探海蛟龙是如何练就的

孔鸿滨

2011年7月28日上午，我国首台自主研发的载人潜水器“蛟龙”号，在5000米级海试中第三次潜入深海，再次将中国载人深潜的记录刷新为5188米。“蛟龙”号在中国大洋协会多金属结核勘探合同区圆满完成了海底照相、摄像、海底地形地貌测量、海洋环境参数测量、海底定点取样等各项试验任务。“蛟龙”号不断创造着新的纪录，标志着我国已经成为继美、法、俄、日之后第五个掌握深度载人深潜技术的国家。美国媒体称，中国载人潜水器的深海试水意味着美国在深海勘探的领先地位已被超越，这场颇具商业、科学和军事意义的竞赛甚至可以与中国规模浩大的登月工程相媲美。法新社发表评论文章指出，“蛟龙”号取得的最新深潜纪录，从理论上标志着大洋底部丰富的资源都在中国可接触的范围之内了。

横空出世

深海探测技术是海洋开发技术的前沿与制高点之一，体现着一个国家的综合技术实力。深海探测技术领域主要包括载人潜水器、遥控潜水器和自治式潜水器三种类型。“蛟龙”号是一台由我国独立设计、自主集成研制的载人潜水器。“蛟龙”号于2002年立项，早在2007年下水试验前，它还只有一个通用名HOV （Human Occupied Vehicle，载人深潜器）。“蛟龙”号载人潜水器长8.2米，宽3米，高 3.4米，重量不超过22吨，可承载一名潜航员和两名科学家共3人，除了人员外，还可负载220千克。从整体看，“蛟龙”号外表就像一条凶猛的鲨鱼，它是完全按照仿生学的原理来设计建造的。“蛟龙”号在水中行进的速度并不快，其设计巡航时速为1节（1节=1.852千米/小时），最大时速为2.5节，比常人骑自行车还慢。“蛟龙”号设计的最大工作深度为7000米，从理论上来说它的工作范围可覆盖全球99.8%的海洋，其所携带的电池可保证在水下正常工作12小时。

身怀绝技

下深海的难度不亚于上青天，这也是人类对深海的了解还不如月球的重要原因。深不可测的海水是深潜的最大屏障，除了越来越大的压力，电磁波的传播都异常困难，即使是阳光也只能在深海中传播不到200米的距离。我国科研人员在短短的数年时间内突破了载人深潜器总体设计、耐压结构、生命保障、系统控制等一系列重大技术难题。“蛟龙”号的成功深潜是与其所拥有的“绝活”密不可分的。

作为全世界屈指可数的载人深潜器，“蛟龙”号具备了适应深海作业的基本功能：

抗拒海水高压的“金钟罩铁布衫” 对深潜来说，耐压和密封是考验深海载人潜水器性能最重要的两个指标。物理常识告诉我们，海水中每增加10米水深就增加约1个大气压。“蛟龙”号设计的最大下潜深度为7000米，在这个深度下，巴掌大小的面积将承受70多吨的压力，这对于机器的每一个零件都是莫大的考验。“蛟龙”号看似平淡无奇的外壳安装了70多毫米的钛合金壁，每平方米都可以承受１万吨的压力，足以应付7000米的深海环境。相比之下，“神舟”飞船在太空中也只需承受约1个大气的负压力，所以有科学家认为，“入海”的难度并不亚于“上天”。

堪与航天工程媲美的生命支持系统 “蛟龙”号拥有独特的生命支持系统，其设计标准不亚于“神舟六号”宇航员安全保障系统。在大洋深处，狭窄的舱内必须保证氧气、二氧化碳达到一定浓度，同时也要保持舱内拥有正常的舱压、温度、湿度，还要保证不能有异味。“蛟龙”号潜水器中装配了生命支持系统和两套氧气供给系统，力求万无一失。 该生命支持系统可为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，生命支持系统可保证3人12小时生命安全，应急情况下可提高到3人84小时。

