跟著深?！暗氖俊比?/h1>
2022-06-16 21:41:15張真源
知識就是力量 2022年6期
張真源
不僅是深潛
以前深海探測，對海底情況的很多了解往往是在母船上，依靠一系列的操作和探測的設備來完成的，不能面對面、像陸地上的調(diào)查一樣。奮斗者號載人潛水器（以下簡稱“奮斗者號”）可以對整個海底的礦產(chǎn)資源直接進行探測，使得探礦的效率大大提高，同時也提升了中國在國際深?？臻g治理的話語權(quán)。奮斗者號還將進一步助推國際深淵科學研究的進展，加速深海生物基因產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，特別是在抗癌、抗菌方面，深海生物基因可以為提高人類生命健康水平作出新的貢獻。
萬米海底有多妙
對于人類來說，深海陌生而神秘。科研人員通過搭乘奮斗者號下潛至深海觀察到，深海生物有著不同于淺海的、非常特別的、適應深海生存的機制和策略，主要表現(xiàn)在不依賴陽光。
奮斗者號在深海可以依托高精度探測設備和機械手等裝置，取得大量數(shù)據(jù)資料和樣本等，還發(fā)現(xiàn)一些深海生物不通過光合作用、只是借助硫化物就提供能量等奇妙現(xiàn)象。
目前，奮斗者號還在持續(xù)進行萬米深淵的探索性下潛，科學家圍繞深淵生態(tài)、地球物理等課題的研究也都在持續(xù)推進，相信未來還會有更多新的發(fā)現(xiàn)展現(xiàn)給世人。
奮斗者號本領(lǐng)大
可以下潛至萬米海底的載人潛水器，究竟是如何下潛和上浮的？它在深海的工作原理又是什么樣的呢？
奮斗者號采用無纜無動力上浮下潛技術(shù)，可以在海底連續(xù)作業(yè)6小時。專用固體浮力材料是它獲取水下凈浮力、實現(xiàn)無動力上浮和懸浮定位的核心結(jié)構(gòu)部件，需要兼具密度小和抗壓強度高兩個相對立的特性。
到達萬米深海后，奮斗者號采用左右兩套主從伺服液壓機械手開展作業(yè)，可實現(xiàn)6 自由度運動控制（指操作有6 個獨立驅(qū)動的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，能在其工作空間中實現(xiàn)抓取物件的任意位置和姿態(tài)），持重能力超過60 千克，可順利完成巖石、生物抓取等作業(yè)任務。
奮斗者號還擁有智能故障診斷以及海底自主避碰等功能，能夠在海底自動匹配地形巡航、循跡航行以及懸停定位。依靠這些技術(shù)，奮斗者號就可以對海底標志物進行精準的科學探測作業(yè)和返回。
實現(xiàn)萬米連通——水聲通信技術(shù)
我們知道，光和無線電信號在深海中的衰減是非?？斓?，所以潛水器與工作母船之間很難實現(xiàn)通信。奮斗者號在茫茫深海深潛，如同一粒芝麻撒進大海，如何確定它的位置？此時，聲音成為最有效的信息傳遞方式。
聲音在空氣中的傳播速度是340米/ 秒，在海里可以達到1500 米/ 秒。因此，高速水聲通信是奮斗者號與母船探索一號之間溝通的唯一橋梁，可以實現(xiàn)從萬米海底至海面的文字、語音以及圖像的實時傳輸。奮斗者號將聲音信號通過調(diào)制解調(diào)，攜帶相關(guān)的數(shù)據(jù)進行傳輸，就達到傳播信息的目的了。
但是，水聲通信可用的工作頻率窄導致其數(shù)據(jù)率比較低，能夠傳輸?shù)男畔⒘勘容^少。為此，奮斗者號采用了一項關(guān)鍵的核心技術(shù)——相干通信技術(shù)，它是一整套從信號編碼調(diào)制到信道自適應均衡和糾錯編解碼等技術(shù)構(gòu)成的整體解決方案，可以克服遠距離傳輸帶來的信號損耗，在信號微弱的情況下提取出有效信息。
