如何看待詹姆斯·卡梅隆下潜10898米
——“蛟龙”号海试现场总指挥刘峰谈卡梅隆马里亚纳海沟探险
2012-11-03撰文刘峰
撰文/刘峰
如何看待詹姆斯·卡梅隆下潜10898米
——“蛟龙”号海试现场总指挥刘峰谈卡梅隆马里亚纳海沟探险
撰文/刘峰
“深海挑战者”潜水器
卡梅隆“蜗居”在直径只有1.09米的载人球壳内
“所有这一切的目标并非仅仅是破纪录以及做一些哗众取宠的下潜。我们同时还希望能够挑战的不仅是科学知识,还有工程技术的极限。”
1954年8月16日,詹姆斯·卡梅隆出生在加拿大安大略省的一个中产阶级家庭。他的父亲是一名电气工程师,母亲是一位艺术家,这似乎注定了卡梅隆天生就兼具工程和艺术两方面的才华。初入电影圈,卡梅隆的才华很快就得到了好莱坞制片人的赏识,他不但是个优秀的特技工程人员,更有出众的想象力。卡梅隆对探知深海奥秘始终满怀着热情。从1989年拍摄电影《深渊》开始,到1997年乘坐俄罗斯深海载人潜水器“和平”号对沉睡于大西洋底的“泰坦尼克”号完成探险拍摄以及《泰坦尼克号》电影获得当年全球最佳票房之后,卡梅隆的深海探险活动就一发不可收拾。
为了探索“泰坦尼克”号的海底残骸,通过实体摄影来加强电影的历史真实性,卡梅隆召集了俄罗斯、美国和加拿大的科学家、摄影师、水手和历史学家,于1995年组织了12次下潜。他们使用俄罗斯2艘“和平”号载人潜水器下潜到约3700米的沉船残骸深处,用一台遥控潜水器进入沉船残骸内部,拍摄到了“泰坦尼克”号沉没后人所未达的地方,获得了最佳拍摄视角和震撼效果。《深海幽灵》是卡梅隆再次下潜寻访“泰坦尼克”号沉船的纪录片,为完成《泰坦尼克》和《深海幽灵》的拍摄,他下潜3700米的海底残骸处的次数超过30次。
对于今年3月马里亚纳海沟“挑战者深渊”的探险,卡梅隆曾表示:“所有这一切的目标并非仅仅是破纪录以及做一些哗众取宠的下潜。我们同时还希望能够挑战的不仅是科学知识,还有工程技术的极限。”
与现代载人潜水器的鼻祖“曲斯特”载人潜水器相比,卡梅隆的“深海挑战者”的总重量不到“曲斯特”总重量的十二分之一。
人类深海探险随科技的进步而不断发展,同时人类对探知深海的渴望也推动了深海技术的不断创新,并促使深海技术装备不断走向成熟。
60年前建造的“曲斯特”载人潜水器可以算得上现代载人潜水器的鼻祖。它排水量达150吨,长18.14米,宽3.51米,高5.64米。潜水器载人球内径为2.1米,可以容纳2人,1952年在意大利完成建造。经过8年的试验和技术改进,1960年1月23日,唐·华尔什和亚格斯·皮卡德2人下潜到挑战者深渊,夺得了下潜深度的冠军,创造了人类进入深海的辉煌历史。
1960年1月23日唐.华尔什和亚格斯.皮卡德2人乘坐“曲斯特”下潜到挑战者深渊,夺得了下潜深度的冠军,创造了人类进入深海的辉煌历史
由于当时技术条件的限制,“曲斯特”体积和重量庞大,给建造与使用带来极大的困难。它的操纵性很差,在海底根本没有自航能力,活动范围极其有限,更谈不上拍照、取样和开展深海调查能力。在它创造了世界深度纪录之后,就逐渐淡出了人们的视线。和“曲斯特”相比,卡梅隆的“深海挑战者”潜水器高7.3米,用玻璃微珠复合材料作为浮力材料,潜水器的总重量仅11.8吨,不到“曲斯特”潜水器的十二分之一。
随着深海技术和材料的不断发展,载人潜水器的设计和制造不再利用汽油为其提供浮力,取而代之的是比重更小、且能够耐压的浮力材料,从而使载人潜水器的体积、重量都远小于先前的“曲斯特”潜水器,水面布放和回收都更加方便,而且还安装了推进器,保证了它们能够在水下自由航行。
卡梅隆的11000米载人潜水器,目的是为了极限探险,不像用于深海科学考察的载人潜水器那样需要几千次的下潜寿命。“深海挑战者”无法匹敌目前用于深海考察载人潜水器每天都需要下潜的频度要求。
