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(bào) 作者: 陳瑜?

科技日報(bào)?深瞳工作室出品

科技日報(bào)記者 陳 瑜 策 劃:劉 莉

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

萬米,如果成人步行大約需要2.5小時(shí),汽車行駛大約15分鐘。但邁向萬米深海,中國載人深潛團(tuán)隊(duì)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(chuàng)造了10909米的中國載人深潛新紀(jì)錄。隨后,習(xí)近平總書記在賀信中說:“奮斗者”號研制及海試的成功,標(biāo)志著我國具有了進(jìn)入世界海洋最深處開展科學(xué)探索和研究的能力。

新華社發(fā)

今年42歲的葉聰無疑是幸運(yùn)的。如今已是“奮斗者”號總設(shè)計(jì)師的他,19年前剛從大學(xué)畢業(yè)就進(jìn)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(xiàng)目。這對很多從事潛水器技術(shù)研發(fā)的科研人員來說,可能是一輩子才等到的機(jī)會?!拔矣幸粋€(gè)深刻的感受,就是自己深度參與了國家科技進(jìn)步的進(jìn)程,這是我人生中最幸福的事?!比~聰說。

近20年來,深潛人將自己的命運(yùn)與中國載人深潛事業(yè)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(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化的“深海勇士”號、標(biāo)志我國在大深度載人深潛領(lǐng)域達(dá)到世界領(lǐng)先水平的“奮斗者”號……對包括葉聰在內(nèi)的“奮斗者”來說,奮斗出來的“奮斗者”號,是新的開始。

十年堅(jiān)持,終于等來載人深潛的研制號令

中國船舶集團(tuán)首席專家、七〇二所“奮斗者”號副總設(shè)計(jì)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(jìn)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(fā)情況,“和平號”是繞不開的詞。這是一個(gè)最大下潛深度達(dá)6000米的潛水器。

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

1992年,國家863計(jì)劃第一次面向全國征求海洋領(lǐng)域研究方向。

以七〇二所為主,國內(nèi)相關(guān)科研單位的多位院士、專家參與探討,提出設(shè)立載人潛水器方向,但當(dāng)時(shí)并沒有獲準(zhǔn)立項(xiàng)。

后來擔(dān)任7000米級載人潛水器——“蛟龍”號總設(shè)計(jì)師的中國工程院院士徐芑南分析原因,一是立項(xiàng)要求有明確的用戶及需求,而當(dāng)時(shí)作為重要用戶的中國大洋協(xié)會成立不久,還沒有載人潛水器方面的需求;二是要有技術(shù)基礎(chǔ),當(dāng)時(shí)客觀上不具備。

隨著時(shí)間推移,形勢發(fā)生變化。

2001年,中國大洋協(xié)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(quán)和優(yōu)先開采權(quán)的多金屬結(jié)核礦區(qū),載人深潛有了明確用戶及需求。技術(shù)上,1995年,由徐芑南擔(dān)任總設(shè)計(jì)師的6000米級無纜水下機(jī)器人CR-1試驗(yàn)成功,這為載人深潛奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

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

時(shí)間回到2000年1月,中國大洋協(xié)會組織全國海洋各領(lǐng)域?qū)<疫M(jìn)行論證。隨后國內(nèi)海洋界10位院士和15位教授進(jìn)行了深入探討,達(dá)成研發(fā)載人潛水器的共識,并于2001年2月報(bào)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(guān)技術(shù)匯報(bào)。

“我從心里支持這件事情。一個(gè)有活力的民族,遲早要走向深海?!毙旃谌A告訴科技日報(bào)記者,新世紀(jì)伊始,中國對海洋戰(zhàn)略和相關(guān)科技的空前重視,是載人深潛最終立項(xiàng)大背景。

2001年底,各方專家編寫完成論證報(bào)告。徐冠華審時(shí)度勢,做出決定,半年后,科技部批準(zhǔn)立項(xiàng)。

回首“蛟龍”號開端,徐冠華說:“真正有重大機(jī)會的項(xiàng)目,不可能得到所有人的贊同,不可能沒有爭議?!?/p>

10年的堅(jiān)持,中國深潛科研團(tuán)隊(duì)終于等來了最重要的使命,一場深海技術(shù)領(lǐng)域的攻堅(jiān)戰(zhàn)拉開帷幕。

