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【三海一核】哈尔滨工程大学
【科技】深海空间站:在大海深处漫步
16-03-25 作者:佚名   编辑:刘磊

“2500年,随着气候变暖加剧,两极冰川融化,海平面高度与日俱增,地球表面化作一片汪洋。人类只能在一望无际的海洋里漂泊生存。”虽然科幻电影《未来水世界》里描述的场景出现的概率几乎为零,但是人们对于海洋的畅想从未停止过。随着人类科技的进步,人类已经实现在太空常驻。如果人类可以在外太空定居,那么,潜入深海工作、生活,又有什么不可以呢?

今年全国两会期间,全国人大代表、深海载人装备国家重点实验室主任颜开透露,“十三五”规划纲要已将深海空间站项目作为重大项目列入,下一步国家将启动实施该项目。而近年来,“蛟龙号”载人潜水器不断造访大洋深处,更引发了人们关于海底“龙宫”的畅想。

从“上天”畅想“入海”

如果把太空空间站比作宇宙飞船、航天器在太空的“行宫”,那么,深海空间站就是“蛟龙号”等载人潜水器的海底“行宫”。不同的是,海底空间站目前还只是一个愿景,而太空空间站早已为人类探索宇宙立下汗马功劳。

2000年11月2日,随着首批3名宇航员进驻国际空间站,人类开始了常驻太空进行科学研究的新探索。截至目前,国际空间站已经有过上千人次的停留记录,进行了1400多次的科学实验。这些实验促进了人类在医药、生物、环境科学等领域的突破发展,并加深了人们对宇宙的了解。

当人类在宇宙探索上取得不断突破的同时,人们不禁要问:能否在海底建一个“龙宫”呢?

“从现有的技术水平来看,人类已经有能力打造一座海底‘龙宫’。”教育部高等学校海洋科学类专业教学指导委员会委员、华北理工大学矿业工程学院教授张振国认为,对深海的不懈探索不仅仅是出于人类对知识的渴求,更是目前陆地能源资源日趋紧张情况下的必然选择。

地球表面71%被海水覆盖,其中超过1000米的深海区占海洋面积的90%以上。“深海是一个巨大的蓝色宝库,蕴藏着人们难以想象的丰富资源。”张振国介绍说,“建立深海空间站,将为人类更好地参与深海矿产资源开发利用、深海观测、海洋科学前瞻性研究提供绝佳的平台。”

海洋深处储藏着大量石油和天然气等能源,目前已有60多个国家开展深水油气勘探,发现33个储量超过5亿桶的深水巨型油田,预计未来全球油气总储量40%将来自水深超过400米的深海区。海底还富含一种叫做“可燃冰”的天然气水合物,其储量大约相当于所有煤炭和常规石油天然气总量的3倍,是未来重要的后续能源。此外,海洋深处还广泛分布着多金属结核、钴结壳、硫化物等矿产,开发前景十分诱人。

“目前,通过每次几个小时的下潜来进行海底科考,已经越来越无法满足海底科学活动的需要。从这个角度来说,建立海底空间站也是有必要的。”张振国指出,“不过,自人类发射世界上第一艘载人飞船至今,人们已经发射了大量的航天器,建立太空空间站也就显得顺理成章,而人类的海洋深潜活动还远未那么频繁。目前,世界上也只有5个国家掌握着深潜技术,建立深海空间站需要付出更多的努力。”

海底“龙宫”技术难度大

在专业人士眼里,海平面1000米以下被称之为深海。对人类而言,那里漆黑一片,寒冷,寂寞。看似孤寂的环境,蕴藏着海洋中最丰富多彩的世界。

那里惊心动魄,大大小小的海底地震、海底火山喷发持续不断;那里奇异瑰丽,无数不知名的深海生物,摇摆着美丽身段,摇曳生姿;那里的生物也演绎着与陆地上截然不同的生存故事,他们能够忍受200摄氏度高温,能够悠然呼吸着二氧化硫剧毒气体……海洋深处隐藏着太多鲜为人知的奥秘。

那么近,却又那么远。面对近在咫尺的海洋,想要揭开这些奥秘却不比登天容易。

想象一下,如果一辆汽车在你的指甲盖上跳舞会是什么样的感觉?

