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第十五章 海洋技术与空间技术 版权所有 复制必究 高等教育出版社 15.1 方兴未艾的海洋技术 太空中拍摄的地球照片 15.1.1 海洋与海洋资源 人类赖以生存和发展的宇宙 幸运之舟 地球是一个几乎 被汪洋大海包围的水球。陆地 面积仅占总面积的 29%，而海 洋则占到 71%。地球海洋是生 命的摇篮，人类认识和利用海 洋有着悠久的历史。 海洋是生命的摇篮，这不仅是说地球上最早的生 物出现在海洋，而且指目前地球上 80%的生物资源 在海洋中 。 浩瀚的海洋，被誉为生命的摇篮，资源 的宝库。 “天然的鱼仓”、“蓝色的煤海”、“ 盐类的故乡”、“能量的源泉”、“娱乐的胜地” 等 , 充分说明海洋资源的丰富。 海洋资源 ：海洋中可以被人类利用的物质、能量 和空间。按其属性分为海洋生物资源、海底矿产资 源、海水资源、海洋能源和海洋空间资源； （一）水资源 加强对海水资源的开发利用，是解决沿海和西部苦咸水地区淡水 危机和资源短缺问题的重要措施，是实现国民经济可持续发展战 略的重要保证。 1、海水淡化，是开发新水源、解决沿海地区淡水资源紧缺的重要 途径。 2、海水直接利用技术，是以海水直接代替淡水作为工业用水和生 活用水等相关技术的总称。包括海水冷却、海水脱硫、海水回注 采油、海水冲厕和海水冲灰、洗涤、消防、制冰、印染等。 3、海水化学资源综合利用技术，是从海水中提取各种化学元素 （化学品）及其深加工技术。主要包括海水制盐、苦卤化工，提 取钾、镁、溴、硝、锂、铀及其深加工等，现在已逐步向海洋精 细化工方向发展。 （二）矿产资源 1石油、天然气。据估计，世界石油极限储量 1万亿吨，可采 储量 3000亿吨，其中海底石油 1350亿吨；世界天然气储量 255 280亿立方米，海洋储量占 140亿立方米。上世纪末，海洋石油 年产量达 30亿吨，占世界石油总产量的 50%。由于发现丰富的 海洋油气资源，中国有可能成为世界五大石油生产国之一。 2煤、铁等固体矿产。已发现的海底固体矿产有 20多种。中国 大陆架浅海区广泛分布有铜、煤、硫、磷、石灰石等矿。 3海滨砂矿。海滨沉积物中有许多贵重矿物，如：含有发射火 箭用的固体燃料钛的金红石；含有火箭、飞机外壳用的铌和反应 堆及微电路用的钽的独居石；含有核潜艇和核反应堆用的耐高温 和耐腐蚀的锆铁矿、锆英石；某些海区还有黄金、白金和银等。 中国近海海域也分布有金、锆英石、钛铁矿、独居石、铬尖晶石 等经济价值极高的砂矿。 海上钻井平台 拖网获取 锰结核矿 深海锰结核 4多金属结核和富钴锰结壳。多金属结核含有锰、铁、镍、钴、铜 等几十种元素。世界海洋 3500 6000米深的洋底储藏的多金属结核 约有 3万亿吨。其中锰的产量可供世界用 18000年，镍可用 25000年。 5热液矿藏。是一种含有大量金属的硫化物，海底裂谷喷出的高温 岩浆冷却沉积形成，已发现 30多处矿床。仅美国在加拉帕戈斯裂谷 储量就达 2500万吨，开采价值 39亿美元。 6可燃冰。是一种被称为天然气水合物的新型矿物，在低温、高压 条件下，由碳氢化合物与水分子组成的冰态固体物质。其能量密度 高，杂质少，燃烧后几乎无污染，矿层厚，规模大，分布广，资源 丰富。据估计，全球可燃冰的储量是现有石油天然气储量的两倍。 在上世纪日本、前苏联、美国均已发现大面积的可燃冰分布区。中 国也在南海和东海发现了可燃冰。据测算，仅中国南海的可燃冰资 源量就达 700亿吨油当量，约相当于中国目前陆上油气资源量总数的 1/2。在世界油气资源逐渐枯竭的情况下，可燃冰的发现又为人类带 来新的希望。 （三）食物资源 海洋可以为人类提供更多的食物 ,它是食物资源的最大潜在 源泉 ,它所储存的蛋白质、维生素、无机盐等营养的数量不 亚于陆地 ,而且还要胜过陆地。