书城自然科学巧夺天工:海洋工程与海港
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第18章 科学技术与海洋工程(4)

(2)压载与纵倾调整系统。载系统有可逆和不可逆之分。主压载水舱、可调压载水舱、上升与下潜重量系统属可逆压载系统,而耐压壳、合成泡沫材料、耐压水箱、压载重物等属不可逆压载系统。潜水器的纵倾通过设置在耐压壳体内部和外部的调整系统来完成。在壳体内部移动压载水和重物是最简单、安全、准确的纵倾调整方法。在壳体外部有汞液移动方法、对可调压载水舱和主压载水舱的不等量注水方法、移动蓄电池及抛弃重块方法等纵倾调整方法。例如,美国“阿尔文”号潜水器采用汞液移动,来获得较大的纵倾调整角;加拿大“海獭”号潜水器采用主压载水舱注水方法完成纵倾调整。

(3)推进和操纵系统。潜水器的推进装置一般采用普通螺旋桨、科氏导管推进器、槽道推进器、平旋推进器、喷水推进器,以及垂直舵和水平舵。而操纵潜水器是通过电动机或电动机组与垂直舵和水平舵联合作用进行的。

(4)生命保障系统。载人潜水器生命保障时间从6~120小时不等,其生命保障系统主要用于补充氧气,清除环境中的有害气体。一般潜水器都配备压缩空气瓶,通过流量控制装置可连续补充氧气,而采用活性炭、氢氧化锂、钡石灰及其他碱土金属等化学吸收剂,清除潜水器内的二氧化碳及微量污染物质。

(5)通信系统。通信系统包括无线电收发报机、水声电话和有线电话。它们主要用于潜水器与母船、潜水器与潜水员,以及潜水器内部的常压舱与加压舱之间的通信。在水面通信,采用无线电收发报机,通信距离可达80万千米。在水下通信则采用水声通信系统。潜水器与母船之间的通信,采用频率为8.0875兆赫兹的水声系统,而潜水器与潜水员之间或潜水员之间的通信,采用28兆赫或42兆赫的水声系统。

(6)调查观测设备。通常,在潜水器上固定的设备有探照灯、静物摄像机、电视摄像机、采样器、机械手、流速流向计。例如,1989年日本建造的“深海6500”号深潜器,潜深6500米,可容纳3名乘员,除在观察室之下设有2名机械手以外,还装有2台水下电视照相机、温度和深度测量装置,以及音响测位装置,这是世界上第一艘装有水声测位装置的潜水器。

(7)动力系统。潜水器最常用的动力源是蓄电池。目前,使用的动力源有铅酸电池、镍镉电池、银锌电池、银镉电池、燃料电池及核动力等。铅酸电池能承受大电流瞬时放电,具有使用周期长、造价低、安全可靠的特点。银锌电池具有体积小、重量轻的特点,但使用周期短、造价高、结构强度低。镍镉电池在能量密度、使用周期及造价方面介于上述两种电池之间。据统计,在载人潜水器上有70%的动力源采用铅酸电池,20%的采用银锌和镍镉电池,采用其他动力源的为10%左右。目前,科学家还在试验研究潜水器使用的燃料电池和核动力等新的动力系统。

2. 无人潜水系统

无人潜水系统是一种遥控的无人水下装置,通称“遥控潜水器”,亦是“水下机器人”的雏形。它是依靠水面遥控而运行的潜水器。这种潜水器最大的特点,是不需要人员在潜水器里直接操纵,而只需在水面母船上通过电缆和电视屏幕对潜水器上的仪器设备及其水下活动进行遥控。其次是重量轻、体积小,适宜在狭窄的海洋空间作业。再次是能进行长期、连续的水下观测和作业。最后是结构简单、成本低廉、操作方便。由于无人潜水器这些独特的优点,受到许多国家的关注,近年来发展迅速,无论是在种类上,还是在数量上都在成倍增加。无人潜水器根据遥控方式的不同,可分为有缆和无缆两大类。

(1) 无人有缆潜水器。无人有缆潜水器指无人潜水器通过电缆与水面辅助平台相连,同时通过电缆向潜水器提供动力并对它进行控制。无人有缆潜水器又分为自航式、拖航式和海底爬行式三种。

有缆自航式潜水器有缆自航式潜水器是通过与水面连接的电缆提供动力和进行控制,并具有自动推进能力,能做三维运动,具有良好的机动性。这种潜水器是目前无人潜水器的主流,其数量约占无人潜水器总数的70%。在潜水器上装有电视摄像机、照明装置、声呐、电子控制装置及机械手。观测人员在水面补给船上通过电视屏幕和仪器设备,可以安全、准确、实时地控制和监视潜水器的水下活动。目前最大作业深度超过3000米。

