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万米深潜,巡航采样:国之重器“奋斗者”号又创造了一项纪录
发布时间:2020-11-18 08:14 来源:

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11月10号,当你还在等着为双十一剁手的时分,一群人却在预备下海。

早上8时12分,央视报导,我国“凯发3333k8奋斗者”号潜水器在马里亚纳海沟10909米深处成功坐底,成为全球坐底最深的潜水器之一。

马里亚纳海沟,接地气一点,你也能够叫它马家沟。

而担任奋斗者号总设计师兼总指挥的叶聪,结业于哈尔滨工程大学,而哈工大又被称作“马家沟舰艇修造工作技能学院”。

嗯,从马家沟到马家沟,一点没错。(当然,奋斗者号的成功是很多人辛苦工作的效果!问候!)

下洋捉鳖难于上天揽月

现在,载人万米深潜一共有4次:

1960:里雅斯特号(Trieste),乘员2人,下潜10916米,逗留约20分钟;

2012:深海挑战者号,搭载《阿凡达》导演卡梅隆,下潜10898米,逗留约几十分钟(由于毛病抛弃了本来6小时的方案,许多媒体报导有误);

2019:美国Limiting Factor深潜器,乘员2人,下潜10928米,逗留约4小时;

2020:我国奋斗者号,共搭载3人,下潜10909米,逗留6小时,进行了采样,巡航和录像。

附图一张,上面应该添上我国奋斗者号一笔了:

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相比之下,人类现已进行了6此登月,最长还逗留了75小时。

这几回深潜都是在马里亚纳海沟进行的,要万米深潜也只能在这儿进行:

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马里亚纳海沟全长2550千米,为弧形,均匀宽70千米。据估计这条海沟已构成6000万年。

海沟最深处的当地达6~11千米,是已知的海洋最深处,这儿水压高、彻底漆黑、温度低、含氧量低,且食物资源匮乏,因而成为地球上环境最恶劣的区域之一。

深潜万米,怎么做到

先附上一张奋斗者号全身照:

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由于现在关于奋斗者号的信息还很少,所以咱们接下来以蛟龙号(2012年下潜大7062.68米)为例来了解一下深潜器的奥妙。

按例先上图:

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(图源:钱江晚报 梁津铭 制图)

深潜器下沉的原理和鱼相似。鱼在下沉时会吐出鱼泡中的空气,上浮时会往其间吸入空气。

上面提到了人类第一个万米深潜器里雅斯特号便是经过灌沙子完成的。只不过跟着年代前进,沙子换成了其他物质。

现在遍及在深潜器上添加压载铁以进步全体密度,蛟龙号也是如此,不过详细分量不祥。作为参阅,卡梅隆乘坐的深海挑战者号装置有两块各重243kg的铁块(内部还有180kg的铁砂)。上浮时丢掉压载铁即可。

阻挠人类下潜的最大要素便是水压。

聪明的你必定知道水越深,水压大。而到了万米深海,水压现已超越了100Mpa。这是规范大气压(0.1Mpa)的1000倍。

什么概念呢?这种压强下每平方米要接受超10000吨的压力,这适当于把3架土星5号运载火箭(人类史上自重最重的火箭)会集堆在1平米面积上。

所以,挑选抗压才能好的资料就尤为重要。

点评物体抗压才能的参数是屈从应力(Yield strength)。

屈从指的是在拉伸或紧缩资料时,当应力抵达必定值,应力有细小的添加,而应变却急剧添加的现象。这儿的必定值便是屈从应力。

你或许在视频网站看过液压机“碾压”各种物品的视频。应力在此处体现为压力,咱们用液压机施加压力,当压力抵达阈值,木头就会急剧形变,这种现象在物理学中便是屈从。

屈从应力越高,资料的抗压才能就越好。对一般的金属,如低碳钢,其屈从引力为207Mpa。一旦超越,就会构成不可逆的形变。

当然,不止变形,物体还有或许在高压呈现裂缝。物质都是有更小的分子结构组成的,假如摆放结构不行均匀,那么薄弱环节必定会在不断下潜中被“攻破”开裂。

衡量开裂或许性的参数叫做开裂韧性(Fracture toughness)。

物体有裂纹或类裂纹缺点景象下产生以该裂纹为起点的不再跟着载荷添加而快速开裂时,物体为了对立这种开裂而做出的最大阻力值便是开裂韧性。

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(图源:Jian Xu; Evan Ma. Cambridge University Press.04 August 2014)