人类深海探索面临的首要问题就是来自那无穷无尽海水的巨大压力。海水深度每增加10米,压力就增加一个大气压。比如,在1000米深的海水中,我们要面对的大概是100个大气压,这样的压力下,一般的木块会被压缩成原来体积的一半。如果到达10000米深处的海底,压力能达到1000个大气压,大概是用你的指甲盖顶起一辆小轿车所承受的压力。

人类在海水中并不能长时间生存,需要一定的装备,但这么大的压力给潜水器提出了超高的密闭性的要求。“海洋深度越深,技术含量就越高。”张振国举例说,在“蛟龙号”载人潜水器关键技术中,难度最大的是载人球舱的设计和加工制造。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,载人球舱直径越大,对材料的要求就越高,加工制造难度就越大。

与载人潜水器相比较,深海空间站的技术难度更大。“深海空间站是新一代居住型深海作业平台,需要为研究人员提供适宜生活和科研的环境,比如起居室、实验室等。”张振国说,相对于宇宙飞船与太空空间站的对接,深海空间站与载人潜水器的对接,无论是技术要求还是操作难度,更是高出一个层级。

有专家认为,从技术难度上来讲,建立深海空间站在一些关键环节,可能比建立太空空间站的难度系数还要大。比如,航天员可以借助航天服从太空空间站自由出入,而如何让潜水员从深海空间站自由进出,就是一个棘手的问题。

“太空空间站的失重状态,可以提供地面上难以达到的理想实验条件,而在几千米海底的环境主要是低温和高压,人类无法承受在那样极端的条件下生存或者实验。”张振国介绍说,目前,对于海洋生物的研究主要是依靠潜水员、潜水器和其他设备获取海洋生物的样本,保真到陆上实验室模拟海洋环境进行研究。

但是,陆地上进行的模拟实验并不理想,一般而言,能保证模拟各种深度的压强已属不易,更别提是将包括海底温度、水流等环境特征一一复制。“从这个角度来说,建设深海空间站将为人类探索海洋提供很大的便利。”

中国海底“龙宫”指日可待

“深海空间站是国际深海装备技术发展的前沿,也是衡量一个国家船舶科技水平的重要标志之一。”张振国说,与载人潜水器相比,“深海空间站”的作业体系将更为复杂,作业功能也更为丰富,可执行水下观察与探测、深海搜索与打捞、水下指控与供能、海底取样与研究、水下施工与维修、水下监视与侦察等多种任务,具有长时间、全天候、大范围、大功率、载员多、不受洋面风浪条件影响等优势。

掌握强大的深海作业能力已成为新世纪海洋强国的战略取向。目前,美、英等国均已提出深海空间站的构想,但都处于概念设计阶段,并无实质性进展。

比如,美国正在酝酿的“海洋大气海底综合研究”平台将是世界上第一个深海研究设备,设计占地3716平方米,有一个置于海底的深海空间站、一个从水面到海底的井架系统、一个可沿井架上下移动的观察试验运载舱组成,平台潜深约168米,自持力30天,载15人;日本正在研制潜深从500米到2000米的移动式深海空间站,潜深2000米的深海空间站设计长30米,宽5.5米,高8.8米,艇员8人,海底作业时间7天。此外,俄罗斯、法国等国家也在深海空间站方面展开积极探索。

2012年5月23日,北京科博会上,我国的“深海空间站”——小型深海移动工作站模型首次亮相。2013年11月3日,中国首个实验型深海移动工作站完成总装,进行了水池试验。该“深海空间站”外形类似一艘潜艇,可达1500米;采用电池动力,可在水下连续逗留15至18个昼夜,水下航速4节,最大载员12人,正常排水量260吨级,长24米,可携带多种水下机器人、大型多功能作业机械手、重型水下起吊装置等。

2015年10月,由哈尔滨工程大学科研团队和中船重工702所承担的“自治式潜器搭载对接技术研究”项目完成海试验收,首次成功实现自治式潜器与深海空间站对接的关键技术验证。此次海试成功,为未来中国深海空间站的发展迈出了关键的一步。

未来,我国将建成最深将达2500米海底最大载员50人,可在水下“驻扎”两个月,250吨级的,长度在22米左右,宽度接近7米,高度在8米左右的深海空间站,并与水下运载器对接,运送物资和人员。它可以长周期、全天候在深海域直接操控作业工具与装置,进行水下工程作业、资源探测与开发,以及海洋科学实验研究。

“深海空间站代表了海洋领域的前沿核心技术,它将把人类活动空间移向深海。”张振国说,在更遥远的未来,也许人类可以建造海底城市,在大海深处漫步不再是遥远的梦。

来源:网络转载
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