跟随万米载人潜水器去探险

肖溪树

2012年，我国的“蛟龙号”载人潜水器创造了我国最深的7062米深潜纪录。如今，历经3年多时间，我国万米级载人潜水器也研制成功并进行了水池试验！这台万米级载人潜水器将成为继“蛟龙号”“深海勇士号”之后的又一“国之重器”。

下图中这个外形近似于卵形，同时科幻感十足的大型设备，就是我国新一代万米载人潜水器的真身。全新一代万米载人潜水器也被称为全海深载人潜水器，主要是因为其最大可达10000米级别的潜深，不仅相比“蛟龙号”（7000米级）有着极大的提升，更重要的一点在于，新一代万米载人潜水器可以幫助我们征服最大深度为海平面以下11034米的马里亚纳海沟。

入海难，    难于上青天

也许有同学会说，无边的海洋深度最多也不过1.1万米，如今飞天登月都已付诸实施，怎么走进海洋就如此之难呢？要说挑战深海，还真的是比登天还难！相对于陆域和空域来说，深海的环境要复杂得多，黑暗、高压、寒冷、神秘、宁静……就拿海底的压强来说吧。海水深度每增加10米，压强就会增加1个大气压。那么，1.1万米海底的压强就是1100个大气压，大约为110兆帕。

110兆帕是个什么概念呢？形象点来说，相当于1个手指甲盖小的面积上要承受1100千克重的物体所产生的压力。几乎相当于把一辆普通汽车压在一个人的指甲盖上，这是一个大得惊人的数字。

面对如此大的水压，别说人到深海会被压扁，就连载人潜水器也面临极限挑战。难怪如今能上天的人不少，而能到海底的人却屈指可数。

载人球舱    打造深海“堡垒”

挑战深海，必须建造一个坚不可摧的“堡垒”以此来保护潜水员的生命安全。这个“堡垒”就是载人耐压舱，这可是载人潜水器最核心的部件！

与大多数载人潜水器类似，新一代万米载，人潜水器同样也是以球形载人耐压舱为核心，同时配备有包括动力系统、生命支持系统、导航通信系统、观察摄影记录系统、作业机械臂乃至实现上浮/下潜的压舱物在内的各种必需设备。

之所以将载人耐压舱设计成球形，主要是为了更好地抵消来自海水中各个方向的压力，从而保证下潜人员的安全。球形薄壁壳体结构自身的几何特性，决定了其具有质量轻和承压高的特点。在生活中，同学们也许有过这样的体验吧，用手掌紧握鸡蛋时，不容易把鸡蛋捏坏，其中的道理就是如此。因为蛋壳的薄壁结构在受到一个围压作用时，其拱形曲面可以分散外力的作用，使得结构更加坚固。

全新一代万米载人潜水器的球形载人耐压舱直径近2米，就大小而言，已经是目前全球范围内体积和空间最大的。这一部分全部由被誉为“海洋金属”的高强度钛合金材料制成，其强度之大，足以承受1.1万米深海环境下高达1100个大气压。

之所以选用钛合金来制造载人耐压舱，是因为钛合金不仅强度高，而且弹性好，可以赋予载人球舱坚固的外壳，即便在下潜和上浮的过程中，也能保持硬度而不变形。而且，在钛表面形成的氧化膜可使钛钝化，从而不受海水腐蚀，进而可以提高载，人球舱的耐用性。钛合金的密度较低，仅为钢的60%，这样可以用更小的结构重量来满足特定的功能要求。钛合金还具有耐低温、无磁性、抗冲击等性能，并且透声性和加工性很好，因此是一种优秀的深潜器材料。

浮力材料    托起“回家梦”

你也许会问，虽说钛合金的密度要比钢铁小，但还是比海水大不少，那载人潜水器潜入海底后怎么“回家”呢？

载人潜水器潜入深海，“回家”是必须的！这也是科学家需要解决的一个关键问题。实，自然界中的鱼鳞就具有这样的本领，在水里既下得去，也上得来。那鱼类是如何做到的呢？对于大多数鱼类来说，鱼鳔就是一个调节身体密度的器官。我们可以把鱼鳔看作一个“空气袋”，充气多了就会变大，并使鱼的体积增大。鱼的体积变大了，密度自然就小了，这样就能够上浮了。反之，则会下沉。

同样的道理，我们也可以通过改变潜水器的密度，来实现“下得去，上得来”的目标。而配置低密度固体浮力材料就是一个很好的办法。浮力材料的密度大约只有海水的一半，其作用就是把潜水器的密度降下来。一般情况下，浮力材料的质量会占到潜水器总质量的1/3左右，而占用的体积比例则会更大一些。

我国“万泉号”深渊着陆器采用国产深海浮力材料，最大下潜深度达到了10901米，标志着国产深海浮力材料达到了世界先进水平，改变了我国深海浮力材料受制于人的局面。2017年，中国“微球”托起了“深海勇士号”载人深潜器的“回家梦”。中国“深海勇士号”的海试成功，充分验证了国产固体浮力材料的优秀品质。