從無到有,《泰坦尼克號》啟發(fā)“蛟龍”號設(shè)計(jì)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(guān)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(shí),項(xiàng)目已立項(xiàng)3年,但團(tuán)隊(duì)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(zhuǎn)睛地盯著屏幕,不放過任何一幀有關(guān)潛水器的畫面,反復(fù)揣摩、討論。

《泰坦尼克號》將書中的文字描述進(jìn)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(jī)傳來的影像,門板搬開,鐵箱映現(xiàn),機(jī)械手臂用類似進(jìn)食的動作,把來之不易的收獲夾回潛水器前部的籃中,機(jī)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(yè)時(shí),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(shè)計(jì)和研發(fā)工作。

上世紀(jì)90年代,國家投入少、條件差,身邊的同事陸續(xù)離開了海洋科研崗位。包括胡震在內(nèi)的“留守”人員,除了搞科研,還要到處去跑市場,免費(fèi)給人干活,目的是檢驗(yàn)設(shè)計(jì)出的潛水器與實(shí)際工程需求能否銜接,以便后續(xù)改進(jìn)。在堅(jiān)守和等待中,雖然科研人員做了很多事,但當(dāng)機(jī)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(shí),徐芑南已從七〇二所退休6年,但他心底始終有一個(gè)愿望,就是看到中國人獨(dú)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(dāng)時(shí)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(xiàng),作為中國第一臺大深度載人深潛器,設(shè)計(jì)目標(biāo)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(shù)字背后技術(shù)跨越則更大。而“蛟龍”號計(jì)劃用10年時(shí)間,走完了國外同行用了近60年才走完的路。

深海高壓,考驗(yàn)著載人艙技術(shù)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(tuán)隊(duì)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(jìn)來比子彈還快。

另一個(gè)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(xué)院聲學(xué)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(fā)上來的一張寫實(shí)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?!膀札垺北仨毷褂寐晫W(xué)定位傳感器以及導(dǎo)航控制軟件,這也是嶄新的課題。

“蛟龍”號的控制系統(tǒng)更是重中之重。它必須有能力自動安全航行,當(dāng)機(jī)械手作業(yè)時(shí),也能穩(wěn)穩(wěn)地懸停定位。

不光是海下才用到的電池、機(jī)械手、推進(jìn)器等技術(shù),就連在陸地使用相當(dāng)成熟的零件,如電機(jī)、泵、閥之類,因?yàn)樗滦枰捏w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(jīng)無數(shù)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(shí),徐芑南拖著裝滿藥品、氧氣機(jī)、血壓計(jì)等醫(yī)療器械的拉桿箱,堅(jiān)持要求上船坐鎮(zhèn)指揮,要和科研團(tuán)隊(duì)堅(jiān)守在一起。

“組裝完成的‘蛟龍’號,是世界前沿深潛技術(shù)的集合體。對引進(jìn)的設(shè)備,我們做了大量工作,并不只是采購這么簡單。因?yàn)?000米深度的指標(biāo),國際上根本沒有現(xiàn)成的產(chǎn)品?!毙燔荒虾茏院溃骸拔铱梢哉f,通過‘蛟龍’號,我們已經(jīng)掌握了國際上認(rèn)可的載人潛水器的核心技術(shù)?!?/p>

“深海勇士”號關(guān)鍵技術(shù)國產(chǎn)化率超95%

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

為穩(wěn)步攻克技術(shù)國產(chǎn)化關(guān),經(jīng)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(guān)鍵技術(shù)開始研究。它的下潛深度回撤到4500米,但關(guān)鍵技術(shù)國產(chǎn)化率超過85%。這意味著,它的研發(fā)難度并不小于“蛟龍”號。

電池是事關(guān)潛水器安全的最關(guān)鍵技術(shù)之一?!膀札垺碧柺褂玫膰a(chǎn)銀鋅電池,壽命只有一年,而且價(jià)格昂貴。2009年,國家863計(jì)劃開始支持4500米載人潛水器關(guān)鍵技術(shù)國產(chǎn)化攻關(guān),其中包括對4500米深度充油耐壓鋰電池進(jìn)行性能優(yōu)化。

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

2013年前后,時(shí)任七〇二所水下工程開發(fā)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?zé)崾Э亍獰恕?/p>

