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开发海底交通,探索海洋

发布时间:2019-11-29 11:32编辑:现代文学浏览(168)

      海中的交通问题也早已进入了科学家们的议事日程。一种新颖的“水底无轮摩托车”已经问世,这是由英国伯明翰工程师尼恩新发明的。水底摩托只能解决海底居民的短途旅行,因而专家们认为,开设两栖型的水下列车,才是21世纪最安全、最时髦的交通工具。

    4月22日,中国科学院院士孙钧,中国工程院院士顾国彪、乐嘉陵和众多专家不约而同来到舟山普陀。他们都为世界第一条跨海真空悬浮隧道而来,对跨海旅游真空飞行巴士进行技术研讨世界首条海底真空隧道的建造呼之欲出。 一位民营企业家的大胆设想 2014年提出建造世界首条跨海旅游真空飞行巴士,是刘子忠的大胆想法。作为九州动脉隧道技术有限公司董事长,刘子忠因这个决策而走上科技创新前沿,站在建造跨海水下真空隧道的世界新技术的风口。 他是烟台人,是烟台到大连的海底隧道建设让他有了这个想法。九州动脉副总经理王敬国说,刘子忠的目标坚定:建造世界首条海底真空隧道,以海底真空旅游飞行巴士的建设为跨海旅游先行先试。为此,他组织研发团队,由西南交通大学、浙江大学、国防科技大学等专门人才研发攻关,目前已获得多项专利。 海底真空旅游飞行巴士,就是跨海悬浮隧道真空列车。主要采用水下桥隧技术、磁悬浮列车技术以及真空技术。水下桥隧技术,是一种在水中悬浮的管状隧道,通过控制管道自身的重浮比,依靠浮力支撑隧道约90%重量。采用真空管道及磁悬浮列车技术,可减少管道内90%的空气阻力,大幅提高列车运行速度,大幅减少空气噪声。 这不是天方夜谭,而是基于我国这一领域技术的积累。近20年来,我国水下隧道建设迅猛发展,目前已建成各类水下隧道工程超过500座。 建第五代交通工具有哪些难点 跨海通道突破了传统的海运方式在天气等方面的制约,理论速度可以超过2000公里/小时,是一种可以全天候运行的交通通道海底真空列车,将成为人类历史上继火车、汽车、轮船和飞机之外第五代交通工具。 20世纪末,时任中科院院长的路甬祥就提出建设中国悬浮隧道阿基米德桥的构想。2004年两院院士沈志云又提出建设真空管道高速交通设想。2014年,西南交通大学建成世界首条真空管道交通实验系统。而美国公布了建设真空管道列车的方案。 目前,中铁隧道勘测设计院有限公司已完成了舟山海底真空隧道初步方案研究。项目负责人贺维国说,普陀海底真空隧道将采用盾构加水下桥技术建造。如果建成,将是国内最长的海底隧道,全长10公里,也是世界首座水下真空隧道。其挑战主要是快速、标准化海底隧道修建技术、真空隧道的防渗技术、真空隧道真空的实现及结构设计技术、实现隧道内列车高速运行,隧道的不均匀沉降控制标准等。他认为,利用国内现有技术,能够实现水下真空隧道的修建。真空隧道断面较小,通过对现有水下隧道技术的改进,可以大幅降低建造成本,加快建设速度。他坦言,仍有不少技术难点和新工艺,需要提前开展相关专题研究与进一步论证工作。 中科院院士孙钧说,建设海底真空隧道主要是水下桥隧技术、磁悬浮列车技术以及真空技术的集成创新。我国建造海底真空隧道列车在技术上基本没有问题。他同时提出,可分别建设时速600多公里超高速和时速80公里的中高速列车,作为首条试验线进行探索。 未来,福建到台北或许只需13分钟 当前面临最大的问题是,国家相关部门何时能立项。为此,孙钧等三位院士及专家呼吁争取国家发改委、科技部等部门批准立项支持。 专家认为,海底真空旅游飞行巴士的建设,是国家综合实力的体现,也是增强国力的重大举措,具备科技的先进性与前瞻性,必将引起世界关注。普陀区委书记张立军说,看起来是异想天开的事,其实是科技的创新,我们愿为科技创新提供舞台,更愿意为这个项目先行先试。 专家介绍,大连到长海、蓬莱到长岛、平潭到南海乡、北海到涠州岛等地方也都可选址成为试验线。他们认为,建设首条海底真空隧道试验线意义重大,可以为我国大连到天津、大连到烟台的海底隧道作出示范。未来,福建到台北180公里只需13分钟……或许几年后,我们将亲眼见证世界首座阿基米德桥,亲身乘坐世界首个真空管道列车,亲自体验磁悬浮带来的超静音感受,见证高科技带来的速度与激情。来源: 科技日报

