聊聊那些影響人類航海的技術(shù)

來源:解放軍報 責(zé)任編輯:王鳳 2022-07-08 12:25:13

聊聊那些影響人類航海的技術(shù)

600多年前,一支由艨艟巨艦組成的船隊,浩浩蕩蕩從中國沿海出發(fā),旌旗蔽日,威儀隆盛。34歲的鄭和意氣風(fēng)發(fā),率船隊開啟了七下西洋的航程。

中國航海家的這一壯舉,比歐洲航海家哥倫布開辟新航路早了近一個世紀(jì),在人類文明史上留下了輝煌篇章。

鄭和下西洋的事跡,被繪制成《鄭和航海圖》。這是世界上現(xiàn)存最早的航海圖集。其中所展示的水羅盤和牽星過洋等技術(shù),充分體現(xiàn)了中國曾經(jīng)領(lǐng)先于世界的航海智慧。

如今,鄭和船隊遠(yuǎn)洋航行的很多細(xì)節(jié)已經(jīng)難以考證。但可以確認(rèn)的是,這一定是一次次充滿了探索的勇氣、開放的膽魄和執(zhí)著的夢想的冒險。

2005年7月11日,是鄭和下西洋600周年紀(jì)念日。國務(wù)院批準(zhǔn),將每年的7月11日確立為中國航海日。今年7月11日,正值第18個中國航海日。本版推出特別策劃,請看——

——編 者

【導(dǎo)航技術(shù)】

星辰指向 解鎖經(jīng)緯

■解放軍報記者 王凌碩 通訊員 倪棟梁

茫茫大洋中,再大的船只也如同滄海一粟。要想順利到達(dá)目的地,導(dǎo)航至關(guān)重要。

英文“導(dǎo)航”一詞原是從拉丁文的“船舶”和“指向”組合成的詞匯轉(zhuǎn)化而來。

很長一段時間,航海依賴著陸地參考系。

陸地交通有著“橫看成嶺側(cè)成峰,遠(yuǎn)近高低各不同”的沿途風(fēng)景,在豐富參照物的輔助下,人們憑借著記憶便能抵達(dá)目的地,有時甚至連動物都能“老馬識途”。

但茫茫大洋中,在嚴(yán)重缺乏可供參照的地理標(biāo)識情況下,勇敢的航海家們?nèi)绾伪鎰e方向呢?

答案在天上——天文導(dǎo)航。

天文導(dǎo)航中,日月星辰如同指引航海者的燈塔。太陽、月亮、北極星是天文學(xué)研究中至關(guān)重要的三個天體,人們借助它們,判斷自己在地球上的緯度。中國古代航海家由此總結(jié)發(fā)明了具有中國特色的天文觀察導(dǎo)航技術(shù)——過洋牽星術(shù)。

指南針是中國古代四大發(fā)明之一。指南針應(yīng)用于航海也是從中國開始的,并引起了世界航海技術(shù)的重大變革。中國古代文獻(xiàn)記載:“舟師識地理,夜則觀星,晝則觀日,陰晦則觀指南針”,由此實現(xiàn)了全天候?qū)Ш健?/p>

在很長一段時間內(nèi),人們通過觀測太陽或者北極星的高度可以大致確定船只所在的緯度,但確定經(jīng)度是一個難題。1759年,英國鐘表匠約翰·哈里森制造出H4航海鐘。此后幾十年里,價格昂貴的航海鐘逐漸得到廣泛應(yīng)用。人們可以通過航海鐘來準(zhǔn)確獲知某已知經(jīng)度地點(diǎn)的準(zhǔn)確時間,并用以推算出所在地點(diǎn)的經(jīng)度。

一個羅盤、一張海圖、一塊鐘表、一個六分儀、一副尺規(guī),人類的遠(yuǎn)洋航行能力自此有了根本性提高。

隨著時代的發(fā)展,當(dāng)天體不僅僅是日月星辰,還有人造衛(wèi)星時,天文導(dǎo)航產(chǎn)生了跨越式的發(fā)展——全天時、全地域的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為人們打開了全新的大門。

在由導(dǎo)航衛(wèi)星搭建的星地坐標(biāo)系中,每個星座都有自己的坐標(biāo)信息,通過測量我們與星座間的距離,就能解算出我們在該坐標(biāo)系的位置。

從根本上說,衛(wèi)星導(dǎo)航的核心就是時間測量。在信號傳播速度(光速)已知的前提下,時間測量越精密,位置解算就越精確。

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中,1納秒(十億分之一秒)的時間誤差將導(dǎo)致0.3米的距離誤差。要實現(xiàn)如此精密的時間測量,只有原子鐘能做到。