来去自如的下潜上浮技术 由于深海巨大的压力，载人潜水器要想自由上下并非易事。“蛟龙”号采用了无动力下潜上浮技术。在潜水器的两侧配备了4块压载铁，其重量可以根据不同的下潜深度与要求调整。在下潜过程中，压载铁使潜水器具备负浮力，以一定速度下潜；当潜水器到达设定深度时，可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相关作业；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。除了坚固，“蛟龙”号还具备非常轻便的特性，它共装有12立方米特殊的玻璃微珠材料，每立方米可以产生400千克的浮力，足以让它在深水中保持平衡。

明察秋毫的“火眼金睛” 在电磁波都无法穿透的漆黑深海里，要能识别出前方的物体必须要有过人的本领。“蛟龙”号装配有非常齐全的探测设备。8只水下灯可以确保潜水器前15米范围内的照明。在船首周围分布的5台摄像机和静态照相机，为操作者提供全方位图像信息。探测障碍物的图像声纳具有200米的探测范围。潜水器上水深侧扫声纳能探测各种地形上的许多种微小的目标。同时,在潜水器上还安装有7个测距声纳。

死里逃生的多种手段 在遇到紧急情况时，“蛟龙”号提供了三种安全措施来确保工作人员的安全：通过抛弃蓄电池等重物，可以获得近2吨的浮力以确保上浮；作业时如果机械手被水下物体缠住，潜航员可以选择从手腕或者手臂处断开，抛掉机械手以求脱身；在“蛟龙”号的顶部装有5000米长的缆绳，一旦出现紧急情况，浮标就会带着缆绳浮出水面，这时母船上的绞车就可以帮助“蛟龙”号化险为夷了。

游刃有余的机动性能 “蛟龙”号拥有“6自由度空间运动能力”，既可以在三维直角坐标系上直线行走，比如通常所说的前进后退、上浮下潜、左移右移，又可以围绕直角坐标系3个轴旋转，比如改变舵向、左右摇摆、抬头低头等。除了行动灵巧外，“蛟龙”号还具有相当于人的肩、肘、腕等的“关节”，手脚灵便，伸缩自如。它共配备了7个功能机械手，分别是1个沉淀物取样工具、5个热液取样工具和1台海底钻孔机。在“蛟龙”号第4次下潜过程中，潜航员曾利用机械手捕获过海参等生物，并精确地把采集到的样品放在生物篮里。

傲人之处

除了上述提到的六项基本功能，与国际上现有的大深度载人潜水器相比，“蛟龙号”在技术上还拥有3个显著的领先优势。

近底自动航行功能和悬停定位功能 如同开车一样，驾驶员的脚总放在油门上，难免产生疲劳感。“蛟龙”号的驾驶员无疑是幸运的，它具备自动航行功能，驾驶员设定好方向后，可以不必驾驶而放心进行观察和科研。“蛟龙”号现在可以完成3种自动航行：自动定向航行，驾驶员设定方向后，“蛟龙”号可以自动航行，而不用担心跑偏；自动定高航行，这一功能可以让潜水器与海底保持一定高度，尽管海底山形起伏，自动定高功能可以让“蛟龙”号轻而易举地在复杂环境中航行，避免出现碰撞；自动定深功能，可以让“蛟龙”号行驶中保持与海面固定距离。更令人称奇的是，“蛟龙”号还能悬停定位。“蛟龙”号配置了7个推力器，具有6个自由度的自动调整，便于目标搜索和定位，实现对海底微地形地貌的扫描和机械手的水下采样。一旦在海底发现目标，“蛟龙”号无需像大部分国外深潜器那样坐地作业，而是由驾驶员行驶到相应位置，“定住”位置，与目标保持固定的距离，这样便于机械手进行操作。在深海，洋流等外因可能导致“蛟龙”号摇摆不定，同时机械手运动也可能带动整个潜水器晃动，所以能够做到精确的“悬停”真令人称道。在已公开的消息中，尚未有国外深潜器具备类似功能。