      关于深海钻探术的思索

      1993年,日本科学技术中心召集了海洋动力学家、列车专家和潜水艇专家会聚一堂,对制作出来的水下列车实物模型进行了多方位科学论证和技术探讨,并计划在3~5年内研究出可投入使用的样车,这种未来的两栖型水下列车,在陆上时速为200千米,潜入水下33米深处后的时速为80千米。

      人类从海洋走向陆地,将来有可能又会回到海洋,这是因为:随着全球人口越来越多,人们生活环境会越来越窄,而海洋却占据地球总面积的 71%,广阔无垠的大海,可从根本上解决人口的增长问题;另外,厚厚的海水,是天然的隔热层,人们生活在海底,四季恒温,没有寒冬和酷暑的烦恼,再有,海洋中众多的生物,为人们就近捕食提供了便利。

      列车在水中快速行驶将会遇到海水阻力、潜流、湍流以及海水对流等问题。对此,日本专家决定将列车车身借助导向轮固定在高架单轨水下铁路路基上,借助潜水艇使用的垂直和水平稳定器,使列车在深水中行驶时能够保持平稳。此外,水下列车上装有先进的线性发动机,进入水中后,单轨铁路路基上特制的带电线圈产生磁场,与列车车身上的电磁铁相互作用,从而驱动列车在水中快速行驶。

      多少世纪以来,我国民间一直流传着金玉充盈、金碧辉煌的海底“龙宫”的神话。法国也传说,公元前350年,阿列克山特大王在100米水深的海底居住了80天,这“水晶宫”是透明材料制成的。

      美、英、法、德等国的专家也认为,水下列车的研制已无任何技术上的障碍。问题是铺设于海中的单轨高架铁路。这项工作难度颇大,谁先解决这个问题,谁将先使用水下列车。美国一旦解决了这一问题,将首先开辟从本土到夏威夷的水下列车。

      动听的神话只是反映了古代劳动人民征服海洋的愿望,并非真有其事。但海洋的魅力、求知的欲望、探险的情趣,深深地吸引着人们去做征服海洋的各种尝试。今天,我们可以高兴地说,不久的将来,海底“龙宫”就要建成了。这里,我们先介绍不久前出现的海底之家,再参观一下海底城市的菜园和采油基地,最后再看看新颖的海底城市中心区。

      乘坐水中列车来到这神秘的海底世界,你将领略到海中的特有风光:海龟将从你身旁闪过,虾兵将向你迎面扑来,鱼儿在你头顶嬉水,海豚将尾随你游荡,千姿百态的珊瑚将在你的脚下飘摇,仿佛真的来到东海龙王的水晶宫,令你流连忘返。

      “海星”站——海底之家

      20世纪初,致力于水下工程研究的人员提出建造“水下房屋”的方案,但由于技术条件的限制,也没有迫切的需要,就被搁置起来。随着科学技术和海洋开发业的发展,从 60年代初开始,水下定居点的理想才逐渐变成现实。

      1962年9月,法国在地中海试验了世界上第一个水下居住室,两名海洋工作人员,在10.5米深处生活和工作了8天。

    开发海底交通,探索海洋。  1963年6月,“海星”站潜水系统在红海实验。第一个定居点——海星站设在11米深的海底,第二个定居点——圆筒形居住室设在27米深处,15米深处还设有兼做中途停留站的水下仓库。一圆盘形潜水器负责水下安全与救护。在这海底之家里, 名潜水员在8     11米深处居住了 30天,其中 2人还去第二定居点生活了7天,并以此为基地,潜游到100米深处,创造了潜水的新纪录。另外,海面还有工作母船和一条通讯联络船,负责海底之家的生活保障和通讯。

      海星站有一个中央控制室和四个辐射室,形似海星。两间辐射室是寝室,第三间为水下实验室,第四间是过渡室,下面有个“湿门”,是进出海洋的大门,由于室内气压与设置深度的水压相等,海水也不会涌进室内。

