一路“潜”行——中国万米深潜的光荣与梦想

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  深瞳工作室出品

  采 写:本报记者 陈 瑜 策 划:刘 莉

  随着对深海了解的深入,不能只有一个“蛟龙”号,打造谱系化的潜水器来全面掌握核心技术,成为越来越多业内人士的共识。

  万米,如果成人步行大约需要2.5小时,汽车行驶大约15分钟。但迈向万米深海,中国载人深潜团队老中青三代科研人却走了近20年。

  2020年11月10日,中国万米载人深潜器“奋斗者”号在西太平洋马里亚纳海沟创造了10909米的中国载人深潜新纪录。随后,习近平总书记在贺信中说:“奋斗者”号研制及海试的成功,标志着我国具有了进入世界海洋最深处开展科学探索和研究的能力。

  今年42岁的叶聪无疑是幸运的。如今已是“奋斗者”号总设计师的他,19年前刚从大学毕业就进入位于无锡的中国船舶七〇二所,接触的便是“蛟龙”号载人潜水器项目。这对很多从事潜水器技术研发的科研人员来说,可能是一辈子才等到的机会。“我有一个深刻的感受,就是自己深度参与了国家科技进步的进程,这是我人生中最幸福的事。”叶聪说。

  近20年来,深潜人将自己的命运与中国载人深潜事业紧密相连。从600米一步跨入7000米的“蛟龙”号、深度回撤至4500米实现关键设备国产化的“深海勇士”号、标志我国在大深度载人深潜领域达到世界领先水平的“奋斗者”号……对包括叶聪在内的“奋斗者”来说,奋斗出来的“奋斗者”号,是新的开始。

  十年坚持,终于等来载人深潜的研制号令

  中国船舶集团首席专家、七〇二所“奋斗者”号副总设计师胡震第一次听到俄罗斯“和平号”的名字,是在1992年。作为一名刚进入七〇二所不久的年轻人,他参加了中国大深度载人潜水器的可行性讨论。提及国外研发情况,“和平号”是绕不开的词。这是一个最大下潜深度达6000米的潜水器。

  从那时候开始,包括胡震在内的很多科研人员心里有了一个梦——什么时候中国能有自己的“和平号”。

  1992年,国家863计划第一次面向全国征求海洋领域研究方向。

  以七〇二所为主,国内相关科研单位的多位院士、专家参与探讨,提出设立载人潜水器方向,但当时并没有获准立项。

  后来担任7000米级载人潜水器——“蛟龙”号总设计师的中国工程院院士徐芑南分析原因,一是立项要求有明确的用户及需求,而当时作为重要用户的中国大洋协会成立不久,还没有载人潜水器方面的需求;二是要有技术基础,当时客观上不具备。

  随着时间推移,形势发生变化。

  2001年,中国大洋协会在东太平洋海域获得了7.5万平方千米、拥有专属勘探权和优先开采权的多金属结核矿区,载人深潜有了明确用户及需求。技术上,1995年,由徐芑南担任总设计师的6000米级无缆水下机器人CR-1试验成功,这为载人深潜奠定了技术基础。

  在深海缺少应有的位置,一直是中国海洋科研领域的一件憾事。此时,中国载人深潜器研发似乎看到了曙光。

  时间回到2000年1月,中国大洋协会组织全国海洋各领域专家进行论证。随后国内海洋界10位院士和15位教授进行了深入探讨,达成研发载人潜水器的共识,并于2001年2月报科技部。

  2001年6月,刚履新科技部部长不久的徐冠华到七〇二所视察,听取载人潜水器研制相关技术汇报。

  “我从心里支持这件事情。一个有活力的民族,迟早要走向深海。”徐冠华告诉科技日报记者,新世纪伊始,中国对海洋战略和相关科技的空前重视,是载人深潜最终立项大背景。

  2001年底,各方专家编写完成论证报告。徐冠华审时度势,做出决定,半年后,科技部批准立项。

  回首“蛟龙”号开端,徐冠华说:“真正有重大机会的项目,不可能得到所有人的赞同,不可能没有争议。”

  10年的坚持,中国深潜科研团队终于等来了最重要的使命,一场深海技术领域的攻坚战拉开帷幕。

  从无到有,《泰坦尼克号》启发“蛟龙”号设计灵感

  2005年,七〇二所的科研人员开始追7年前上映的一部好莱坞电影《泰坦尼克号》。这其中包括不爱看电影,也无心追求浪漫的胡震。

  显然,胡震关注的并不是脍炙人口的爱情故事,而是影片里让他慕名已久的“和平号”。此时,项目已立项3年,但团队中仅有两人见过真的深海潜水器。对大部分人来说,了解潜水器,只能借助国外的科普读物和影视作品。