原子鐘,是利用電子躍遷釋放電磁波原理制造的鐘,是導(dǎo)航衛(wèi)星的“心臟”。在原子內(nèi)部,電子繞原子核高速旋轉(zhuǎn),有不同的旋轉(zhuǎn)軌道。電子在不同的旋轉(zhuǎn)軌道上具有不連續(xù)的能量差異,稱為能級。電子在不同能級之間躍遷頻率是固定的,利用這一特性,便可以制作出非常精確的計時儀器。原子鐘也會如普通鐘表一般“嘀嗒走時”。不同的是,這種“嘀嗒”更均勻,表現(xiàn)為一種電磁波形式,10億年才累積一秒的誤差。

2020年6月23日,長征三號乙火箭將北斗三號最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星送入太空,北斗三號系統(tǒng)全面建成。此時的北斗,是中國的北斗,更是世界的北斗。

作為完全由我國自主建設(shè)運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)如它的名字一般,為人們帶來來自太空的無處不在、無時不在的時空信息服務(wù)。

目前,中國正在推動以下一代北斗系統(tǒng)為核心的國家綜合定位導(dǎo)航授時(PNT)體系建設(shè)。2035年前,將建成以北斗系統(tǒng)為核心,更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導(dǎo)航授時體系,為未來智能化、無人化發(fā)展提供核心支撐。

從北極星、指南針、羅盤,再到今天的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),富有探索和創(chuàng)新精神的中華民族,翻山越海的步伐從未停止,不斷走向更加美好的未來。

【智能航?!?/strong>

智能船舶 賦能未來

■王耿峰 申家雙 張 偉

人類的航海事業(yè),就像是一艘在浩瀚海洋里乘風(fēng)破浪的理想之船,不斷向前發(fā)展。從“刳木為舟,剡木為楫”的原始舟筏,到“潮平兩岸闊,風(fēng)正一帆懸”的帆船時代,再到“吐霧吞云凌霄漢,穿山涉水闖神州”的蒸汽動力……如今,智能航海新時代已經(jīng)到來。

智能船舶是綜合運(yùn)用感知、通信、控制、人工智能等先進(jìn)技術(shù),具備自身感知、智能決策、多等級自動控制能力,在航行管理、維護(hù)保養(yǎng)、貨物運(yùn)輸?shù)确矫鎸崿F(xiàn)智能化運(yùn)行的船舶。與傳統(tǒng)船舶相比,智能船舶更安全、更高效且經(jīng)濟(jì)。

智能船舶相當(dāng)于為船舶裝上了一顆會學(xué)習(xí)和思考的“大腦”。如同新生兒一樣,這顆“大腦”首先需要學(xué)會如何感知和認(rèn)識這個世界。

態(tài)勢感知是實現(xiàn)智能航海的第一步。船舶需要更多傳感器收集大量信息,為智能航海提供信息支撐。當(dāng)然,大量的信息還需要配套的數(shù)據(jù)處理和傳輸效率,才能更好地為智能認(rèn)知決策。

船舶智能航行的認(rèn)知過程是在態(tài)勢感知的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。例如,船舶獲取一定海域的信息后,需要對各類信息進(jìn)行分析識別,通過智能認(rèn)知系統(tǒng)優(yōu)化航路并實現(xiàn)避碰。經(jīng)過大量的信息搜集、認(rèn)知、處理后,船舶智能航行認(rèn)知決策模型就會逐漸建立起來,最終實現(xiàn)智能航行中的自主認(rèn)知決策。

事實上,船舶智能化已經(jīng)有了相當(dāng)長一段時間的發(fā)展。近幾年,商用智能船舶更是進(jìn)入飛速發(fā)展時期。

2017年12月,全球首艘獲得智能船入級符號(LR和CCS)的智能船舶“大智號”正式交付使用。這艘重達(dá)38800噸的貨船會自主學(xué)習(xí)、能選擇最優(yōu)航線,還能提前發(fā)現(xiàn)事故隱患,可以說是真正意義上的智能船舶。2018年4月7日,挪威將全球第一艘零排放無人駕駛集裝箱船舶投放到實際航線上運(yùn)營,該船搭載了先進(jìn)的感知系統(tǒng)與傳感器,可實現(xiàn)自動規(guī)避障礙物和目標(biāo)船舶功能。2019年7月,中國第一艘自主建造的極地科學(xué)考察破冰船雪龍2號交付使用,這也是一艘智能船舶,能實現(xiàn)船舶和科考的智能化運(yùn)行和輔助決策。

在軍事領(lǐng)域,智能船舶同樣大有可為。

海上作戰(zhàn),復(fù)雜的海戰(zhàn)場環(huán)境對敵我識別、目標(biāo)態(tài)勢感知和航行決策造成一定的困難,而智能航??梢院侠硪?guī)劃航線、輔助航行決策以及識別敵我目標(biāo),從而大大提高作戰(zhàn)效率。

