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深海技术与太空技术并列,是各国极度重视的高新技术领域,有重要的科研与应用价值。 “蛟龙号”的亮相,宣告中国成为第五个掌握3500米以上大深度载人深潜技术的国家
数千米的深海海底是地球上最宁静而神秘的地方,那里生存着古老的原核生物。然而,好奇心并不是海洋科学家探索深海的唯一原因,要知道,那里还蕴藏着丰富的能源,它们对人类未来的生存意义非凡。
从20世纪50年代末开始,美、法、俄、日等国先后开始建造载人潜水器。迄今,世界上仅有的五艘6000米级深海载人潜水器为这些国家所拥有,它们能够到达遍及海洋深处的大陆坡、海山顶、火山口、洋脊以及漆黑的洋底。
8月26日,中国科技部和国家海洋局宣布,我国第一台自行设计、自主集成研制的“蛟龙号”载人深海潜水器3000米级海上试验取得成功,最大下潜深度3759米。实际上,“蛟龙号”的最大设计深度为当今“世界之最” ——达到7000米。
深海载人潜水器是运载科学家、工程技术人员到达深海复杂环境,进行勘探、科学考察和开发和利用资源的重要技术装备。“蛟龙号”项目负责人刘峰说,“深海技术与太空技术并列,是各国极度重视的高新技术领域,有重要的科研与应用价值。”
“蛟龙号”的亮相,宣告中国成为第五个掌握3500米以上大深度载人深潜技术的国家,并立即引起世界的关注。
第37次下潜
7月13日,中国海南岛东侧南海海域,海面温度30℃,海底地势平缓,海水平均深度3757米。
“蛟龙号”在这里进行第37次深潜试验。现场的人们并没有预测到,这一次海试不仅完成了潜水器的系统调试,还将下潜深度增加了2米,达到3759米。海试现场总指挥刘峰说,“此前的海试已陆续选择在50米、300米、1000米级海域进行,这一阶段试验的3000米级深度是一个重要阶段。”
全球海洋平均深度为3682米。此前,只有上述四国的深海载人潜水器能在3500米级深度自如展开科研与勘测活动。
中国研制、试验中的深潜系统由“蛟龙号”载人潜水器、水面支持系统(包括“向阳红09”海试船和水面A型起吊架等)、潜航员培训等三部分组成。
此时,母船正航行在天气状况良好的海面上,“蛟龙号”放置在后甲板。下潜后,潜水器将通过声波通讯等方式与母船建立联系。母船能实时监控潜水器的运行深度、纵倾、横摇、速度等数据和载人舱内温度、氧气状态等信息,并能即时发出调整指令。
潜水器载人舱内可承载一名潜航员和两名科研人员。主潜航员叶聪,31岁,已从事海洋研究工作七年,参与“蛟龙号”设计研制,曾18次成功驾驶“蛟龙号”探访深海。
潜航员系统包括经过专门训练的潜航员和试航员共11人,叶聪介绍说,“在海试阶段,除潜航员外,还有工程调试人员进入载人舱,对潜水器状态进行检测与调试。”
海试前,中国大洋协会已对这片预选海域的地形、底流、地质等进行了长期观测与调查。海试前夕,试验海域也进行了全面扫海,清除渔网等障碍。下潜前一天,参与下潜的人员会依照操作计划再三沟通确认。
清晨8点,海试准备到位。工作人员首先在后甲板上对潜水器的通讯设备、导航系统等各项性能进行初步测试。叶聪说,“每次试验前都需要将一份长长的表格逐项确认打钩。”
“母船现场工作人员将实时监测海面风向、洋流速度、海水盐度、密度等状况,并据此调整潜水器性能参数。”刘峰告诉《中国新闻周刊》记者,“海试期间正值西南季风强劲多发季节,母船上还有天气预报人员。”
随后,三名潜航人员依次从顶部舱口进入载人舱。水面测试开始,A型起吊架将潜水器平稳放置到海面上。