  虽然作用有限,但胡震和同事们还是买来DVD,目不转睛地盯着屏幕,不放过任何一帧有关潜水器的画面,反复揣摩、讨论。

  《泰坦尼克号》将书中的文字描述进行了可视化展示:渊黑黮暗的海底亮起几束灯光,“和平号”潜水器伸出龙虾钳一般的液压手臂,小心翼翼地在沉船的残骸间翻找。驾驶者屏息凝视摄像机传来的影像,门板搬开,铁箱映现,机械手臂用类似进食的动作,把来之不易的收获夹回潜水器前部的篮中,机械大手将潜水器提升出水,欢呼声响彻甲板。

  1991年研究生毕业时,爱读《海底两万里》的胡震,选择了七〇二所,投身自己热爱的深海载人潜水器设计和研发工作。

  上世纪90年代,国家投入少、条件差,身边的同事陆续离开了海洋科研岗位。包括胡震在内的“留守”人员,除了搞科研,还要到处去跑市场,免费给人干活,目的是检验设计出的潜水器与实际工程需求能否衔接,以便后续改进。在坚守和等待中,虽然科研人员做了很多事,但当机会真正来临,还是明显感觉吃力。

  最初,我国科研人员期望和俄罗斯开展国际合作,但对方甚至拒绝了我方参观“和平号”的申请。

  2001年接到邀请电话时,徐芑南已从七〇二所退休6年,但他心底始终有一个愿望,就是看到中国人独立自主研制的大深度载人潜水器能够在深海遨游。

  “来不及了!要赶快赶回所里!”徐芑南当时身患高血压、心脏病,一只眼睛仅存光感,但他毅然带着老伴回国。

  2002年,“蛟龙”号正式立项,作为中国第一台大深度载人深潜器,设计目标定在了海下7000米。

  而在7000米载人深海潜水器“蛟龙”号研制成功前,我国研制过的载人潜水器的最大深度只有600米。

  从600米到7000米,数字背后技术跨越则更大。而“蛟龙”号计划用10年时间,走完了国外同行用了近60年才走完的路。

  深海高压,考验着载人舱技术水平。每下潜1米,每平方米外壳上的水压就多一吨。7000米深,就是每平方米要承受7000吨的压力。

  以看似不起眼的舱口盖为例,它被团队成员称为“通向深海的大门”。高压之下,一旦水漏到常压的舱里,急速喷射的海水射进来比子弹还快。

  另一个重大课题是水下通信。深海里不能使用无线电波,只能利用声波来传信息。中国科学院声学研究所研究员杨波形容,海豚叫一声或者海浪拍一下,都有可能让潜水器发上来的一张写实照片,让人不知所云。

  此外,在陆地上可以通过GPS定位,但在水下则无法简单定位。“蛟龙”必须使用声学定位传感器以及导航控制软件,这也是崭新的课题。

  “蛟龙”号的控制系统更是重中之重。它必须有能力自动安全航行,当机械手作业时,也能稳稳地悬停定位。

  不光是海下才用到的电池、机械手、推进器等技术,就连在陆地使用相当成熟的零件,如电机、泵、阀之类,因为水下需要的体积小、重量轻、耐海水高压和腐蚀等特性,做出来也很困难。

  2007年9月1日,曾经无数次在图纸上、脑海里、梦里见到的潜水器,终于完成了总装,成型“出炉”了。2009年8月,“蛟龙”号开展1000米级海试时,徐芑南拖着装满药品、氧气机、血压计等医疗器械的拉杆箱,坚持要求上船坐镇指挥,要和科研团队坚守在一起。

  “组装完成的‘蛟龙’号,是世界前沿深潜技术的集合体。对引进的设备,我们做了大量工作,并不只是采购这么简单。因为7000米深度的指标,国际上根本没有现成的产品。”徐芑南很自豪:“我可以说,通过‘蛟龙’号,我们已经掌握了国际上认可的载人潜水器的核心技术。”

  “深海勇士”号关键技术国产化率超85%

  随着对深海了解的深入,不能只有一个“蛟龙”号,打造谱系化的潜水器来全面掌握核心技术,成为越来越多业内人士的共识。

  为稳步攻克技术国产化关,经过慎重论证,2009年,我国第二台大深度载人深潜器“深海勇士”号关键技术开始研究。它的下潜深度回撤到4500米,但关键技术国产化率超过85%。这意味着,它的研发难度并不小于“蛟龙”号。

