[探索] 未来的潜水器:向地球的最后疆域进军

发布时间:2015/12/2 9:44:09

曾几何时,上九天揽月,下五洋捉鳖只是诗人的美好幻想。 而今,人类的足迹已经从地球跨入太空,揽月不再成为神话。蓝色的大海不只是生命起源的摇篮,也是人类尚未探索利用的最后空间。如果说航天器是伸向宇宙的翅膀,那么深海潜水器就是人类重回母亲怀抱、回归自我的触角。 或者为了开发能源、或者为了生物探索、又或者只是为了欣赏那片蔚蓝下的广袤无垠,不管出于何种目的,让我们对海洋时代的先行者们致以崇高的敬意吧。

 

另一个联盟在海底:未来的科学研究潜水器开拓地球的最后边界
装上更好的蓄电池,用上更坚硬的材质,新一代潜水器就能比以往下潜得更深,人类的眼界因此可以开阔到整个未勘探的海洋。
--阿贝斯特里普Abe Streep Posted 

低飞:像机翼推动飞机升空一样,深水飞行2潜水器用一双短粗的翅膀就可以在水中推动自身下沉。Nick Kaloterakis

据 粗略估计,人类已经勘探的海域只占海洋总面积的大约5%,而差不多所有已勘探区域都在海底1,000英尺以上。那是一片阳光照射穿过的蓝色世界,生长着彩 色的礁石和人类所知的所有鱼类。在那个世界以外的海洋是片幽深的漆黑区域,一直延伸到大约35,800英尺以下的马里亚纳海沟底部。绝大多数的海洋研究现 象几乎都发生在这一区域――海底热流喷发区、在极高温度下能生存的稀有生物、可以医治肿瘤的海绵体以及数千新物种。那里还有泰坦尼克号,它沉在海底 15,000英尺左右。在过去50年大多时侯,那个深度是世界上少数可以载人的潜水器的下潜极限。


如今,工程师们以新型载人潜水器来揭开未勘探海域的真面目,并不需要潜入最底部。实际上,只有2%的海底区域在海面20,000英尺以下,那个地带都是幽深阴暗的海沟。如果在目前勘探基础上再下潜5000英尺,即再深一英里,就可以在科学家眼前展开98%的海洋世界画面。


这一探索的回报是巨大的。矿业公司希望在海底热流喷发区搜寻镍那类矿藏;天然气和石油公司急于探测海底新能源;海洋生物学家要研究天气改变 如何影响深海生态系统;还有人们天性里纯粹的好奇心。当人类的足迹已经遍布世界上所有的高峰、遍及地球两极,深海就成为一片时机成熟的开发边界。


发射一种潜到海洋深处的潜水器扼需资金和工程技术。船艇本身要够小,这样蓄电池动力才好驱动;船体又要够坚硬,足以抵抗下潜时承受的水压 ――23,000英尺深度时每平方英寸要承受10,340磅水压,效果相当于在人头顶压上一辆校车。载人潜水器还要符合更高标准,必须保证潜航人员的生 命安全。


1960
年,美国海军上尉唐沃尔什Don Walsh和瑞士工程师雅克皮卡尔Jacques Piccard进行了历史上第一次人类对世界上最深地带的考察。他们驾驶着一艘长50英尺的潜艇一样的深海船蒂里雅斯特号 (Trieste)潜到35,800英尺深,直到马里亚纳海沟底。在玻璃观察窗因为水压而破裂,最终浮出水面以前,他们在世界的底部逗留了30分钟。自那 以后没有人能超越这个记录活着返回。


他们该这样冒险吗?关于下一代深海勘探是由机器人、人类还是两者一起参与,海洋学家们展开了激烈争论。科学家罗伯特巴拉德Robert Ballard主张用远程操纵潜水器(ROV)。他乘着载人潜水器发现了第一个海底热流喷发区,并探测了泰坦尼克号残骸,由此赢得声誉。巴拉德的举证很简 单:ROV内没有消耗动力的生命支持系统,因此可以在海底逗留更长时间――这样就比载人潜水器有更多机会勘探那些未知区域。通过光纤电缆,机器人向母船发 送高清晰图象和视频,船只接着通过高速光纤电线向一系列控制中心发送数据。在控制中心,海洋学家们可以实时分析数据结果。巴拉德说:我感兴趣的是在海底 能呆多久,不是潜水的心理体验。


其他科学家认为,如果由人坐在驾驶位上就更容易从海底收集标本,而且没有机器可以复制像人类视野这样的全景视角范围。2004年,知名的海 洋科学家西尔维娅厄尔Sylvia Earle乘潜水器下潜到佛罗里达外海1400英尺的海底,凭眼角的余光辨认出一只6英尺的翻车鲀,而此前一直认为这种海洋翻车鱼类只生长在海表附近。载 人探测器的众多支持者中,厄尔是最负盛名的一位。她的例证归结为一个简洁的比喻:你愿意派个机器人代你到法国品尝葡萄酒吗?


