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第 10 期
(2015-07-14)
 
【科技日报】科学号科考船:中国梦从大洋起航
文章来源: 科技日报 李大庆 发布时间: 2015-07-13

  科学号科考船。 左上图 科学号携带的深海机器人——发现号无人缆控潜水器(ROV)。中科院海洋研究所供图

  倒霉的老渔夫圣地亚哥84天都没有钓到一条鱼。第85天,他又向40英尺的海水深处放出鱼饵。这是美国作家海明威小说《老人与海》中的一个情节。

  鱼饵沉到40英尺水下,鱼线肯定不止40英尺,因为它在水中是斜的。科学家们在海洋科考时也会碰到此种“情形”:向5000米的海底放缆绳,都放出去7000—8000米了,依然不到底,因为船在随着海风漂。

  不过,中国科学院海洋研究所有一艘科考船能做到不“随着海风漂”,它在海上能“站得住”。这就是科学号海洋科学综合考察船。

  现在,科学号正在西太平洋的马努斯水域劈波斩浪,执行海底热液探测任务。在它5月6日离开青岛码头远航前,科技日报记者登上了这艘神秘的科考船。

  从浅海到深海、从近海到大洋

  海风轻轻地吹。

  在青岛南姜码头,上白下红的科学号静静地休卧岸边。这艘船的建造,是我国“十一五”国家重大科技基础设施项目。

  世界上海洋科考船数量居前几位的是美、日、英、德、法等发达国家。进入新千年以来,这些国家又相继建成并交付使用了新的海洋科考船。这些船的设计突出多学科综合探测研究的特点,装备精良、功能齐全,具备强大的深海大洋立体探测与同步作业的能力。相比之下,我国科考船则是数量少、船舶老旧、功能落后、作业效率低、配套不完善,难以满足当前日益发展的多学科综合考察,特别是深远海综合考察的需求。为了使我国在海洋科学特别是深海研究这一世界科技前沿领域占有一席之地,实现我国从浅海走向深海、从近海走向大洋的战略目标,2007年国家发改委批准了我国新一代深海海洋科学综合考察船(科学号)的立项,总投资近5.5亿元人民币。

  科学号2010年开始建造,2012年9月正式交付使用。依靠自主创新,科学号具备了全球航行能力,实现了集多学科、多功能、多技术手段为一体,满足海洋科学研究多学科交叉,特别是深海大洋研究的需求目标。

  中科院海洋研究所所长、中科院“热带西太平洋海洋系统物质能量交换及其影响”战略性先导科技专项首席科学家孙松说,自2013年1月投入试运行以来,科学号多次赴深海大洋,圆满完成了深海海底油气资源形成机理、深海极端环境调查、大洋环流系统与气候变化、深海生物基因资源及生物多样性、大洋生态系统与碳循环、洋中脊与大陆边缘热液系统及地球深部过程的科学考察,取得了丰硕成果。比如在南海探测了海底冷泉区域,在冲绳海槽热液区发现存在着大量的热液硫化物矿床。

  目前,科学号已出海9次,行程6万多海里,最远到达过西太平洋的雅浦海山。今年4月24日,科学号通过了国家重大科技基础设施“海洋科学综合考察船”项目的国家验收。

  高精度定位和控位

  从船舷的左侧拾阶而上,记者登上了这艘4000吨级的海洋科学综合考察船。甲板、船舱、船桅、驾驶台,船尾的作业操控支架尽收眼底。

  科学号的“科学”体现在哪儿?

  作为科学号建设项目的总工艺师,现任科学号船长的隋以勇耐心地给记者科普:“科学号船尾部的吊舱式舵桨全回转电力推进系统,是目前国际最先进的推进方式之一,也是被科学号国家验收委员会认定的‘首次在科学考察船中采用吊舱式电力推进’。”

  吊舱式电力推进系统是将电机置于船舱外部。这是当前国际上一种新型的推进装置。

  科学号的动力是靠柴油机发电,然后输给船尾吊舱内的电机,通过电机驱动螺旋桨推进船体。电机与螺旋桨直接相连(无传统尾轴传递),可以360°水平转动,舵桨合一,这不仅节省了舱容空间,也提高了工作效率。电动机直接安在船底水下,噪声极低,有利于科考人员海上的科学实验。

  在验收前,科学号9次出海试航,隋以勇全部参加。他说,科学号总吨位4711吨,续航力15000海里,最大航速可达15节(15海里/小时),这大大优于常规轴桨推进的船舶。一般船只有在高速或有一定速度时才能转向,而科学号在低速时可原地回转,巡航时回转直径为194米。“船上配备了3台主发电机和一台停泊发电机,是相同吨位船舶中油耗最低的,快速性和经济性指标均达到或超过国际同类型船的先进水平。”

