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近二十年来,人类为了解未知世界,突破了哪些尺度的科学探测边界?

2024-10-14科学

我简单聊一下深海探测方吧。先笼统的说,有以下几个方面。

载人潜水器技术:如中国的「蛟龙号」和「奋斗者」号载人潜水器,它们多次刷新了下潜深度的纪录,使科学家能够直接进入深海进行观察和研究,极大地拓展了人类对深海环境的认知边界。

无人潜水器技术:自主水下航行器(AUV)和遥控水下机器人(ROV)等无人潜水器的发展,使得深海探测可以长时间、大范围地进行,且成本较低、风险较小。这些无人潜水器配备了多种传感器和探测仪器,能够获取深海的各种数据,如温度、盐度、压力、地形等。

深海探测装备的材料科学突破:新型的抗压材料使得潜水器能够承受更高的水压,延长了其在深海中的作业时间。同时,先进的传感器技术使得探测设备能够更精确地获取深海的各种数据。

深海通信技术:水声通信技术的发展使得大量数据能够在深海和海面之间快速、稳定地传输。卫星通信技术的应用则进一步扩大了数据传输的范围,使得全球范围内的实时监测和数据共享成为可能。

深海采样与取样技术:通过钻探、抓斗、拖网等方式获取海底样品的技术不断成熟,为地质学、生物学、海洋学等领域的研究提供了重要数据和样本。

这些深海探测手段和技术的发展,使得人类对深海的了解不再局限于表面,而是能够深入到更广阔的深海领域,探索未知的奥秘。

接下来,详细介绍一下中国载人深潜器的研发与应用历程。

近20年来,在加快建设海洋强国和实施深海 发展战略的部署下,中国载人深潜取得了跨越式 发展,以「蛟龙」号、「深海勇士」号和「奋斗 者」号3台深海载人潜水器研发为契机,在设计计 算方法、基础材料、建造工艺、测试技术方面取 得了一系列突破,构建了覆盖全球海洋深度的载 人深潜装备设计技术体系,实现了跟跑、并跑、 超越引领3个历史性跨越,显著提升了中国深海装备技术的自主创新水平。

1)「蛟龙」号载人潜水器 2002年立项的「蛟龙」号是中国自行设计、 自主研制的首台深海载人潜水器(图1,历经10 年技术攻关,解决了大深度耐压、密封、安全技 术,可靠水声通信技术,复杂深海环境下精细作 业技术等难题,实现了中国载人深潜装备从600m 工作深度直接到7000m总体方案的闭环。2012 年,「蛟龙」号下潜7062m,这是当时世界上同类 作业型载人潜水器的最大下潜深度,推动中国深 斯、日本、法国之后,第5个掌握载人深潜技术的 国家。近年来,「蛟龙」号已完成了200余次安全 下潜,其中多达30余次的下潜超过6000m深度, 获得了丰硕的深海科考成果。「蛟龙」号的应用, 开创了中国深海资源精细勘探的新模式,在国际 上首次发现多种深渊地质新现象和深海新物种, 助推了国际深渊科学的重大进展。

图1

2) 「深海勇士」号载人潜水器 4500米级的「深海勇士」号在载人深潜装备关键技术和配套设备自主可控上取得突破(图2)。 2009年立项,历经8年攻关,实现了深海钛合金 载人舱、充油耐压锂电池、超高压海水泵、低噪 声推进器、浮力材料、机械手、液压系统、控制 软件、水下定位、声学通信10大核心关键技术的 自主化,为深海载人深潜高端装备实现「中国制 造」探索了一条切实可行的路径,拓展了中国企 业相关领域的制造能力。「深海勇士」号于2017年交付至今,已累计安全下潜500余次,开展了中国 首次深海考古等工作,创造了中国载人深潜作业 的一系列新纪录。