在深海载人潜水器的关键技术中,难度最大的无疑是载人球舱设计和加工制造。载人球舱的直径越大,对材料的要求就越高,加工制造难度也越大。简单来说,球壳中材料的应力与下潜深度成正比,与球壳直径的立方成正比。为了减少潜水器总体重量,近年来制造的载人球壳多采用比重小、强度大的钛合金材料。目前用于深海科学考察的几型载人潜水器的载人球舱直径都在2米左右,以保证3个下潜人员的生存活动空间。
卡梅隆的11000米载人潜水器,目的是为了极限探险,不像用于深海科学考察的载人潜水器那样需要几千次的下潜寿命,它的设计寿命也许几次就可以满足要求,因此无须在可靠性方面花太多精力。为了保证载人球壳能够耐受1100个大气压的考验,同时为了减小制造难度,节省经费开支,只能尽可能地减小球壳的直径,自己受委屈“蜗居”在直径只有1.09米的球壳内。这样的载人球壳只需采用普通的高强度钢就可以制造,而无需采用强度高、但价格昂贵的钛合金材料。
对于一次深海探险来讲,“蜗居”在这样狭小空间内67个小时,也许可以勉强接受,但要求他第二天连续下潜,则是不可想象的。卡梅隆此次探险随行的心理学家说:“下次下潜至少要在几个星期之后,以使卡梅隆的身心健康得到恢复。”显然,“深海挑战者”无法匹敌目前用于深海考察载人潜水器每天都需要下潜的频度要求。
卡梅隆的“深海挑战者”潜水器最大的特点在于它装备了8台高清摄像机,其中4台安装在了载人球壳的外面。他的团队为这次探险专门开发了可以在水下拍摄3D影像的系统,以获得最佳的水下拍摄效果。这种技术创新无疑为深海摄像技术的发展做出了贡献。
目前的几型科学考察用潜水器下潜和上浮的速度都在12节之间,如果以这样的速度下潜到挑战者深渊,需要4小时,来回就要8小时,极大地限制了海底作业时间。而“深海挑战者”下潜速度却提高到了4.5节,这一技术大大节省了下潜上浮时间,有效地增加了潜水器海底工作时间。卡梅隆的技术攻关团队,潜心研究8年的时间,终于实现了前人无法达到的目标。这些技术创新无疑在深海技术领域掀起一股强劲的创新热潮,必将进一步推动深海技术的革新和发展。
据不完全统计,目前全世界仍在使用的各类载人潜水器约90艘,有的用于深海科学考察;有的用于海底观光;有的用于海底探险。这当中潜深超过1000米的仅12艘,下潜更深的潜水器数量则更少。
目前拥有6000米以上深度载人潜水器的国家包括美国、日本、法国、俄罗斯。中国建造的“蛟龙”号载人潜水器设计深度7000米,2011年开展了5000米级载人深潜试验,下潜深度达到5188米,2012年夏季将进一步开展7000米级深潜试验。
20世纪60年代是小深度载人潜水器发展的鼎盛时期,20世纪90年代是大深度载人潜水器发展的成熟期。20世纪80到90年代,美国、法国、日本和俄罗斯等国相继发展了用于海洋科学研究和海洋资源调查的大深度潜水器,最具代表性的有美国的“阿尔文”号,日本的“深海6500”,法国的“鹦鹉螺”号和俄罗斯的“和平”号。
法国的“鹦鹉螺”号
在“阿尔文”号接近50年的历史中,创造了诸多辉煌。1977年在加拉帕格斯裂隙,科学家首次发现海底热泉附近生活着丰富的另类海底生物,因为海底没有任何光线,科学家推断这些生物依靠化学合成而非光合作用获得自身需要的能量,这一革命性的发现,掀起了生命起源命题的大讨论。“阿尔文”号的名声大噪还因为它在1966年与其他潜水器在地中海搜寻,一起成功打捞起美国丢失的一颗氢弹。