在交通密集的狹窄海域,或編隊作戰(zhàn)航行過程中,智能船舶可通過自動收集、傳輸數(shù)據(jù)和信息,實現(xiàn)情報共享、入侵預(yù)警、避免碰撞等功能,替代傳統(tǒng)人工進(jìn)行快速分析并輔助決策。

從目前來看,智能航海是大趨勢、大潮流。許多人相信,智能航海將改變整個航運(yùn)業(yè)和海上作戰(zhàn)方式,對未來世界產(chǎn)生深刻影響。

【清潔遠(yuǎn)航】

金色航程 綠色航跡

■解放軍報記者 安普忠 通訊員 倪棟梁

海水深藍(lán),天空淺藍(lán)。海天之間,一艘巨輪全速航行,在海面犁出一道白色航跡。

在船上,水是生命之源,油是動力之源。但兩者必須分開處置,這是防止污染的重要一環(huán)。

機(jī)艙內(nèi),潤滑油從滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備縫隙中緩緩滲出,滴入底艙,水從冷卻設(shè)備表面凝結(jié)滴落,同樣進(jìn)入底艙。

底艙,是設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的污油和污水混合的地方,也是海上防污染工作的重點(diǎn)部位。

航行狀態(tài)下,掀開底艙上方的鐵板,下面就是油污水,借助光源,液面上一層油污清晰可見。這里看似毫不起眼,但潔凈循環(huán)一直在默默運(yùn)行。

油污水經(jīng)過沉淀分層,匯集到專門的污水艙,再層層過濾,通過油水分離裝置徹底分離。

水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后就可對外排放,污油則進(jìn)入污油艙存儲,剩下的部分回到底艙繼續(xù)循環(huán)。

一遍遍循環(huán),一遍遍過濾。鋼鐵巨輪和大洋一直保持著這樣健康友好的互動。

油水分離的方法多種多樣,而膜分離技術(shù)是許多船舶進(jìn)行油污水處理的常用技術(shù)。膜分離,顧名思義,就是利用分離膜的選擇性分離實現(xiàn)料液的不同組分的分離、純化、濃縮的過程。簡單來說,膜分離的過程和過濾相似。但區(qū)別于傳統(tǒng)過濾,分離膜可以在分子的范圍內(nèi)進(jìn)行分離。

當(dāng)然,膜分離技術(shù)的關(guān)鍵在于膜。按材料的不同,可分為無機(jī)膜和有機(jī)膜。常見的如陶瓷和金屬,都可以成為制作膜的材料。對膜材料的探索與開發(fā),是科研人員研究的重點(diǎn)。為了克服單一膜材料的缺陷,科研人員研究出了復(fù)合膜材料,不僅能將各種膜材料的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合,還能提高分離膜的過濾性能和抗污染能力。

膜分離技術(shù)有著相當(dāng)長的歷史。早期很多專家學(xué)者的研究還頗具戲劇性。1784年,法國學(xué)者阿貝·諾倫特發(fā)現(xiàn)水能夠自發(fā)擴(kuò)散到裝有酒精的豬膀胱內(nèi),從而發(fā)現(xiàn)了膜分離現(xiàn)象。1861年,施密特用牛心包膜提取阿拉伯膠,可以算得上是世界上第一次超濾試驗……然而,直到20世紀(jì)60年代中期,膜分離技術(shù)才應(yīng)用到工業(yè)上。發(fā)展到今天,膜分離技術(shù)已經(jīng)成為一項高效節(jié)能的新型分離技術(shù),在醫(yī)藥、生物、環(huán)保等多個領(lǐng)域有著大規(guī)模的應(yīng)用。

蒸汽船發(fā)明后,排放后的環(huán)境污染成為一大難題。在大洋上航行,船員有時會看到油污漂浮在海上綿延數(shù)海里,像傷疤一樣難看。海洋的生態(tài)被嚴(yán)重破壞,不少海洋生物因此失去生命。

隨著越來越多高新技術(shù)在航海上的應(yīng)用,人們在追求經(jīng)濟(jì)效益的同時,也越來越注重環(huán)保。如何有效去除航海帶來的污染,正在成為越來越強(qiáng)的共識和越來越堅決的行動。

滿載貨物的金色航程,留下的應(yīng)當(dāng)是綠色的航跡。遨游在占地球約三分之二面積的大海之上,我們時時能夠看到鯨魚噴起水柱、海豚隨船躍起、飛魚飛上甲板……人與海洋生物、環(huán)境和諧相處,這才是最美麗的航海夢!

輕觸這里,加載下一頁

分享到


分享到微信朋友圈×
打開微信,點(diǎn)擊底部的“發(fā)現(xiàn)”,
使用“掃一掃”即可將網(wǎng)頁分享至朋友圈。