“我們緊急將研究方向從比較先進(jìn)調(diào)整為比較安全,同時(shí)改造極板設(shè)計(jì),優(yōu)化制造工藝?!焙鸶嬖V科技日報(bào)記者,一組電池包括幾百個(gè)單體,研發(fā)團(tuán)隊(duì)需要將每一個(gè)單體循環(huán)加壓減壓20個(gè)來回,光這項(xiàng)工作就24小時(shí)不間斷持續(xù)了3個(gè)月。之后,技術(shù)人員又將單體組成的電池組,進(jìn)行壓力環(huán)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(shè)計(jì)師胡震來說,科技部先后部署的8個(gè)項(xiàng)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(chǎn)化裝備的雛形,是多個(gè)國家科技計(jì)劃支持下形成的樣機(jī)。

2012年到2014年,這是胡震最難熬的3年,雖然有些技術(shù)已經(jīng)取得進(jìn)展,但樣機(jī)與產(chǎn)品要求有差距,原計(jì)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(fù)雜。受制于我國工業(yè)生產(chǎn)水平,從技術(shù)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(diǎn),也要把牢技術(shù)關(guān)。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(wěn)定航行。課題組引進(jìn)競爭機(jī)制,兩家承研單位在關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)基礎(chǔ)上完成了樣機(jī)研制、樣機(jī)測試并組織專家驗(yàn)收。

經(jīng)過8年的艱苦攻關(guān),我國具備了載人艙、浮力材料、鋰電池、推進(jìn)器、海水泵、機(jī)械手、液壓系統(tǒng)、聲學(xué)通信、水下定位、控制軟件等10大關(guān)鍵部件的自主研制能力,“深海勇士”號國產(chǎn)化率超過95%。

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

有了“蛟龍”號、“深海勇士”號的基礎(chǔ),深潛團(tuán)隊(duì)深藏心底的夢想被“點(diǎn)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(shù)負(fù)責(zé)人、中船集團(tuán)七二五所呂逸帆面前:載人艙焊接工作進(jìn)展不順,電子束焊縫某關(guān)鍵指標(biāo)不達(dá)標(biāo)。這也是壓在載人艙設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和研制團(tuán)隊(duì)人員心中的一塊巨石。

在試板級原理性探索試驗(yàn)中,該性能已達(dá)既有工藝極限,無論怎么調(diào)節(jié)參數(shù),離指標(biāo)要求總還有一大截距離。

關(guān)鍵時(shí)刻,呂逸帆提出采用一種特殊的在國際上尚無應(yīng)用先例的電子束焊接工藝,但這種工藝需要開發(fā)一套特殊裝置系統(tǒng)。

在電子束焊接試驗(yàn)室,呂逸帆帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)針對該系統(tǒng)進(jìn)行了幾十輪的試驗(yàn),都以失敗告終。不信邪的呂逸帆依然信念堅(jiān)定,并安慰團(tuán)隊(duì)要堅(jiān)持:這個(gè)系統(tǒng)不行,就重新設(shè)計(jì)更換系統(tǒng),試驗(yàn)時(shí)長不夠就延長時(shí)間。

加班加點(diǎn)試驗(yàn)成了常態(tài)。功夫不負(fù)有心人,奇跡終于出現(xiàn)了,系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試終于穩(wěn)定達(dá)到期望區(qū)間,試板焊縫性能大幅提升,焊接試驗(yàn)成功了,載人艙研制也迎來了重大轉(zhuǎn)折。

2016年,“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點(diǎn)專項(xiàng)立項(xiàng),核心任務(wù)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(gè)大氣壓,相當(dāng)于2000頭非洲象踩在一個(gè)人的背上。這么大的壓力加在潛水器上,對潛水器的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等,都提出了巨大挑戰(zhàn)。

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(qiáng)度、韌性等指標(biāo)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(xué)院金屬研究所研究員、全海深載人潛水器載人艙項(xiàng)目負(fù)責(zé)人楊銳說,金屬研究所獨(dú)創(chuàng)的新型鈦合金材料成功解決了載人艙材料所面臨的強(qiáng)度、韌性和可焊性等難題。

今年海試中,“奮斗者”號節(jié)奏控制得非常好:在5000米、7000米、8000米深度實(shí)現(xiàn)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(shè)備保持了零故障紀(jì)錄。

胡震說,這些設(shè)備優(yōu)異的表現(xiàn)源于設(shè)計(jì)的完善和陸上精細(xì)的試驗(yàn)?!斑@是載人深潛技術(shù)、裝備和團(tuán)隊(duì)成熟的最充分的表現(xiàn)。”