  电池是事关潜水器安全的最关键技术之一。“蛟龙”号使用的国产银锌电池,寿命只有一年,而且价格昂贵。2009年,国家863计划开始支持4500米载人潜水器关键技术国产化攻关,其中包括对4500米深度充油耐压锂电池进行性能优化。

  胡震回忆,当时只看到一篇文章提到日本正在开展这方面研究。时至今日,基本同时起步的美国还没将该电池正式用于潜水器。

  2013年前后,时任七〇二所水下工程开发部主任的胡震带着手下正在开展电池耐压性能测试,没想到电池热失控——烧了。

  “我们紧急将研究方向从比较先进调整为比较安全,同时改造极板设计,优化制造工艺。”胡震告诉科技日报记者,一组电池包括几百个单体,研发团队需要将每一个单体循环加压减压20个来回,光这项工作就24小时不间断持续了3个月。之后,技术人员又将单体组成的电池组,进行压力环境下的放电性能测试。

  2014年、2016年,“深海勇士”集成和海试工作分别启动。

  对“深海勇士”号总设计师胡震来说,科技部先后部署的8个项目/课题,就是8根难啃的“骨头”。

  除了载人舱、锂电池、超高压海水泵,4500米载人潜水器上集成的许多国产化装备的雏形,是多个国家科技计划支持下形成的样机。

  2012年到2014年,这是胡震最难熬的3年,虽然有些技术已经取得进展,但样机与产品要求有差距,原计划2015年完成的课题只能延期。

  “大深度潜水器的使用条件十分恶劣,工况复杂。受制于我国工业生产水平,从技术到装备之间存在巨大的鸿沟。”胡震说,有些问题不是大问题,但会影响潜水器的寿命。即使速度慢一点,也要把牢技术关。例如类似鱼鳔的精密仪器超高压海水泵,直接影响潜水器的稳定航行。课题组引进竞争机制,两家承研单位在关键技术攻关基础上完成了样机研制、样机测试并组织专家验收。

  经过8年的艰苦攻关,我国具备了载人舱、浮力材料、锂电池、推进器、海水泵、机械手、液压系统、声学通信、水下定位、控制软件等10大关键部件的自主研制能力。

  “截至2020年12月4日,该电池已经支持了‘深海勇士’号310次下潜任务。”胡震很自豪。

  有了“蛟龙”号、“深海勇士”号的基础,深潜团队深藏心底的梦想被“点燃”——走向万米。

  “奋斗者”号横空出世,万米海底妙不可言

  2017年底,焊接难题摆在“奋斗者”号载人舱焊接技术负责人、中船集团七二五所吕逸帆面前:载人舱焊接工作进展不顺,电子束焊缝某关键指标不达标。这也是压在载人舱设计团队和研制团队人员心中的一块巨石。

  在试板级原理性探索试验中,该性能已达既有工艺极限,无论怎么调节参数,离指标要求总还有一大截距离。

  关键时刻,吕逸帆提出采用一种特殊的在国际上尚无应用先例的电子束焊接工艺,但这种工艺需要开发一套特殊装置系统。

  在电子束焊接试验室,吕逸帆带领团队针对该系统进行了几十轮的试验,都以失败告终。不信邪的吕逸帆依然信念坚定,并安慰团队要坚持:这个系统不行,就重新设计更换系统,试验时长不够就延长时间。

  加班加点试验成了常态。功夫不负有心人,奇迹终于出现了,系统参数调试终于稳定达到期望区间,试板焊缝性能大幅提升,焊接试验成功了,载人舱研制也迎来了重大转折。

  2016年,“十三五”国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项立项,核心任务是研制全海深万米载人潜水器。

  万米载人潜水器要承受1000个大气压,相当于2000头非洲象踩在一个人的背上。这么大的压力加在潜水器上,对潜水器的材料、结构设计等,都提出了巨大挑战。

  以往潜水器主要使用的材料,在万米海深的极端压力条件下,强度、韧性等指标已不能满足要求。

  “奋斗者”号载人舱球形“外壳”牵头研制单位——中国科学院金属研究所研究员、全海深载人潜水器载人舱项目负责人杨锐说,金属研究所独创的新型钛合金材料成功解决了载人舱材料所面临的强度、韧性和可焊性等难题。

  今年海试中,“奋斗者”号节奏控制得非常好:在5000米、7000米、8000米深度实现了每天下潜一次,9000米深度隔天下潜,万米深度隔两天下潜。更重要的是,在第二阶段万米海试中,许多设备保持了零故障纪录。