有缆拖航式潜水器:有缆拖航式潜水器是指本身无推进装置,而依靠水面母船拖曳航行的无人潜水器。它由与水面连接的电缆提供电力并进行控制。潜水器上装有电视摄像机、照明装置、声呐、电子控制装置及机械手。水面母船上备有相应的电视监视装置,观测人员可通过这种监视装置实时观察海底状况。目前最大作业深度达6000米。

有缆海底爬行式潜水器:有缆海底爬行式潜水器的推进方式与通常潜水器不同,只能依靠转轮或履带紧贴海底进行。它通过电缆获得电力、指令和运动方向。这种海底爬行式潜水器的重量从几吨到几百吨,作业水深范围为10~2000米。主要用于海底挖管沟、埋电缆、推土和挖泥,以及管道检查、海底航路勘测等。

(2) 无人无缆潜水器。无人无缆潜水器实际上是一种自动控制观测系统。它具有自备动力及自动推进的能力,能做三维运动,完全脱离了对水面的依赖,具有高度的机动性。目前,国际上在开发无人有缆潜水器的同时,积极推进无人无缆潜水器的开发。例如,法国在1980年建成“逆戟鲸”号无人无缆潜水器,重3吨,作业深度6000米,装有照相摄影机、频闪观测器和回声探测器。它能以2节的速度工作8小时。从表面支援船上通过声学系统控制其速度和航向。现已进行了130次以上的潜水作业,完成了太平洋海底锰结核调查、海底峡谷调查、太平洋和地中海海底电缆事故调查及洋中脊调查等。

据统计,迄今世界上无人遥控潜水器已突破1200艘,其中无人无缆潜水器仅有26艘,绝大部分用于军事和工业。

海洋机器人

神奇而玄妙的大海,有时水光潋滟、旖旎多姿,但转瞬之间也可能浊浪排空,惊涛拍岸,肆虐的大海会严重威胁潜水人员的生命安全。此外,恶劣的海洋环境、复杂的海况也对潜水人员设下了重重险阻。所以人类十分盼望海洋机器人问世,期待着海洋机器人去攻占海底龙宫的每一个角落。现代科学的发展,已经使制造机器人的理想变成了现实。

世界上第一个设有通讯系链、能够独立工作的海底机器人“逆戟鲸”号是美国研制的。它有5台微型处理机,有着装有5000张胶片的自动摄像机,有着非常完善的声呐装置声脉冲发送器、频闪器以及传感器等设施。这架机器人重2.9吨。它不需要海面工作人员“指导”其行动,但是如果遇到障碍物、摄像机失灵或电路中断等情况发生时,它还得与海面联系,因此,这架机器人在水下工作时每隔10秒钟就向工作船报告一次它的行踪及工作状态。这些报告都在工作船的示波器上显示出来,工作船上的人员可随时了解机器人工作的深度、方向、水温及发动机工作状况,必要时,工作船还可以发出控制指令,例如发动机、摄像机和录音机的关闭、镇重块的释放等。

这架机器人虽诞生不久,却立下了赫赫战功。它潜水达130多次,最深处到达海底5300米;曾在几百平方英里的太平洋洋底遨游览胜,拍下了那里的全部海底地形图;它也曾探察过意大利海岸附近的海底火山的概貌;连沉在9000英尺深处的一只可口可乐罐头盒子都没有逃出它的火眼金睛。

捕鱼机器人

1983年4月,日本研制出一种机器人,成功地用于海上捕捞金枪鱼。这种“机器人渔民”是采用电脑控制的,它能在渔船上胜任渔民所承担的各种繁重工作,如撒网、拉网以及分拣鱼类等。实验证明,它不仅可取代渔民繁重的体力劳动,而且工作效率高,作业时间长,对增加渔业产量极为有利。目前,日本不少渔船,已经使用这种“机器人渔民”进行海上捕鱼。

现在,日本又出现了海洋气象观测机器人。海洋观测机器人系统由海上浮标气象观测站和地面无线电接收中心组成。它能够在环境十分恶劣的大洋上全年实施无人化作业,并及时向地面通报观测和搜集到的气象数据资料。机器人的浮筒部分为钢质,直径达10米。立于浮筒中央的塔杆高出海面7米多,塔杆上装有气象观测器。这种机器人可用测链、钢缆和重达500多千克的铁锚牢牢地系留在水深数千米的海洋上。它的电源由空气湿电池和强碱蓄电池联合提供。这种机器人每3小时自动通报一次观测情况。观测的主要项目有风向、风速、气压、气温、日照量、水温(分水深3米、20米、50米三种)、含盐量、流向、流速和波浪等。它先把观测到的气象和海况资料转换为数字,而后通过无线电装置自动播发出去。机器人发出的电波,由设在地面的无线电接收中心接收,然后再输入信息转换系统通报给有关部门。