一世界海洋的面积占地球表 面的 71%还多。海洋中大约生存着 18万种动物 ,1.7万种植 物 ,鱼 2万种 ,虾 (小虾、螯虾、龙虾、蟹、海参等 )几千种， 此外，还有许许多多其它海洋动物。 仅位于近海水域自然生长的海藻，年产量已相当于目前世 界年产小麦总量的 15倍以上，如果把这些藻类加工成食品， 就能为人们提供充足的蛋白质、多种维生素以及人体所需 的矿物质，海洋中还有丰富的肉眼看不见的浮游生物，加 工成食品，足可满足 300亿人的需要，海洋中还有众多的 鱼虾，真是人类未来的粮仓。 向 日 葵 海 星 蝎子鱼 水母 （四）海水能源 由于海水运动产生海洋动力资源，主要有潮汐能、波浪 能、海流能及海水因温差和盐差而引起的温差能与盐差 能等。估计全球海水温差能的可利用功率达 100 108 千瓦，潮汐能、波浪能、河流能及海水盐差能等可再生 功率在 10 108千瓦左右。 海水不但可以通过其热能和机械能等给我们电能，从海 水中还可提取出像汽油、柴油那样的燃料 铀和重水。 优点 ：海水运动的能量巨大、可再生能源、且没有污染。 不足 ：海洋能源能量密度小，开发利用它们，需特殊的能量转换装 置，工程投资大、效益也不高。 目前具有商业开发价值的是潮汐发电、波浪发电。 （五）海洋药物 长期以来，人类防病治病多依赖于陆地上的生物。如今随着 科技的不断进步，科学家胶越来越关注起具有特殊功能和结 构的海洋生物，开发新药的焦点已开始转向浩瀚、富饶的海 洋。 海洋药物的发现和使用在我国约始于公元前一世纪以前， 在古籍 神农本草经 上，就有海洋生物入药的记载。到了 16世纪至 18世纪出版的 本草纲目 和 拾遗 这两本书中，记载的海洋药物已达 70多种，如海参、海马、 海带、海龟板等。近代从海洋生物中提取的鱼肝油、琼胶、 精蛋白、胰岛素等也是疗效很好的海洋药物。 人类大规模地开发海洋生物资源、研制新药，是从本世纪 70的年代开始的，并取得了一些成果。 （六）海洋空间资源： 1、海洋空间包括海面、海底、海洋水体和海岸地带。 2、海洋空间的开发利用：交通运输、生产、通讯、储藏、 旅游等。海洋工程，例如日本神户人工岛、英吉利海峡海底隧 道、荷兰填海造陆等。 3、分类： 交通运输空间 生产空间资源 通讯电力输送 储藏空间资源 文娱设施空间 土地资源 海洋空间资源的类型 可利用空间包括：海上、海中、海底 交通运输空间 生产空间资源 通讯电力输送 储藏空间资源 文娱设施空间 土地资源 海上 ： 港口码头、船舶、航海 运河、桥梁、机场 海底：隧道、管道 电站、工业人工岛、石油城、 海洋牧场 围海造陆 海底电缆 海底货场、海底仓库、海上油井、 废物处理场 海洋公园、海滨浴场、海上运动区 围海造田 15.1.2 崛起的海洋技术 1. 海洋探测技术 海洋探测技术包括海面、海底探测技术，目的是探明海 洋资源的分布情况，为海洋资源的开发利用奠定基础。 2. 海洋资源技术开发 海洋蕴涵着丰富的资源，因此，开发技术涉及的领域非 常广泛，如矿产资源开发技术，生物资源开发技术，化 学资源开发技术等等。 15.2 海洋探测技术 15.2.1 海洋科学考察船 海洋科学考察船又称海洋 调查船，专供对海洋进行水 文、气象、生物、矿产资源和 物理、化学性质的调查研究。 西班牙赫斯皮里蒂斯号 赴南极执行考察任务 随着空间技术的发展，人们 开始利用人造地球卫星从太空 中观测海洋，海洋探测技术跨入 了卫星时代。 目前，各国发身的海洋卫星 大致分为两类：一类是地球同 步卫星，另一类是太阳同步极 地轨道卫星，前者可定点观测地球，后者可定时对海洋 表面某一区域进行连续监测。现在，这两种卫星作为海 洋探测技术不可或缺的重要手段，发挥着重要作用。 我国发射了第一 颗海洋 1号卫星 15.2.3 潜水器 潜水器既是海洋探测工具， 又是进行水下工程的重要设备。 