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深海探測那些事

深海探測那些事

作者:趙洋

在木衛二上潛水

打撈氫彈,深潛器顯神威

美國軍方和西班牙警方火速趕往現場,經過兩天的搜尋,三枚落在地面的氫彈被找到,唯獨還有一枚氫彈下落不明。美國軍隊和西班牙警察以飛機墜毀處為圓心,查遍了方圓上百公里的土地,依舊蹤跡全無。最後,還是一個村民向西班牙警察提供了一條線索:「那天我看到一個黑乎乎的東西從天上掉下來,落進了海里。」美軍立即調來一批經驗豐富的潛水員,在附近淺海里拉網式地搜尋,一連十多天,把附近淺海查了個遍,還是沒結果。這下大家不禁懷疑村民在說謊,但多次問詢,他均一口咬定,說看見它落進了海里。五角大樓下令,不管代價多大,無論如何要找回這枚氫彈,否則它爆與不爆都後患無窮。美國海軍調來了當時最先進的「阿爾文」號和「阿魯明納」號深潛器,著手在百米以下的海域撈彈。
剩下的工作只有交給無人駕駛的潛艇去完成了。無人的「阿魯明納」號用機械手操作纜繩套牢了氫彈,終於從869米深的海中把氫彈撈了上來,多少顆懸著的心總算平靜了下來。
海面指揮員命令「阿爾文」號停止不動,以防意外觸動氫彈。海面隨後派來一艘無人駕駛的深潛器前來搭救「阿爾文」號,用它的機械手剪斷降落傘繩,才把「阿爾文」號解脫出來,逃離險境。
卡梅隆的團隊雖然一直致力於開發無人深潛器,但他對載人深潛情有獨鍾。這在他給「蛟龍」號團隊發來的賀信里表露無遺。當「蛟龍」號團隊被評為2013年中國經濟年度人物時,卡梅隆賀信中說:「祝賀『蛟龍』團隊……確實這項工作非常困難,你們的成就更為重要……你們成功了。我相信你們所有這些設備可能都有自己的用武之地,但還是需要人能夠潛下去,看清楚。」
但是,把運載工具送到如此深的深海需要巨額資金和發達的工程技術。這種船隻必須足夠小,依靠電池便可移動,同時足夠堅固耐用,以抵抗巨大的水壓。在23000英尺的深度,每平方英寸承受的水壓高達10340磅,相當於在一顆人頭上擺放一輛校車。載人潛艇必須滿足更高的標準:它必須保證所有乘員生存。
美國海洋生物學家西爾維·埃勒曾說過:「有一種錯誤觀念認為,我們已經征服了海底,而事實是我們關於海底的知識還不如火星的多。」
20世紀60年代,人類探索深海和太空的征程幾乎同時起步。時至今日,太陽系的謎團相繼揭九九藏書開,可我們對深海世界的情形仍知之甚少。在某種程度上,靜謐深邃的海底景觀與外太空驚人地相似——無數發光生物綻放的綺麗光彩,將深海點綴得如同璀璨的星空。就像卡梅隆在地球最深處體會的那樣,「那是一種真正與世隔絕的孤獨感,超過任何一種體驗。你會意識到在這片黑暗無邊的未知和未探索之地面前,自己是多麼渺小。」
但是對於動態的海洋現象及精細化的海洋觀測來說,自主式無人深潛器具有載人觀測平台不具備的優勢。海洋觀測是在較大尺度上進行的,因此超遠程自主無人深潛器是未來發展的重點。目前日本計劃研製下潛深度6000米,航程3000公里的長航程自主無人深潛器。英國南安普頓大學正在研製的超遠程自主無人深潛器潛深6000米,在時速1.44公里情況下航程可達6000公里。
兩艘深潛器在潛水母艦的引導下,鑽進數百米的深海,打開高強度的照明燈,啟動水下攝像系統,在茫茫海底展開搜尋。艱苦而細緻的海底作業持續了整整半個月,卻一無所獲。最後事實證明村民沒有說謊。十八天後,「阿爾文」號終於在一個海底深谷中發現了這枚氫彈。它正落在一塊懸崖絕壁的斜坡上,白色降落傘也在旁邊。
1857年,法國人卡比羅爾發明了橡膠製成的潛水服。潛水員頭戴沉重的盔形帽,身穿笨重的潛水服,拖著像臍帶一樣的纜繩和通氣管潛人海中。這種潛水服比潛水鐘方便多了,但仍需從海面上輸送空氣,人的潛水行動受橡皮管長度的限制,一旦通氣管纏絞,很容易發生危險,所以只能在平坦的海底潛水。隨著技術的發展,自航式潛水鐘出現了,這是一種有機動能力的深潛器,潛水鐘到達近底水層后,乘員接通帶動螺旋槳的電動機,它依靠自身動力尋找水下目標。
當魚雷形狀的穿冰機器人鑽透木衛二厚厚的冰層,發現可能存在的地下海洋時,這個機器人就會放出一個叫做「潛泳機器人」的能獨立工作的自推式水下機器人。潛泳機器人立即進入水中,開始對水域進行科學測量。這個潛泳機器人能夠分析地下海洋的化學成分,還能尋找外星生命的痕迹。潛泳機器人探測到的數據會經由穿冰機器人、位於地面的機器人和繞軌道運行的母船傳回地球。
