日报标题：这里是我们征服星辰大海途中的驿站 鸑鷟鹓鶵，拾人牙慧，手有余香 我们的征途是星辰大海！ 只不过我们的征途还有很长的路要走。直至今日，所有的星辰大海的任务都是点对点的，这限制了我们的探测范围和时间，我们需要一些驿站，来休整，来更好的了解星辰大海。这就是空间站。 深海空间站和轨道空间站，一个海平面以下，深不见底，一个大气层之上，高不可攀。 不过，我们的海洋最深处只有 11km，而空间站通常有 200~500km 高，尽管如此，我们涉足深海的困难却更大。 直至今日，去过月球的人，仍然比去过马里亚纳海沟的人要多；宇航员的数量，也比下潜到 2000m 以下的人要多。 那么，接下来我们就来聊一聊深海空间站、深海载人探测器、轨道空间站和载人飞船的区别： 深海载人探测器和载人飞船类似，都是一个短期的运载工具，也都作为地面 / 水面和空间站自己人员 / 物资的运输作用。因此有时候会为了探测极端环境而追求下潜深度 / 轨道高度。 深海空间站和轨道空间站类似，同属空间站，因此需要在特定的环境下长期维持，以进行科学实验、探测和研究。因此要求有充裕的体积，和长期滞留的能力。 一个简要的表格如下，其中，深海挑战者号是导演卡梅隆为了拍摄纪录片而委托制造的深潜器，礼炮一号是世界上第一个轨道空间站： 战略核潜艇 SSBN 深海挑战者号 深海载人探测器 深海空间站 礼炮一号空间站国际空间站 ISS 长度 /m100+75~820~3020108 直径 /m10+133~844~6 乘员 100+136+36+ 重量 / 吨 12000+1115~2530~30018419 常规深度 /m 80~200 1000~50001000~2000220000 最大深度 /m 400~500110005000~70001500~3000222000416000 深海自持力 90 天 3 小时 3~7 小时 1~2 周或更长 175 天 20 年深海航速 /kn2502~52~5 接下来，我们从几个方面进一步了解一下深海和太空的区别： 1#外部环境 对于深海和太空，外部环境都是很苛刻的，由于还需要载人因此苛刻的外部环境和宜居的内部环境会形成鲜明的反差，这里有如下几项： a.温度，b.外部压力，c.腐蚀，d.辐射，e.重力 轨道空间站所处的环境是： a.高低温循环，当轨道空间站朝向太阳时温度比地面高，而当轨道空间站转到地球背面时温度比较低，国际空间站通常 90 分钟就能绕地球一圈，因此外壳将不断在高低温下切换； b.几乎无气压； c.几乎无腐蚀； d.一定剂量的电离辐射，主要来源于宇宙射线和太阳风，取决于轨道高低，轨道越高，受地磁场的保护就越小，受到的辐射剂量越强； e.失重； 对应的，深海空间站所处的环境是： a.低温； b.高压，这个高压到了什么程度呢，迄今为止各国的军用作战潜艇（探测用军辅潜艇例外），除了变态至极，被冠以“金鱼”这么贵的苏联 945 型梭鱼钛合金核潜艇最大潜深 600~800m，其余的全部低于 550m。 这些潜艇快到极限的时候，厚重的金属壳也会发出嘎吱嘎吱的声音，在一片漆黑的寂静的深海，是种特殊的音效。 换句话说，就是 1000m 深的海洋深度能将全世界所有的海军作战潜艇全部压成渣渣……这才最深处的十分之一不到。 这一点严重限制了深海探测器的发展。看一下抹香鲸，不过，即使是潜深 2000m 的抹香鲸，在最深处的肺只有海平面的 1% 大小。 c.盐水腐蚀，身处海边或在海上待过的人们很清楚海水和海雾的腐蚀性是多么的令人发指，而当新研发的传感器及设备遇到盐雾这样一个测试项的时候，难免都会有些犯愁。即使是通过了耐盐雾的测试，维护起来也容不得半点马虎； d.几乎无电离辐射； e.正常重力； 咋一看，深海的环境貌似和太空的环境打了一个平手，实则不然。 轨道空间站离地球很近，其实相当于人类在较浅的海域活动， 温度层面上，两者的温度都不会太极端，相比金星表面的极热，或者冥王星表面的极冷，轨道空间站所需要承受的温度可谓小巫见大巫了； 而在空间辐射上，由于地磁场的保护，绝大多数空间辐射不会对轨道空间站有直接的影响。 