未来的潜水器


如今只有五艘载人潜水器能潜入15,000英尺的海底:法国的鹦鹉螺号(Nautile)、两艘俄国潜水器、美国伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole)的阿尔文号(Alvin)。巴拉德曾乘坐阿尔文号下潜21,000英尺进行海底勘探。(据报道,中国政府正在开发可以下潜到23,000英尺海 底的类似潜水器。)


这些潜水器都以同样的方式工作。一艘工作母船把潜水器投入海中。起锚后潜水器开始下沉。下沉到中间深度探测时,驾驶员抛出部分重块,潜水器 在此深度悬停,使水泵吸入或者排出的水的重量和周围海水的相同。以蓄电池为动力的马达很快从两侧推动潜水器,压水系统内吸入更多的水后整体沉入海底。在科 学家们勘探海底并用机器手取样后,驾驶员切断剩下的锚索,潜水器就此浮出水面。


这种类似升降机的模式确实有效,但由于潜水器本身载人,电子元件和马达要在一定范围内抗压,外壳又是球形钛材料,这些要求综合在一起使整体 重量变重――阿尔文号重约36,000磅,需要庞大的工作母船。受蓄电池技术限制,传统的潜水器不能让科学家有很多时间逗留海底,阿尔文号目前的海底作业 时间是4小时。因此深海载人勘探的效率非常低,类似于靠仅仅五辆吉普车来勘探非洲大陆。

下潜最深的潜水器:涅柔斯Nereus成为世界上第三个到达马里亚纳海沟底部的潜水器。Courtesy Christopher Griner摄于伍兹霍尔海洋研究所

新技术改变了设计者此前对潜水器的看法。2008年,伍兹霍尔研究所的工程师们公布了对阿尔文号总价2100万美元的改造计划。这将升级它的球形 观察窗和收集采样系统,使它的机动性更强,能在21,000英尺的海底工作。(阿尔文号目前最大下潜深度为14,760英尺。)此外,新型钛合金有更高的 抗压强度和更轻的重量(参见对页的科学潜水器),改造的关键是快速发展锂离子蓄电池技术。工程师们选用锂离子蓄电池,因为它比现有的铅板蓄电池轻,还 可以传输两倍于从前的动力,这样就能有更多时间在水中向侧面移动、在海底开动仪器。由于缺乏足够资金投入,改造计划将分两个阶段进行。(海洋学家们指出, 美国国家航空暨太空总署(NASA)今年的预算是176亿美元,而美国国家科学基金会发放给伍兹霍尔研究所用于海洋研究的经费只有3亿300万美元。) 第一阶段是升级蓄电池和球形观察窗,定于2011年完成。到第二阶段改造于2015年优化完成以前,阿尔文号还不会提升它的最高下潜深度。


格雷汉姆霍克斯Graham Hawkes创立的霍克斯海洋技术公司设计出飞机外形的潜水器。这位出生在英国的工程师(也是厄尔的前夫)在总结潜水器趋势时还稍有些自鸣得意。几百年 后的人们最终会认识到这是个海的星球,迎来一个海洋勘探的伟大时代,他说,人们将建起一艘雄伟的潜艇,深入海底后会发现一块小小的名牌,上面写着: 霍克斯曾在这里。’”


霍克斯的目标是为任何一位能花几百万美元买一艘小潜水器的客户打开通向深海的空间。他的模型从商业和工程两方面出发考虑,是一架私人喷气式 飞机。他设计的潜水器有固定的两翼和光滑延展的机身,和飞机的一样。驾驶员坐在狭小的抗压壳体内。其他所有配件,包括马达、电子元件和那些让潜水器能上浮 的轻质泡沫材料在内,都装在机身以外的壳体里以减轻重量。潜水器本身有绝对浮力,比下潜时周围的海水重量轻。它的两翼是倒转的,电动推进器使潜水器不会漂 浮到水面。像飞机需要向上的推力让它能升空一样,霍克斯的潜水器运用向下的推力来让自己下沉。


