作者:陈瑜 来源:科技日报 发布时间:2017/3/9 10:17:31
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深海空间站:大洋深处竞赛场

前苏联一级核动力深海工作站工作想象图

深海空间站,又称深海工作站,有人形象地将它比作“龙宫”——把地面的“房间”搬到了深达千米的水下,可利用站载(物理、化学、生物检测系统及光、声学)观察系统,直接操控所携带的无缆自治潜水器、水下吊车、有缆遥控作业潜器及配套的作业工具,适应不同对象的具体作业要求,成为在海底从事科学研究、资源勘探、检修维修作业等的移动工作平台。

放眼全球,除了美俄等传统海洋强国,挪威、荷兰等欧洲国家也都在开展用于深海油气、矿产资源开发的深海工作站研究。来自海底深处的召唤,引来越来越多的回应者。

生活在地球上的人们对太空空间站并不陌生,但很少有人知道,在地球分布最广阔的海洋中,人类早已着手在海底打造“深海空间站”。

目前,国际上深海运载平台分为“无人”和“载人”两大类。由于深海通信、目标识别、实时决策、作业操作、事故处理更为复杂,载人运载平台将发挥不可替代的作用。其中,大型载人运载平台的发展方向是在深海空间创造前所未有的工作环境,提升人员进入深海并实施长时间、大功率的作业能力,取得海洋科学、经济、军事等方面的效益。

2016年,国务院印发《“十三五”国家科技创新规划》(以下简称《规划》),明确提出未来五年国家科技创新的指导思想、总体要求、战略任务和改革举措。这是我国首次以国家科技创新规划命名。

《规划》提出,“十三五”期间,要面向2030年再部署一批体现国家战略意图的重大科技项目,深海空间站项目名列其中。

冷战时期军事对抗的战场

上世纪美苏争霸时期,由于对核战争的担忧,双方都认为海平面以上的一切是不安全的,因此非常注重水下能力建设,除在核潜艇研制方面展开激烈竞争,还在深海空间站技术领域投入研究,以提高水下探测作业能力。

1959年,美国着手研制建立北大西洋“反潜武器环境预报系统”,但需要解决水下作业装备;1963年,美国“长尾鲨”核潜艇失事,美国海军需加强深海搜索、救援及海洋工程能力。在此背景下,1965年美国开始建造NR-1深海核动力作业平台,最大工作潜深为3000英尺(约914米),1969年,NR-1在通用动力电船公司下水,它搭载了多种探测作业装备,参与过“挑战者”号航天飞机残骸的海底打捞、坠入海底的F-14战机打捞等重要任务,2008年11月退役。

上世纪60年代初,除了美国的海上军事封锁,多个发达国家出台海洋开发计划,开发大陆架和深海,紧迫的国际形势促使苏联发展深海探测与作业能力。

上世纪70年代至90年代,前苏联开始了“一级核动力深海工作站”的研制工作,分别研制了三艘1910型核动力深海工作站,北约代号为U级(UNIFORM),三艘1851型核动力深海工作站,北约代号为X-Ray。

前苏联“一级核动力深海工作站”的最大特点,是搭载了大量探测、观察设备和水下机器人、机械手等作业工具,具备强大的深海探测作业能力。俄罗斯人至今认为,该工作站是世界上独一无二的,并自信地认为,这六艘深海工作站的研制和投入使用,使俄罗斯牢牢掌握对世界大洋洋底的控制权直至新世纪初。

新时期民用领域“神”助手

进入新世纪,美俄把深海工作站研制与应用的战略重心,由深海军事对抗逐渐转向深海能源资源、国土权益、科研环保等领域。

上世纪70年代,哥伦比亚大学拉蒙特·多尔蒂地球物理观测站的布鲁斯·希森博士(注:发现大西洋中脊的美国地质学家)及伍兹霍尔海洋研究所的查尔斯·霍利斯特博士是首批登上NR-1的科学家。NR-1将他们带到几乎尚未开发的原始大陆架,在亲睹海底面貌后,希森感慨,自己花费八年时间写的所谓真实海底的材料都错了,必须回去重新思考。