“蛟龙号”采用常用的“深潜器无动力下潜上浮技术”。潜水器两侧配备4块压载铁,重量可以根据不同深度与要求调整。在下潜过程中,压载铁使潜水器具备负浮力,按照一定速度下潜;当潜水器到达设定深度时,可操作抛载其中两块压载铁,使潜水器处于零浮力悬停状态,保持在这个深度上实现作业,包括航行、拍照、取样等;当任务完成,再抛弃另外2块压铁,使潜水器具备正浮力,按照一定的速度上浮,到达水面。
“蛟龙号”总设计师徐芑南告诉《中国新闻周刊》记者,设计最快下潜上浮速度是42米每分钟,到达7000米海底需要大约3小时。
这一次,潜水器以37米每分钟匀速缓缓下潜,到达预定深度需要约100分钟。期间,潜航员和母船每隔5分钟或者20分钟可能进行一次通话。
深度显示器上的数字开始跳动,潜航员与调试人员也各就各位,首先根据预定计划对潜水器性能进行测试,如对航速、自动控制系统等进行考核;其次进行潜航员身体和心理状况监测;并测试潜水器的作业功能。叶聪告诉《中国新闻周刊》记者,“每次下潜到达预定深度后,我们通过插放国旗、采取水样、抓获海底生物等工作,进行机械手操控训练和标本采集训练。”
潜航工作中,潜航器需要接受海水压力的考验。3000多米的深海,潜水器所承受的压力将达到每平方米3000多吨,一个成年人的手掌大概是0.01平方米,这意味着载人舱表面一个手掌大的面积就将承受30多吨的压力;如果到达7000米深度,则将承受70多吨压力。
海水温度也将随深度增加而下降。当天的海面温度为30℃,舱内39.7℃。下潜到3500米左右,海水温度已经降至2℃,潜水器主体结构温度也随之下降。叶聪说,“舱内温度将保持在15℃左右。”
“海底压力与温度变化也是下潜的重要参数,”刘峰告诉《中国新闻周刊》记者,“潜水器大部分结构由钛合金构成,在压力增大和温度降低作用下,载人球体等体积将变小,浮力也将发生变化。所以,每一次下潜都需要对压载铁的重量进行精密计算。”
海底悬停中,“蛟龙号”在海底缓慢航行,一片未知世界在潜航员眼前展开,叶聪看到“舱外漆黑,各种奇异的海洋生物在灯光中不断出现”。
完成当天的预定任务后,“蛟龙号”继续在海底定高(在设定的离地高度,自动跟踪海底地形)缓慢航行,下午4时53分23秒,找到了该海域3759米深处。
下午6时左右,“蛟龙号”在海面落日余晖中浮出水面。当天的下潜时间为9小时零3分,接近设计最大工作时长12小时。
潜航人员回到母船甲板上时,他们被泼了一盆海水。叶聪说,这是每次海试后的欢迎仪式,“大家都很兴奋,给你浇上一盆海水,从上到下湿透,然后把你举起来。”
3000米的“逗号”
这是3000米级海试中下潜最深的一次。
从5月31日到7月18日,“蛟龙号”载人潜水器在中国南海进行了密集的海上试验:共完成17次下潜,其中7次超过2000米深度,4次突破3000米。刘峰介绍说,“蛟龙号”在3000米级的多项性能和功能指标通过了验证,其中包括耐压结构及设备、水面支持系统、无动力下潜上浮系统、蓄电池及供电设备等18个项目。
“蛟龙号”深海载人潜水器研制专项总设计师徐芑南介绍,海试前,中船重工集团公司702所首先进行了模拟压力测试和密封性能测试。压力测试中,潜水器被放置在一个密闭的压力桶装置里,以水增压模拟7000米深处海水压力的方式,对每个部件进行了70兆帕压力考核。
2009年8月15日,首次海试开始,“蛟龙号”下潜,需要解决的问题逐渐浮出水面。叶聪说,“37次海试中,一共有11人参与了下潜试验,其中潜航员3人,试航员8人,参加海试的参试人员有170多人。”
