聊聊那些影響人類(lèi)航海的技術(shù)
600多年前，一支由艨艟巨艦組成的船隊(duì)，浩浩蕩蕩從中國(guó)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(duì)開(kāi)啟了七下西洋的航程。
中國(guó)航海家的這一壯舉，比歐洲航海家哥倫布開(kāi)辟新航路早了近一個(gè)世紀(jì)，在人類(lèi)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(pán)和牽星過(guò)洋等技術(shù)，充分體現(xiàn)了中國(guó)曾經(jīng)領(lǐng)先于世界的航海智慧。
如今，鄭和船隊(duì)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(mǎn)了探索的勇氣、開(kāi)放的膽魄和執(zhí)著的夢(mèng)想的冒險(xiǎn)。
2005年7月11日，是鄭和下西洋600周年紀(jì)念日。國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，將每年的7月11日確立為中國(guó)航海日。今年7月11日，正值第18個(gè)中國(guó)航海日。本版推出特別策劃，請(qǐng)看——
——編 者
【導(dǎo)航技術(shù)】
星辰指向 解鎖經(jīng)緯
■解放軍報(bào)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(lái)。
很長(zhǎng)一段時(shí)間，航海依賴(lài)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(shí)甚至連動(dòng)物都能“老馬識(shí)途”。
但茫茫大洋中，在嚴(yán)重缺乏可供參照的地理標(biāo)識(shí)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(yáng)、月亮、北極星是天文學(xué)研究中至關(guān)重要的三個(gè)天體，人們借助它們，判斷自己在地球上的緯度。中國(guó)古代航海家由此總結(jié)發(fā)明了具有中國(guó)特色的天文觀察導(dǎo)航技術(shù)——過(guò)洋牽星術(shù)。
指南針是中國(guó)古代四大發(fā)明之一。指南針應(yīng)用于航海也是從中國(guó)開(kāi)始的，并引起了世界航海技術(shù)的重大變革。中國(guó)古代文獻(xiàn)記載：“舟師識(shí)地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦則觀指南針”，由此實(shí)現(xiàn)了全天候?qū)Ш健?/p>
在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，人們通過(guò)觀測(cè)太陽(yáng)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(gè)難題。1759年，英國(guó)鐘表匠約翰·哈里森制造出H4航海鐘。此后幾十年里，價(jià)格昂貴的航海鐘逐漸得到廣泛應(yīng)用。人們可以通過(guò)航海鐘來(lái)準(zhǔn)確獲知某已知經(jīng)度地點(diǎn)的準(zhǔn)確時(shí)間，并用以推算出所在地點(diǎn)的經(jīng)度。
一個(gè)羅盤(pán)、一張海圖、一塊鐘表、一個(gè)六分儀、一副尺規(guī)，人類(lèi)的遠(yuǎn)洋航行能力自此有了根本性提高。
隨著時(shí)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(shí)，天文導(dǎo)航產(chǎn)生了跨越式的發(fā)展——全天時(shí)、全地域的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為人們打開(kāi)了全新的大門(mén)。
在由導(dǎo)航衛(wèi)星搭建的星地坐標(biāo)系中，每個(gè)星座都有自己的坐標(biāo)信息，通過(guò)測(cè)量我們與星座間的距離，就能解算出我們?cè)谠撟鴺?biāo)系的位置。
從根本上說(shuō)，衛(wèi)星導(dǎo)航的核心就是時(shí)間測(cè)量。在信號(hào)傳播速度（光速）已知的前提下，時(shí)間測(cè)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(shí)間誤差將導(dǎo)致0.3米的距離誤差。要實(shí)現(xiàn)如此精密的時(shí)間測(cè)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(chēng)為能級(jí)。電子在不同能級(jí)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(jì)時(shí)儀器。原子鐘也會(huì)如普通鐘表一般“嘀嗒走時(shí)”。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(zhǎng)征三號(hào)乙火箭將北斗三號(hào)最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星送入太空，北斗三號(hào)系統(tǒng)全面建成。此時(shí)的北斗，是中國(guó)的北斗，更是世界的北斗。
作為完全由我國(guó)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(lái)來(lái)自太空的無(wú)處不在、無(wú)時(shí)不在的時(shí)空信息服務(wù)。
目前，中國(guó)正在推動(dòng)以下一代北斗系統(tǒng)為核心的國(guó)家綜合定位導(dǎo)航授時(shí)（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(guó)家綜合定位導(dǎo)航授時(shí)體系，為未來(lái)智能化、無(wú)人化發(fā)展提供核心支撐。
從北極星、指南針、羅盤(pán)，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(lái)。
【智能航海】
智能船舶 賦能未來(lái)
■王耿峰 申家雙 張 偉
人類(lèi)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(shí)代，再到“吐霧吞云凌霄漢，穿山涉水闖神州”的蒸汽動(dòng)力……如今，智能航海新時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。
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(jí)自動(dòng)控制能力，在航行管理、維護(hù)保養(yǎng)、貨物運(yùn)輸?shù)确矫鎸?shí)現(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(huì)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(huì)如何感知和認(rèn)識(shí)這個(gè)世界。