      目前,海底之家能供人们在几十、几百米深的海底居住几十天甚至更长的时间,扩大了人类的生活圈,为建造海底城市打下了基础。

      水下便屋

      水下便屋是海底之家的卫星站,用作水下仓库或中途停留站。外形一般为半球形或帽形,用玻璃钢、有机玻璃或尼龙橡胶薄膜等材料制成。

      最新水下便屋利用折叠式充气结构,由两层薄膜织物构成,两层之间有许多接点相连,内层是绝热保护层,外层万一破坏,内层能起保护作用。充气后,气囊保持一定的形状,用绳子系在海底压重物上,成为浮在水中的水下气球。屋内有电话、照明灯具、食物、饮水和呼吸用气体。把多个水下便屋集中在一起,组成水下营地,可作为大规模海底作业基地的临时住处。

      水下“菜园”

      浅海区阳光充足,营养丰富,是各种海洋生物繁殖的好场所。因此,这里不仅可以建设海藻农场和人工渔场,也可建造水下“菜园”,种植和饲养名贵海洋生物。“菜园”由沉放在海底的金属或塑料的笼子组成。用波浪能推动空气泵。通过供气管,把新鲜空气从海面送到海底,氧气供鱼贝类呼吸,二氧化碳供植物进行光合作用,这就大大提高了生长和繁殖速度。

      收取海产时,潜水员把水下气球挂在笼子上,用气瓶给气球充气,就可把笼子提升到海面,或直接运送到海底城市中心区,供水下居民食用。

      水下石油基地

      现在石油开采,一般都使用海上平台或人工岛。随着科学技术的进步,石油开采从大陆架浅海区逐步向深海推进。到21世纪,将使用水下采油系统,建立水下石油开采基地。这种基地的井口装置、石油输送站、管理站等等都设在耐压球体内。若干个球体连成一组,并有耐压管道与水面相通。通向水面的管道,除油、气管外,还有升降电梯通道,以接送人员和器材。

    澳门威斯尼人平台 ,  油区专用潜水器在水下巡视,加强了油区的监督和管理,在紧急情况下,还可帮助水下工作人员脱险。

      海底城市中心区

      海底农场、海底菜园、海底采油基地等在建立的同时,都要解决水下居民的居住问题。近些年来,人们对未来海底城市作了种种设想,在未来的21世纪,这些设想将会得到实现。

      由于海水的巨大压力,海底城市中心区将由许多抗压球体组成。一个球体好比陆上的一幢房子,几个或几十个球体联结起来,组成一个居民点,再由若干居民点组成一个城市中心区。水下城市的中心是车站,深潜器担负水中公共汽车的角色,供水下职工上、下班之用。

      另外,海底城中还有设备先进的疗养院,那些需要疗养特别是神经方面有问题的患者,住在静谧的海底,呼吸着能调节神经元的空气,透过特制的透明窗户,观赏千资百态的海底动物,他们的心灵会得到净化,所患之病要不了多久也会不冶而愈。

      打捞“斯坦泰克号”的启示

      在历史的长河中,不知有多少船舶沉于海底,让这些沉船重见天日,是科学家大伤脑筋的事。首先是沉船的地点难以确定,即使能准确知道船舶的出事地点,但在沉没的过程中,海浪、风向和船本身的倾斜角度,使船最后沉到海底时会大大偏离出事地点,其次,海深浪急,一般的打捞办法只能束手无策,特别是在数千米深的深海更是难上加难;另外,如沉船时间较长,船体与海底泥沙粘在一起,会产生相当大的吸力,更增加了打捞的难度。

      美国作家加斯勒的科幻小说《激流考察队》是一篇以打捞一艘沉没于太平洋 4 000米深处的沉船“斯坦泰克号”为背景的科幻小说,给我们深海打捞方法提供了一个很好的启示。

      首先,根据出事时船所在的方位,再考虑它当时的方向,航向及出事时船舶的倾斜角度,用精确的方法,计算出它沉到海底时的位置,经过潜水艇和超声波搜索,果然很快就找到它的踪迹。然后用一种称之为“湿钢”的新型材料将船所有的裂口焊好。这种叫湿钢的新型材料,外形像塑料,在空气中柔软易曲,但与水接触后仅过90秒钟,就变得坚如钢铁。打捞人员坐潜水艇到海底,通过特制的喷嘴把湿钢喷到裂口上,倾刻之间裂缝就补得严严实实的;甚至连门窗等也统统焊死,当沉船的所有裂缝都补好后,沉船就变成了一个密封的整体。然后再在船的上方安装几个阀门。当一切就绪后,就往船内注入强大的压缩空气,当船压缩空气有足够的升力可以把船身浮上海面时,就往船底周围的沉积层注射一种化学电解质,这种电解质的反应使沉积物分解并形成一层气泡,这气泡层消除了静摩擦,使沉船容易摆脱掉沉船与淤泥间的吸力。