去年8月15日至24日50米级海试时,水声通信一直不能建立,海试母船无法找到潜水器;8月28日,300米级海试时,一只主蓄电池爆裂;1000米级海试期间,遭遇恶劣天气,只能选择10月3日下水,这一天进行了高速水声通信的试验;2010年6月,3000米级海试例行检查中,发现几滴海水进入高度计中造成绝缘故障。
海试就是不断检测与改进潜水器性能的过程。自2009年7月29日出航以来,“蛟龙号”全面系统调试与性能优化在总共37次海试中逐渐完成。“这只是一个逗号,”刘峰说,尽管部件的压力测试全部通过,但潜水器作为一个整体还要接受7000米压力的考验。此外,密封性能、电机运转、水下摄像机、热液取样器等应用设备还需要进一步调试。
“预计2011年进行5000米级海试,7000米海试也会在合适的时候进行。”刘峰介绍,一旦达到7000米深度,“蛟龙号”深海探测范围可以覆盖全球海洋区域的99.8%。
探秘“蛟龙”
9月13日,中船重工集团公司702所一间老式红砖车间里,“蛟龙号”放置在约2米高的支架上,接受下一次海试的拆卸检修。电池已经卸下,尾翼至中部一侧外壳打开,整个潜水器钛合金结构支架清晰可见。支架间能放置电池、导航、负重块等部件,计算机芯片、声波传输器等部件放置在密封耐压的钛合金罐中。载人耐压密封舱体置于潜水器前部,舱体呈球型,前方和左右分别有一个圆形观测窗。采样篮和两只机械手在前方窗口观测范围内,位于潜水器正前方。
主要技术指标显示,“蛟龙号”潜水器长、宽、高分别是8.2米、3.0米与3.4米,在空气中重量不超过22吨。叶聪介绍说,“蛟龙号”外壳看起来很厚重,实际上由直径微小的空心玻璃微珠和环氧树脂构成。下潜中,海水通过抛卸负重块的缺口处进入潜航器内部时,外壳就能充当浮力物。
记者登上“蛟龙号”顶部,载人舱盖已打开,舱体内部前方放置控制显示器,周围布满仪器按钮与显示灯。徐芑南介绍说,耐压舱直径2.1米,容积4.8立方米,舱中包括操作显示设备、驾驶员座位、生命支持系统等,“三个人的活动空间有限,但基本上能保证正常工作。”
载人舱是潜水器的关键部分,其中,钛合金球壳是根据中国的设计方案,委托俄罗斯制造。徐芑南说,“我想这是一些人对‘蛟龙号’最大的疑问,有几成部件是中国自主制造的?”
在8月26日的新闻发布会上,“蛟龙号”被介绍为“中国自行设计、集成创新、拥有自主知识产权的第一台深海载人潜水器”。
“设计与总体集成优化技术是自主知识产权的关键,”徐芑南说,“从方案设计,到潜水器的初步设计和详细设计,全部由我国工程技术人员自主完成,总装联调和海上试验也是我们独立完成的。”
在设计过程中,科研人员对国际领先的水下电机、水下推进系统、液压源、高压海水泵等技术原理进行了学习和掌握,在关键技术的配套国产化研究方面,也取得了钛合金超塑成形加工技术、深海浮力材料加工技术等多方面的突破性进展。
“蛟龙号”深潜器最终设计集成了12个系统,徐芑南说,其中,关系到乘员安全的生命支持系统、关系到整个潜水器安全的抛载机构等关键部件,是中国自行研制的,并为此获得了授权专利45项,受理专利25项,软件著作权3项。
生命支持系统可为3名下潜人员提供水下的供氧、收集潜水员呼出的二氧化碳,正常情况下可保证3人12小时生命安全,应急情况下提高到3人84小时。
“研制工作的突破形成了潜水器的四个技术特点,”徐芑南介绍,“蛟龙号”具有世界上同类型载人潜水器最大下潜深度7000米;具有针对作业目标稳定的悬停定位能力;具有先进的水声通信和海底微地形地貌探测能力;配备多种高性能作业工具,能够在特殊条件下完成复杂任务。