高速水声通信功能 陆地通信主要靠电磁波，速度可以达到光速，但这一利器到了水中却没了用武之地。“蛟龙”号潜入深海数千米，如何与母船保持联系是一个技术难题。由于电磁波在水中传播时衰减严重，在海水中只能深入几米，而声波是人类迄今为止已知的唯一能在水中远距离传播的能量形式，所以海洋中检测、通信、定位和导航主要利用声波。在海水中，声音传播速度只有1531米/秒，如果身处 7000米深度，喊一句话来回需要近10秒。限制水声通信研究和发展的根本原因在于水声信道的复杂性、多变性及多样性。具体来说，水声信道具有声速小、带宽受限、时变多径传播、环境噪声高等特点。近20年来，对于高速水声通信来说，主要提出了基于自适应时域均衡的单载波传输体制和基于正交频分复用的多载波体制。经过多年的实验，“蛟龙”号采用了由中国科学院声学所研发的水声通信和信号处理技术，可以接近实时地将水下的语音、图像、文字等信息传输到母船上，在4秒钟之内就能被水面上的母船所接收。与国外载人潜水器的水声通信系统相比，其功能和性能都是首屈一指的。值得一提的是，“蛟龙”号深海载人潜水器的声学系统包括：水声通信机、高分辨率测深侧扫声纳、避碰声纳、成像声纳、声学多普勒测速仪。其主要功能分别为：实现潜水器与母船之间的图像、语音、文字和指令通信，测量海底微地形地貌，测量各方位障碍物的距离，探测前方的目标，测量潜水器的三维运动速度和下方的海流速度剖面。

大容量充油银锌蓄电池 “蛟龙”号在深海要生存近10个小时，还要不停运动和作业，但又不能携带太重的燃料，因此能源供给是个大难题。与太空空间站可利用太阳能不同，深海载人潜水器在海底只能靠自身携带的能源。“蛟龙”号搭载了由中国电子科技集团公司第十八研究所研制的大容量充油银锌蓄电池。它采用充油压力补偿的耐压工作方式，为了保证电池能在海底7000米的高压环境中安全可靠地工作，具备耐压结构和气液分离结构。该蓄电池相比国外同类产品，在比能量、下潜深度和容量等指标上都有提高，性能指标达到国际同类电池的先进水平。银锌蓄电池的电量超过110千瓦时，是目前国际潜水器上容量最大的电池之一，可以使“蛟龙”号有更长的水下工作时间和操作更多的仪器设备。目前，日本的潜水器蓄电池为86千瓦时，法国、美国均为50多千瓦时，只有俄罗斯的深潜器可以与之媲美。充油银锌蓄电池的成功研制为7000米载人潜水器的研制打下了坚实的基础。

历史使命

研发深海载人潜水器是保卫我国海洋国土和资源的迫切所需。深海载人潜水器是运载科学家、工程技术人员和各种电子装置、特种设备快速、精确地到达各种深海复杂环境，进行高效勘探、科学考察和接近海底作业的装备，是和平开发和利用深海资源的重要技术手段。

“蛟龙”号载人潜水器可以执行多方面的使命：运载科学家和工程人员进入深海，在海山、洋脊、盆地、热液喷口等复杂海底地形完成航行、坐地、悬停等机动，有效执行海洋地质、海洋地球物理、海洋地球化学、海洋地球环境和海洋生物等科学考察；完成热液喷口的温度检测，收集热液喷口附近的海水样品，在保温保压的条件下取回样品；进行浮游生物、沉积物、吸附在岩石上的微生物样品的采集；进行锰结核、热液矿的勘察和测量，完成钻取岩石芯样的水下作业；水下设备检测、维修、海底电缆和管道检测和其它深海观察，以及沉物打捞等水下工程作业；执行军事侦察、扫雷、布雷等任务，试验和回收鱼雷、水雷、深弹等水中兵器，营救失事潜艇的艇员，观察武器的水下发射情况等。

百舸争流

目前，全世界共有各类载人深潜器13艘，其中有11艘由日本、法国、俄罗斯和美国的不同组织使用。

美国是较早开展载人深潜项目的国家之一。1964年建造的“阿尔文”号载人潜水器是他们的代表作，可以下潜到4500米的深海。1985年，它曾因发现“泰坦尼克”号沉船的残骸而登上《时代》周刊封面。如今它已经进行过近5000次下潜，是当今世界上下潜次数最多的载人潜水器。美国于1968年还建造了6000米级潜深的载人潜水器“海涯”号，重量为26吨。由于建造时的技术条件限制，其性能落后，1974年改装后归海军使用，现已退役。

