导演卡梅隆的团队造出万米深潜器,怎么中国只能达到七千

知乎日报 梅洋汤; 341℃ 评论

导演卡梅隆的团队造出万米深潜器,怎么中国只能达到七千

图片:Dfoatlamfenddolmaon / CC BY-SA

为什么詹姆斯?卡梅隆团队的深潜器下潜深度达到万米,蛟龙号只有 7000 米?

梅洋汤,心怀敬畏

看了很久,决定写一个相对明白的答案。毕竟我亲身坐过潜水器,到过海底,比 99% 的人有更多了解。我希望这个答案是以科普为前提,严谨科学的,但同时是开放的,能让懂行的人来指出错误,毕竟我自己无法弄懂所有的方面。所以答案会更新(改错和改专业术语)。

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从来没有用过“蛟龙号”,而且看大家很多人在撕中美两国体制、政治、经济什么的(其实“深海挑战者号”是澳加联合造的),所以我还是直接用美国大名鼎鼎的阿尔文潜水器(Alvin)来和“深海挑战者号”说话。毕竟 ALVIN 是全世界所有载人潜水器的母版,而作为曾经的乘客,我对其比较了解。

问题是:为什么其他潜水器不能像卡梅隆的“深海挑战者号”一样潜万米那么深。

原因很简单:其他潜水器一开始制作的时候,就没有打算去一万米。卡梅隆的“深海挑战者号”一开始就是冲着马里亚拉海沟的 10000+ 米去的。这些就涉及很多方面,比如:载人部分钛合金球体的不同,液压系统的不同,负载的不同,行动方式和范围的不同,等等。

问题太大,各位看官在这方面的知识储备是 O,我们还是来先看结构吧。

从大概结构来看,两者并没有大的区别,都是由动力系统,载人球,电池组,负重组等几大块组成的,都是由母船先运输到指定海域,然后带上负重,自由下潜(也就是普通人说的“直上直下”),到达海底,然后利用电池提供的动力来进行小范围的搜索和观察。

ALVIN 的内部图大概就是这样的:

而深海挑战者号的大概结构图是这样的(由 Wiki 上可爱的作者 Olivier Zucker 绘制)

  • ALVIN 是平着入水的,你可以想象好莱坞大片里汽车从空中掉入大海的场景,很相似。

  • “深海挑战者号”的设计及其巧妙的采用仿生学(讨论如下),全身像是一片柳叶,是竖立着入水的,下潜速度更快。其他潜水器相比较下潜速度慢,载人球体需要的氧气和二氧化碳排出会更多,遇到海流可能被 drift 偏离目标地点。

  • 载人球体空间大小不同。ALVIN 载人钛合金球体可以让三个人勉强躺下来,”深海挑战者号“只能让一个人蜷缩在里面。(这将导致一系列问题,比如人多力量大,“人老了,胳膊腿儿也不好使了”)。钛合金球体内部空间大了,整个球体需要承受的压力成倍增长,这一点上,ALVIN 的困难和挑战更大,而卡梅隆有 ALVIN 的现成技术 + 专业人员的改进,并不是最大难点。ALVIN 的钛合金球体现在设计的目标就是在 7000 米下抗压。而“深海挑战者号”的设计从一开始就是一万米抗压!这是卡梅隆能深入一万米的最重要保障。
  • (有待商讨的部分)载人球体材料的问题。我明确的知道 ALVIN 是用钛合金做载人球的,但是找不到“深海挑战者号”采用的具体材料。报道上的材料是钢材,却没有详细说明是否是特种钢材,也没有参数。对此我有所保留。
  • 浮力材料不同。“深海挑战者号”去的海底比其他潜水器的要深 3000 到 5000 米,其他潜水器用的材料在此深度下会碎裂。它所用的浮力材料是特制并有自己专利的 ISOFLOAT™
  • 说到活动范围,不论是 Alvin 还是“深海挑战者号”都是脱离了电缆的限制才能潜入深海,这就导致所有的系统动力只能由电池组提供。所以两者活动范围都极其有限,谁也没比谁强太多。ALVIN 采用动力后置,涡轮装在屁股上,就像开车一样。“深海挑战者号”因为采用了创新的立式结构(这个下面要重点说),推进器是在“腰部”。要问哪种速度更快是没有意义的,因为两者都不是为了快速活动。
  • ALVIN 的电池最长能在海底支撑 72 小时,如果考虑到灯光,加速以及最重要的,人的承受能力,最多在海底呆一天。“深海挑战者号”的电池系统我不太清楚详细,但是理论上在海底呆一天是最基本的。卡梅隆在一开始就打算在海底最少呆一天。所以这一点上两者也并没有太大差别。
  • 两者都是载人作业,都装配有机械臂和采样平台,可以采取科研用的样品。因为 ALVIN 已经服务了好几十年科研事业,能在 ALVIN 上搭载的实验仪器和平台更多更复杂。“深海挑战者号”并不是专业采样潜水器,所以只搭载了有限的采样工具。