霍克斯最近刚完成的一艘浅水潜水器是4000磅重的超级猎鹰”Super Falcon(标价:150万美元)。它采用了飞行器的设计,能下潜到水下1000英尺。但是建一艘轻量级的深海潜水器是一个更大的挑战。霍克斯说,通过 采用坚固的陶瓷金属化合物和抗压锂离子蓄电池系统,他已经解决了这个问题。


四年前,他开始为探险家史蒂夫福塞特Steve Fossett建一艘深海潜水器,重8000磅的挑战者Challenger),因为史蒂夫打算下潜到马里亚纳海沟底。在宾州州立大学应用研究实验 室的压力测试中,由于在球体附近的钛金属发生加工问题(霍克斯把它叫做一个生产上的瑕疵),潜水器的玻璃球形观察窗出现了破裂。


自从2007年福塞特因为一场私人飞机失事丧生后,霍克斯停止了挑战者的研发工作(福塞特的遗孀如今拥有它的原型机),转而专注于超 级猎鹰,现在它已经上市。霍克斯的目标是用在挑战者项目中所了解到的制造一种新型商业潜水器,名为深水飞行2。它能在海底任何深度自由穿行。挑战者采用的弃重系统可以帮助自身下沉,与阿尔文号使用的方式类似。深水飞行2将用更强劲的聚合物锂蓄电池来合理替代重块,这样它的推进器就能 推动下沉,在水中也更加灵活。
即使如霍克斯所希望,在今后两年中建造这样的潜水器,它还是小得不能拖动很多科研仪器。阿尔文号虽然笨重,但可以在 观察壳体内装载很多摄像机和监视器。霍克斯设计的潜水器里,行李空间小得可以忽略不计,这让一些科研圈子里产生了这样的看法:他做的是炫技潜水器。霍 克斯本人认为这种批评出于过时的观念。他指出,像相机那样的仪器体积正在越来越小,效用正越来越高,而且深水飞行2会用机器手来工作。


不管潜水器受到怎样的批评,霍克斯的设计仍然会是海洋生物学家的巨大福音。用阿尔文号那样的潜水器,他们观测时几乎完全无法移动,而深度 飞行2能让科学家们任意漂游。加利福尼亚蒙特雷湾水族馆研究所的海洋生物学家布鲁斯罗宾逊Bruce Robinson说:阿尔文号是很适合勘探深海海底的潜水器,但是它不能在中间深度有效工作。大多数海洋生物活动在那个深度。我们没有很多潜水器能在海 洋中自由工作,就像居住在那里的动物一样来去自如。


最终,政府资助的科研潜水器和像霍克斯那种指引新兴水下领域的私人探险用潜艇还是有差异。要覆盖到的区域毕竟很多。海洋占了这个星球的三分之二面积,它们都没有开发,霍克斯说,我们想了解未知世界。

阿尔文号:尺寸:24 英尺长,9英尺宽,12英尺高 重量:20吨 水下作业时间:10.5小时 载员:1名驾驶员,2名研究人员 最大下潜深度:21,000英尺 (自2015年开始)上浮下潜速率:157英尺/分钟  Peter Bollinger


阿尔文号-科学潜水器


重组一套已经运转45年之久的深海研究设备需要整整2100万美元,预计2015年完工后,新的机体和所用的更轻的蓄电池会让它下潜更深 (深至21,000英尺),水下作业时间更长(长至10小时),速度提高50%1.78英里每小时。――马歇尔路易斯里夫斯Marshall Louis Reaves