可分为载人潜水器和无人潜水器 两种。 载人潜水器下潜深度大，速 度较低；机动性能好，并安装有 供观察的舷窗和进行采样和水下 施工的多种机械手。 上图为我国的 7000米载人浅 水器，左图是美国“阿尔文”号。 无人浅水器全部由母船控制，大体分为如下四类： 缆绳式自由航行无人浅水艇 拖曳式无人潜水艇 无缆式遥控浅水器 海底爬行无人潜水器 无人潜水器 15.3 海洋资源开发技术 15.3.1 海洋石油和天然气开发技术 石油是人类社会发展的一种不可缺少的动力资源， 随着陆地石油资源的耗尽，人们开始把眼光转向了海 洋。人们发现，不仅在大陆向海洋延伸的地区即大陆架 蕴藏着丰富的油气资源，而且在许多深水的小洋盆或洋 盆边缘也都找到了油气矿床。 石油天然气开发 的三大阶段 普查性的地球物理 勘探，寻找可能储 油、气的地质构造 在找到的构造上打 勘探井，查明类型 储量等情况，以便 制定开采方案 打生产井进行石油的 采集、初步加工、存 储等生产手段的建设 以及进行生产 多少世纪以来，人们 对石油的开发仅仅限于陆 地。最初开发海洋石油气 资源是在紧靠海边的海滨 钻斜井。后来又曾先后出 现土堤法和海水中修栈桥 的办法。为了在更深更远 的海水中开发油气，又发 明了与岸无引桥相连的孤立在海中的海上井场 海上固定平台。 为了适应钻勘探井对流动性的要求，在固定平台的基础上又出现了 一种主要用于钻勘探井的移动平台，先后有：坐底式平台、自升式 平台、钻井船和半潜式平台。海洋石油和天然气开发技术在当代海 洋技术中占据极重要的位置，并有辉煌的前景。 15.3.2 海洋生物资源的开发和利用 海洋水产养殖与捕捞业是 历史悠久的生长活动，但它们 在新技术革命和新产业浪潮中 正经历着深刻的变化。现代海 洋水产业的主要方向首先是开 发海洋“牧场”使各种人类需 求 的海洋动植物资源人工化，其次，利用先进的技术发现、 开辟新的海洋渔业资源，改造和反展传统捕捞业。图为海上 捕鱼的现场。 15.3.3 海水淡化技术 今天，地球上可供 人们利用的淡水资源非常 有限，人们采取淡化海水 的方法解决人类水资源匮 乏的局面。到目前为止， 淡化海水的蒸馏法、电渗 析法都已达到了工业生产 的规模，目前也较为成熟的海水淡化技法还有：冷冻 法。 海水淡化工厂 15.3.4 海洋能源开发技术 海洋能源开发技术是指开发 利用海洋中的潮汐、波浪、海流、海 水温度差等所蕴藏的丰富能量的技术。 海洋能源储量大、无污染，又是再生 能源，其发展前景引人注目。提高经 济效益是未来海洋能源开发技术发展 的关键。 BD102A型航标灯用波浪发电装置 15.4 空间与空间技术 15.4.1 空间：人类的第四环境 进入空间需要克服的难关： 克服地球甚至太阳系引力 克服真空 适应剧烈变化的温度环境 防止有害辐射 正是因为这些困难，人类进入外层空间经历了一个 漫长和艰苦的过程。 15.4.2 空间技术：铺向通天路 空间技术是一门探索、开发和利用太空以及地球 以外天体的综合性技术。 通常人们认为， 航天器、运载器、和 地面测控技术是空间 技术的三大支柱。 右图为运载火 箭升空。 15.5 运载火箭 15.5.1 航天之父：齐奥尔科夫斯基 出生于俄罗斯的齐奥尔科 夫 斯基 1883年便提出了宇宙飞船 的 运动必须利用喷气推进原理， 并 画出了飞船的草图。 1903年他 发 表了 利用喷气工具研究宇宙 空 间 的论文，深入论证了喷气 工 具用于星际航行的可行性，被 尊 为“火箭之父”。 齐奥尔科夫斯基 15.5.2 火箭技术的发展 第一个成功发射液体火箭的人 是美国的达德教授，这枚装有液氢和 汽油的火箭于 1926年发射成功。 另一位先驱者是德国科学家 奥伯特。 1923年，他发表 飞向行 星际空间的火箭 一书，创立了计 算多级火箭推理的数学理论。 