“三龙”探海助力深海科研

来源:中国海洋报   发布时间:2020-01-19 17:34:38 
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“海龙三号”

“潜龙三号”

蛟龙号作业现场

“龙”是中华民族的标志性符号,在我国深海大洋调查领域也有一个“龙”家族。蛟龙号为载人潜水器、“海龙”系列为无人有缆潜水器、“潜龙”系列为无人无缆潜水器,“三龙”可搭载多种探测取样工具潜入深海,完成深海大洋环境要素和底质样品探测取样,是我国进入深海、认识深海的“探海利器”。

今年以来,“三龙”致力于探索深海科学奥秘,取得了一系列新进展。在国家深海基地管理中心,蛟龙号基本完成大修与技术升级,将以全新的面貌和更加优异的性能投入到深海前沿科学研究、深海资源勘查、深海环境监测保护等业务中。

在中国大洋56航次科考任务中,“海龙三号”在西北太平洋深水海山区开展多种复杂地形下的测线调查和高精度观察、取样,高质量完成了调查任务。

在中国大洋52航次科考任务中,“潜龙三号”在南大西洋开展了近底声学调查潜次,开创了“潜龙三号”无人值守新模式,有效提高航次综合调查效率。

■ 本报记者 高 悦

“三龙”为何探深海

深海蕴藏着丰富的矿产、油气、生物等资源。根据《联合国海洋法公约》,这些资源属于全人类共同财产,各国不得任意开采,需要向国际海底管理局提出申请并签署勘探合同后,才可以对矿区进行精细勘探。只有圈出最优质的矿区,才有可能进一步签订开采合同。能否圈出最优矿区,取决于矿区调查的精细程度,“三龙”在其中发挥着非常重要的作用。

在“龙”家族中,“潜龙”号优势在于开展区域地形测量、拍照、摄像等作业,“海龙”号由水面船供电和操控,比较适合在相对平坦的海底长时间、长距离作业。蛟龙号能够定点悬停作业,科研人员可以亲临海底,直接观测、取样,在海底进行定点研究。“三龙”由此实现优势互补,点线面结合对矿区进行勘查。

除了矿产资源价值,深海在海洋环境科学、生命科学等方面还具有重要的研究价值。

国际海洋界把海面6000米以下的地方称为深渊区。科学家过去曾以为,海面6000米以下的地方,由于超高的静水压力、缺乏阳光和食物供给,加之特殊的海底地形、剧烈的构造活动等多种极端环境因素,是一片死气沉沉、毫无生命活力的世界。然而,随着人们对深渊展开科学调查,这些认识正在被颠覆。

早在20世纪四五十年代,苏联和丹麦的科考调查船就曾经对全球13条深度超过6000米的海沟开展了一系列调查。科学家在其中8条海沟发现了300多个新物种,其中三分之一以上的新物种都只存在于深渊环境。这些发现使科学家认识到,深渊世界里生活着独特的“深渊生物群落”。

深渊微生物的研究结果也取得新进展。研究发现,深渊生物圈中微生物的丰度、多样性以及活性均非常高,绝非“死气沉沉”。通过对马里亚纳海沟沉积物分析,科学家发现,地球海洋最深处的微生物群落保持着极高的代谢活性。

以前,受技术装备与手段限制,我国深海科学成果产出周期较长,数量较少,取得突破性进展的难度较大。借助蛟龙号采集的样品资料,同济大学科研团队的研究成果刊登于国际地球科学著名学术期刊《深海研究》。这是国际上第一篇有关西南印度洋热液区海底热液流体化学方面的文章。虽然近年来我国科研成果开始在国际深海研究舞台有所体现,但与国外同行相比,还存在一定差距。

纵横海底山川平原

我国水下机器人研究始于20世纪70年代末,中国科学院沈阳自动化研究所在国内率先开展“智能机器在海洋中的应用”的可行性研究,我国第一台水下机器人“海人一号”于1986年在南海试验成功,从而揭开了我国水下机器人事业发展的序幕。

长3.5米、高1.5米、重1.5吨,形似一条橘黄色小丑鱼,这是沈阳自动化研究所联合自然资源部第二海洋研究所等共同研制的“潜龙三号”给人们的直观印象。这条“小丑鱼”主要应用于深海资源环境勘查,具备海底微地形地貌成图、温盐深探测、甲烷探测等功能,可进行浊度探测、氧化还原电位探测、海底照相、磁力探测等探测作业。“小丑鱼”的4个“鳍”是4个可旋转舵推进器,“掌管”前进后退、上浮下沉;“尾巴”安装了磁力探测仪;“嘴巴”则是前视声呐,可将潜水器采集的声学数据转化为图像,用以识别障碍物和周边环境。