“作为原型机,蛟龙号也引进了国内还无法加工生产的部分部件和材料。其中,机械手、灯光设备等引进自美国,成像设备等引进自日本。”徐芑南告诉《中国新闻周刊》记者,“同时,我们正在进行引进部件的国产化研制,为下一步的应用做准备。”★
数千米的深海海底是地球上最宁静而神秘的地方,那里生存着古老的原核生物。然而,好奇心并不是海洋科学家探索深海的唯一原因,要知道,那里还蕴藏着丰富的能源,它们对人类未来的生存意义非凡。
从20世纪50年代末开始,美、法、俄、日等国先后开始建造载人潜水器。迄今,世界上仅有的五艘6000米级深海载人潜水器为这些国家所拥有,它们能够到达遍及海洋深处的大陆坡、海山顶、火山口、洋脊以及漆黑的洋底。
8月26日,中国科技部和国家海洋局宣布,我国第一台自行设计、自主集成研制的“蛟龙号”载人深海潜水器3000米级海上试验取得成功,最大下潜深度3759米。实际上,“蛟龙号”的最大设计深度为当今“世界之最” ——达到7000米。
深海载人潜水器是运载科学家、工程技术人员到达深海复杂环境,进行勘探、科学考察和开发和利用资源的重要技术装备。“蛟龙号”项目负责人刘峰说,“深海技术与太空技术并列,是各国极度重视的高新技术领域,有重要的科研与应用价值。”
“蛟龙号”的亮相,宣告中国成为第五个掌握3500米以上大深度载人深潜技术的国家,并立即引起世界的关注。
第37次下潜
7月13日,中国海南岛东侧南海海域,海面温度30℃,海底地势平缓,海水平均深度3757米。
“蛟龙号”在这里进行第37次深潜试验。现场的人们并没有预测到,这一次海试不仅完成了潜水器的系统调试,还将下潜深度增加了2米,达到3759米。海试现场总指挥刘峰说,“此前的海试已陆续选择在50米、300米、1000米级海域进行,这一阶段试验的3000米级深度是一个重要阶段。”
全球海洋平均深度为3682米。此前,只有上述四国的深海载人潜水器能在3500米级深度自如展开科研与勘测活动。
中国研制、试验中的深潜系统由“蛟龙号”载人潜水器、水面支持系统(包括“向阳红09”海试船和水面A型起吊架等)、潜航员培训等三部分组成。
此时,母船正航行在天气状况良好的海面上,“蛟龙号”放置在后甲板。下潜后,潜水器将通过声波通讯等方式与母船建立联系。母船能实时监控潜水器的运行深度、纵倾、横摇、速度等数据和载人舱内温度、氧气状态等信息,并能即时发出调整指令。
潜水器载人舱内可承载一名潜航员和两名科研人员。主潜航员叶聪,31岁,已从事海洋研究工作七年,参与“蛟龙号”设计研制,曾18次成功驾驶“蛟龙号”探访深海。
潜航员系统包括经过专门训练的潜航员和试航员共11人,叶聪介绍说,“在海试阶段,除潜航员外,还有工程调试人员进入载人舱,对潜水器状态进行检测与调试。”
海试前,中国大洋协会已对这片预选海域的地形、底流、地质等进行了长期观测与调查。海试前夕,试验海域也进行了全面扫海,清除渔网等障碍。下潜前一天,参与下潜的人员会依照操作计划再三沟通确认。
清晨8点,海试准备到位。工作人员首先在后甲板上对潜水器的通讯设备、导航系统等各项性能进行初步测试。叶聪说,“每次试验前都需要将一份长长的表格逐项确认打钩。”
“母船现场工作人员将实时监测海面风向、洋流速度、海水盐度、密度等状况,并据此调整潜水器性能参数。”刘峰告诉《中国新闻周刊》记者,“海试期间正值西南季风强劲多发季节,母船上还有天气预报人员。”
随后,三名潜航人员依次从顶部舱口进入载人舱。水面测试开始,A型起吊架将潜水器平稳放置到海面上。