由于这种迟到的认可,NR-1收到源源不断的来自科学家的使用请求,其新使命由此产生。

1993年,NR-1完成海底油管勘测,搜寻易于出故障的管道部分,2007年在加尔维斯顿港进行海底地形详细勘测等任务。NR-1退役后,2008年,美国宣布将新研制千吨级的NR-2深海空间站。与NR-1相比,NR-2除了履行军用使命,还承担了海洋工程安装、维护和维修等九类民用使命任务。

为满足拓展海洋权益与开发北冰洋油气资源的需要,进入新世纪,俄罗斯加快研制通用型与专用型千吨级深海工作站。

2003年,俄罗斯新研发了一艘(10831型)核动力深海工作站,因其耐压壳体由数个球壳串联组成,型式酷似俄罗斯动画片“小马驹”中的主角而获得“小马驹”的昵称。2012年,“小马驹”参加了俄罗斯“北极-2012”研究考察,在北冰洋门捷列夫大陆架上开展了大量水下作业,在2500米—3000米深度获得了大量地质资料,通过深海钻探获取了三块长度分别为60公分、30公分和20公分的岩心样本,以及重达500公斤的深海矿石和泥土样本。这些科考结果有效支撑了俄罗斯对莱蒙诺索夫和门捷列夫山脊等北极海底地区领土主权所有权的主张。

2006年,俄罗斯提出研发北冰洋油气开采六类专用型深海核动力工作站的设想,由核动力水下钻井平台、核动力水下运输平台、多功能探测平台、核动力水下天然气转运平台、核动力水下供能平台和核动力水下作业平台等六类平台组成深海油气资源开采装备体系,用于北冰洋深海海底的油气资源探测与开发,这六类平台中最大排水量在23000吨左右,大小与720个集装箱或74节高铁车厢相当。

未来先进技术研究孵化器

地球是一个蓝色的星球,海洋占到地球面积的70%。然而到目前为止,人类对海洋的勘探与研究仍停留在十分初步的阶段。阻碍人类前进的脚步恰恰就是“海水”。

随着深度增加,海水产生的压力会迅速增加,当深度达到1000米左右时,海水产生的压力为100个大气压,即我们生活在空气中承受压力的100倍,相当于一个指甲盖上要承受100公斤的重物。

人类要到达深海,必须研制出能承受如此巨大压力的交通工具。但这并非易事。

海水中只含有极少量氧气,目前各类交通工具的发动机基本都是通过燃烧燃料产生动力,到了深海离开氧气后,这些发动机都会“熄火”,因此如何为深海交通工具提供动力也是技术难题。

在海水中,无线电波、光都会迅速衰减,传播距离非常短,声波成为唯一能水下长距离传播的手段。因此海豚、鲸等海洋生物都通过声音来相互沟通,但受限于声波速度、波长等固有特点,人类对它的应用远不如电磁波那么自如和广泛。到了深海怎么确定我在哪里、我要往哪里去、怎么和别人通信等都存在很大的技术困难。

但与传统水面海洋平台、通过布放探测仪器进行海洋科考的船舶相比,深海工作站有许多“独门秘籍”:可不受海面恶劣风浪环境的影响,在特殊环境下可进行长周期高效率的水下作业。

正因如此,深海工作站研究方兴未艾。

“这是因为拥有很强的深海作业能力已成新世纪海洋强国的战略取向。”中国工程院院士吴有生分析说,深海空间站的定位在于既提升深海资源环境探测能力,又增强深海开发与工程作业能力。它是世界上高技术大型“有人装备”与前沿“智能无人技术”的高度结合体,代表了深海载人技术与信息技术、智能技术高度融合的发展方向。

但在这场你追我赶的国际竞技中,参赛“作品”目前都处于概念设计阶段,并无实质性进展,因为要突破深海条件的大型耐压结构技术、高能量密度动力技术、水下信息技术等大量关键技术。

吴有生认为,这些研究工作将推动船舶、能源、动力机械、材料、水声、电子信息等多领域的科学和多门类的技术,谁掌握了核心技术,谁将在未来深海资源探测和开发中占得先机。

 
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