在今年年初进行的中国大洋52航次第二航段科考中,“潜龙三号”在大西洋中脊开展了热液硫化物活动特征、生态环境综合调查。作业期间,“潜龙三号”水下工作时间累计超过360小时,总航程超过1100公里,总探测面积超过420平方公里,获得了大西洋中脊近海底精细微地形地貌、水体参数、近底磁力等数据,为该区域的海底热液活动及生态环境综合调查提供了参考依据。

在外人看来,“潜龙二号”和“潜龙三号”就是一对“双胞胎”,外形、体重等都很相似。“潜龙二号”集成了热液异常探测、微地形地貌探测、海底照相和磁力探测等技术,其作业深度、续航能力、作业精度等在同类装备中处于国际先进水平,为我国海底多金属硫化物调查和勘探提供了高效、精细、综合的先进手段。

“潜龙一号”外形为橘红色圆柱体,长4.6米、直径0.8米、重1500公斤、最大续航能力24个小时、巡航速度为2节,以海底多金属结核资源调查为主要任务,可开展海底地形地貌、地质结构、海底流场、海洋环境参数等精细调查。相较于两个“弟弟”在海底翻山越岭的“功夫”,“潜龙一号”更适宜在地势较平坦的深海中作业。

定点取样手到擒来

“海龙”系列潜水器擅长局部作业、定点精细探测,可以进行大功率、长时间的水下工作,在海底硫化物矿区勘查中被广泛使用。“海龙”引起公众关注是在2009年。在中国大洋第21航次第三航段中,“海龙二号”在太平洋创造了我国自主发现并精细观测深海黑烟囱的新纪录。

“海龙二号”由一根线缆与母船相连接,由操作手在支持母船遥控,根据潜水器线缆传来的海底影像,远程控制潜水器运动与机械手操作,主要用于深海热液硫化物、生物与环境等深海勘探与科学调查。目前,“海龙”系列潜水器已从“海龙一号”“海龙二号”,发展到“海龙三号”和“海龙11000”。

“海龙三号”是6000米级勘查取样型无人缆控潜水器,采用液压驱动,国产化率达到90%,具备海底自主巡线能力和更强的推力、高速和重型设备搭载能力。“海龙11000”为万米级深海无人遥控潜水器,采用电动驱动,通过铠装缆和光纤微细缆可实现6000米~11000米级作业。

在今年7月完成的中国大洋52航次科考任务中,科考队员利用“海龙三号”搭载大虹吸、小虹吸、激光拉曼、大容量洁净取水等调查取样设备,开展了6个潜次的下潜作业,最大潜深3600米,在印度洋中脊典型热液生态系统精细调查中获得重要发现。

载人深潜无禁区

深海“龙家族”中知名度最高的当属蛟龙号,其长、宽、高分别是8.2米、3米、3.4米,重约22吨。自2002年立项以来,蛟龙号历经10年研制与海上试验,于2012年在马里亚纳海沟创造了7062米的世界同类作业型载人潜水器最大下潜深度纪录。

海上试验结束后,蛟龙号转入试验性应用阶段,在我国南海、东太平洋多金属结核勘探区、西太平洋海山结壳勘探区、西南印度洋脊多金属硫化物勘探区、西北印度洋脊多金属硫化物调查区、西太平洋雅浦海沟区、西太平洋马里亚纳海沟区下潜,涵盖了海山、冷泉、热液、洋中脊、海沟、海盆等典型海底地形区域,获得了大量高精度调查数据和高质量深海地质与生物样品。

据了解,各国已投入使用的各类载人潜水器约90艘,但下潜深度超过万米的仅有10多艘。目前,拥有6000米以深载人深潜技术能力的国家仅有中国、美国、日本、法国和俄罗斯。通过蛟龙号的研制与应用,我国培育打造了一支职业化深海工程技术保障队伍,建立了完整的研发和应用体系,创建了载人潜水器深潜作业技术体系,凝练出“严谨求实、团结协作、拼搏奉献、勇攀高峰”的载人深潜精神,为研制全海深载人潜水器奠定了坚实基础。

今年10月,由中国科学院金属研究所研制的全海深载人潜水器钛合金载人舱通过验收。全海深载人潜水器是我国“十三五”部署的首批国家重点研发计划项目。载人舱是全海深载人潜水器的核心部件,是一项涵盖高性能钛合金设计、超大厚度板材制备、半球整体冲压、大厚度钛合金电子束焊接等技术的跨领域工程,载人舱要求重量轻、强度高、可焊接、耐腐蚀、抗疲劳、长寿命,对材料的大规格制备能力和综合力学性能要求很高。全海深载人舱的研制成功标志着我国钛合金科学技术和制造成形工艺进入国际前列,将有效促进我国深渊科学研究。相信在载人深潜精神激励下,科研人员瞄准科技前沿,必将攻克万米载人深潜技术难题,开创中国科考全海深时代。

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