2012年3月26日,關島附近海域,卡梅隆孤身一人乘坐「深海挑戰者」號開始向地球最深的深淵下墜。在下潛了兩小時三十六分鐘之後,「深海挑戰者」號終於「降https://read.99csw.com落」在馬里亞納海溝的挑戰者深淵,這裏的海床位於海平面以下10898米。卡梅隆成為自1960年以來第一個潛入世界最深處的人,更是首位隻身潛入的探險家。他在地球最深的海溝停留了三個小時,後來他回憶道:「那裡很像是月球表面,非常荒涼,非常孤立。我的感覺是,這裡是和整個人類世界徹底隔絕開的……我覺得自己似乎正在太空中,我感覺自己去到了另一顆行星然後又返回了。」
1933年,瑞士氣象學家奧古斯特·皮卡德提出,要使深潛器下潛到200米以下、必須在深潛器上加一個壓力艙加以保護。他設計出一種獨特的「水下氣球」式潛水器,主要由鋼製的潛水球和像船一樣的浮筒構成。浮筒內充滿比海水比重小得多的汽油,為深潛器提供浮力,同時又在潛水球內放進鐵砂等壓艙物。這種深潛器可以完全拋掉系纜繩,在海洋里自由沉浮和航行。在以後的二十多年中,皮卡德和他的兒子傑昆斯·皮卡德建造的深潛器不斷創造著潛水深度的紀錄。1960年,利用皮卡德家族技術研製的「的里雅斯特」號載人深潛器首次潛入馬里亞納海溝。
這項深潛考察行動經歷了長達七年之久的準備工作,包括設計和製造一台專用的深潛器,可以載人深入到這一太平洋的最深海溝,承受那裡的巨大水壓。卡梅隆說:「我所乘坐的圓形載人艙整個發生收縮,向外觀察的窗戶向我的方向靠攏過來,外面的壓強高達每平方英寸1萬6千磅(約相當於1000倍大氣壓)。」潛水器因擠壓縮短了7厘米。探險結束后,他把「深海挑戰者」捐獻給了伍茲霍爾海洋研究所。
與卡梅隆一樣,自古以來,有許多人都嚮往去探索那個深深的未知世界。但由於生理條件的限制,人既不能長時間閉氣潛水,也不能潛入很深的水下。古代的潛水者會將一個桶扣在頭上,這樣通過呼吸桶中壓縮的空氣可以潛得時間更長些。即便這樣,人仍然無法在水下自由活動,於是人們提出了潛水服的設想。1679年,義大利人博雷利發明了世界上第一套潛水服。這是一種與現代潛水服相似的密封裝備,潛水服靠氣泵保持空氣流通,潛水員穿上它就可以避免或減輕水下的壓力。
許多年前,在卡梅隆團隊開發深潛設備時,他們曾走訪美國的一些研究機構,希望找到研究人員共同參与即將開始的探險。但許多海洋學家都沒有響應,因為他們的研究計劃早已安排好。反倒是美國航空航天https://read•99csw.com局(NASA)埃姆斯研究中心、約翰遜太空技術中心和噴氣推進實驗室的科學家們做出了熱烈回應。原來,這些航天局的專家打算利用卡梅隆的深潛器下海收集數據,研究深海熱泉以及深海熱泉中的各種微生物等,這些生物可能在其他行星或者太陽系中的某些衛星上找到。
2014年5月,美國伍茲霍爾海洋研究所一台遠程控制的深海潛水機器人「涅柔斯」在紐西蘭附近海域下潛作業時因壓力過大而爆裂。當時,「涅柔斯」正在執行對世界第五深海溝——克馬德克海溝的探索任務。對此,著名電影導演詹姆斯·卡梅隆感慨道:「我感覺失去了一個朋友,『涅柔斯』是一部奇異的、具有突破意義的機器人。它是世界上唯一一台能夠到達極深海溝的現役交通工具。」卡梅隆的另一個頭銜是深海探險家。早在拍攝科幻影片《深淵》(1989年)時,他就嘗試了前所未有的水下特技效果,營造出深邃神秘而又斑斕迷人的深海景觀。到1995年準備拍攝《泰坦尼克號》時,他不但繼續運用了在《深淵》中實踐過的水下特技手段,還專門乘坐小型潛水器到「泰坦尼克」號殘骸所在的海底一探究竟。為了拍攝「泰坦尼克」號內部的景象,他的團隊用三年時間打造了小型遙控潛水器,裝有一架性能良好的攝像機,可以在6000米深度拍出清晰的三維圖像。
海面上的指揮員命令「阿爾文」號進行打撈。「阿爾文」號當即伸出機械手前去捉它。但這是一種冒險,因為機械手萬一沒有抓牢,破壞了它的不穩定平衡狀態,氫彈便會滾下近1000米深的海中谷底,再打撈就難了。探照燈瞄準氫彈,潛艇挪到了最佳位置,機械手小心翼翼地向它靠近了,正要下手,卻突遇一股巨大的海流衝擊,潛艇輕微晃動了幾下,機械手失手了,雖然沒有把氫彈碰下深谷,機械手反倒被降落傘的繩子緊緊纏住,伸不開,張不了,縮不回,連潛艇也無法脫身了,情況無比危急。
1964年7月,兩架美軍飛機在西班牙上空進行空戰演練時發生碰撞,飛行員採取緊急措施,把機上的四枚氫彈拋了出去。四枚氫彈雖沒有意外爆炸,但在降落傘的牽引下,不知落到了何方。

