深潛,萬米海底
一
江蘇,無錫,2016年秋天的一個晚上。
中國船舶集團第702研究所依舊燈火通明,許多科研人員還在緊張忙碌著。
突然,水下工程研究室高級工程師、共產(chǎn)黨員葉聰接到所長何春榮的電話:“小葉,來我辦公室一趟,有事談。”
“什么事?”
“好事,大事。來了就知道了!”
聽得出來,何所長的聲音里有一種按捺不住的欣喜,難道是那個重大項目有消息了?葉聰一邊猜測著,一邊快步趕了過去。
果然,在所長辦公室,沉穩(wěn)干練的何春榮轉(zhuǎn)達了北京有關(guān)方面的正式立項通知:全海深萬米載人潛水器由702所牽頭研制,由葉聰擔(dān)任總設(shè)計師。
這一年,葉聰才37歲。別看他這么年輕,實際上已屢經(jīng)歷練了。早在2001年,他從哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院畢業(yè),入職702所水下工程研究室。不久,便跟隨總設(shè)計師徐芑南,投入我國首臺大深度載人潛水器“蛟龍”號的研制工作中。他擔(dān)任“蛟龍”號的總布置主任設(shè)計師,還兼任試航員,代表徐芑南駕駛“蛟龍”號深潛到超越7000米的設(shè)計海深,創(chuàng)造了同類型潛水器深潛的世界紀(jì)錄。當(dāng)“蛟龍”號從太平洋深處凱旋時,盛大的歡迎慶典在青島深海基地舉行。葉聰與其他7人一起,被中共中央、國務(wù)院授予“載人深潛英雄”榮譽稱號。
光榮屬于昨天,奮斗還將繼續(xù)。此后不久,“蛟龍”號研制團隊又開始了潛深定為4500米的“深海勇士”號的設(shè)計制造工作,目的是在工藝、材料等方面實現(xiàn)全面國產(chǎn)化,為進一步研制全海深萬米載人潛水器打下堅實基礎(chǔ)。
2016年春,科技部啟動了“全海深萬米載人潛水器”總體設(shè)計、集成與海試項目。經(jīng)過一番“過五關(guān)斬六將”的評審,中國船舶集團第702研究所最終成為研制牽頭單位。同時,在科技部的組織協(xié)調(diào)下,曾經(jīng)配合“蛟龍”號和“深海勇士”號研制的合作者:中國科學(xué)院聲學(xué)、金屬、理化、能源、自動化和深海科學(xué)與工程研究所、中船重工(現(xiàn)中船集團)第712研究所、國家深海基地管理中心等單位也吹響了集結(jié)號,準(zhǔn)備同心協(xié)力,打一場轟轟烈烈的攻堅戰(zhàn)。
二
那么,什么是全海深?為什么要研制全海深萬米載人潛水器?
根據(jù)國際慣例,海洋1000米深度以下叫深海,6000米深度以下叫深淵。地球上約84%的海洋深度大于1000米,但深淵只有1.2%左右。目前,人類在海洋中的活動主要集中在沿海和淺海區(qū)域,能夠到達深淵的人少之又少,對深海的研究和認(rèn)知比對太空的認(rèn)知要少很多。上世紀(jì)末,只有4個國家研制出了進入深海的載人潛水器,但一般下潛深度為6500米左右。本世紀(jì)初,我國的“蛟龍”號橫空出世,創(chuàng)造了載3人下潛7062米的世界紀(jì)錄,從而讓我國具備了在98%以上海底進行科學(xué)考察的能力。
全海深,顧名思義,就是載人潛水器抵達海洋的最深極點——馬里亞納海溝溝底。深海中有大量的油氣、礦產(chǎn)和生物資源,等待人們?nèi)ヌ綔y、開發(fā)、利用。有關(guān)人類起源、生物進化、地質(zhì)演變等研究,也有可能在這片土地上找到答案。全海深萬米載人潛水器若能研制成功,意味著全球海洋的任何地方,我們都有能力去科考;也意味著,我們將為人類認(rèn)識深海、開發(fā)深海,貢獻中國力量。
但是,全海深萬米載人潛水器的研制工作難度極高,涉及設(shè)計技術(shù)、材料技術(shù)、密封技術(shù)、工藝技術(shù)、通信技術(shù)、安全技術(shù)、集成技術(shù)、試驗技術(shù)等,每一項都是巨大挑戰(zhàn)。其中,最關(guān)鍵的部件是載人艙。因為人類想要進入深海,水的壓強是最大的敵人。科學(xué)家計算過:在海洋里每下潛10米,便增加1個大氣壓,依此類推,下潛1000米則為100個大氣壓,如果深入海底1萬米,那就是1000個大氣壓,相當(dāng)于在指甲蓋大小的地方,壓上幾輛載重汽車。如果沒有防護措施,人到了這樣的地方,瞬間會被壓成紙片。所以,載人潛水器首要考慮的,就是載人艙的安全性。