日本于1989年建成了下潜深度为6500米的“深海6500”号载人潜水器，重量也为26吨，水下作业时间为8小时。装有三维水声成像等先进的研究观察装置，可旋转的采样篮，使操作人员可以在两个观察窗视野下进行取样作业。它曾下潜到6527米深的海底，创造了载人潜水器深潜的世界纪录。

俄罗斯是目前世界上拥有载人潜水器最多的国家。比较著名的是1987年建成的“和平1号”和“和平2号”两艘6000米级潜水器，带有12套检测深海环境参数和海底地貌的设备，最大特点就是所携带能量比较充足，可以在水下作业17～20小时。影片《泰坦尼克号》中很多镜头就是取自“和平1号”和“和平2号”的探测镜头。近期，俄罗斯仍在继续研制更为先进的深海潜水器“领事”号，并打算在6000米深海载人潜水器的基础上，进一步研究潜深超万米的潜水器。

法国1985年研制成功的“鹦鹉螺”号潜水器最大下潜深度可达6000米，重量为18.5吨，可载3人，水下作业时间为5小时。它具有重量轻、上浮下潜速度快、能侧向移动、观察视野好、可携带一个小型水下机器人等特点，已完成多金属结核区域、深海海底生态调查以及搜索沉船、有害废料等任务。

深潜轶事

由于受到空间的限制，“蛟龙”号内径仅2.1米的球体舱必须能承载一名潜航员和两名科研人员。生命支持系统是保障下水人员正常工作的基础，其设计标准不亚于“神舟六号”宇航员的安全保障系统。舱内必须保证氧气、二氧化碳达到一定的浓度，同时还要保持舱内拥有正常的舱压、温度和湿度。“蛟龙”号狭窄的空间要求下水人员身体不能有异味；体重不能超过80千克；不能患有幽闭恐惧症；还要具备一定的精细操作能力。每次下潜前，下水人员都不能吃刺激性味道和容易导致肠胃不适的食品。舱内不便上厕所，虽然下水人员每次下潜都会准备巧克力、压缩饼干等高热量的食物和饮用水，但为了减少排泄，他们都不敢多吃，将近10个小时都不能喝水。温差是下水人员必须面对的另外一个问题。随着下潜深度的增大，海水温度从海面上的30℃会逐渐下降为5000米深度的1.4℃。由于潜水器舱内狭小，潜航员要贴着舱壁原地不动的坐着，经常是贴着的一半身体冰凉，另一半却非常热。

特殊的工作环境使得潜航员的选拔培训都极其严格，他们要在长达四年的时间里接受系统的心理、生理和专业知识等培训。培训的内容包括潜水器相关理论知识、设备检查维护、潜水器操作、水面支持设备的使用等方面。面对深海未知、漆黑的环境，潜航员心理素质的培训尤显重要。

展望未来

“蛟龙”号在试水5000米级深度成功后，国人“可下五洋捉鳖”的愿望已经成为现实。有报道称，我国将在2012年向更深的7000米级潜水器极限深度进发，将超过日本在该领域所创造的世界记录。

必须指出的是，中国深海研究与世界水平还有着显著的差距——我国尚未形成完整的深海观测网络，甚至没有专门的深海研究机构。长期以来，中国的海洋战略重心一直放在浅海，深海领域的研究并未受到足够重视，目前95%左右的海洋科研经费仍是投向近海。反观国外，印度在印度洋上早已捷足先登，就连俄罗斯也常常跑到南海进行科学考察……

从技术上来说，“蛟龙”号虽然在5000米级海试期间保持总体状态稳定，但仍有部分技术项目有待完善。例如采样篮抛弃机构设计仍需改进，取样作业工具仍待专门开发，潜水器GPS定位功能急需增设，液压系统、潜水器涂装仍需改进等等。

前路漫漫，我们期待着“蛟龙”号能够给我们带来更多来自深海的惊喜。