相比之下，深海空间站的高压却是一块硬骨头，从外部环境来看，深海空间站的所处的外部环境要恶劣的多。 若是对于深空，那么环境则会恶劣的多，极端的高低温和不可预料的电离辐射会陡增难度，因此，从外部环境而言，深空>深海>近地轨道。 2#工程差异 #通信与光学 与地面或水面设备的正常通信也是个很重要的因素，同时，由于可见光属于电磁波，视觉观测也适合纳入这一类技术范畴。 轨道空间站采用无线电波进行星地间的通信，且频段趋势越来越高，信道容量越来越大，现在的国际空间站可以和地面视频了，对于他们这样几乎“足不出户”的宅男宅女来说，普及的网络实在是太方便不过了。 这是国际空间站的对地联络的天线（右侧）： 这些对地通信的天线大约一人大小，这是国际空间站的宇航员在修理备用天线： 而地面也会这样收： 无线通信广泛应用的基石，在于其在空气和真空中的信号衰减不和距离成正比（有线通信是），而是近视的对数关系，因此尽管距离十分遥远，我们也能相互收发。 而到了海水里，一切都不一样了，海水对于电磁波的衰减是超强的，只有在极低的频率（kHz）下，我们所使用的电磁波在海水中的传播深度只有 80~150m 左右。 在这么低的频率下，传输的速率低的惊人，通俗的说也就相当于下载 TXT 格式了，JPEG 格式的就十分痛苦了，而 AVI 格式的会逼疯所有人…… 而这并没有解决深海通信问题，这才 100m 左右的深度。因此深海的无线通信几乎只有一种选择，就是选用声波而非电磁波。于是这里只剩下声呐的用武之地了。不过，水中的声速只有 1.4km/s，深潜器和水面船只使用声呐通信会有几秒的延迟…… 声呐很多时候总是半掩半露的，于是，船艇上的各种凸起，球鼻之类的，都是因为里面有声呐： 如果是有线传输的话，也是有这样的先例的。幸好距离短，不过维护和意外损毁的可能性就大得多，毕竟几公里深的线缆，谁也不知道会被咬或者扯断。法国的 Nautile 就采用了光缆和母船进行数据传输。 而在视觉上，由于可见光同属电磁波，因此海水对可见光的衰减也一视同仁，200m 以下的海洋就透不过光线了，一片漆黑。 而在地面能照亮百米的光源，在深海也就只能照亮几米的水域了，深海的观测都需要凑近了看，想观察一种深海动物需要穷追不舍，这样的视野显然十分不利于科学观测和观察。 不过，轨道空间站并不介意没有安装外部光源，但对于深海空间站而言，多盏、可调角度的、不同功率的大型光源是必不可缺的了。 例如，Mir 就有 6 盏 5kW 的大灯。 我就不放可能存在深海恐惧症的图片吓人了。 #载人系统 目前，深海载人探测器的核心载人部分都是个钛合金球，如下图所示：这一解决方案严重制约了人的活动空间，却最大限度的保障了人员的安全，球的直径通常在 2~3m，钛合金壁厚 5cm 左右。 而这个大小是明显无法作为空间站使用的，舱里的人们常需要长期保持相同的姿势，几乎没有什么活动的空间，如何设计并建造一个相当规模的钛合金舱，成为建造深海空间站的首要挑战。 而从这一点来看，轨道空间站就显得花枝招展了，各种四处拼接、八向伸展，无拘无束的自由扩展，迄今国际空间站已经 72.8m 长，108.5m 宽了，总空间 900 多立方米…… 共同点是国际空间站和深海探测器通常都往里面塞了 3 个人，这就好比一列动车和三轮车都装了三个人…… #能源 能源也是两者的一大差异，轨道空间站可以大量使用太阳能而摆脱对能源的依赖，而深海目前没有利用的能源，必须自行携带，水面补给。 不过，海洋的洋流带来的水力发电，也可以成为未来深海空间站能源的一部分。 #制造能力 另一点就是每年的航天器数量有数百个，形成了一套比较完善的产业链和行业标准，从设计角度考量更加成熟。深海探测器一共也没一百台，每年的建造寥寥无几，因此没有一套成熟的体系和规范，仍处于摸索状态。 