深海探測器小史

載人還是無人?
上世紀60年代以來,以美國「阿爾文」號為代表的第二代深潛器得到長足發展。這類深潛器自帶動力裝置,還配備了水下攝像機、機械手等,不僅可以觀察水下情況,還可以進行一些簡單九-九-藏-書抓取作業和海洋資源調查等任務。1984年,法國海洋開發研究院研製了「SM97」載人潛水器,可載三人下潛,能對世界97%的大洋海底進行直接考察,同時還能採集海底礦物樣品。對於勘探深海海床,「阿爾文」號是完美的,但是對於勘探大部分海洋生物生活的中層海域,它的勘探效率並不高。能夠像生活在那裡的生物一樣自由移動的潛艇並不多。1995年,被譽為「水下飛機」的「深潛I」號新型潛水器橫空出世,在美國進行了首次深潛試驗,它擁有類似飛機一樣的舵面,無需使用壓載箱就可以在水下做翻滾動作,最高速度達15節,並具有垂直上浮或下潛的能力。改進后的「深潛II」號船身使用陶瓷化合物,擁有比鈦更高的強度重量比,最大下潛深度可達35800英尺,兩個高速推進器可以使潛艇以每分鐘600英尺的速度前進。四套橫向懸停電動推進器可使船隻穩在1英寸誤差內並穩定懸停在懸崖峭壁上,實現在海床附近進行精細動作。「深潛II」號利用舵面上下方的海水壓力差形成升力實現快速上升或下潛,每分鐘可下潛400英尺,比原有的深潛器快三倍。更為獨特的是其駕駛艙布局,駕駛員「趴著」用操作桿控制舵面駕駛潛艇,以便使視線儘可能接近檢視區和機械臂。而且這樣還使耐壓艙的體積最小化,將潛艇的重量減小到區區5000磅。
有史以來第一台潛水鐘是義大利人塔爾奇利亞在1554年發明的。這是一個木質球型潛水器,由座艙和壓載艙組成,座艙里裝有絞盤,纜繩系在壓載艙上,通過機械傳動來改變壓載浮力,控制升降。這一設計思想對以後潛水器的研製產生了巨大的影響。1714年,英國潛水員萊塞布里奇別出心裁地製造了一種木桶潛水器。木桶頂部是一個可以打開的密封蓋,是潛水員出入口,桶的側面上部有一個觀察窗口,下部有兩個密封套筒,潛水員可以將手由此伸出,進行水下作業。但這種潛水裝置十分笨重,潛水員行動很不方便。