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照明灯:十束LED灯照亮深海。它的效率是从前用的灯泡的五倍,使用时间是从前的四倍――可用五年以上。每盏灯可以视情况精确操控,为研究员和高清晰相机聚光。
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主体:由于使用了复合泡沫塑料,主体可以保持漂浮状态。这种材料由数十亿嵌入环氧树脂的微小充气玻璃球组成,看起来像硬性泡沫塑料,被用于石油钻塔和潜水 设备。阿尔文号则会采用由两种不同尺寸的玻璃球结合而成的新型材料,这让它们以一种前所未有的比强度结合得更加紧密。
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推进器: 六个电动推进器让舰体可以向任何方向移动。一般潜水器的移动范围只有一百多码,而阿尔文号即使没有蓄电池的动力也可以行进两英里。
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机器手:新的阿尔文号有一套更有力更灵活的机器手,它的存放篮可以往返海面运送400磅的设备或者标本。它们配有测海底热流的传感器和岩心采样仪这样的工具。
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球壳:直径七英尺的载人球壳以坚固的轻量钛合金打造,精确无误地加工而成。完好的球壳体如果有哪怕每英寸1/50的制造误差,也会因为所处深海里高强度的水压而出现结构崩塌。
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观察窗:五个观察窗――比现有的潜水器多了两个,也宽了一英尺多,大了好几英寸――这样研究员就能透过将近四英寸的树脂玻璃在深海里拥有更广的分割开的视野。新的座位排列让驾驶员不需要起立就能在驾驶位上从左边看到右边。
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压水系统:钢铁的重量可以让阿尔文号下潜海底。一旦到达底部,在卸下部分设备后,压水系统就开始调节浮力,从玻璃纤维压载水箱中释放空气使潜水器停留在海底。要上浮的时侯驾驶员就释放钢铁重块。
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蓄电池:最大的升级改进就是采用锂离子蓄电池,它可以提供老式铅板蓄电池两倍的动力,而重量只有铅板蓄电池的一半。使用它能让下潜时间达到10个多小时(比目前的阿尔文号长五小时),最高航速为三节,比目前的两节航速有提高。

深度飞行2号:尺寸:16 英尺长,4.5英尺宽,4英尺高 重量:5,000磅 水下作业时间:8小时 载员:1人-2人配置 最大下潜深度:初始6,500英尺,最后35,800英尺 上浮下潜速率:上浮500英尺/分钟,下潜400英尺/分钟 Nick Kaloterakis


深度飞行2号-水下飞机


格雷汉姆霍克斯Graham Hawkes希望制造一种价格相对适宜的深海潜水器。它的重量轻到连游艇都可以进行发射,驾驶操作又简单,可以向那些私人探险者敞开海底世界的大门。他的 有翼舰体可以单独驾驶或者成对出游,沿着海底航行数英里。-Marshall Louis Reaves
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蓄电池:霍克斯运用最先进的锂离子蓄电池――锂聚合物电池。装备了这种电池就更有助于控制浮力。
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主体材料:主体材料复合陶瓷由美国海军开发,经霍克斯的团队进一步完善,拥有比钛更高的比强度。主体被密封的壳体和蓄电池等其他设备包围。
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驾驶位:驾驶员腹部水平以下系好安全带,通过控制两翼的操纵杆来驾驶潜水器。俯卧的位置映射出潜水者和鱼的自然姿势,让驾驶员的眼睛尽可能靠近观察台和机器手。它也让密封舱的体积减到最小,从而减轻了大约5000磅重量。
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推进器:在工作设定下,侧面四对悬停的电动推进器――五片桨的推进器――确保了只要小心操作就可以靠近海底,当潜水器悬停在绝壁边时让艇身稳定在几分之一英寸距离以内。设定为观察时,两个高速推进器推动潜水器以每分钟600英尺的速度向前航行。
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两翼:粗短的两翼让潜水器可以在水下向任何方向飞行。潜水器不像软式小飞艇那样缓慢下潜或者上浮,而是用水快速流过两翼来制造反向助推力――作用在飞 机机翼上相反方向的力――然后根据拍打位置不同而向上或向下移动。这种潜水器下潜速度为每分钟400英尺,是现有潜水器的四倍。
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灯和相机:两翼和朝前的LED灯让驾驶员和艇上的高清晰相机可以在漆黑环境下看清40英尺范围内景象。用雷达探测前方水中有无障碍物,以及用低噪音声纳扫描水中有无生物,这样驾驶员就可以快速打开灯光,在水下动物游走以前拍下照片。
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壳体:因为水压传递到密封壳体表面的方式不同,圆柱形舱体需要比圆形舱体坚固一倍。霍克斯用了一种特殊的碳复合材料,原本是开发用于航空领域中火箭的喷管 盖。与抗扯裂效果最佳的碳纤维相比,它的抗压性更高。通常碳纤维用在纤维重叠时弥补疵点的交织物上。用计算机操控把每根编在一起的头发丝粗细的纤维放在另 一根纤维上,以这种方式制造出这样的新型材料。碳复合材料比钛还轻,它增加了浮力。