到大海深处去——现代深海潜水技术面面观
新知
7月26日，国内首个独立自主研发的深海潜水器“蛟龙”号成功下潜到5057米，并顺利从海底传回图像和声音，创造了中国深海潜水器的最新记录，也代表着中国载人潜水器已经达到了世界领先水平。那么，作为探索地球上最广袤面积的海洋的深海潜水器，是怎样发展起来的，在它的发展过程中，哪些技术具有里程碑的意义，在现代科技背景下，深海潜水器又如何吸收了计算机技术的元素，使之获得更大的发展？
去海洋底部探险
在我们居住的地球上，海洋面积达到 3.62亿平方千米，约为地球表面积的71%。而在海洋深处，至今是一个神秘的世界：那里寒冷、黑暗，压力巨大，在海底火山口的极端环境下，生活着许多超出人类想象的鱼类、细菌；但同时也是一个令人向往的世界：底下蕴藏着锰结核、钴结核等金属矿藏，具有巨大的开发价值。
在“蛟龙”号诞生之前，世界上只有美国、日本、法国、俄罗斯四个国家拥有载人深潜器。这些国家的深潜器最大工作深度为6500米，而“蛟龙”号的最大工作设计深度为7000米，具备深海探矿、海底高精度地形测量、可疑物探测与捕获、深海生物考察等功能，理论上它的工作范围可覆盖全球99.8%的海洋区域。
深海潜水技术是在现代潜水艇技术的基础上发展起来的。
潜水艇是一种能潜入水下活动和作战的舰艇，也称潜艇，是海军的主要舰种之一。潜水艇技术最早出现在18世纪70年代。美国人D·布什内尔应该是有文字记录的第一个建成潜水艇的人，他在当时建成了1艘单人操纵的木壳艇，取名叫“海龟”号，通过脚踏阀门向水舱注水，可使艇潜至水下6米，能在水下停留约30分钟。
美国人在潜水技术中占据着非常重要的地位。1801年，美国人R·富尔顿建造的“鹦鹉螺”号潜艇，水上采用折叠桅杆，以风帆为动力。水下采用手摇螺旋桨推进器推进。1863年，法国建造了“潜水员”号潜艇，使用功率58.8千瓦（80马力）的压缩空气发动机作动力，速度为2.4节，能在水下潜航3小时，下潜深度为12米。
当然，要说对现代潜水技术贡献最大的一个人，必须提到美国潜艇设计师约翰·霍兰。1878年霍兰将自己的第一艘潜艇送下了水。1897年5月17日，时年56岁的霍兰终于成功地制造出了“霍兰－Ⅵ”号潜艇。在水下潜航时，则以电动机为动力，航速可达每小时5海里，续航力50海里。
当然，在第二次世界大战之前，几乎所有潜水艇都是用于军事目的，以搭载鱼雷攻击敌人水面舰艇为主。第二次世界大战之后，随着海洋科研活动的普及，专门用于深海探险科研的潜水器开始出现了，这是潜水器发展的第二个里程碑。
深海潜水器与潜艇的主要技术区别是深海潜水器不是完全自主运行的，必须依靠母船补充能量和空气。比如“蛟龙”号的母船是“向阳红09”。每次海试结束后，“蛟龙”号都会被回收到母船上，而不是在海中独立行驶。深海潜水器体积较小，航程短，也没有潜艇那样的艇员生活设施。
1960年1月23日，由美国人D·华尔西和深潜器发明者的儿子丁·毕卡第乘坐“曲斯特II”号，在太平洋马里亚纳海沟下潜深度为10916米，创造了人类进入深海大洋的辉煌，这一深度也被称作为太平洋挑战者深度。
随后，深海潜水技术进入一个黄金发展时期。这个阶段大批自航式深海潜水器开始涌现。
1980年法国“逆戟鲸”号无人深潜器下潜6000米。日本“海沟”号无人潜水探测器（最大潜水深度1.1万米），1997年3月24日在太平洋关岛附近海区，从4439吨级的“横须”号母船上放入水中，成功地潜到1.09万米深的马里亚纳海沟底部。
如何克服来自大洋的挑战
对于深海潜水器来说，最大的挑战来自深海水压。
物体的单位面积上受到的压力的大小叫做压强。单位是帕斯卡，简称帕。当压强一定的时候物体的受力面积越大压力也就越大。所以海底所受到的压力，应该等于海底的面积乘以该处的压强。压强随着海水深度的增加而增大，工程上规定1标准大气压=760毫米汞柱=76厘米汞柱=1.013×10的5次方帕斯卡=10.336米水柱，而每10.3米的水深为一个大气压。
太平洋最深的海沟马里亚纳海沟，深达13000多米那里的压强也就高1.3亿帕，相当于1300个大气压强。