最具深度的導演

海洋覆蓋了地球表面四分之三的面積,平均深度為3.7公里,海洋生物的物種多樣性超過了地球上任何其他的生態系統。所有這些都刺|激著世界上最勇敢的探險家們的想象力,誘惑著人們去征服地球上這一未知地。儘管深海探險充滿危險和困難,但它所獲得的卻是高額回報:儲量巨大的石油和金屬礦藏;能改變我們對地球以及生命演化認識的科學發現;從深海細菌、礦物和魚九_九_藏_書類中,能提煉出治療人類疾病的奇特的新藥物。
另外一種觀點認為,當有人坐在駕駛艙里時,收集海床上的樣本變得更加簡便,而且任何機器都無法複製人類眼睛的全景視野。2004年,著名海洋學家席爾瓦·厄爾深入1400英尺深的佛羅里達礁群,眼角的餘光瞥到一條6英尺長的翻車魚,這是一種從前被認為僅僅生活在海水表層的太陽魚。在眾多支持載人潛艇研究的科學家中,厄爾是最著名的一位。她把自己的觀點濃縮成一個比喻——「你怎麼可能派一個機器人去法國品嘗葡萄酒呢?」
卡梅隆曾說,把他的注意力引向科幻和海底的原因是一致的——「探索別樣的世界,無論是想象的還是真實的」。因為他能夠想象到的離地球最近的地方就是海底,那裡是一個完全不同的世界,有它自己的運行規律,所以,他選擇了深海。
海洋學家對於下一代深海探險任務應該由機器人、還是由人、或者由兩者共同來完成一直存在激烈的爭論。曾因第一個發現熱液火山口、並考察「泰坦尼克」號殘骸從而在載人深潛器領域享有盛譽的海洋學家羅伯特·巴拉德支持利用遙控設備。他的理由很簡單:相對於載人潛艇,遙控設備不攜帶耗費能量的生命保障系統,可以爭取到更多在海床上停留的時間,進而擁有更多的機會探索未知世界。機器人通過光纖電纜向船隻發出高清晰度的圖像和視頻信號,然後船隻再通過高速光纖電纜將數據傳輸至一系列命令中心,這樣海洋學家可以實時分析結果。「我關心的是在海底停留的時間,而不是潛水的精神體驗。」巴拉德說。
NASA已經計劃在本世紀向木衛二發射無人探測器,探察其冰下海洋中可能存在的生命體。探測器母船到達木衛二的軌道之後,就會彈出一個著陸(其實是「著冰」)機器人。在木衛二的冰殼上實施軟著陸后,該機器人會放下一個攜帶「潛泳機器人」的「穿冰機器人」。穿冰機器人將在木衛二的冰殼中融化出一條孔道,到達可能存在的地下海洋。穿冰機器人在行進的過程中,會在它身後重新凍結的冰層當中放置若干無線電收發機,這些收發機能以突發脈衝傳輸模式將信號傳送至沿木衛二軌道飛行的探測器母船上。經過探測器母船中轉信號,地球上的科學家可以隨時了解冰下的探測進程。由於遙遠距離造成的通訊時延,在整個任務執行過程中,無論是穿冰機器人、潛泳機器人還是木衛二軌道探測器,都無法接收人類給出的任何指令,而要完全地獨立判斷形勢,自主決定如何操作。