  船舶光有前进的动力不行,还要有左推右移的动力系统。科学号上就设计安装了两个“艏侧推”。

  艏是指船的前部。艏侧推就是装在船体前部水下的特种推进器,用来调整船舶方向,与船尾推进相配合可以控制船体左右的位置,以精确保持船位。许多船只都有艏侧推,靠岸时可以不用拖船帮忙。

  科学号艏侧推的独特之处,是在这个左右贯通的桶体槽道口上加了一个封盖系统。隋以勇说,在航行过程中,这个桶体容易产生气泡,对声学探测设备的使用有很大影响。“我们就设计了一套封盖系统,正常航行时把桶体盖上,需要左右移位时再打开。当初设计这个封盖时很多人不理解,说多此一举。其实他们是不了解科考船有许多特殊要求。”

  这个艏侧推槽道口封盖装置在国内是首创。

  海洋科考船实际上就是一个海上流动实验室,可以对水体、大气、海底等做科学探寻。自然,某一海域的定位探寻就要求船体能“站”得住,精确控位。隋以勇说:“依靠GPS定位系统和两套动力系统,科学号在1.5节流、5—6级风的海况下,能够实现定位精度0—3米、船艏方向正负10°的可靠控位。在深海极端环境航次中,缆控水下机器人在水下长时间作业时,科学号动力定位系统始终将船位控制在0.3—0.4米的范围之内。”高精度的定位和控制力,让这位有着30年出海经验的老船长无比自豪。

  科学号再也不会出现向5000米海底放缆绳,但放出7000—8000米甚至万米依然不到底的情况了。“5000米深,就放下5000米。”隋以勇的话掷地有声。

  “小胖船”上“寸土”寸金

  科学号是一艘“胖”船。它是为科考活动而专门设计的。

  我国现有自主设计的海洋科考船大都是瘦长型的。由于船窄,在海洋科考活动中其耐波性就差,海上作业受海况的制约就大。设计人员特地将科学号设计成了“短宽型”的船体结构。它虽然只有99.8米长,但型宽却有17.8米,这对于一艘科考船来说,就是一个“小胖子”。

  小胖子相对增加了海上的耐波性,并最大限度地照顾了船型尺度比和型线的优化。

  走进科学号的驾驶室,通透明亮是第一感觉,从室内向外360°均可远近观望。隋以勇说,一开始,设计者并没想着搞成360°的可环视驾驶室,是在我们的建议下才改的。“从驾驶室就能直观地看到后甲板上的工作情况,有利于驾驶台的指挥和操控。”

  驾驶室360°环视,科学号开启了国内科考船造船业的先河。

  “我们还有首创。”隋以勇说,科学号也可将驾控台转移到后甲板作业区,这也完全是为了后甲板开展科考工作的方便。

  站在驾驶室,环顾全船,可以发现与一般船相比,科学号的前甲板面积出奇的大。“这是为了给海上作业留有更大的空间。”隋以勇说,一般船的前部看到的都是各种系泊设备,而我们将科考船前部的各种设备都遮蔽到作业甲板以下,既保护了系泊设备,也增大了前甲板面积,便于携带安装更多的科考设备,方便作业。“在国内的科考船上,我们是第一个把前系泊设备遮蔽起来的。”

  记者看到在前甲板上画着一个黄色的大圆圈。隋以勇说,这是为直升机预留的悬停位置。如果在后甲板预留这个位置,那将挤占面积,减少科考设备的携带。

  船上“寸土”寸金。对于一次可绕地球大半圈、不需补给可自持60天的科学号来说,增大有效面积,多携带科考设备仪器,就可以更多地规划科学考察项目。

  科学号船头有个“科学桅”。一般的前桅杆用于悬挂前桅灯和锚灯、锚球,而科学号则赋予其科学内容:将它设计得又高又大,在上面装有探测大气的设备,因为“船头是最先接触海上气流,并且是离船上烟囱最远的地方,空气最纯净”。

  三副孟庆超带着记者参观了科学号独特的互不影响的干性实验室和湿性实验室。前者内的仪器设备可以对一些样品做分析和数据处理,而后者则用来处理一些海水中的取样(如动植物)或对海底岩石类等做分析,刚出水时及时做测试,就能准确了解其特性。此外,船上还设计了一个中心仪器室。它是船上科学实验的指挥中枢。在这里可以通过视频看到各个实验室、甲板等场合的科考工作场景,也可以看到驾驶室里的情况,如雷达、电子海图、实时监控等。指挥者(往往是首席科学家)可根据需要向船长要求科考船是停止不动还是低速前进,并在这里向各个实验、作业发布命令:开始作业或停止作业。