法国于1985年研制成工作水深6000米的“鹦鹉螺”号载人潜水器,其重量为18.5吨,可载3人,水下作业时间5小时,装有2只分别为6自由度和5自由度的机械手以及用作工具箱、样品存放的采样篮,并配有海水取样器、沉积物取样器、岩石取芯器、温度测量仪以及液压锤和其他切割工具。“鹦鹉螺”号可以进行多种海底样品的采集和其他复杂的作业任务,还能随时获得潜水器本身的精确位置。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,已进行过多金属结核区域、海沟、深海海底生态等调查和沉船、有害废料搜索等任务,至今已下潜过1000余次。
日本的“深海6500”潜水器
前苏联和芬兰于1987年联合研制了2艘6000米载人潜水器“和平1”和“和平2”,重量均为19吨。它们是仅有的2艘用马氏体Ni钢制造载人球壳的潜水器。它们水下瞬时航速高达5节,垂直潜浮速度可从每分钟几厘米到每分钟3540米;备有高分辨率的摄像系统,2只多自由度机械手及一套取样装置,12套测量深海环境参数和海底地形地貌的科学设备。30年来,它们在太平洋、印度洋、大西洋和北极海底进行了上千次的科学技术考察,包括对海底热液硫化物矿床、深海生物及浮游生物调查和取样;大洋中脊水温场测量;失事核潜艇“共青团员”号核辐射检测以及“泰坦尼克”号沉船的水下摄影等。在2007年8月2日由“和平1”与“和平2”载人潜水器联合完成的“北极-2007”海洋科学考察,使这2艘载人潜水器再次引起世人瞩目,并由此正式引发了国际社会在北极的利益之争。
日本在1981年建成的潜深为2000米的载人潜水器样机基础上,于1989年建成了潜深为6500米的“深海6500”载人潜水器,重26吨,水下作业时间8小时,装有三维水声成像等先进的观察装置。可旋转的采样篮使操作人员可以在2个观察窗间任选一个进行取样作业,这是其他载人潜水器无法做到的。它进行过锰结核、热液矿床、钴结壳等资源调查;进行过水深达6500米的海洋斜坡和海底断层调查;从地球物理角度对日本岛礁沿线的地壳运动以及地震、海啸等进行过调查;还在4000余米深海处发现了古鲸遗骨及其寄生的贻贝类、虾类等典型生物群。自投入使用以来已下潜了1420余次。
5000米级海试是中国载人深潜第一次真正意义上挑战深海极限环境的尝试,试验的成功标志着我国深海载人技术已跨入国际第一梯队,步入国际先进行列。我们有理由去期待7000米级海试再创辉煌。
人类探索新知的渴望是推动科学技术进步的重要力量。根据国际上深海技术的成熟度和我国不断发展的经济技术实力,考虑深度指标突破和经济适用等各方面的因素,中国确定了研发7000米载人潜水器的目标,并计划实现5项标志性突破。
7000米载人潜水器将要突破的5项标志性成果
◆在世界上同类型的载人潜水器中具有最大工作深度——7000米,这意味着该潜水器可在占世界海洋面积99.8%的广大海域使用。
◆与其他国家载人潜水器相比具有最为强大的动力;这表明该潜水器能长时间地进行水下作业、具有从事高强度作业的能力。
◆具有针对作业目标稳定的悬停定位能力,为该潜水器完成高精度作业任务提供了可靠保障。
◆具有先进的水声通信和海底微地形地貌探测能力,高速传输图像和语音,探测海底的小目标。
◆配有多种高性能作业工具,确保载人潜水器能在特殊的海洋环境或海底地质条件下完成保温保压取样和潜钻取芯等复杂任务。
“蛟龙”号在5000米级海试中完成5次下潜,5次穿越4000米深度,4次到达5000米深度,创造了最大下潜5188米的深度纪录。“蛟龙”号各种设备的耐压、密封等关键技术经受了考验和验证,潜水器总体状态稳定,试验内容全面完成。5000米级海试是中国载人深潜第一次真正意义上挑战深海极限环境的尝试,试验的成功标志着我国深海载人技术已跨入国际第一梯队,步入国际先进行列。
恶劣的海况、极端深海环境的技术挑战成就了中国载人深潜队伍的迅速成长。我们有理由相信,从中国载人深潜精神中一路走来的中国载人深潜队伍,一定能够在7000米级海试中创造新的辉煌。