达德 奥伯特 第二次世界大战期间，德国 秘 密研制了 V 2导弹，从而促进了火 箭 技术的快速发展。战后，美国和原 苏 联出于军事目的，竞相发展自己的 导 弹系统。并先后成功爆破原子弹和 氢 弹。 由于核武器加上强 大的火箭就是军事威慑力 量，因此美国和前苏联在 研制核武器的同时，也在 加强自己的火箭系统。 V 2导弹 美国原子弹爆炸成功 15.5.3 现代运载火箭的结构 现在，世界各国已研制 出几十种运载火箭，用于发射 航天器的现代运载火箭大多分 为三级： 1. 箭体结构 2. 推进系统 3. 指导系统 右图为我国研制的运载 火箭。 15.6 人造地球卫星 15.6.1 众星熠熠 美国早在 1946年就提 出了发射人造地球卫星的可 行性报告，然而由于原苏联 在大型运载火箭上的优势， 他们抢先于 1957年发射了第 一颗人造卫星。次年，美国 也初次发射卫星成功，美国以崭新的态势，与前苏联展 开激烈的太空竞赛。 人造卫星 15.6.2 人造地球卫星的原理 1. 三个宇宙速度： 第一宇宙速度： v1g0R0 7.9 km/s 当物体达到第一宇宙速度，就可以克服地球引力。 第二宇宙速度： v22g0R0 11.2 km/s 当物体达到第二宇宙速度，就可以进入太阳系。 第三宇宙速度： v3 16.6 km/s 当物体达到第三宇宙速度，就可以飞出太阳系，进入茫 茫太空。 2. 人造地球卫星的发射： 通常将人造地球卫星送入轨道的方法有三种： 用运载火箭发射 用航天飞机发射 用飞机发射 航天飞机与空间站对接模拟 3. 人造地球卫星轨道 太阳同步轨道 极地轨道 静止轨道 椭圆轨道 圆轨道 人造卫星轨道 15.6.3 卫星的应用 按照其用途的不同，人造地球卫星可以分为不同的 类型，其中主要有： 通信卫星 对地观测卫星 导航卫星 天文观测卫星 军用卫星 人造卫星 15.7 载人航天 15.7.1 飞出地球 1961年 4月 12日，尤里 加 加林身着 90公斤重的太空服、乘 坐重达 4.75吨的宇宙飞船 东 方 1号进入太空，成为世界上第 一个进入宇宙空间的人，也是第 一位从宇宙中看到地球全貌的人。 加加林 15.7.2 “ 阿波罗”登月计划 “阿波罗 ”计划从 1961年开始 实施至 1972年结束，共花费 240亿美 元，先后完成 6次登月飞行，把 12人 送上月球并安全返回地面。它不仅 实现了美国赶超苏联的政治目的， 同时也带动了美国科学技术特别是 推进、制导、结构材料、电子学和 管理科学的发展。 参与阿波罗计划的宇航员 首次登月图片 15.7.3 空间站与航天飞机 空间站是一种可供多名 宇航员长期居住的大型 轨 道航天器。在空间站上 可 进行多种科学试验，可 进 行长期对地观测和天文 观 测等等。苏联是第一个 发 射空间站的国家。 国际空间站 航天飞机的用途非常广泛，它 可 以发射各种卫星，即在起飞前将卫 星 装入货舱内，当进入地球轨道后用 机 械装置将卫星抓起，送入太空。航 天 飞机也可进行多种科学试验，或用 于 军事用途，如进行军事侦察、俘获 或 击毁对方军事卫星，对地面目标进 行 攻击等。 阿特兰蒂斯号航天 飞机进入发射位置 15.7.4 我国空间技术的发展与载人航天工程 新中国成立后，我国在 航天技术领域取得了举世瞩目的 成就。 1970年，第一颗人造地 球卫星“东方红 1号”发射成功。 1988年，“长征 4号”运载火箭 成功发射了“风云 1号”气象卫星。 1990年，“长征 3 号”运 载火箭成功发射了美国研制的“亚洲 1号”卫星。 东方红 1号 2003年 10月 15日，由我国 首位宇航员杨利伟乘坐的完全由 我国自主设计制造的“神州 5号” 载人宇宙飞船顺利发射升空。 飞船载着太空人杨利伟在太 空 飞行 21小时 23分，绕地球 14 圈，飞行 60多万公里。我国 载 人航天事业进入了新阶段。 杨利伟 神州 7号