  时髦的“不对称”

  以往国内船舶大都是上层建筑对称分布的,而科学号则是一艘非对称布局的“时髦船”。

  几乎所有的船舶都把烟囱设计在船的中轴线上。科学号则把烟囱“放”到了驾驶舱的左后。这样在驾驶台上能直接观察到后甲板的作业情况,便于操控船舶配合作业。

  站在驾驶室里观察,可以看到科学号的右舷作业空间比左舷大。隋以勇船长说,这是从作业方式和作业所需空间考虑的。有些科考作业希望在舷侧进行,并且设备很长,这样我们就设计成右舷面积大一些。

  科学号上的这种“玄秘”有很多。它的不对称说起来挺时髦,但对科考而言是极大的方便。科学号的首要任务是服务于海洋科考,所有的功能到了海上方显出英雄本色。

  升降鳍板的奥妙

  这是藏在船体底部的又一玄秘之处。

  现代科考船一般都会携带、安装用于探测的精密仪器设备。许多仪器设备往往对振动、噪声等有特殊要求。科学号设计者通过消化吸收国外先进技术,适应精密仪器设备的需求,在国内自主设计了首套升降鳍板装置。

  中科院海洋所船舶中心政委朱萱告诉科技日报记者,由于船行过程中,船体表面水流湍急,难以满足科学探测的环境要求。以往的科考船都有置放探测仪器的仪器舱,固定在船体底下。但其缺陷是不仅增加了船舶的实际吃水,而且维护、更换时必须回港在船坞内进行。科学号专门设计了一个升降鳍板,样子像鱼鳍。它在深井中可以上下移动,不探测时可将仪器舱收回至船体内,探测作业时又可沉到船下水中2.75米处,这样就提高了探测设备的使用效率。

  升降鳍板装置的设计,使科学号极大地方便了探测仪器的保养维修,日常的维护可以在船内进行,而无需回船坞。用船长的话说:“不但维护方便,而且还省钱,省时间,提高了效率。”

  深海机器人有双灵巧的“手”

  科学号是一艘可进行深海探测的科考船。“其深海高技术优势主要体现在发现号无人缆控潜水器(ROV)、电视抓斗等系统的深海高清影像资料采集与深海样品综合采集的能力上。”中科院海洋所研究员、科学号第一航次首席科学家李超伦说起科学号上的设备,颇感自豪。

  科学号出海科考时,要带上发现号ROV无人缆控潜水器。这是目前我国下潜深度最深(4500米)、作业能力最强的水下缆控机器人。这个机器人配置了水下定位系统,还有Titan4和Atlas两种机械手,可用于水下的精细作业,比如抓取贝壳、螃蟹等。机器人上还配备了7个深水摄像机,包括两个超高清摄像系统。它搭载有用于探测海水温度、盐度、深度等信息的温盐深仪,甲烷、二氧化碳、酸碱度、浊度、溶解氧、叶绿素等多种探测传感器。机器人上有多种取样装置,可以在水下长时间、近距离地对深海海底物理化学环境参数等实时探测,可对近海底海水、热液流体、浅表沉积物、岩石和生物样品可视化现场取样。

  利用水下机器人等先进仪器设备,科学号在试航期间就已采集到了大型海洋生物样本200多种,也采集了大量生物、水体、沉积物和岩石样品。

  在科学号考察期间,曾在西太平洋一处海槽采集到几块鹅卵石。看似普通的鹅卵石中其实蕴含着高深的科学信息,因为一般鹅卵石都存在于浅海环境中,由较大的水流冲刷而成。如今在深海里发现它,很有可能是板块运动把它从浅海区域带到了深海区。科学家可以根据采集上来的鹅卵石和珊瑚礁里的化石来判断地球板块运动的速度。

  9次出海,6万多海里的行程,多项重要的科考成果。科学号建设项目的国家验收委员会认为:科学号“极大地提升了国家深远海综合考察研究的能力和水平,引领了我国海洋科学综合考察船的发展,其总体指标达到国际先进水平,部分指标达到国际领先水平”。

  值得一提的是,科学号所取得的重要成果,已在国内外引起广泛关注。《自然》杂志两次报道和评述了科学号及我国海洋科考能力的提升。

  未来,科学号将承担起我国深海远洋科学调查的主要任务。它通过验收并投入使用,标志着我国海洋科考能力迈上了新的台阶。

  (原载于《科技日报》 2015-07-13 01版)

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