深瞳丨一路“潛”行——中國萬米深潛的光榮與夢想

            2020-12-08 08:00:53 來源: 科技日報 作者: 陳瑜?

            科技日報?深瞳工作室出品

            科技日報記者 陳 瑜 策 劃:劉 莉

            [ 隨著對深海了解的深入,不能只有一個“蛟龍”號,打造譜系化的潛水器來全面掌握核心技術,成為越來越多業內人士的共識。]

            萬米,如果成人步行大約需要2.5小時,汽車行駛大約15分鐘。但邁向萬米深海,中國載人深潛團隊老中青三代科研人卻走了近20年。

            2020年11月10日,中國萬米載人深潛器“奮斗者”號在西太平洋馬里亞納海溝創造了10909米的中國載人深潛新紀錄。隨后,習近平總書記在賀信中說:“奮斗者”號研制及海試的成功,標志著我國具有了進入世界海洋最深處開展科學探索和研究的能力。

            新華社發

            今年42歲的葉聰無疑是幸運的。如今已是“奮斗者”號總設計師的他,19年前剛從大學畢業就進入位于無錫的中國船舶七〇二所,接觸的便是“蛟龍”號載人潛水器項目。這對很多從事潛水器技術研發的科研人員來說,可能是一輩子才等到的機會。“我有一個深刻的感受,就是自己深度參與了國家科技進步的進程,這是我人生中最幸福的事。”葉聰說。

            近20年來,深潛人將自己的命運與中國載人深潛事業緊密相連。從600米一步跨入7000米的“蛟龍”號、深度回撤至4500米實現關鍵設備國產化的“深海勇士”號、標志我國在大深度載人深潛領域達到世界領先水平的“奮斗者”號……對包括葉聰在內的“奮斗者”來說,奮斗出來的“奮斗者”號,是新的開始。

            十年堅持,終于等來載人深潛的研制號令

            中國船舶集團首席專家、七〇二所“奮斗者”號副總設計師胡震第一次聽到俄羅斯“和平號”的名字,是在1992年。作為一名剛進入七〇二所不久的年輕人,他參加了中國大深度載人潛水器的可行性討論。提及國外研發情況,“和平號”是繞不開的詞。這是一個最大下潛深度達6000米的潛水器。

            從那時候開始,包括胡震在內的很多科研人員心里有了一個夢——什么時候中國能有自己的“和平號”。

            1992年,國家863計劃第一次面向全國征求海洋領域研究方向。

            以七〇二所為主,國內相關科研單位的多位院士、專家參與探討,提出設立載人潛水器方向,但當時并沒有獲準立項。

            后來擔任7000米級載人潛水器——“蛟龍”號總設計師的中國工程院院士徐芑南分析原因,一是立項要求有明確的用戶及需求,而當時作為重要用戶的中國大洋協會成立不久,還沒有載人潛水器方面的需求;二是要有技術基礎,當時客觀上不具備。

            隨著時間推移,形勢發生變化。

            2001年,中國大洋協會在東太平洋海域獲得了7.5萬平方千米、擁有專屬勘探權和優先開采權的多金屬結核礦區,載人深潛有了明確用戶及需求。技術上,1995年,由徐芑南擔任總設計師的6000米級無纜水下機器人CR-1試驗成功,這為載人深潛奠定了技術基礎。

            在深海缺少應有的位置,一直是中國海洋科研領域的一件憾事。此時,中國載人深潛器研發似乎看到了曙光。

            時間回到2000年1月,中國大洋協會組織全國海洋各領域專家進行論證。隨后國內海洋界10位院士和15位教授進行了深入探討,達成研發載人潛水器的共識,并于2001年2月報科技部。

            2001年6月,剛履新科技部部長不久的徐冠華到七〇二所視察,聽取載人潛水器研制相關技術匯報。

            “我從心里支持這件事情。一個有活力的民族,遲早要走向深海。”徐冠華告訴科技日報記者,新世紀伊始,中國對海洋戰略和相關科技的空前重視,是載人深潛最終立項大背景。

            2001年底,各方專家編寫完成論證報告。徐冠華審時度勢,做出決定,半年后,科技部批準立項。

            回首“蛟龍”號開端,徐冠華說:“真正有重大機會的項目,不可能得到所有人的贊同,不可能沒有爭議。”

            10年的堅持,中國深潛科研團隊終于等來了最重要的使命,一場深海技術領域的攻堅戰拉開帷幕。

            從無到有,《泰坦尼克號》啟發“蛟龍”號設計靈感

            2005年,七〇二所的科研人員開始追7年前上映的一部好萊塢電影《泰坦尼克號》。這其中包括不愛看電影,也無心追求浪漫的胡震。

            顯然,胡震關注的并不是膾炙人口的愛情故事,而是影片里讓他慕名已久的“和平號”。此時,項目已立項3年,但團隊中僅有兩人見過真的深海潛水器。對大部分人來說,了解潛水器,只能借助國外的科普讀物和影視作品。