“蛟龙号”采用常用的“深潜器无动力下潜上浮技术”。潜水器两侧配备4块压载铁,重量可以根据不同深度与要求调整。在下潜过程中,压载铁使潜水器具备负浮力,按照一定速度下潜;当潜水器到达设定深度时,可操作抛载其中两块压载铁,使潜水器处于零浮力悬停状态,保持在这个深度上实现作业,包括航行、拍照、取样等;当任务完成,再抛弃另外2块压铁,使潜水器具备正浮力,按照一定的速度上浮,到达水面。
“蛟龙号”总设计师徐芑南告诉《中国新闻周刊》记者,设计最快下潜上浮速度是42米每分钟,到达7000米海底需要大约3小时。
这一次,潜水器以37米每分钟匀速缓缓下潜,到达预定深度需要约100分钟。期间,潜航员和母船每隔5分钟或者20分钟可能进行一次通话。
深度显示器上的数字开始跳动,潜航员与调试人员也各就各位,首先根据预定计划对潜水器性能进行测试,如对航速、自动控制系统等进行考核;其次进行潜航员身体和心理状况监测;并测试潜水器的作业功能。叶聪告诉《中国新闻周刊》记者,“每次下潜到达预定深度后,我们通过插放国旗、采取水样、抓获海底生物等工作,进行机械手操控训练和标本采集训练。”
潜航工作中,潜航器需要接受海水压力的考验。3000多米的深海,潜水器所承受的压力将达到每平方米3000多吨,一个成年人的手掌大概是0.01平方米,这意味着载人舱表面一个手掌大的面积就将承受30多吨的压力;如果到达7000米深度,则将承受70多吨压力。
海水温度也将随深度增加而下降。当天的海面温度为30℃,舱内39.7℃。下潜到3500米左右,海水温度已经降至2℃,潜水器主体结构温度也随之下降。叶聪说,“舱内温度将保持在15℃左右。”
“海底压力与温度变化也是下潜的重要参数,”刘峰告诉《中国新闻周刊》记者,“潜水器大部分结构由钛合金构成,在压力增大和温度降低作用下,载人球体等体积将变小,浮力也将发生变化。所以,每一次下潜都需要对压载铁的重量进行精密计算。”
海底悬停中,“蛟龙号”在海底缓慢航行,一片未知世界在潜航员眼前展开,叶聪看到“舱外漆黑,各种奇异的海洋生物在灯光中不断出现”。
完成当天的预定任务后,“蛟龙号”继续在海底定高(在设定的离地高度,自动跟踪海底地形)缓慢航行,下午4时53分23秒,找到了该海域3759米深处。
下午6时左右,“蛟龙号”在海面落日余晖中浮出水面。当天的下潜时间为9小时零3分,接近设计最大工作时长12小时。
潜航人员回到母船甲板上时,他们被泼了一盆海水。叶聪说,这是每次海试后的欢迎仪式,“大家都很兴奋,给你浇上一盆海水,从上到下湿透,然后把你举起来。”
3000米的“逗号”
这是3000米级海试中下潜最深的一次。
从5月31日到7月18日,“蛟龙号”载人潜水器在中国南海进行了密集的海上试验:共完成17次下潜,其中7次超过2000米深度,4次突破3000米。刘峰介绍说,“蛟龙号”在3000米级的多项性能和功能指标通过了验证,其中包括耐压结构及设备、水面支持系统、无动力下潜上浮系统、蓄电池及供电设备等18个项目。
“蛟龙号”深海载人潜水器研制专项总设计师徐芑南介绍,海试前,中船重工集团公司702所首先进行了模拟压力测试和密封性能测试。压力测试中,潜水器被放置在一个密闭的压力桶装置里,以水增压模拟7000米深处海水压力的方式,对每个部件进行了70兆帕压力考核。
2009年8月15日,首次海试开始,“蛟龙号”下潜,需要解决的问题逐渐浮出水面。叶聪说,“37次海试中,一共有11人参与了下潜试验,其中潜航员3人,试航员8人,参加海试的参试人员有170多人。”
去年8月15日至24日50米级海试时,水声通信一直不能建立,海试母船无法找到潜水器;8月28日,300米级海试时,一只主蓄电池爆裂;1000米级海试期间,遭遇恶劣天气,只能选择10月3日下水,这一天进行了高速水声通信的试验;2010年6月,3000米级海试例行检查中,发现几滴海水进入高度计中造成绝缘故障。