对于深海探测器而言，也是有比航天器的优势的： 一是可维护性，任何不致命的失败都可以很容易吊起来更改和维修； 二是深海探测器的内部设备完全可以使用工业级产品，几乎无需另外设计可靠性。 4#现状盘点 世界上第一个空间站是 1971 年苏联发射的礼炮 1 号，重 18.9 吨，同期的深海载人探测器 Alvin 和这一空间站同一量级。 然而，40 多年过去了，礼炮一号早已报废，我们搭建了 400 多吨的国际空间站，曾经的 Alvin 仍然是世界上少数在役的深海探测器。而我们却难以搭建一个 400 吨的深海探测器，更别说一个更大的能够长期自持的深海空间站了。 #轨道空间站 而目前运行中的的轨道空间站只有一个，国际空间站： 作为第二个常驻宇航员的空间站，国际空间站于 1999 年开始发射并组装，拼接，16 个国家的科研机构参与其中，组建了这个目前重达 419 吨，长 108 米的庞然大物。 这里，没有了大气层的阻扰，是新的彗星、小行星和各类天体的主要发现场所和观测场所之一； （C/2011 S3 Lovejoy ，一个超浪漫的名字，摄于国际空间站） 这里，由于可以长期居住，成为了深空探测的奠基石； （NASA 的火星计划中的第一步就几乎利用国际空间站：抵临萤火近邻──踏上火星之旅 - 知乎航空航天署 - 知乎专栏） 这里，甚至开展了太空旅游业； （第一位国际空间站游客 Dennis Tito，头发最醒目的那位） 这里，有太多的可能…… 最近的一个轨道空间站则是天宫一号， 天宫一号是我国首个空间站，体积比神舟飞船要大一些，因此提供了比神舟更多的活动空间和实验场所。天宫一号长 10.4m，直径 3.35m，内部体积 15 立方米。 2011 年 9 月 20 日，天宫一号发射升空，之后分别于神舟 8，9，10 号飞船对接成功。2016 年 3 月 21 日，在轨工作 1630 天后，天宫一号正式终止数据服务，并将逐渐降低轨道后坠入大气层烧毁。 今年（2016 年），天宫二号将发射升空，预计可为 3 名宇航员提供 20 天在轨运行的补给，并等候航天员的到来。 我们来盘点一下各国深海载人探测器： #美国： Alvin，美国目前唯一在役的深海探测器，1964 年服役，和最早的轨道空间站礼炮 1 号同属一个时期，但他仍然在默默坚守，送走了一批又一批的轨道空间站。 Alvin 重 17t，长宽高 7.1*2.6*3.1m，航速 2 节，两节是什么概念呢，大约 3.7km/h，低于普通人的步行速度，远洋巨轮的经济航速为 10 节，驱逐舰的经济航速为 20 节，最大航速高于 30 节。其潜深是这一系列里面最浅的，只有 4500m。 紧急时刻，Alvin 号回抛弃辎重，使载人舱室和一些必要的附属设备紧急上浮。要知道，Alvin 是孤立无援的。 #日本 日本作为一个海洋大国，海洋技术实力雄厚。Shinkai 6500，重 26.7t，长宽高 9.5*2.8*4.3m，航速 2.5 节，最大潜深 6500m，最大下潜时间 129 小时，约合 5 天，下图是 Shinkai 6500 一次行程的示意图： 下沉前，压载舱由空气填充，往压载舱灌水使得探测器下潜，下潜需要 2.5 小时； 当探测器抵达指定深度时，可以通过推进器控制方向； 任务完成后，抛弃提前准备的负重，探测器开始上浮，也需要大约 2.5 小时。 Shinkai 6500 于 1991 年首次投入使用，使得日本在深海探测领域的水平大幅提高，这一探测器用于替代退役的的 Shinkai 2000，顾名思义，最大潜深为 2000m。 #法国 Nautile，直接翻译过来便是鹦鹉螺号，还记得百年 19 世纪法国科幻作家凡尔纳的《海底两万里》么，其中大量的科幻如今已经成了现实。为了纪念他和这本书，世界上第一艘核动力潜艇，以及法国的这艘深海载人探测器，都被命名为鹦鹉螺号。 鹦鹉螺号重 19.5 吨，长宽高分别为 8*2.7*3.8m，航速 1.5 节，潜深 6000m，巡航半径 7.5km，最长自持时间 120h，在 6000m 深度可工作 5 小时，1984 年服役。 #苏联 / 俄罗斯 Mir-1 和 Mir-2，两艘姊妹花，翻译过来是和平号。1987 年，两艘同样的探测器同时服役，因此在执行任务时可以互相支援，乃至提供救援，这也是目前唯一的一对深海载人探测器。 Mir 重 18.6 吨，长宽高分别为 7.8*3.6*3m，由于动力十足，最大航速“高达”5 节，潜深 6000m，这个深度足以探测世界 98% 的海底了。巡航半径 7.5km，最长自持时间 120h，在 6000m 深度可工作 5 小时。Mir 那特有的 6 盏 5kW 的大灯，好费电…… #中国 我国的载人深潜器就是蛟龙号了。蛟龙号于 2009 年开始下潜试验，在这一系列中属于后起之秀，不过设计潜深 7500m，也是目前各国科学用途的深海探测器中最深的。由深度的增加，蛟龙号的载人舱钛合金壁厚为 7cm，高出其他几个深潜器 1~3cm。2012 年 6 月 27 日，蛟龙号潜入马里亚纳海沟 7062m 深处，突破了 7000m 大关。 蛟龙号长宽高分别为 8*3*3.4m，重 22 吨。 目前拥有深海载人探测器的只有以上五个国家。如同小汽车都是四个轮子，核潜艇都是水滴形一样，无论是相互借鉴还是殊途同归，他们的设计都有很多类似之处： 载人舱的钛合金球直径和厚度类似，均为 2~3m 直径，4~7cm 厚度。整体的设计方式也很类似，都是个圆筒状结构，采用前面载人舱后面设备舱的模式，体积和重量也很相近，均为 6~8m 长，3~4m 直径的圆柱体主体。 都具备龟速的海底巡游和探测的能力，这是那些能去 11000m 的直上直下的深潜器所不具备的功能。出于科学探测的需要，这些探测器都会对一小片海底进行探测，不过目前在海底的自持时间都只有数小时，速度也只有人走路的速度。 而在携带的设备上，也是很类似的， 首先是分布在前部的三大法宝： 灯、相机、机械臂 观测口四周的不同类型不同功率的十几盏探照灯，灯灯灯灯……小灯省电，用于一般情况以及较深海域的照明，大灯用于对探测物体的细致观测。 其次是各式各样的相机和摄像机，也都装上数台一齐上阵，毕竟几乎每次都会有各种新的发现，而且时间和金钱宝贵，因此多拍一些是一些。 再次是机械臂，用于海水、海底地质和海洋生物的标本采样，通常他们都有一左一右两个机械臂，互为备份，也相互协作。见上图下方折叠起来的两个臂。 此外还有海底地形的测绘和勘探，通常也是声呐，海底的详细海图至今仍有大量的空白。 由于跨洋海底光缆、坠机和沉船的存在，因此这些深海载人探测器均携带有磁力探测设备，用于寻找海底光缆、坠机和沉船，上述几艘探测器就有些参与过泰坦尼克号的探测。 坐拥了深海空间站后，深海丰富的矿产资源就首当其冲了，如南海的可燃冰，太平洋丰富的锰结核，都是列强垂涎已久的肥肉。 不过，最重要的是，我们对于深海的了解实在是太少太少，少到每一次深海探测都有大量新的发现，时不时的还会冒出重大发现。 例如几十年前的深海火山生态系统的发现，现在已经在很多地方发现类似的独立系统了（IMAX 系列于 2003 年专门拍摄过 Volcanoes of the Deep Sea）。 虽然“星辰大海”将星辰和大海并列，但是，我们对月球甚至火星都详细测绘过，但是从来没有对海底进行过全面的测绘。 大海虽不深，却让人们迈向深处的每一步举步维艰。 我们需要去更多的认识和了解我们所居住的这个地球，尽管，我们对于地下和深海，却一直知之甚少。 我们，还不知道，我们会发现什么。 才疏学浅，挂一漏万，以上。 Ref: http://www.jamstec.go.jp/e/about/equipment/ships/shinkai6500.html; Nautile - Ifremer Fleet NOAA Ocean Explorer: Technology: Submersibles: Mir I & II; IMAX Volcanoes of the Deep Sea.2003 阅读原文