      沉船摆脱淤泥的羁绊后,压缩空气的浮力举动沉船,迅速向海面上升去。这时,随着离海平面越来越近,船内的气压也会越来越大,若不采取措施,到一定限度,压缩空气的压力反过来又会产生膨胀使沉船炸裂,从而前功尽弃。这时,事先安放的压力安全阀开始发挥作用了,这些安全阀的耐压力事先都经过精确计算,当气压升到一定程度时,第一个安全阀自动打开,放出一部分压缩空气,这样依次打开,既保证了沉船的上升,又不使船中的压缩空气压强过大,直到沉船最后浮出海面,打捞成功。

      这一切当然是科幻小说的情节,但我们谁又能说它仅是幻想呢?科学技术的发展,完全有可能使幻想变为现实。

      海底抗震新设想

      要在海底修建建筑物,还有个问题需要解决,那就是海底地震的威胁,海洋占地球总面积的71%,所以它经受地震的次数要比陆地多得多,只是因为它上面一层厚厚的海水,地震所造成的能量经海水的缓冲,人们不易感觉罢了。而海底建筑却不能不考虑这问题。

      不过,人们如果能修造抗海水巨大压力的海底建筑,那么这种材料在抗震方面也会大显身手。据测算,这种海底建筑,能抵御9级以上的地震。据有史以来的记载,9级以上的地震极为罕见,所以一般来说,海底抗震不会成为大问题。

      当然,极为罕见不等于没有,修造海底建筑费用昂贵,为确保安全,对于9级以上的地震,科学家设想了不少解决的好办法,其中之一就是“能量逐步释放”。

      我们知道,地震的发生是因为地壳的偏移运动,使地壳一部分隆起,一部分下陷,产生了横向移动,于是发生了倾斜,当倾斜经长期积累,隆起的地壳弯曲程度逐渐增大,最后导致爆炸。一句话,地震就是倾斜的岩石突然崩裂,把原来因倾斜积累的能量迸发出来所产生的振动。

      知道了这个道理,如果在这个“爆炸”发生之前把它的能量事先释放——当然是分几次逐步释放的话,就可避免这种强地震。

      科学家是这样设想的,地震发生之前,预测到它爆发的准确时间和震中,然后在震中四周的地壳中,多次起爆微型原子弹,制造多次人工小地震,使地壳积累的能量通过这小地震而释放,那它最后的总爆炸就不会发生了,地震因而也就避免了。

      至于预测地震的时间和震中并不是件难事,因为在海底,地震前所产生的地震波,通过海水的传播比在陆地上空气的传递要容易探测,因为它最先发生的是“P波”,它以 8公里/秒的速度传播,它前进的方向和垂直的振动,引起纵向摇摆,其次是“S波”,它以 5公里/秒的速度传播,它前进的方向和垂直震动引起横向摇摆,最后才是“L波”,这个“L波”摆动产生可怕的破坏力,因此,只要观测到“P波”和“S波”,就可预测到产生破坏性的“L波”。

      抗压有待新技术

      我们知道,建造海底建筑,首先要解决的是抗海水压力的问题。海水的压力与海深是成正比的,海水愈深,压力愈大。没有一定的抗压能力,海底建筑只能是幻想。为解决这问题,不少科学家花费了毕生的精力,后来,人们从龟壳和蛋壳的结构中得到启发,实验证明,龟壳和蛋壳结构,能使所受的力均匀,甚至相互抵销,用同样的材料,蛋壳般圆型结构能承受最大的压力。根据这原理,潜水艇做成圆形,大大增加了下潜深度。

      科学的发展,轻便而又质硬的材料不断涌现,现在,人们在海底修造了一些海底建筑,作海底观察和科学实验用,这些海底建筑有拱型外壳,能把海水的压力均匀地传送到海底,增强了海底建筑的抗压能力。

      科学家设想,如果能发明更高强度而又耐腐蚀的新材料,在深海的海底修建建筑物将不会是幻想,有的科学家提出设想,这种海底建筑的外壳可以做成夹层,夹层中间充满压缩空气,既轻便又减少建筑物的质量,更主要的是,这压缩空气和外面的海水压力相等或相仿,这样可以全部抵销海水所产生的巨大压力,到那时,辽阔的海底将出现一个又一个的海底城市,神话中的海龙王,再也不是神话,人人都可以随时到海底生活。

