人潜水器开始工作。它要完成拍摄、巡航等任务,同时采集海洋生物、底层海水等。

5.上浮

完成工作后,在压载铁和浮力材料的帮助下,“奋斗者”号载人潜水器会上浮至海面。

6.回收

经过蛙人挂揽、起吊等操作后,“奋斗者”号载人潜水器重新回到“探索一号”科考船的怀抱。

延伸阅读:

我国载人潜水器发展历程

1986年,中国第一艘载人潜水器——7103救生艇研制成功。它下潜300米,拉开了我国载人深潜的序幕。

2010年7月,中国第一台自主设计和集成研制的载人潜水器——“蛟龙”号下潜3759米,标志着我国步入掌握3500米以上深度载人深潜技术的国家行列。

2012年6月,“蛟龙”号载人潜水器完成终极挑战,最大下潜深度达到7062米,刷新了同类型载人潜水器最大下潜深度纪录。

2017年10月3日,载人潜水器“深海勇士”号海试成功。

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