            雖然作用有限,但胡震和同事們還是買來DVD,目不轉睛地盯著屏幕,不放過任何一幀有關潛水器的畫面,反復揣摩、討論。

            《泰坦尼克號》將書中的文字描述進行了可視化展示:淵黑黮暗的海底亮起幾束燈光,“和平號”潛水器伸出龍蝦鉗一般的液壓手臂,小心翼翼地在沉船的殘骸間翻找。駕駛者屏息凝視攝像機傳來的影像,門板搬開,鐵箱映現,機械手臂用類似進食的動作,把來之不易的收獲夾回潛水器前部的籃中,機械大手將潛水器提升出水,歡呼聲響徹甲板。

            1991年研究生畢業時,愛讀《海底兩萬里》的胡震,選擇了七〇二所,投身自己熱愛的深海載人潛水器設計和研發工作。

            上世紀90年代,國家投入少、條件差,身邊的同事陸續離開了海洋科研崗位。包括胡震在內的“留守”人員,除了搞科研,還要到處去跑市場,免費給人干活,目的是檢驗設計出的潛水器與實際工程需求能否銜接,以便后續改進。在堅守和等待中,雖然科研人員做了很多事,但當機會真正來臨,還是明顯感覺吃力。

            最初,我國科研人員期望和俄羅斯開展國際合作,但對方甚至拒絕了我方參觀“和平號”的申請。

            2001年接到邀請電話時,徐芑南已從七〇二所退休6年,但他心底始終有一個愿望,就是看到中國人獨立自主研制的大深度載人潛水器能夠在深海遨游。

            “來不及了!要趕快趕回所里!”徐芑南當時身患高血壓、心臟病,一只眼睛僅存光感,但他毅然帶著老伴回國。

            2002年,“蛟龍”號正式立項,作為中國第一臺大深度載人深潛器,設計目標定在了海下7000米。

            而在7000米載人深海潛水器“蛟龍”號研制成功前,我國研制過的載人潛水器的最大深度只有600米。

            從600米到7000米,數字背后技術跨越則更大。而“蛟龍”號計劃用10年時間,走完了國外同行用了近60年才走完的路。

            深海高壓,考驗著載人艙技術水平。每下潛1米,每平方米外殼上的水壓就多一噸。7000米深,就是每平方米要承受7000噸的壓力。

            以看似不起眼的艙口蓋為例,它被團隊成員稱為“通向深海的大門”。高壓之下,一旦水漏到常壓的艙里,急速噴射的海水射進來比子彈還快。

            另一個重大課題是水下通信。深海里不能使用無線電波,只能利用聲波來傳信息。中國科學院聲學研究所研究員楊波形容,海豚叫一聲或者海浪拍一下,都有可能讓潛水器發上來的一張寫實照片,讓人不知所云。

            此外,在陸地上可以通過GPS定位,但在水下則無法簡單定位。“蛟龍”必須使用聲學定位傳感器以及導航控制軟件,這也是嶄新的課題。

            “蛟龍”號的控制系統更是重中之重。它必須有能力自動安全航行,當機械手作業時,也能穩穩地懸停定位。

            不光是海下才用到的電池、機械手、推進器等技術,就連在陸地使用相當成熟的零件,如電機、泵、閥之類,因為水下需要的體積小、重量輕、耐海水高壓和腐蝕等特性,做出來也很困難。

            2007年9月1日,曾經無數次在圖紙上、腦海里、夢里見到的潛水器,終于完成了總裝,成型“出爐”了。2009年8月,“蛟龍”號開展1000米級海試時,徐芑南拖著裝滿藥品、氧氣機、血壓計等醫療器械的拉桿箱,堅持要求上船坐鎮指揮,要和科研團隊堅守在一起。

            “組裝完成的‘蛟龍’號,是世界前沿深潛技術的集合體。對引進的設備,我們做了大量工作,并不只是采購這么簡單。因為7000米深度的指標,國際上根本沒有現成的產品。”徐芑南很自豪:“我可以說,通過‘蛟龍’號,我們已經掌握了國際上認可的載人潛水器的核心技術。”

            “深海勇士”號關鍵技術國產化率超95%

            隨著對深海了解的深入,不能只有一個“蛟龍”號,打造譜系化的潛水器來全面掌握核心技術,成為越來越多業內人士的共識。

            為穩步攻克技術國產化關,經過慎重論證,2009年,我國第二臺大深度載人深潛器“深海勇士”號關鍵技術開始研究。它的下潛深度回撤到4500米,但關鍵技術國產化率超過85%。這意味著,它的研發難度并不小于“蛟龍”號。