      世纪海洋工程

      21世纪水下机器人的设想

      无人遥控潜水器,也称水下机器人,它的工作方式是,由水面母船上的工作人员,通过连接潜水器的脐带提供动力,操纵或控制潜水器;通过水下电视、声纳等专用设备进行观察;还能通过机械手,进行水下作业。目前,水下机器人已广泛用于海底开采和监测。

      日本研究制造了无人有缆潜水器,用于200米以内水深的油气开采,完全取代了由潜水员去完成的危险水下作业。英国、意大利联合研制的无人遥控潜水器,性能优良,能在6000米水深持续工作250个小时,用于水下检查维修、水下测量;美国科学家研制的“小贾森”有缆潜水器有其独特的技术特点,它采用计算机控制,并通过光纤沟通潜水器与母船之间的联系。母船上装有四台专用计算机,分别用于处理海底照相机获得的资料;处理监控海洋环境变化的资料;处理海面变化的资料;处理由潜水器传输回来的其他有关技术资料等,母船将所有获得的资料经过整理,通过微波发送到加利福尼亚太平洋格罗夫研究所的实验室,并贮存在资料库里。

      目前,无人无缆潜水器尚处于研究、试用阶段,还有一些关键技术问题需要解决。展望21世纪,无人无缆潜水器将向远程化、智能化发展,其活动范围在250~5000公里的半径内。在控制和信息处理系统中,采用图象识别、人工智能技术、大容量的知识库系统,以及提高信息处理能力和精密的导航定位的随感能力等。如果这些问题都解决了,那么无人无缆潜水器就能成为名副其实的海洋智能机器人。海洋智能机器人的出现和广泛使用,在21世纪一定会实现,它为人类进入海洋从事各种海洋产业活动提供了技术保证。

      21世纪水下实验室

      水下实验室,也称水下居住实验室或水下居住舱。水下实验室的出现,为潜水员和科学家在水下进行较长时间的活动和工作,提供了海底活动基地。水下实验室在海洋开发、海洋工程、海洋考察以及海洋军事等活动中能发挥重要作用。如果说,潜水器在海洋开发方面把人类的手臂延长到大洋海底的话,那么,水下实验室则是直接把人类自身移向大海深处。

      1962年,美国研制的“海中人—1”号和法国研造的“大陆架—1”号水下实验室,分别在地中海进行实验,人类的饱和潜水技术从理论研究进入了全新的现场试验阶段。各国相继研制出各种水下实验室,在不很长的时间里水下实验室增加到七十多个。

      水下实验室,用于海洋开发和地质、化学海洋环境污染等方面的考察研究,并取得了理想的成果。

      1987年9月,美国海洋大气局研制出可移动式“水族馆”号水下实验室,并布放在圣克罗岛外的海域。“水族馆”号水下实验室造价550万美元,是目前用于海洋开发与研究的最为先进的水下实验室。实验室可供六名研究人员在海底工作7~30天,还能使研究人员在居住室外的海底环境中每天工作九小时。当供电和供气系统出现故障时,室内应急系统可继续工作72小时,从而让研究人员有充足的时间进行减压并浮出水面。在巴哈马群岛海域,科学家们在123米深处生活了两天,研究了人类居住在海底时神经及生理状态的反应。“海底实验室2”号在加利福尼亚附近入海,十名科学家在水深90米处生活了15天,其中一位宇航员在海底生活了30天。

      德国在水下实验室的研究方面有其独到之处。1969年,由造船和核能利用公司研制的“赫尔果兰”水下实验室,长九米,宽六米,高六米,乘员四人,自持力可达149天。这个水下实验室的特点,是完全采用水面浮标系统进行补给。这种补给不受气象和海况条件的影响。另外,这种水下实验室除具有常规减压设备外,它还可以在海底直接对潜水员减压,潜水员在返回地面后可以立刻离开实验室而不会发生危险。它还配备有救生室、救生筏等水下安全室和陆上减压室,在紧急情况下供潜水员安全迅速撤离作业现场。“赫尔果兰”号水下实验室的这些技术性能,在世界水下实验室中堪称是第一流的。

      水下实验室,作为未来有很大发展前景的高技术,总的趋势是向作业深度大、自持力强和机动性好的方向发展。目前,饱和潜水的最大人体模拟实验深度已达686米,实际实验深度已达520米。随着饱和潜水技术的发展,作业深度还会有新的突破,大作业深度的水下实验室在本世纪末或21世纪初将会出现。

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