探访万米海底的深潜器，让我们从力学角度了解一下！

作者：流火来源：蝌蚪五线谱发布时间：2020-12-14

下海，总共分几步？

审核专家：北京师范大学物理系副教授张宏宝

“云端蝌学课”第三期

同学们，你们读过凡尔纳的作品吗？他是一位著名的科幻作家，曾经在书中提出了许多种关于“上天下海”的设想。例如，他曾经设想有一艘叫做“鹦鹉螺号”的高性能潜艇，可以在深海中以自给自足的方式长时间航行；他还提出过用超大型的火箭将人类送到月球，以及用热气球完成环球旅行的摄像。

鹦鹉螺号（图源：搜狐）

如今，凡尔纳的一部分科幻设想已经得到了实现：我们在天空中的探索脚步越走越远，从地球的近地轨道到月球、火星，乃至太阳系边缘，都留下了人类探索的痕迹。但反观深海探索领域，我们的探索之路却很不好走。截至2020年之前，人类已经成功载人登月6次，这一飞行距离足足有38400万米；而载人深潜器成功抵达海洋深处1万米——马里亚纳海沟的次数却也不过是4次而已，由此可见下海难度之高。

深海探测之所以比深空探测要困难得多，主要是由于海洋深处存在着普通结构难以承受的巨大压力，同时在万米深的海水中实现与海面的流畅通信也非常困难。面对深海探测这一世界难题，我们国家有大量的科研工作者为之付出了长时间的努力，终于在今年取得了两项重大突破：

一是“海燕-X”号水下滑翔机实现了10619米的最大下潜深度，刷新了水下滑翔机下潜深度的世界纪录；

海燕号系列水下滑翔机（图源：搜狐）

二是“奋斗者”号载人深潜器实现了单次搭载3人抵达马里亚纳海沟10909米处底部，并成功地返回海面。

奋斗者号（图源：云南信息报）

这两项科考项目都刷新了深海探测领域的世界纪录，使我国在这一领域的影响力获得了显著的提升。那么，让我们从力学的角度来了解一下神奇的深潜器吧！

深潜器如何自由地上下潜行？

我们都知道，当物体处于液体中时，会受到竖直向上的液体浮力作用。为了在深海里高效地上下潜行，深潜器们通过不同的方式来克服海水浮力的影响。

水下滑翔机通过改变排开海水的体积来改变自身所受到的浮力。在需要改变浮力时，水下滑翔机机身上搭载的油囊便在油泵的控制下进行收缩膨胀。当油囊收缩时，排开海水的体积下降，浮力降低；当油囊膨胀时，排开海水的体积提高，浮力提高。

海燕号的结构图（图源：搜狐）

另一方面，载人潜水器则主要采取了调节自身重力的方式。在下潜之前，潜水器上提前安装了重量非常大的配重块，同时开始在其压水舱内注水。在配重块和压水舱巨大重力的加持下，潜水器可以顺利地下潜至万米之下；而当完成了科研任务，要返回水面时，潜水器便会直接卸掉这些配重块，并在压水舱内注入空气。之后，由于潜水器本体所用的材料非常轻盈，远远小于自身所受浮力，因此便可以快速地上浮。

深海挑战者结构图，其中钢制压舱物即为配重块（图源见水印）

简单总结一下，为了改变受到的浮力，水下滑翔机主要采用了调节自身所排开海水体积的方法，而潜水器则主要采用了调节自身重量的方法。

现在同学们来思考一下，从本质上来看，这两种办法有没有区别呢？

我们先来看下课本上的描述：根据阿基米德原理，浸没在液体中的物体所受的浮力，等于它所排开液体所受的重力。

阿基米德原理（图源：搜狐）

也就是说，物体A的体积乘以物体A所排开液体的密度等于浮力。同时，物体A的重力等于物体A的体积乘以物体A的密度。那么当我们在比较物体A所受到的浮力和重力孰大孰小时，从根本上来看，还是在比较物体A和液体的密度孰大孰小：由于水下滑翔机自身质量不变，因此当油囊的体积降低时，其自身整体结构的密度也就增大；而潜水器在安装配重块之后，其质量大大增加，同时体积变化却很小，最终同样增大了自身整体结构的密度。