當(dāng)初我國研制“蛟龍”號時,曾學(xué)習(xí)借鑒了國際上的成功經(jīng)驗:將載人艙設(shè)計成球形。這種形狀受力均勻,再用抗壓特別強的“鈦64”合金做外殼。但因國內(nèi)缺乏有關(guān)材料和工藝技術(shù),只能委托國外機構(gòu)生產(chǎn)制造,然后像縫制籃球似的,將鈦合金沖壓成一個一個“瓜瓣”,拼成一個半球,然后兩個半球合成一個整球。后來,在“深海勇士”號國產(chǎn)化時,認(rèn)識到這種工藝落后了,尤其是因為有多條焊縫,存在一定風(fēng)險。于是,我們的研制團隊在科技部統(tǒng)一協(xié)調(diào)下,聯(lián)系中科院金屬研究所和專業(yè)化科研生產(chǎn)稀有金屬品的國內(nèi)某集團,研發(fā)了將板材直接成型為兩個半球,而后焊接為一體的工藝路線。
這項研發(fā)大大降低了載人艙的風(fēng)險系數(shù),然而,那只是適用于下潛4500米的深度。而今到了全海深,壓強要高出整整一倍還多。一方面要承受萬米海底的極端壓力,另一方面要滿足搭載3人的更大空間設(shè)計。這個載人艙無疑要求更高、制造更難,連鈦64合金都無法滿足要求了。
要想解決載人艙材料難題,就需要研制一種更高強度的新型鈦合金。2014年,也就是全海深萬米載人潛水器立項的兩年前,中國科學(xué)院實施了戰(zhàn)略先導(dǎo)科技專項,位于遼寧沈陽的金屬研究所對深潛材料與制造工藝展開調(diào)研論證,研究員楊銳、馬英杰、雷家峰等人承擔(dān)了這項重任。那時候,有3只“攔路虎”橫在他們面前:一是耐壓材料,二是壓制成型,三是無縫焊接。這就需要聯(lián)合國內(nèi)一家鈦合金公司和焊接研究所,通力協(xié)作,共同推進。
不用說,潛水器載人艙的進展一直牽動著總設(shè)計師葉聰?shù)男摹K惶艘惶藦臒o錫飛往北京、沈陽、寶雞等地,與科技部、中科院有關(guān)專家一起,協(xié)調(diào)研究事項,把控工期進度。那是一段怎樣的日子啊?沒有節(jié)假日,也沒有上下班的概念,甚至不知道季節(jié)的更替,只看到窗外的樹葉綠了又黃了,黃了又綠了。
經(jīng)過無數(shù)次試驗,沈陽金屬研究所終于找到了成功之路:將海綿鈦和鋁、釩等混合在一起,通過大功率壓力裝置,壓制成鈦合金電極,然后放在熔煉爐里面,再經(jīng)多次真空熔煉,煉成符合條件的鈦合金鑄錠,命名為“Ti62A”。接著,他們用這種材料,在車間里做了幾十萬次沖壓試驗,最終形成比較先進的一套大厚度載人球艙制造檢測方法。為了保證嚴(yán)絲合縫,他們又設(shè)計了兩種不同的焊接方案,計劃用兩個球艙來試制。
百折不撓,勇攀高峰,正是深潛科研工作者們可貴精神的體現(xiàn)。經(jīng)過近半年的不斷試驗,不斷改進,2019年6月17日,精心優(yōu)化的第二種焊接方案終于試驗成功,隨后開始在中國船舶集團第725研究所焊接。隨著一陣陣“哧哧”電子束焊聲,工程單位一次性完成載人艙赤道縫焊接工作,焊縫質(zhì)量和強韌性全面達到設(shè)計要求。由此,通過采用自主創(chuàng)新的鈦合金新材料和焊接工藝,我們建造了世界最大、潛海最深、搭載人數(shù)最多的潛水器載人艙。
三
科研路上猶如怒海行船,闖過一個驚濤,又會迎來另一個駭浪。
載人艙建成了,能不能經(jīng)受萬米海水的壓力呢?要知道,全海深萬米載人潛水器是要到世界第四極——馬里亞納海溝下潛。那里已知最深處為11034米,黑暗寒冷,水壓達110兆帕,即人們常說的1100個大氣壓,被稱為“黑暗禁區(qū)”。潛水器必須在陸地上經(jīng)過完備的抗壓檢測,達標(biāo)后才能真正投放到海底去,這就需要有一個“深海超高壓模擬試驗裝置”。
這又是一個難關(guān)。由于載三人全海深萬米潛水器本身就是全球唯一,那么這樣的模擬試驗裝置也就無先例可循,完全需要自主研發(fā)設(shè)計建造。但這也沒有難住我們的科研工作者,他們就是有迎難而上的氣魄。就在全海深萬米載人潛水器項目啟動的同時,研制“深海大型超高壓模擬試驗裝置”的重任也落在了四川航空工業(yè)川西機器有限責(zé)任公司和中國第二重型機械集團公司德陽基地肩上。為此,他們專門成立攻關(guān)組,拿出了自己的設(shè)計方案。