“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?!?ensp;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(shí)間通過水聲通信系統(tǒng)表達(dá)心聲。

做載人深潛不是當(dāng)冒險(xiǎn)家

比起設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)師要親自下潛?葉聰說,對設(shè)計(jì)師來說,如果不下潛,設(shè)計(jì)只能來源于記錄的數(shù)據(jù),如果親自下潛,將多方數(shù)據(jù)進(jìn)行有效關(guān)聯(lián),是提高潛水器實(shí)用性、總結(jié)設(shè)計(jì)方法的絕佳機(jī)會。

“蛟龍”號3000米級海試期間,潛水器在2000米深度數(shù)次出現(xiàn)電氣絕緣故障,這意味著可能發(fā)生殼體漏水或短路,后果不堪設(shè)想。包括葉聰在內(nèi)的下潛人員可以選擇立即上浮,但經(jīng)請示,他們最終決定,先在甲板上做好充分準(zhǔn)備,在水下如遇到這種情況,適當(dāng)延長試驗(yàn)時(shí)間,努力關(guān)注每一個(gè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)。正是利用爭取的這段時(shí)間,他們最終如愿解決了故障,并積累了大量寶貴的數(shù)據(jù)。

葉聰說,做載人深潛,不是當(dāng)冒險(xiǎn)家。做載人深潛,既要勇敢突破下潛深度,又要踏實(shí)做好潛水器的各項(xiàng)功能和作業(yè)能力。

“我們的工作不容有一絲瑕疵?!逼擤柖紟煻爬びH歷了3個(gè)潛水器研制,對所承擔(dān)的工作駕輕就熟,但依然不敢大意。

因?yàn)榕虏涞交蜃驳矫芊忮F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(yán)謹(jǐn)求實(shí)、團(tuán)結(jié)協(xié)作、拼搏奉獻(xiàn)、勇攀高峰,融入到每一名參研、參試隊(duì)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(gè)臺風(fēng)、多個(gè)低氣壓,特別是在前往馬里亞納的路上,風(fēng)高浪急一路顛簸,許多人暈船。但到達(dá)馬里亞納幾小時(shí)后,“奮斗者”號就順利開展了第一次下潛。

“每一個(gè)人都沒強(qiáng)調(diào)辛苦,但我知道很辛苦?!逼擤柖L何春榮說,平時(shí)很少收到前方信息,但有一天被“奮斗者”號臨時(shí)黨委副書記楊申申在朋友圈同一地點(diǎn)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(wù)緊鑼密鼓地進(jìn)行。另一張晚霞西沉,潛水器被回收到船上。當(dāng)天作業(yè)時(shí)長足足17個(gè)小時(shí)。

今年10月27日,“老司機(jī)”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?!斑@只是從4位數(shù)到5位數(shù)的數(shù)字變化,相比十幾年前,心態(tài)更輕松?!?/p>

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(shí)踐,將為深??茖W(xué)考察、海底精細(xì)作業(yè)提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ),為下一步帶動深海能源、材料等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供強(qiáng)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(gè)來到后甲板,沿著潛水器的護(hù)欄爬上爬下,像看護(hù)自己的孩子一樣,仔細(xì)檢查每個(gè)部件,確保做到萬無一失。今年他仍習(xí)慣下潛前去后甲板轉(zhuǎn)轉(zhuǎn),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(fā)現(xiàn),53歲的自己竟然是船上所有科研人員中年紀(jì)最大的?!鳖D了頓,一口江陰口音的胡震加重語氣:“而且大了不少。”

歷時(shí)近20年,中國載人深潛團(tuán)隊(duì)一直保持著30多歲的平均年齡?!叭缃襁@支團(tuán)隊(duì)的骨干都是80后,就像我們的載人深潛事業(yè)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?!焙鹫f。

習(xí)近平總書記這樣點(diǎn)贊中國載人深潛研制團(tuán)隊(duì):從“蛟龍”號、“深海勇士”號到今天的“奮斗者”號,你們以嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的態(tài)度和自立自強(qiáng)的勇氣,踐行“嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、團(tuán)結(jié)協(xié)作、拼搏奉獻(xiàn)、勇攀高峰”的中國載人深潛精神,為科技創(chuàng)新樹立了典范。

責(zé)任編輯: 何沛蓯