关于潜水器的各种细节,没有在这里说的细节可能会在我的专栏里面提及 见微知著(散漫惯了的我好有压力……)

这里我要指出最高票答案的问题,纯科研讨论,不涉及人身攻击,有疑问还望相互切磋 @Duang Zhou

载人潜水器分两种类型分别是载人探险型和载人作业型,这两种看似相同却又有本质的区别。载人探险型,如卡梅隆的“深海挑战者号”,其特点是下潜能力强,可达万米级,但活动范围及其有限,不能在水下进行长时间的有效的操作和科学研究,达到万米级深度后很快就要上浮,水下持久性短,下潜寿命(次数)小;载人作业型,全球知名的载人作业型潜水器主要有美国“艾尔文”(4500 米级)、中国“蛟龙”(7000 米级)、俄罗斯“和平一”和“和平二”(6000 米级)、日本“深海 6500”(6500 米级)以及法国“鹦鹉螺”(6000 米级),同时这五个国家也是世界上独五拥有深海科学研究中心的国家,载人作业型潜水器的优势在于具有水下观察和作业能力,主要用来执行水下考察,具备千次的下潜寿命。

从基本结构来讲,载人探险型和载人作业型并没有本质的区别。具体见上面提到的各点。

比如挑战者号装备的机械臂和采样仪:

在关于卡梅隆潜入马里亚拉海沟的纪录片“深海挑战”中,也明确指出了深海挑战者号并不是为了潜下去获个记录,它完全能够在水中前进后退转弯。这是因为深海挑战者号模拟了能够在海中直立前进的鱼类,比如 shrimpfish(又叫 razorfish)的形态(下图)。这样的结构不仅加快了下潜速度,而且增加了稳定性和灵活性。

卡梅隆的“深海挑战者号”的下潜次数少并不是因为他的部件是一次性的什么的,完全是因为下潜成本太贵!

每次试潜,都要租用一条大船拖“深海挑战者号”到指定区域。租金极其昂贵。如果遇到天公不配合,那这钱基本就丢了。

下潜的油钱极其昂贵,而且为了上来要丢掉负重,相当于每次丢掉一大笔钱。

最最贵的,是整个系统的维护。专业的人员,只能定制的配件,每天的例行维护就需要一大笔钱。ALVIN,“蛟龙号”,都是举国之力在负担(所以各位,还请多关注一下,我们交的税一部分就用在里面了),卡梅隆制作组是拿到投资的,是需要拍片,拿到资金回报的(这也是他们大力宣传的目的之一)。

但是不管是“蛟龙号”,ALVIN,“深海挑战者号”,都绝不只是富人和科学家的玩具。我们对于最深的海底的了解,还不如我们对火星表面了解的多。海底,是人类目前唯一几乎没有触及的地方。不管是商业下潜,还是科研下潜,我们都是为了对我们所居住的星球有更多的了解。

下潜不只是成功,更多的是失败。

1967 年,ALVIN 被剑鱼撞破了底部,幸好,驾驶员非常冷静的把潜水器浮上了水面。

(这是后来 WHOI 的搞笑示意图,但那天的情景可以想见并不会有人笑)

1968 年 10 月 26 号,ALVIN 在下水的时候 cable 失效,沉入了 1500 米的海底。万幸驾驶员从舱中逃了出来。

前几年的试潜,窗户上出现的裂痕让人不寒而栗。

没有坐过 ALVIN 的人,不会理解  ALVIN 的 Wiki 页面上的这张图片的恐怖:

这是 ALVIN 紧急逃生的方式:抛掉其他一切,只让载人舱快速上浮。

去年一艘无人潜水器在放下去后几分钟内爆炸,船上的人收不到它的信号,一直到几个小时后,他们发现几十块潜水器残骸陆续的出现在船周围的海面。

其实深海水压大到可以把人在几微秒内压成肉酱,实际上一点痛苦也不会有。如果真的出现危险的话你根本没有反应时间。“如果出现故障了而你仍有时间考虑,那就说明没有危险——继续下潜吧!”

我们只看到 ALVIN 下去了,蛟龙号下去了,深海挑战者号下去了,他们都安全的回来了。我们在电视剧前看科学家们,工程师们欢呼,却不知道他们在欢呼什么。只有经历了各种失败和恐怖以后,我们才能理解他们用生命一次次挑战海底的意义。

“When Cameron succeeds, we all succeed.”

关于海底的图片和知识介绍,我另外一个答案里面介绍了一下,还有其他答案的科普也不错,不过请千万别相信海底有鬼那种图片啊,看得太害怕了

海底是什么样子的?生活着什么生物?是不是黑得什么也看不见,静得什么声音都听不见? - 梅洋汤的回答

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