日本又在继续研制一种根据指令可在海上自行移动的浮游气象观测机器人,以便更加全面地搜集海洋的各种气象和海况资料。

海洋机器人是由海洋深潜器发展而来的。海洋深潜器到目前为止大致经历了5个阶段,其中前4个阶段都是载人的。第五代深潜器是无人深港器,多数是系缆的,少数是无缆的,都由水面工作母船来遥控。第五代深潜器实际上已经进入了海洋机器人阶段。海洋机器人也分为缆控海洋机器大和无组遥控海洋机器人两种类型。至于怎样对海洋机器人更好地进行水下遥控,现在还有许多问题等待人们去研究。

未来的“海中人”

海洋是地球上生命的摇篮。人能否再回到这个摇篮中,像海生物那样直接利用水中的氧气呼吸而生存呢?这个问题虽然在目前还是一种科学幻想,但人们也做了一些尝试性的研究。

最早的动物起源于水中,依靠溶解在水中的氧气而生存。由于反复的地壳变迁,使得一些动物进入陆地生活。有的动物在已经适应陆地生活之后,又被迫重新返回水中生活。还有少数动物发展成既能在水中生活,又能在陆地上生活的两栖动物。这就使人们设想有朝一日能重新进入海洋生存。

但是,高度进化的人类与海生动物是大不相同的。

许多用肺呼吸的海兽在海中自由出没,一会儿潜入海底,一下子又游出水面,但它们都不会得减压病。例如鲸鱼有时为了得到一顿美餐,刹那间可潜入2000多米的深处,潜游半个多小时。出生才6个月的小海豹,第一次下海就能潜到80多米的深处。其他各种水生动物,也都有自己独特的潜水技艺,真令人羡慕赞叹!

这些动物深潜的奥妙在哪里呢?

这些动物体内的血液量多,可以储存大量的氧气。例如一头海豹的储氧量,比一个同体重的人多两倍以上。另一方面,这些动物在深潜时,体内血液再分配的能力很强,这就是说流到皮肤和其他不重要组织器官的血液,因血管自动收缩而明显减少,保证充足的血液流到大脑、心脏和其他重要的器官,使之得到足够的氧气供应。这些动物对氧气的利用能力比人高4倍多,人体对氧气的利用率是15%~20%,这些动物则高达80%以上。此外,这些动物对二氧化碳的耐受能力比人强得多。例如给海豹呼吸含有 10%二氧化碳的气体时,海豹仍能保持正常的呼吸运动。但是,人如果呼吸含有同样高浓度二氧化碳的气体时,却有致命的危险。以上这些特点就使这些动物比人有强得多的潜水本领。

但是,大多数海生动物与人最大的区别是呼吸器官不同。为什么鱼能在水中呼吸呢?因为鱼在水中吸入氧气和呼出二氧化碳都是通过鱼鳃来进行的,气体交换就发生在鱼鳃的表面。尽管水中的含氧量很少,约占空气中含氧量的1/30,但是当大量的水流经鱼鳃表面时,鱼能够有效地摄取其中的氧气,排出二氧化碳。

因此,科学家们设想研制一种“透过膜”,它能起到鱼鳃的作用。水能流经它的表面,但不能透过,只允许水中的氧气透过这种膜,同时允许另一侧的二氧化碳也能透过膜而溶解到水中去。如果这个设想成为现实,人们就可以背负小型的“人工鳃”装备去潜水。人们还设想研制大型的“圆桶鳃”,把它罩在水下居住舱的外面,直接利用海水中的氧气,为水下居住的人们服务。

20世纪70年代以来,科学家们对“人工鳃”进行过一些尝试性研究。例如有人用硅橡胶薄膜制成一种“圆桶鳃”装置,进行金丝鸟和小白鼠的水中饲养试验,金丝鸟到第20天仍活着,小白鼠到第30天还健在。

到目前为止,通过“人工鳃”来实现“海中人”计划,主要还处在设想阶段。人要在水中直接呼吸,还有许多目前看来无法解决的困难。但是,科学是需要一定的幻想、冒险和创造精神的,人类总想使自己能像自由的鱼,像聪明伶俐的海豚,像逗人喜爱的海豹那样,具有高超的潜水技艺,随心所欲地出入那神秘的海底世界。

中国第一艘双体丰潜船

中国第一艘双体丰潜船于1985年10月交付使用,这艘船是上海交通大学水下工程研究所设计的,其外形结构吸收了轿车车头、鱼雷体和快艇的优点,高速航行时十分平稳,浪花很小,可以作为游艇、高速交通艇、航政船、港监船以及海洋科学调查船使用。

探索海洋之路是奇妙、艰难而漫长的道路。人们从对海洋一无所知,把海洋看做一面巨大的“水镜”,直到打碎这面“水镜”,揭开海底世界的秘密,付出了辛勤的劳动。海洋蕴藏着神话般的宝贵财富,人类将像几千年来开发陆地一样去开发海洋。海洋对于人类的未来有着极其重大的意义。