            電池是事關潛水器安全的最關鍵技術之一。“蛟龍”號使用的國產銀鋅電池,壽命只有一年,而且價格昂貴。2009年,國家863計劃開始支持4500米載人潛水器關鍵技術國產化攻關,其中包括對4500米深度充油耐壓鋰電池進行性能優化。

            胡震回憶,當時只看到一篇文章提到日本正在開展這方面研究。時至今日,基本同時起步的美國還沒將該電池正式用于潛水器。

            2013年前后,時任七〇二所水下工程開發部主任的胡震帶著手下正在開展電池耐壓性能測試,沒想到電池熱失控——燒了。

            “我們緊急將研究方向從比較先進調整為比較安全,同時改造極板設計,優化制造工藝。”胡震告訴科技日報記者,一組電池包括幾百個單體,研發團隊需要將每一個單體循環加壓減壓20個來回,光這項工作就24小時不間斷持續了3個月。之后,技術人員又將單體組成的電池組,進行壓力環境下的放電性能測試。

            2014年、2016年,“深海勇士”集成和海試工作分別啟動。

            對“深海勇士”號總設計師胡震來說,科技部先后部署的8個項目/課題,就是8根難啃的“骨頭”。

            除了載人艙、鋰電池、超高壓海水泵,4500米載人潛水器上集成的許多國產化裝備的雛形,是多個國家科技計劃支持下形成的樣機。

            2012年到2014年,這是胡震最難熬的3年,雖然有些技術已經取得進展,但樣機與產品要求有差距,原計劃2015年完成的課題只能延期。

            “大深度潛水器的使用條件十分惡劣,工況復雜。受制于我國工業生產水平,從技術到裝備之間存在巨大的鴻溝。”胡震說,有些問題不是大問題,但會影響潛水器的壽命。即使速度慢一點,也要把牢技術關。例如類似魚鰾的精密儀器超高壓海水泵,直接影響潛水器的穩定航行。課題組引進競爭機制,兩家承研單位在關鍵技術攻關基礎上完成了樣機研制、樣機測試并組織專家驗收。

            經過8年的艱苦攻關,我國具備了載人艙、浮力材料、鋰電池、推進器、海水泵、機械手、液壓系統、聲學通信、水下定位、控制軟件等10大關鍵部件的自主研制能力,“深海勇士”號國產化率超過95%。

            “截至2020年12月4日,該電池已經支持了‘深海勇士’號310次下潛任務。”胡震很自豪。

            有了“蛟龍”號、“深海勇士”號的基礎,深潛團隊深藏心底的夢想被“點燃”——走向萬米。

            “奮斗者”號橫空出世,萬米海底妙不可言

            2017年底,焊接難題擺在“奮斗者”號載人艙焊接技術負責人、中船集團七二五所呂逸帆面前:載人艙焊接工作進展不順,電子束焊縫某關鍵指標不達標。這也是壓在載人艙設計團隊和研制團隊人員心中的一塊巨石。

            在試板級原理性探索試驗中,該性能已達既有工藝極限,無論怎么調節參數,離指標要求總還有一大截距離。

            關鍵時刻,呂逸帆提出采用一種特殊的在國際上尚無應用先例的電子束焊接工藝,但這種工藝需要開發一套特殊裝置系統。

            在電子束焊接試驗室,呂逸帆帶領團隊針對該系統進行了幾十輪的試驗,都以失敗告終。不信邪的呂逸帆依然信念堅定,并安慰團隊要堅持:這個系統不行,就重新設計更換系統,試驗時長不夠就延長時間。

            加班加點試驗成了常態。功夫不負有心人,奇跡終于出現了,系統參數調試終于穩定達到期望區間,試板焊縫性能大幅提升,焊接試驗成功了,載人艙研制也迎來了重大轉折。

            2016年,“十三五”國家重點研發計劃“深海關鍵技術與裝備”重點專項立項,核心任務是研制全海深萬米載人潛水器。

            萬米載人潛水器要承受1000個大氣壓,相當于2000頭非洲象踩在一個人的背上。這么大的壓力加在潛水器上,對潛水器的材料、結構設計等,都提出了巨大挑戰。

            以往潛水器主要使用的材料,在萬米海深的極端壓力條件下,強度、韌性等指標已不能滿足要求。

            “奮斗者”號載人艙球形“外殼”牽頭研制單位——中國科學院金屬研究所研究員、全海深載人潛水器載人艙項目負責人楊銳說,金屬研究所獨創的新型鈦合金材料成功解決了載人艙材料所面臨的強度、韌性和可焊性等難題。

            今年海試中,“奮斗者”號節奏控制得非常好:在5000米、7000米、8000米深度實現了每天下潛一次,9000米深度隔天下潛,萬米深度隔兩天下潛。更重要的是,在第二階段萬米海試中,許多設備保持了零故障紀錄。