奮斗者號聲學系統(tǒng)，包含了自主研發(fā)的全海深水聲通信機、地形地貌探測聲吶、多波束前視聲吶、多普勒測速儀、避碰聲吶，以及定位聲吶和慣性導航設備的系統(tǒng)集成，實現(xiàn)了從萬米海底傳聲傳影。由多普勒測速儀、定位聲吶及慣性導航等設備集成的組合導航系統(tǒng)，還為奮斗者號的巡航作業(yè)提供了高精度的水下定位導航。
深潛的法寶——載人艙球殼
大家都知道，萬米深潛需要克服巨大的壓力。奮斗者號設計下潛深度為1.1 萬米，在這個深度它要承受的壓力，相當于2000 頭非洲象踩在一個人的背上。那么，奮斗者號是如何“抗壓”的呢？答案就是——載人艙。載人艙作為奮斗者號載人潛水器的核心關(guān)鍵部件，是人類進入萬米深海的硬件保障和安全屏障，可搭載3 人的載人艙球殼，是目前萬米深度以下世界最大、搭載人數(shù)最多的潛水器載人艙球殼。
為了抵御沉重的壓力，奮斗者號采用了更加耐壓的高強度、高韌性、可焊接的鈦合金載人球艙，在耐壓結(jié)構(gòu)設計理論方法及安全性評估、鈦合金材料制備及電子束焊接方面實現(xiàn)多項重大突破，并通過了反復試驗驗證，以確保艙內(nèi)人員的安全。
在深海開直播
2020 年11 月，奮斗者號在海試過程中進行了全球首次萬米深海電視直播?？缭饺绱舜笊疃鹊闹辈?，是如何實現(xiàn)的呢？
原來，海底電視直播是利用預先布放好的著陸器完成的。著陸器與探索二號保障船之間有微細光纜相連接，當奮斗者號下潛到預定海域后，著陸器就可以對奮斗者號進行實時拍攝，依托水下激光技術(shù)將奮斗者號艙內(nèi)畫面?zhèn)魉偷街懫鳎懫髟賹嬅嫱ㄟ^微細光纜傳輸?shù)教剿鞫柋Ｕ洗?，保障船再利用衛(wèi)星將直播信號傳送到電視臺，至此大家就可以在電視上看到奮斗者號在萬米海底的優(yōu)美身姿了。
萬米深?！按箫@身手”
截至2021 年底，奮斗者號共完成21 次萬米下潛，已有27 位來自中國9 家高校、科研院所和企業(yè)的科學家通過奮斗者號到達全球海洋最深處，萬米深潛次數(shù)和人數(shù)居世界首位。這樣的成績令人自豪和振奮。
2021 年12 月，探索一號科考船搭載奮斗者號，在馬里亞納海溝“挑戰(zhàn)者深淵”最深區(qū)域進行了科考作業(yè)。航次期間，奮斗者號共下潛23 次，其中6 次超過萬米， 進行了包括悟空號全海深AUV（自主水下航行器）、全海深玻璃球和聲學釋放器等深海儀器裝備的萬米海試。
基于奮斗者號大深度、高精度的作業(yè)優(yōu)勢，本航次采集了一批珍貴的深淵水體、沉積物、巖石和生物樣本，為對比開展不同深淵特種環(huán)境、地質(zhì)與生命等多學科研究提供了寶貴的數(shù)據(jù)和樣本。61A70FDC-A326-47A8-AEFB-1ADEDED50FDB
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萬米海底有多妙
對于人類來說，深海陌生而神秘。科研人員通過搭乘奮斗者號下潛至深海觀察到，深海生物有著不同于淺海的、非常特別的、適應深海生存的機制和策略，主要表現(xiàn)在不依賴陽光。
奮斗者號在深海可以依托高精度探測設備和機械手等裝置，取得大量數(shù)據(jù)資料和樣本等，還發(fā)現(xiàn)一些深海生物不通過光合作用、只是借助硫化物就提供能量等奇妙現(xiàn)象。
目前，奮斗者號還在持續(xù)進行萬米深淵的探索性下潛，科學家圍繞深淵生態(tài)、地球物理等課題的研究也都在持續(xù)推進，相信未來還會有更多新的發(fā)現(xiàn)展現(xiàn)給世人。
奮斗者號本領(lǐng)大