在上图中,竖轴代表开裂韧性,横轴表明屈从应力

既满意高屈从应力又满意高开裂韧性的资料,在图上的方位应该更接近右上,那么首选便是钛合金。

钛合金是多种用钛与其他金属制成的合金金属,这种资料自上个世纪开端开展,技能现已适当老练。从一开端就凭仗其高强度低密度而广泛用于航天。

对深潜器来说,抗压要求最高的是球舱,也便是乘员舱。

为了使乘员能够呼吸,球舱中有必要坚持满足的空气。对立就在于,由于是空的,那么在高强度水压的效果下就会向内洼陷变形!

依据此前我国船舶七二五所的一篇论文,用于蛟龙号球舱的钛合金屈从应力抵达了820Mpa。

Emmm...大约20多架土星5号运载火箭的分量。

这还仅仅最大深度“才”7000多米的蛟龙号球舱的屈从应力,那么完成万米深潜的奋斗者号必定要比这个值大!

能够必定的是,奋斗者号运用的钛合金必定是经特别研发的。

等一下,难度还没完毕。为了给乘员留出进口和观测口,还需要在这个球上开口,这无疑会进一步增大被揉捏变形/开裂的危险,这对工艺也提出了很高的要求。

处理了资料,算是踏出了第一步,随之而来的是更难的制作、焊接等难题。水下供电、照明、通讯、控制、巡航定位等也有必要处理。

毫无疑问,从奋斗者号的体现来看,咱们克服了一切的困难。这背面,是很多奋斗者的支付。

咱们操心吃力下潜万米,究竟是为了什么呢?

下洋捉的什么“鳖”

要回答这个问题,首要要知道深海有些啥?

从生物生计的视点来说,水、光和食物、氧气这些对绝大多数生物都是必不可少的。当然,对声称地表最强的水熊虫来说,这些都不重要。

按人眼的观测才能,水下差不多200米就感触不到光了,对视觉更明锐的生物来说,这一深度或许会更深一些。

抵达万米深度后,再敏锐的生物也感觉不到光了,因而许多深海生物进化时爽性就不要眼睛了。

比方,我国使用天边号深渊着陆器在马家沟约7000米处抓到了一种叫做钝口拟狮子鱼(Pseudoliparis swirei)的鱼类,其实践生计深度在6km-8km之间。

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图源:西北工业大学

头部的两个黑点是不是眼睛现已不重要了,由于它对可见光没有任何反响。

到了万米的深度,生物就更少了,长得或许也就更古怪,而这些生物对研讨生物进化进程很有含义。

除了进化,深海的研讨价值还在:

1. 研讨板块运动

海沟是两个板块彼此磕碰的当地,以往依据声呐和地震波获取海底地貌的办法不行精确。假如人类具有实地勘探才能,就能获取更精确的板块运动信息。

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在海洋中,相似的爬升板块就会构成海沟

并且,海沟还被成为“海洋的终极垃圾桶”。在此处汇集了许多沉积物,包括很多古气候、古海洋的信息,这关于地球的演化研讨也是含义巨大。

2. 研讨生命来源

虽然地球生物来源还没有切当的说法,但一种理论以为,地球生命来源于海底热液喷口邻近。海水跟着裂缝下渗,地下很多矿物质随水回到海洋中,构成白色/黑色的“烟囱”,据信生命就来源于此。

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此外,深海关于对球圈层联络、洋流和生态系统等研讨都很有价值。

一向以来,航天、深海勘探此类活动总是被打击没有有用价值,但其实,它们所发明的价值早已深化到日常日子,更是为人类未来添加了更多或许性,假如咱们一向以“眼前的有用”为规范,或许咱们会被永久困在这颗星球上。