            胡震說,這些設備優異的表現源于設計的完善和陸上精細的試驗。“這是載人深潛技術、裝備和團隊成熟的最充分的表現。”

            “親愛的觀眾們,萬米的海底妙不可言,希望我們能夠通過‘奮斗者’的畫面向大家展示萬米的海底。” 11月10日,“奮斗者”號成功坐底世界最深處馬里亞納海溝,三位潛航員第一時間通過水聲通信系統表達心聲。

            做載人深潛不是當冒險家

            比起設計師,身材微胖的葉聰更出名的身份是試航員,俗稱“深海的哥”。

            為什么設計師要親自下潛?葉聰說,對設計師來說,如果不下潛,設計只能來源于記錄的數據,如果親自下潛,將多方數據進行有效關聯,是提高潛水器實用性、總結設計方法的絕佳機會。

            “蛟龍”號3000米級海試期間,潛水器在2000米深度數次出現電氣絕緣故障,這意味著可能發生殼體漏水或短路,后果不堪設想。包括葉聰在內的下潛人員可以選擇立即上浮,但經請示,他們最終決定,先在甲板上做好充分準備,在水下如遇到這種情況,適當延長試驗時間,努力關注每一個現場數據。正是利用爭取的這段時間,他們最終如愿解決了故障,并積累了大量寶貴的數據。

            葉聰說,做載人深潛,不是當冒險家。做載人深潛,既要勇敢突破下潛深度,又要踏實做好潛水器的各項功能和作業能力。

            “我們的工作不容有一絲瑕疵。”七〇二所技師杜坤親歷了3個潛水器研制,對所承擔的工作駕輕就熟,但依然不敢大意。

            因為怕蹭到或撞到密封錐面影響密封效果,杜坤在每次海試工作中不能戴手表、戒指等任何硬物,甚至指甲都不能留長。

            在驚濤駭浪中鑄就的中國載人深潛精神——嚴謹求實、團結協作、拼搏奉獻、勇攀高峰,融入到每一名參研、參試隊員的血液里。

            今年海試,搭載“奮斗者”號的“探索一號”號船遭遇了兩個臺風、多個低氣壓,特別是在前往馬里亞納的路上,風高浪急一路顛簸,許多人暈船。但到達馬里亞納幾小時后,“奮斗者”號就順利開展了第一次下潛。

            “每一個人都沒強調辛苦,但我知道很辛苦。”七〇二所所長何春榮說,平時很少收到前方信息,但有一天被“奮斗者”號臨時黨委副書記楊申申在朋友圈同一地點拍攝的兩張照片感動:第一張照片里,天剛蒙蒙亮,迎著朝霞,下潛任務緊鑼密鼓地進行。另一張晚霞西沉,潛水器被回收到船上。當天作業時長足足17個小時。

            今年10月27日,“老司機”葉聰搭乘“奮斗者”號,在潛水器右舷,見證了潛水器深度首次突破萬米。沒有電影中常見的擊掌慶祝、熱淚盈眶,在主駕倡議下,葉聰在萬米海底享用了一頓蛋炒飯午餐。“這只是從4位數到5位數的數字變化,相比十幾年前,心態更輕松。”

            科技部部長王志剛說:“‘奮斗者’號成功研制和萬米海試的突破,是新型舉國體制的生動實踐,將為深海科學考察、海底精細作業提供堅實的技術基礎,為下一步帶動深海能源、材料等高技術產業發展提供強勁動力。”

            之前“蛟龍”號、“深海勇士”號海試中,每次下潛前,胡震總是第一個來到后甲板,沿著潛水器的護欄爬上爬下,像看護自己的孩子一樣,仔細檢查每個部件,確保做到萬無一失。今年他仍習慣下潛前去后甲板轉轉,但明顯感覺輕松不少。

            “平常在所里渾然不覺,上了船才突然發現,53歲的自己竟然是船上所有科研人員中年紀最大的。”頓了頓,一口江陰口音的胡震加重語氣:“而且大了不少。”

            歷時近20年,中國載人深潛團隊一直保持著30多歲的平均年齡。“如今這支團隊的骨干都是80后,就像我們的載人深潛事業一樣朝氣蓬勃,他們出色的工作是我們深潛成功最大的基石。”胡震說。

            習近平總書記這樣點贊中國載人深潛研制團隊:從“蛟龍”號、“深海勇士”號到今天的“奮斗者”號,你們以嚴謹科學的態度和自立自強的勇氣,踐行“嚴謹求實、團結協作、拼搏奉獻、勇攀高峰”的中國載人深潛精神,為科技創新樹立了典范。

            責任編輯: 何沛蓯
            国产亚洲日韩欧洲一区