万米深潜，巡航采样：国之重器“奋斗者”号又创造了一项纪录

11月10号，当你还在等着为双十一剁手的时候，一群人却在准备下海。

早上8时12分，央视报道，中国“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，你也可以叫它马家沟。

而担任奋斗者号总设计师兼总指挥的叶聪，毕业于哈尔滨工程大学，而哈工大又被称作“马家沟舰艇修造职业技术学院”。

嗯，从马家沟到马家沟，一点没错。(当然，奋斗者号的成功是无数人辛苦工作的成果！致敬！)

下洋捉鳖难于上天揽月

目前，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，停留约20分钟;

2012：深海挑战者号，搭载《阿凡达》导演卡梅隆，下潜10898米，停留约几十分钟(由于故障放弃了原本6小时的计划，许多媒体报道有误);

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

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

附图一张，上面应该添上中国奋斗者号一笔了：

相比之下，人类已经进行了6此登月，最长还停留了75小时。

这几次深潜都是在马里亚纳海沟进行的，要万米深潜也只能在这里进行：

马里亚纳海沟全长2550千米，为弧形，平均宽70千米。据估计这条海沟已形成6000万年。

海沟最深处的地方达6~11千米，是已知的海洋最深处，这里水压高、完全黑暗、温度低、含氧量低，且食物资源匮乏，因此成为地球上环境最恶劣的区域之一。

深潜万米，如何做到

先附上一张奋斗者号全身照：

由于目前关于奋斗者号的信息还很少，所以我们接下来以蛟龙号(2012年下潜大7062.68米)为例来了解一下深潜器的奥秘。

照例先上图：

(图源：钱江晚报 梁津铭 制图)

深潜器下沉的原理和鱼类似。鱼在下沉时会吐出鱼泡中的空气，上浮时会往其中吸入空气。

上面提到了人类第一个万米深潜器里雅斯特号就是通过灌沙子实现的。只不过随着时代进步，沙子换成了别的物质。

现在普遍在深潜器上增加压载铁以提高整体密度，蛟龙号也是如此，不过具体重量不祥。作为参考，卡梅隆乘坐的深海挑战者号安装有两块各重243kg的铁块(内部还有180kg的铁砂)。上浮时扔掉压载铁即可。

阻止人类下潜的最大因素就是水压。

聪明的你一定知道水越深，水压大。而到了万米深海，水压已经超过了100Mpa。这是标准大气压(0.1Mpa)的1000倍。

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

所以，选择抗压能力好的材料就尤为重要。

评价物体抗压能力的参数是屈服应力(Yield strength)。

屈服指的是在拉伸或压缩材料时，当应力达到一定值，应力有微小的增加，而应变却急剧增长的现象。这里的一定值就是屈服应力。

你或许在视频网站看过液压机“碾压”各种物品的视频。应力在此处表现为压力，我们用液压机施加压力，当压力达到阈值，木头就会急剧形变，这种现象在物理学中就是屈服。

屈服应力越高，材料的抗压能力就越好。对一般的金属，如低碳钢，其屈服引力为207Mpa。一旦超过，就会造成不可逆的形变。

当然，不止变形，物体还有可能在高压出现裂缝。物质都是有更小的分子结构组成的，如果排列结构不够均匀，那么薄弱环节必定会在不断下潜中被“攻破”断裂。

衡量断裂可能性的参数叫做断裂韧性(Fracture toughness)。

物体有裂纹或类裂纹缺陷情形下发生以该裂纹为起点的不再随着载荷增加而快速断裂时，物体为了对抗这种断裂而做出的最大阻力值就是断裂韧性。

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

在上图中，竖轴代表断裂韧性，横轴表示屈服应力

既满足高屈服应力又满足高断裂韧性的材料，在图上的位置应该更靠近右上，那么首选就是钛合金。

钛合金是多种用钛与其他金属制成的合金金属，这种材料自上个世纪开始发展，技术已经相当成熟。从一开始就凭借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，也就是乘员舱。

为了使乘员可以呼吸，球舱中必须保持足够的空气。矛盾就在于，由于是空的，那么在高强度水压的作用下就会向内凹陷变形!

根据此前中国船舶七二五所的一篇论文，用于蛟龙号球舱的钛合金屈服应力达到了820Mpa。

Emmm...大概20多架土星5号运载火箭的重量。

这还只是最大深度“才”7000多米的蛟龙号球舱的屈服应力，那么实现万米深潜的奋斗者号肯定要比这个值大!

可以肯定的是，奋斗者号使用的钛合金肯定是经特殊研制的。

等一下，难度还没结束。为了给乘员留出入口和观测口，还需要在这个球上开口，这无疑会进一步增大被挤压变形/断裂的风险，这对工艺也提出了很高的要求。

解决了材料，算是踏出了第一步，随之而来的是更难的制造、焊接等难题。水下供电、照明、通信、操控、巡航定位等也必须解决。

毫无疑问，从奋斗者号的表现来看，我们克服了所有的困难。这背后，是无数奋斗者的付出。

我们费心费力下潜万米，到底是为了什么呢?

下洋捉的什么“鳖”

要回答这个问题，首先要知道深海有些啥?

从生物生存的角度来说，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，对号称地表最强的水熊虫来说，这些都不重要。

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

到达万米深度后，再敏锐的生物也感觉不到光了，因此许多深海生物进化时干脆就不要眼睛了。

比如，中国利用天涯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，其实际生存深度在6km-8km之间。

图源：西北工业大学

头部的两个黑点是不是眼睛已经不重要了，因为它对可见光没有任何反应。

到了万米的深度，生物就更少了，长得可能也就更奇怪，而这些生物对研究生物进化过程很有意义。

除了进化，深海的研究价值还在：

1. 研究板块运动

海沟是两个板块相互碰撞的地方，以往根据声呐和地震波获取海底地貌的方法不够准确。如果人类具备实地探测能力，就能获取更准确的板块运动信息。

在海洋中，类似的俯冲板块就会形成海沟

而且，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，包含大量古气候、古海洋的信息，这对于地球的演化研究也是意义巨大。

2. 研究生命起源

尽管地球生物起源还没有确切的说法，但一种理论认为，地球生命起源于海底热液喷口附近。海水随着裂缝下渗，地下大量矿物质随水回到海洋中，形成白色/黑色的“烟囱”，据信生命就起源于此。

此外，深海对于对球圈层联系、洋流和生态系统等研究都很有价值。

一直以来，航天、深海探测此类活动总是被抨击没有实用价值，但其实，它们所创造的价值早已深入到日常生活，更是为人类未来增加了更多可能性，如果我们一直以“眼前的实用”为标准，或许我们会被永远困在这颗星球上。