態(tài)勢(shì)感知是實(shí)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(guò)程是在態(tài)勢(shì)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(duì)各類(lèi)信息進(jìn)行分析識(shí)別，通過(guò)智能認(rèn)知系統(tǒng)優(yōu)化航路并實(shí)現(xiàn)避碰。經(jīng)過(guò)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(huì)逐漸建立起來(lái)，最終實(shí)現(xiàn)智能航行中的自主認(rèn)知決策。
事實(shí)上，船舶智能化已經(jīng)有了相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)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(shí)期。
2017年12月，全球首艘獲得智能船入級(jí)符號(hào)（LR和CCS）的智能船舶“大智號(hào)”正式交付使用。這艘重達(dá)38800噸的貨船會(huì)自主學(xué)習(xí)、能選擇最優(yōu)航線(xiàn)，還能提前發(fā)現(xiàn)事故隱患，可以說(shuō)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(wú)人駕駛集裝箱船舶投放到實(shí)際航線(xiàn)上運(yùn)營(yíng)，該船搭載了先進(jìn)的感知系統(tǒng)與傳感器，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)規(guī)避障礙物和目標(biāo)船舶功能。2019年7月，中國(guó)第一艘自主建造的極地科學(xué)考察破冰船雪龍2號(hào)交付使用，這也是一艘智能船舶，能實(shí)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(chǎng)環(huán)境對(duì)敵我識(shí)別、目標(biāo)態(tài)勢(shì)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(xiàn)、輔助航行決策以及識(shí)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(duì)作戰(zhàn)航行過(guò)程中，智能船舶可通過(guò)自動(dòng)收集、傳輸數(shù)據(jù)和信息，實(shí)現(xiàn)情報(bào)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(lái)看，智能航海是大趨勢(shì)、大潮流。許多人相信，智能航海將改變整個(gè)航運(yùn)業(yè)和海上作戰(zhàn)方式，對(duì)未來(lái)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(bào)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(dòng)力之源。但兩者必須分開(kāi)處置，這是防止污染的重要一環(huán)。
機(jī)艙內(nèi)，潤(rùn)滑油從滿(mǎn)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(kāi)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(jiàn)。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(guò)沉淀分層，匯集到專(zhuān)門(mén)的污水艙，再層層過(guò)濾，通過(guò)油水分離裝置徹底分離。
水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后就可對(duì)外排放，污油則進(jìn)入污油艙存儲(chǔ)，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(guò)濾。鋼鐵巨輪和大洋一直保持著這樣健康友好的互動(dòng)。
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(shí)現(xiàn)料液的不同組分的分離、純化、濃縮的過(guò)程。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，膜分離的過(guò)程和過(guò)濾相似。但區(qū)別于傳統(tǒng)過(guò)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(wú)機(jī)膜和有機(jī)膜。常見(jiàn)的如陶瓷和金屬，都可以成為制作膜的材料。對(duì)膜材料的探索與開(kāi)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(guò)濾性能和抗污染能力。
膜分離技術(shù)有著相當(dāng)長(zhǎng)的歷史。早期很多專(zhuān)家學(xué)者的研究還頗具戲劇性。1784年，法國(guó)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(yàn)……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(xiàng)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(gè)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(shí)會(huì)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(lái)越多高新技術(shù)在航海上的應(yīng)用，人們?cè)谧非蠼?jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也越來(lái)越注重環(huán)保。如何有效去除航海帶來(lái)的污染，正在成為越來(lái)越強(qiáng)的共識(shí)和越來(lái)越堅(jiān)決的行動(dòng)。
滿(mǎn)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(shí)時(shí)能夠看到鯨魚(yú)噴起水柱、海豚隨船躍起、飛魚(yú)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(mèng)！