海试就是不断检测与改进潜水器性能的过程。自2009年7月29日出航以来,“蛟龙号”全面系统调试与性能优化在总共37次海试中逐渐完成。“这只是一个逗号,”刘峰说,尽管部件的压力测试全部通过,但潜水器作为一个整体还要接受7000米压力的考验。此外,密封性能、电机运转、水下摄像机、热液取样器等应用设备还需要进一步调试。
“预计2011年进行5000米级海试,7000米海试也会在合适的时候进行。”刘峰介绍,一旦达到7000米深度,“蛟龙号”深海探测范围可以覆盖全球海洋区域的99.8%。
探秘“蛟龙”
9月13日,中船重工集团公司702所一间老式红砖车间里,“蛟龙号”放置在约2米高的支架上,接受下一次海试的拆卸检修。电池已经卸下,尾翼至中部一侧外壳打开,整个潜水器钛合金结构支架清晰可见。支架间能放置电池、导航、负重块等部件,计算机芯片、声波传输器等部件放置在密封耐压的钛合金罐中。载人耐压密封舱体置于潜水器前部,舱体呈球型,前方和左右分别有一个圆形观测窗。采样篮和两只机械手在前方窗口观测范围内,位于潜水器正前方。
主要技术指标显示,“蛟龙号”潜水器长、宽、高分别是8.2米、3.0米与3.4米,在空气中重量不超过22吨。叶聪介绍说,“蛟龙号”外壳看起来很厚重,实际上由直径微小的空心玻璃微珠和环氧树脂构成。下潜中,海水通过抛卸负重块的缺口处进入潜航器内部时,外壳就能充当浮力物。
记者登上“蛟龙号”顶部,载人舱盖已打开,舱体内部前方放置控制显示器,周围布满仪器按钮与显示灯。徐芑南介绍说,耐压舱直径2.1米,容积4.8立方米,舱中包括操作显示设备、驾驶员座位、生命支持系统等,“三个人的活动空间有限,但基本上能保证正常工作。”
载人舱是潜水器的关键部分,其中,钛合金球壳是根据中国的设计方案,委托俄罗斯制造。徐芑南说,“我想这是一些人对‘蛟龙号’最大的疑问,有几成部件是中国自主制造的?”
在8月26日的新闻发布会上,“蛟龙号”被介绍为“中国自行设计、集成创新、拥有自主知识产权的第一台深海载人潜水器”。
“设计与总体集成优化技术是自主知识产权的关键,”徐芑南说,“从方案设计,到潜水器的初步设计和详细设计,全部由我国工程技术人员自主完成,总装联调和海上试验也是我们独立完成的。”
在设计过程中,科研人员对国际领先的水下电机、水下推进系统、液压源、高压海水泵等技术原理进行了学习和掌握,在关键技术的配套国产化研究方面,也取得了钛合金超塑成形加工技术、深海浮力材料加工技术等多方面的突破性进展。
“蛟龙号”深潜器最终设计集成了12个系统,徐芑南说,其中,关系到乘员安全的生命支持系统、关系到整个潜水器安全的抛载机构等关键部件,是中国自行研制的,并为此获得了授权专利45项,受理专利25项,软件著作权3项。
生命支持系统可为3名下潜人员提供水下的供氧、收集潜水员呼出的二氧化碳,正常情况下可保证3人12小时生命安全,应急情况下提高到3人84小时。
“研制工作的突破形成了潜水器的四个技术特点,”徐芑南介绍,“蛟龙号”具有世界上同类型载人潜水器最大下潜深度7000米;具有针对作业目标稳定的悬停定位能力;具有先进的水声通信和海底微地形地貌探测能力;配备多种高性能作业工具,能够在特殊条件下完成复杂任务。
“作为原型机,蛟龙号也引进了国内还无法加工生产的部分部件和材料。其中,机械手、灯光设备等引进自美国,成像设备等引进自日本。”徐芑南告诉《中国新闻周刊》记者,“同时,我们正在进行引进部件的国产化研制,为下一步的应用做准备。”★