因此，我们现在知道了：尽管水下滑翔机和潜水器上下潜行的工作方式不同，但本质上都是在调节自身的密度。

海燕如何在海底长时间翱翔？

我们通过照片可以发现，以海燕号为代表的水下滑翔机都具有整体轻盈小巧的特点。以海燕号如此单薄的身材，肯定无法储存足够多的燃料。那么，它们如何完成长时间、长距离的科考工作呢？我们来了解下水下滑翔机所具有的独特的运动方式吧！

首先，假设此时水下滑翔机在海面之下保持水平悬浮状态，并进行相关的探测工作。这种情况下，机身整体在竖直方向上受力平衡。

平衡状态，重力与浮力相等（作者自制）

接收到前进的指令后，水下滑翔机开始收缩油囊，减小其所受到的浮力，使机身开始下沉。与此同时，机体内部的滑块向机头方向移动，使机身整体呈俯冲的姿态。这样一来，在竖直下沉的过程中，倾斜的机身便会受到来自海水的斜向上方的作用力。于是，滑翔机便可以受到水平向前的合力，从而一边下沉，一边向前移动。

下沉前进阶段（作者自制）

下沉到预定深度后，油囊开始膨胀，使机身上浮。同时，机身内部的滑块向机尾方向移动，使机身呈上扬的姿态。如此一来，水下滑翔机就仍然可以受到水平方向的合力，从而在上浮的过程中向前移动。

上升前进阶段（作者自制）

以上两个过程多次重复，水下滑翔机便以W形的方式向前慢慢移动。在这个过程中，水下滑翔机仅仅消耗了一小部分能量来实现油囊的收缩膨胀和滑块的来回运动，因此可以在低能耗的情况下实现长距离的续航。同时，由于这种运动方式所产生的声音信号非常低，再加上机身非常小巧，所以水下滑翔机在军事探测领域可以发挥非常重要的作用。

W形前进方式（图源：千龙网）

另外，水下滑翔机还配有一组机翼，调整机翼的角度便可以在海下完成拐弯的操作。

如何抵抗深海高压？

我们在物理课本上都学到过，液体内部的各个方向都存在着压强。同时，深度越深，压强越大。央视节目《加油！向未来》就曾经重现过经典的帕斯卡桶裂实验。之所以靠仅仅一杯水便能够使坚硬的玻璃受压破坏，原因就在于这杯水在软管中大大提高了液体的深度，从而使玻璃承受了相当高的压强。

帕斯卡桶裂实验（图源：腾讯）

由此可见，液体压强的威力是很巨大的。假如以我们身处大气环境中的一个标准大气压作为计量单位，那么在海中每下潜十米，深潜器所承受的液体压强就相当于10个标准大气压。而在万米深度的海底，深潜器将会承受大约1000个标准大气压的压强。而作为对比，我们的航天器即使在宇宙中飞行万米，也只需要克服大约1个标准大气压而已！这说明，深海高压是深潜器必须要克服的一个巨大挑战。

面对这一挑战，科学家们在两方面进行了潜水器结构的优化设计：

1. “圆润”的外形。

所有的深潜器都有着可爱的圆润外形，外表面的曲率过渡平滑，绝对没有尖锐的棱角。这是因为平滑的拱状外形可以将外部压力均匀分布于结构的整个表面，从而杜绝由于在尖锐处出现“应力集中”现象而产生的结构破坏风险。这一外形设计依据来自于自然界中的鸡蛋、贝壳等生物材料。

2. 耐高压的材料

深潜器的所有部件均由耐高压的材料制造。以奋斗者号为例，它的外壳采用了轻质高强的纯国产钛合金壳体，还采用了强度极高的固体浮力材料来减轻结构的整体质量，从而实现了“又轻又硬”的特点。