這是一個個頭極大的模擬裝置,三組操場形狀的機架直立,中間包裹一個高4.8米、內(nèi)徑2.8米的大圓筒,里面可自動升降壓,這就是壓力艙,載人球殼就將放在其中試驗。建成后,將可模擬最大作業(yè)深度1.1萬米的深潛項目,承受最大180兆帕的工作壓力,滿足萬米深度背景下大容積、超高壓力的測試需求,為全海深載人和無人潛水器的壓力試驗提供技術(shù)支撐。位于海南三亞的中科院深海科學(xué)與工程研究所是這一試驗裝置的用戶單位。
可是,從四川德陽到海南三亞,相隔“千山萬水”,這樣一個大家伙運輸起來十分不便。即使運來了,萬一有個問題,需要返修加工,時間就全耽誤在路上了。
當(dāng)機立斷,中科院深海科學(xué)與工程研究所做出了將工廠“搬”來三亞的決定:就地建一個臨時車間,現(xiàn)場制造安裝這套裝置。
此外,深海下潛所需的固體浮力材料全部需要進口,而歐美國家在關(guān)鍵部位實行禁運。中科院理化研究所研究員、女科學(xué)家張敬杰勇挑重擔(dān),帶領(lǐng)研究團隊夜以繼日、奮斗不休。團隊一邊科研,一邊生產(chǎn),工作量巨大,失敗也接踵而至。在研究的前期,研究團隊每天都是在打擊中度過的。望著堆成小山似的廢品,張敬杰一而再、再而三地給伙伴們打氣:“堅持住!勝利就在不遠的前方!”
終于,在全所上下團結(jié)協(xié)作、奮力拼搏下,技術(shù)難關(guān)被攻克,最終實現(xiàn)了固體浮力材料深海化、國產(chǎn)化。
一晃4年過去了,闖過重重難關(guān),全海深萬米載人潛水器各項指標(biāo)終于全部合格,并且在2020年春天經(jīng)歷了總裝聯(lián)調(diào)、水池試驗,具備了海試條件。
四
2020年6月19日,中國的全海深萬米載人潛水器正式被命名為“奮斗者”號。
緊接著,“奮斗者”號團隊開始了海試征程。中國船舶集團第702研究所副所長、總設(shè)計師葉聰出任海試總指揮,第一批潛航員由張偉、葉延英、楊波、趙兵等人擔(dān)任。經(jīng)過第一階段在南海下潛4500米檢測成功之后,他們將挺進太平洋馬里亞納海溝。
若把南北極稱為地球的第一、第二極地,珠穆朗瑪峰為最高極——第三極地的話,那么馬里亞納海溝就是最深極地——第四極。它位于太平洋西部馬里亞納群島以東,是一條洋底弧形洼地,長約2550公里、寬69公里,平均水深在8000米左右,極點為“挑戰(zhàn)者深淵”,深度為11034米。也就是說,把8848.86米高的珠穆朗瑪峰放在里邊都填不滿。
這里黑暗、冰冷、壓力巨大,環(huán)境條件極其惡劣。我們的“奮斗者”號并非僅僅作短暫停留的探險型潛水器,而是工作型的,需要搭載三人潛入萬米海底,能夠自主巡航與科學(xué)考察。空間大、時間長、乘員多,難度遠遠超過世界類似深潛器。此次前往“挑戰(zhàn)者深淵”海試,就是對這臺全海深萬米載人潛水器性能的全面驗證。
按照計劃,海試關(guān)鍵詞是“雙船雙潛”。“雙船”,是為“奮斗者”號深潛護航的雙母船——“探索一號”和“探索二號”;“雙潛”,是兩臺潛水器:一個是主角“奮斗者”號,另一個則是它的“御用攝影師”——深海視頻著陸器“滄海”號。
2020年10月10日上午,三亞南山港碼頭鼓樂喧天,一個隆重而熱烈的啟航儀式在此舉行。隨著一聲長長的汽笛鳴響,“探索一號”和“探索二號”滿載著人們的祝福出征了。首先,“探索一號”搭載“奮斗者”號前往馬里亞納海溝海試;隨后,“探索二號”搭載“滄海”號與它會合。
10月21日,海試團隊到達預(yù)定海域,當(dāng)天便進行了適應(yīng)性下潛。此后5天,連續(xù)進行5次大深度下潛,從5454米一直到9163米,均獲圓滿成功。
激動人心的一天到來了,10月27日,“奮斗者”號將首次突破萬米大關(guān)。由海試總指揮葉聰、主駕駛?cè)~延英、聲學(xué)設(shè)計師劉燁瑤執(zhí)行這個光榮的任務(wù)。這不僅僅是一個深度從4位數(shù)到5位數(shù)的變化,而且是中國人要逼近地球最深海底,挑戰(zhàn)極限。
“各就各位,準(zhǔn)備下潛!”
