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2018-12-01湛藍內太空的探索- 臺灣深海載具的研發 588 期

Author 作者 陳信宏/國立中山大學海下科技研究所所長。
自古以來,未知的海底世界帶給人們無限想像空間,耳熟能詳的海龍王水 底宮殿和亞特蘭提斯(Atlantis), 是傳誦久遠的精彩傳說。也許是受到大海的基因緊扣,讓人類血脈中暢流著一股探索未知海底世界的好奇心,且從未間斷過,而現代科技的進步,使人們一窺深海奧秘的夢想得以逐步實現。不過,即便對深海探索的機會增加,人們認識深海的渴求卻不減反增;不因為對於大海的認識加深而減少迷惑,反倒是更多新奇的發現,增加了對海洋的興趣。

潛入深海的挑戰


海洋佔地球表面積約70%,海洋平 均深度則將近3700 公尺(和鐵達尼號沉沒地點的水深差不多),無論從空間的廣度還是深度來看,海洋探索都是一項艱鉅的挑戰,而海洋探索比陸地更加困難的阻力,主要來自於海水物理本質上的特性。

海水壓力是探索海洋第一個必須克 服的問題,海洋水深每增加10 公 尺,水壓就增加約1 大氣壓。較為 人熟知的水肺潛水(self-contained  underwater  breathing  apparatus , SCUBA)只能探索不到百米的極淺 海域,相對於全球海洋平均水深數千公尺而言,利用水肺潛水所能探索的空間相當有限;若要進入千米深海,搭載人類和儀器的保護艙體就必須要能承受百大氣壓的作用。

第二個由海水引起的困難,就是短波能量在水中衰減得很快,例如無線電波或是光波,在水中傳播的距離相當短,其所造成的影響主要有二:一是光線很容易被海水吸收,導致水下能見度很低;二是由於全球衛星定位系 統(Global Positioning System, GPS)電磁波訊號無法穿透水層, 故水下完全無法單獨藉由GPS 進行 導航,意即其在水中毫無用武之地。不妨想像一下,在數千公尺水深的海底、如此諾大的黑暗空間中,能見度 僅有 3 公尺,且完全沒有GPS 定位 的情況下,要探索這浩瀚未知之境是一件多麼困難的事。但透過水下載具 (underwater vehicles)搭載高亮度 照明燈和水下定位系統潛入深海,便能實現一窺深海奧秘的夢想。


10年磨一劍: 在深海載具自主開發前⋯⋯


水下載具一般分為「載人(manned)」 與「非載人(unmanned)」2種,其分類可參考圖一。常見的載人載具有 軍用潛水艇(submarine)、 科研用潛艇(submersible)和一大氣壓潛水裝 (atmospheric diving suit),無人 載具則包括遙控水下載具(remotely operated vehicle, ROV)、自主式水下載具(autonomous underwater vehicle, AUV)和拖曳式載具(towed vehicle)。


 
若是從網路搜尋引擎上鍵入關鍵字 「水下載具」或輸入「underwater vehicle」,便會跳出一大堆各式各樣 的水下載具,由此不難發現水下載具在現今的應用層面已經涵蓋一定程度的普遍性,例如海洋科學調查研究、海洋探索、海洋地形測繪、水下施工檢測、水下救援、港埠安全,甚至軍事掃雷等。可惜,臺灣直到近年才加強關注水下載具的重要性,一方面是臺灣海洋研究社群規模一直以來都相當小,且海洋工程研究偏向水面船 舶、港灣工程,鮮少有進入20 公尺 以深的水下工程技術開發領域;而海洋物理、化學、地質和生物等科學研究領域,多僅向國外採購儀器設備來量取資料進行分析,反而在海洋科學與工程的跨領域合作交集並不多。

臺灣四面環海,周遭海域具備獨特的地理環境條件,極具科研探索價值。海洋賦存豐富的資源,在國防戰略上也扮演極重要角色,因此若能建立國內水下技術自主研發的能量,必有助於執行海洋科學研究、探索、調查與開發,亦能強化國防力量。

中山大學海下科技研究所(以下簡稱中山海下所)致力於建立臺灣水 下技術自主研發能量,民國91 年起 進行「高精密海床雷射掃描系統」研發,隨後透過和美國華盛頓大學 應用物理實驗室(Applied Physics Laboratory, APL)海洋科學家合作, 成功建立精確的「海床表面粗糙度量 測技術」,應用於聲納(sonar)傳 播特性研究,這也是中山大學成功結合海洋科學與工程合作研發的起點。 民國93 年起,中山海下所和成功大 學跨校合作,因應臺灣周遭海域強勁的海流,開發出可在此險惡環境下操作的「無人遙控水下載具」。而上述 能量的累積,隨後也在民國97 年由 中山海下所、國家實驗研究院臺灣海洋科技研究中心、中央研究院地球科學所三方形成科學與工程的跨領域 研究團隊,進行海底地震儀(ocean bottom seismometer, OBS)的自主研發。

水下載具系統的研發涉及多重領域,包括機械、電機、電子、資訊、通訊、光學與聲學等,對於海洋學也必須有深入的認識,屬於重度跨領域研究。中山海下所透過這幾次重要的水下技術自主研發,除了建立跨領域系統整合的技術能量之外,也建立了寶貴的 海上作業經驗,這過程就猶如10 年 磨一劍,為後續進行深海載具自主研發打下紮實的基礎。.......【更多內容請閱讀科學月刊第588期】