图2

3)「奋斗者」号载人潜水器 「奋斗者」号载人潜水器(图3)瞄准全球海 洋最深处,完成了集基础研究、技术攻关、应用 示范为一体的全链条创新,通过极致设计和极限 制造,形成适用于极端环境的应用能力,实现了 载人深潜技术的跨越发展和超越引领。 (1)首次研制出国际上唯一能同时携带3人多 次往返全海深作业的载人深潜装备,攻克了多目 标、多功能、多需求的总体设计技术,形成了覆 盖全海深环境的全系统技术解决方案以及设计、 材料、制造、测试考核标准,在同类潜水器中具 有潜浮速度最快、海底作业时间最长、作业能力 最强的技术优势。 (2)创新建立了全海深中厚壳耐压结构设计 39 海进入能力大幅跃升,使中国成为继美国、俄罗 计算方法,制定了全海深耐压结构强度和稳定性的标准体系;建立了极限耐压结构安全性评估方 法;攻克了观察窗有机玻璃局部应力集中难题, 揭示并系统研究了观察窗应变回复规律。 (3)掌握了极端高压环境下动、静密封技术, 通过理论和试验研究得到了极端高压环境下的油 浸元器件动态响应规律,研制了系列具有完全自 主知识产权的关键部件。 (4)突破了快速稳定控制、自适应控制等关 键技术,有效提升了潜水器的航行效率和复杂环 境下的响应能力,在全球海洋最深处实现了高精 度自动定深、定高、定向控制。 (5)高速数字水声通信在万米深度实现图像、 数据、文字和语音等信息的传输,采用多进制不规则低密度奇偶校验码算法和稀疏化自适应Turbo均 衡算法,提高了水声通信纠错能力和可靠性,实 现作用距离12km、峰值速率10kbps的可靠通信。 截至目前,「奋斗者」号累计安全下潜作业超过100次,其中共有30多次下潜、搭载共计30多名科研人员抵达万米深度,使中国成为世界上万米下 潜次数和人数最多的国家。2021年「奋斗者」号 科考期间,科学家团队发起了【马里亚纳共识】 倡议,启动了「马里亚纳海沟生态环境科研计 划」,邀请国内外科学家针对深海地球科学系统形 成与演化、生命起源与环境适应、生物多样性与气候变化等重大科学问题协力攻关,为深海重大原创和颠覆性科学发现提供共享平台。

图3

载人潜水器的科学考察范围遍及全球大陆坡 深水区、洋中脊、海山、海沟和洋盆等海底区域, 获得了大量的深海地质、地球物理、生物、化学和环境方面的信息或样品,取得了一批重大的发现和创新性的研究成果,推动了深海科学的发展。

图4 在海洋环境调查和资源调查方面的应用

2018年,中国国家文物局深海考古调查队选 定南海北礁东北缘区域,利用「深海勇士」号载 人潜水器执行了考古调查任务,同时结合机载超 短基线定位系统(USBL)以表格、影像等方式 进行考古记录(图5)。最终,此次调查共完成 312 km多波束测量,7次载人下潜作业,最大调 查深度1003m,累计下潜时间66h,积累了一大 批基础数据与影像资料。此次考古实践纠正、深 化、完善了既有的观念与方法,据此开展的思 考、形成的结论将成为探讨中国深海考古未来发 展的重要基础。

图5 深海勇士号执行考古任务

「奋斗者」号在2020年海试过程中,完成了世 界上首次载人潜水器与着陆器在万米海底的联合 水下拍摄作业,进行了陆地演播室和深海载人舱内的视频直播对话(图6)。在2021年常规科考 应用中,「奋斗者」号对被困万米海底的着陆器进行了救援。

图6「奋斗者」号和「沧海」号着陆器联合作业 场景示意图

地球上海洋的深度是有限的,但探索深海奥 秘、开发海洋资源、保障深海安全的技术发展是 永无止境的。未来,中国载人深潜团队将在现有自主技术链条和产业链条的基础上,以服务国家战略和深入科技创新为使命,适应新挑战、多场景及产业化发展需求。

深海大洋蕴藏着无穷的奥秘和丰富的宝藏, 对未知海洋的探索是载人深潜技术发展的不竭动 力。近年来,中国大深度载人潜水器研发与应用 任务的实施,为加快建设海洋强国奠定了坚实的 技术基础,有力服务于「深海进入、深海探测、 深海开发」战略,更好地推进国际海底和深海大 洋资源开发工作的可持续发展。载人深潜活动的 目标是维护国家深海安全的长远利益,促进中国 前沿科学与深海高技术的发展,进一步揭示生命 起源、了解并保护深海、激发科学探索精神。可 以预见,更多的重大科学发现将依托于载人深潜 领域的进步,在已实现全海洋深度进入与探测的 基础上,加速推进深海开发与应用广度的发展, 为服务中国深海大洋事业、构建人类命运共同体贡献更多力量。

主要参考文献:

1、 深潜科技创新:从点的突破到体系化能力建设[J]. 前瞻科技, 2022, 1(2): 5-8.

2、 徐芑南, 胡震, 叶聪, 王帅, 刘帅, 曹俊. 载人深潜技术与应用的现状和展望[J]. 前瞻科技, 2022, 1(2): 36-48.

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