  胡震说,这些设备优异的表现源于设计的完善和陆上精细的试验。“这是载人深潜技术、装备和团队成熟的最充分的表现。”

  “亲爱的观众们,万米的海底妙不可言,希望我们能够通过‘奋斗者’的画面向大家展示万米的海底。” 11月10日,“奋斗者”号成功坐底世界最深处马里亚纳海沟,三位潜航员第一时间通过水声通信系统表达心声。

  做载人深潜不是当冒险家

  比起设计师,身材微胖的叶聪更出名的身份是试航员,俗称“深海的哥”。

  为什么设计师要亲自下潜?叶聪说,对设计师来说,如果不下潜,设计只能来源于记录的数据,如果亲自下潜,将多方数据进行有效关联,是提高潜水器实用性、总结设计方法的绝佳机会。

  “蛟龙”号3000米级海试期间,潜水器在2000米深度数次出现电气绝缘故障,这意味着可能发生壳体漏水或短路,后果不堪设想。包括叶聪在内的下潜人员可以选择立即上浮,但经请示,他们最终决定,先在甲板上做好充分准备,在水下如遇到这种情况,适当延长试验时间,努力关注每一个现场数据。正是利用争取的这段时间,他们最终如愿解决了故障,并积累了大量宝贵的数据。

  叶聪说,做载人深潜,不是当冒险家。做载人深潜,既要勇敢突破下潜深度,又要踏实做好潜水器的各项功能和作业能力。

  “我们的工作不容有一丝瑕疵。”七〇二所技师杜坤亲历了3个潜水器研制,对所承担的工作驾轻就熟,但依然不敢大意。

  因为怕蹭到或撞到密封锥面影响密封效果,杜坤在每次海试工作中不能戴手表、戒指等任何硬物,甚至指甲都不能留长。

  在惊涛骇浪中铸就的中国载人深潜精神——严谨求实、团结协作、拼搏奉献、勇攀高峰,融入到每一名参研、参试队员的血液里。

  今年海试,搭载“奋斗者”号的“探索一号”号船遭遇了两个台风、多个低气压,特别是在前往马里亚纳的路上,风高浪急一路颠簸,许多人晕船。但到达马里亚纳几小时后,“奋斗者”号就顺利开展了第一次下潜。

  “每一个人都没强调辛苦,但我知道很辛苦。”七〇二所所长何春荣说,平时很少收到前方信息,但有一天被“奋斗者”号临时党委副书记杨申申在朋友圈同一地点拍摄的两张照片感动:第一张照片里,天刚蒙蒙亮,迎着朝霞,下潜任务紧锣密鼓地进行。另一张晚霞西沉,潜水器被回收到船上。当天作业时长足足17个小时。

  今年10月27日,“老司机”叶聪搭乘“奋斗者”号,在潜水器右舷,见证了潜水器深度首次突破万米。没有电影中常见的击掌庆祝、热泪盈眶,在主驾倡议下,叶聪在万米海底享用了一顿蛋炒饭午餐。“这只是从4位数到5位数的数字变化,相比十几年前,心态更轻松。”

  科技部部长王志刚说:“‘奋斗者’号成功研制和万米海试的突破,是新型举国体制的生动实践,将为深海科学考察、海底精细作业提供坚实的技术基础,为下一步带动深海能源、材料等高技术产业发展提供强劲动力。”

  之前“蛟龙”号、“深海勇士”号海试中,每次下潜前,胡震总是第一个来到后甲板,沿着潜水器的护栏爬上爬下,像看护自己的孩子一样,仔细检查每个部件,确保做到万无一失。今年他仍习惯下潜前去后甲板转转,但明显感觉轻松不少。

  “平常在所里浑然不觉,上了船才突然发现,53岁的自己竟然是船上所有科研人员中年纪最大的。”顿了顿,一口江阴口音的胡震加重语气:“而且大了不少。”

  历时近20年,中国载人深潜团队一直保持着30多岁的平均年龄。“如今这支团队的骨干都是80后,就像我们的载人深潜事业一样朝气蓬勃,他们出色的工作是我们深潜成功最大的基石。”胡震说。

  习近平总书记这样点赞中国载人深潜研制团队:从“蛟龙”号、“深海勇士”号到今天的“奋斗者”号,你们以严谨科学的态度和自立自强的勇气,践行“严谨求实、团结协作、拼搏奉献、勇攀高峰”的中国载人深潜精神,为科技创新树立了典范。

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