可以下潛至萬米海底的載人潛水器，究竟是如何下潛和上浮的？它在深海的工作原理又是什么樣的呢？
奮斗者號采用無纜無動力上浮下潛技術(shù)，可以在海底連續(xù)作業(yè)6小時。專用固體浮力材料是它獲取水下凈浮力、實現(xiàn)無動力上浮和懸浮定位的核心結(jié)構(gòu)部件，需要兼具密度小和抗壓強度高兩個相對立的特性。
到達萬米深海后，奮斗者號采用左右兩套主從伺服液壓機械手開展作業(yè)，可實現(xiàn)6 自由度運動控制（指操作有6 個獨立驅(qū)動的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，能在其工作空間中實現(xiàn)抓取物件的任意位置和姿態(tài)），持重能力超過60 千克，可順利完成巖石、生物抓取等作業(yè)任務。
奮斗者號還擁有智能故障診斷以及海底自主避碰等功能，能夠在海底自動匹配地形巡航、循跡航行以及懸停定位。依靠這些技術(shù)，奮斗者號就可以對海底標志物進行精準的科學探測作業(yè)和返回。
實現(xiàn)萬米連通——水聲通信技術(shù)
我們知道，光和無線電信號在深海中的衰減是非?？斓?，所以潛水器與工作母船之間很難實現(xiàn)通信。奮斗者號在茫茫深海深潛，如同一粒芝麻撒進大海，如何確定它的位置？此時，聲音成為最有效的信息傳遞方式。
聲音在空氣中的傳播速度是340米/ 秒，在海里可以達到1500 米/ 秒。因此，高速水聲通信是奮斗者號與母船探索一號之間溝通的唯一橋梁，可以實現(xiàn)從萬米海底至海面的文字、語音以及圖像的實時傳輸。奮斗者號將聲音信號通過調(diào)制解調(diào)，攜帶相關(guān)的數(shù)據(jù)進行傳輸，就達到傳播信息的目的了。
但是，水聲通信可用的工作頻率窄導致其數(shù)據(jù)率比較低，能夠傳輸?shù)男畔⒘勘容^少。為此，奮斗者號采用了一項關(guān)鍵的核心技術(shù)——相干通信技術(shù)，它是一整套從信號編碼調(diào)制到信道自適應均衡和糾錯編解碼等技術(shù)構(gòu)成的整體解決方案，可以克服遠距離傳輸帶來的信號損耗，在信號微弱的情況下提取出有效信息。
奮斗者號聲學系統(tǒng)，包含了自主研發(fā)的全海深水聲通信機、地形地貌探測聲吶、多波束前視聲吶、多普勒測速儀、避碰聲吶，以及定位聲吶和慣性導航設備的系統(tǒng)集成，實現(xiàn)了從萬米海底傳聲傳影。由多普勒測速儀、定位聲吶及慣性導航等設備集成的組合導航系統(tǒng)，還為奮斗者號的巡航作業(yè)提供了高精度的水下定位導航。
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為了抵御沉重的壓力，奮斗者號采用了更加耐壓的高強度、高韌性、可焊接的鈦合金載人球艙，在耐壓結(jié)構(gòu)設計理論方法及安全性評估、鈦合金材料制備及電子束焊接方面實現(xiàn)多項重大突破，并通過了反復試驗驗證，以確保艙內(nèi)人員的安全。
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原來，海底電視直播是利用預先布放好的著陸器完成的。著陸器與探索二號保障船之間有微細光纜相連接，當奮斗者號下潛到預定海域后，著陸器就可以對奮斗者號進行實時拍攝，依托水下激光技術(shù)將奮斗者號艙內(nèi)畫面?zhèn)魉偷街懫鳎懫髟賹嬅嫱ㄟ^微細光纜傳輸?shù)教剿鞫柋Ｕ洗?，保障船再利用衛(wèi)星將直播信號傳送到電視臺，至此大家就可以在電視上看到奮斗者號在萬米海底的優(yōu)美身姿了。
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