“蛟龙号”载人潜水器采用的是无动力自主下沉与上浮技术，以实现“下得去，上得来”的目标。在下潜时，为了保证潜水器密度大于海水，需要在潜水器上配备一定质量的压载铁。当下潜至海洋深处时，潜水员可以根据情况抛掉一定数量的压载铁，以实现潜水器的悬停或者上浮。而在完成深海作业之后，就需要把压载铁这个“包袱”全部拋掉，从而使得潜水器的密度小于海水，这样才能产生向上的浮力。

走进深海，离不开固体浮力材料。万米载人潜水器更是需要高性能的固体浮力材料。

深潜员的“擒拿利器”

我国万米载，人潜水器的球形耐压舱能满足3位潜水员的工作需求。在深海，潜水员是不能出舱的，那么他们如何进行作业呢？

“蛟龙号”载人潜水器有两个机械臂，分别有多个“关节”，相当于人的肩、肘、腕等。“深海勇士号”潜水器也拥有一双灵巧的机械臂。这双机械臂作为海底科考应用作业的重要装备，在深海探测中发挥了重要作用。

我国万米载人潜水器具有覆盖全球海洋100%海域的作业能力，机械臂同样也是其进行水下作业的首选工具。据悉，我国万米载人潜水器的机械臂具有臂力强、手腕稳、动作滑等特点，并可以与其他工具配合开展水下采样、测量等作业。

有了这些高科技材料的保驾护航，万米载人潜水器将带领中国人首次出发去万米海底探险。同学们想象一下，坐在神秘的球形载人舱内，将会遇到怎样的景象呢？那里是万物丛生，还是一片荒芜？深潜的过程中将会有哪些奇遇呢？所有的谜底，万米载人潜水器都将一一为我们揭开，让我们拭目以待吧！

延伸阅读

世界上最深的海沟——马里亚纳海沟

文/周军

要论世界，上最著名的海沟，当数位于西太平洋的马里亚纳海沟，约在6000万年前形成。马里亚纳海沟号称是最接近地心的地方，深度达11034千米，把喜马拉雅山扔进去都无法填平。

马里亚纳海沟是板块运动时碰撞形成的。太平洋板块撞上并沉到相对较轻的菲律宾板块之下碰撞处衍生出了包括马里亚纳海沟、马里亚纳岛弧、马里亚纳海槽和西马里亚纳海岭等在内的一系列深海沟壑。

马里亚纳海沟呈南北走向的弧状，像一把大汤匙，类似海底表面狭窄的折痕或沟槽，嵌在北太平洋西部海床中。它全长约2500千米，宽度几十千米，深度也是“远近高低各不同”。马里亚纳海沟里并非处处是“深坑”，在底部行走还可能会遇到高度难测的海山，其余大部分水深在8000米以上，其中马里亚纳海沟南部区域水深超过10900米，其最深点被称为“挑战者深渊”，也被认为是“地球第四极”。

以前人们认为，由于超大的静水压力、缺乏阳光和食物供给，加之特殊的海底地形劇烈的构造活动等多种极端环境因素，海面6000米以下的地方会是一片死气沉沉、与世隔绝的世界。

然而，早在二十世纪四五十年代，苏联和丹麦的科考调查船就曾经对全球13条深度超过6000米的海沟开展了一系列调查。科学家在其中8条海沟发现了300多个新物种，其中1/3以上的新物种都只存在于深渊环境。这些发现使科学家认识到，黑暗的深渊世界生活着极其独特的“深渊生物群落”。

迄今为止，科学家们发现的生活在最深海底环境的鱼类——狮子鱼，生长在马里亚纳海沟8145米深处。我国的科考团队也曾在马里亚纳海沟约7400米处诱捕到若干尾深海狮子鱼。此外，在马里亚纳海沟深约10897米处，科学家们还采集到一种叫短脚双眼钩虾的生物，这些小虾从头到尾只有几厘米。

从科学家以往的探测活动中，我们可以得知，马里亚纳海沟深处的沉积物构成与其他海底陆地相差无几，都是由生物残骸的分解物、尘埃、火山灰等混合而成。特殊之处在于，马里亚纳海沟沉积物的矿物粒子直径非常小，含水量也非常高。

我们都知道，越到海洋深处，环境压力就会越大。据科学家估测，马里亚纳海沟约1万米深处的大气压比标准大气压要大1000多倍，相当于每平方厘米的面积要承受近1100千克的重量，压力可想而知。然而，这里的沉积物并没有因此变得十分坚硬，甚至被称为“软泥巴”。为什么在这样的环境压力下，沉积物依旧可以保持松软状态？科学家对此解释为，海底泥土所承受的压力有来自内部的，也有来自外部的，但内外两种压力平衡之后，再加上水压比物质的抗压程度低，所以该物质就会保持原来的形态。

（责任编辑：陆艳）