潜水器需要下潜到深海里作业，而液体的压强随着深度的增加而增加，只有用抗压力强的钢材制成潜水艇外壳，才不至于被压坏。但对于潜水器的外壳来说，并不是越厚越好，因为所有深海潜水器的外壳都是由焊接技术拼装起来的，如今的电子焊接技术哪怕是最先进的水平，也只能保证焊接100毫米厚的外壳板材，这就对板材质量有着非常高的要求。
比如俄国的深海潜水器一般都采用双层壳体结构，外层非耐压壳是小于30毫米厚度的钢板，内层耐压壳也是80毫米左右的钢板。
在板材材料上，除了高质量钢之外，深海潜水器一般都会选用钛合金。钛具有比重小、强度高、耐高温、抗腐蚀性强、无磁性等优点。迄今为止，钛已在航空、航天、核能、舰船等领域获得广泛的应用，俄罗斯的阿尔法级、塞拉级、麦克级、阿库拉级、台风级和深潜研究型核潜艇都已经大量使用了钛合金。
钛合金的强度高于钢铁，重量却只有同体积钢铁的一半，特别是具有承受大深度海水压力的本领。“钛金核潜艇”的耐压外壳由于采用了钛合金，最大下潜深度可达到1000米，是钢铁核潜艇的2—3倍。
钛合金既不怕冷也不怕热，在1668℃的高温时才会熔化，比“不怕火”的黄金熔点还高出600℃左右，安全使用温度在零下200℃至零上500℃范围。所以深海潜水器根本不用顾及温度对钛合金制品的影响。
当然，钛合金也不是尽善尽美的，它的致命弱点是在高温下容易氧化，形成二氧化钛、氮化钛渣子，影响钛合金的质量。为此，在进行钛合金热处理工艺时，必须在真空下操作，进行钛合金的焊接时须用氩气保护（氩弧焊）；
另外钛的原材料加工成本较高，其成品价格比钢铁昂贵得多，是不锈钢的5～10倍。钛合金核潜艇的钛用量很大，俄罗斯一艘核潜艇需要的钛合金高达上千吨。
现代工业技术的精华
由于深海潜水器具有海洋科研、救援、探测等多种用途，其部件也在不断增加，这同样增加了深海潜水器在研发上的难度。而现代工业技术也及时地帮助科学家们解决了这些技术上的难题。
上世纪六十年代，以美国“阿尔文”号为代表的第二代潜水器得到发展。这类潜水器带有动力，还配置了水下 TV 、机械手等，不仅可以观察，还可以进行一些简单作业和海洋资源调查等任务。
1970 年，美国深潜救生艇 DSRV 下水，最大下潜深度 1069米，一次可营救 24 名人员，并配有 7只自由度机械手。
可以说，在深海潜水技术上，集中了现代工业技术的精华。以“蛟龙”号为例，引入了先进的水下电机、水下推进系统、液压源、高压海水泵等技术，也取得了钛合金超塑成型加工技术、深海浮力材料加工技术等多方面的突破性进展。
从整体来看，“蛟龙”号深潜器设计集成了12个系统，包括保障乘员安全的生命支持系统、负责整个潜水器安全的抛载机构等。
生命支持系统可为3名下潜人员水下供氧、收集潜水员呼出的二氧化碳，正常情况下可保证3人12小时生命安全，应急情况下提高到3人84小时。
计算机技术同样也被引入现代深海潜水器中。
在实际应用中，计算机控制系统会帮助潜水器具备针对作业目标稳定的悬停定位能力，能够保证水声通信，针对海底微地形地貌进行实时探测，在特殊条件下完成复杂任务。
日本制造的“深海-6500”深潜器，装备有最新的声成像声纳系统、摄影机、录像机、电视系统、机械手以及各种自动测量仪器等。
英国科学家研制的“小贾森”有缆潜水器的独特技术特点是，它采用计算机控制，并通过光纤沟通潜水器与母船之间的联系。母船上装有4台专用计算机，分别用于处理海底照相机获得的资料，处理监控海洋环境变化的资料，处理海面环境变化的资料，处理由潜水器传输回来的其他有关技术资料等。母船将所有获得的资料经过整理通过微波发送到加利福尼亚太平洋格罗夫研究所的实验室，并贮存在资料库里。
从目前来看，计算机技术在深海潜水器上主要负责导航控制系统，进行资料处理和数字控制；同时负责协调潜水器上的机械手进行多方向作业。
目前在深海潜水器的发展趋势上，国外正在探索使用燃料电池、小核反应堆等；关于控制和信息处理系统，需采用图像识别、人工智能技术、大容量的知识库系统，以及提高信息处理能力和精密的导航定位的随感能力等，要在大深度声音图像传输技术等高技术上有突破。