“明白,下潛人員已就位!”
“報告一號,船舶準(zhǔn)備完畢,距離布放點6米!”
“報告一號,水面支持系統(tǒng)準(zhǔn)備完畢!”
隨著一系列口令下達,載著“奮斗者”號的軌道車移動、保障人員拆除限位銷、掛主纜、起吊、掛龍頭纜、布放入水。預(yù)先等候在小艇上的試驗員,適時沖上去解除主纜副纜。潛水器逐漸漂離母船尾部。潛航員在艙內(nèi)進行水面檢查,確認(rèn)各項設(shè)備的狀態(tài)。
“一號、一號!‘奮斗者’號一切正常,水聲通信已建立,請示下潛!”
“一號明白。下潛!”
現(xiàn)場指揮部一聲令下,漂浮在海面的潛水器,瞬間便如游魚一樣潛入水下。主駕駛?cè)~延英坐在中間,葉聰和劉燁瑤分坐兩邊注視著觀察窗和各項設(shè)備。潛水器以每分鐘60米的速度下潛,光線從藍色慢慢變暗,在微光相機里能看到一些發(fā)光的浮游生物在游動。深度值在不斷增加,3個小時之后,多普勒測速儀、避碰聲吶先后顯示距底高度為130米左右。葉延英開始拋載,葉聰眼睛一眨不眨盯著儀表盤,劉燁瑤通過水聲通信語音向母船匯報:“‘奮斗者’號已突破萬米深度,目前已拋載,準(zhǔn)備坐底。”
“太好了!祝賀你們,祝賀我們的深潛事業(yè)!請密切關(guān)注潛水器狀態(tài),保證各方面的安全!”
“坐底”是指潛水器安全、主動落至海床上。海底越來越近了,10米、7米、5米……在照明燈光下,海底清晰地呈現(xiàn)在3位潛航員眼前。萬米海底是如此深邃和靜謐,隨處可見透明的海參、海綿等等,不由得讓人感嘆生命力的頑強。葉聰十分興奮,但他沒有表露出來,而是叮囑同伴調(diào)節(jié)潛水器均衡、近底航行觀察、做好相關(guān)的試驗記錄。
深度10058米!中國人首次到達萬米海底了!
消息傳到母船“探索一號”指揮部里,正在屏幕前觀看的隊員們鼓掌慶賀!
隨后,在10月30日,11月2日至5日,“奮斗者”號又分別4次超過一萬米下潛,進一步驗證和鞏固了深潛成果。11月10日,中央廣播電視總臺對“奮斗者”號深潛海底進行了現(xiàn)場直播。這一天,“奮斗者”號亦成功抵達海底,坐底深度10909米,刷新了中國載人深潛的新紀(jì)錄。
五
2020年11月28日,“探索一號”搭載海試成功的“奮斗者”號返航,人們在海南三亞南山港碼頭舉行了盛大的歡迎儀式。
至此,自“十三五”以來,科技部會同中國科學(xué)院、中國船舶集團,組織近百家科研院所、高校、企業(yè)的近千名科研人員,經(jīng)過艱苦攻關(guān),成功完成了“奮斗者”號的研制工作。在馬里亞納海溝海試中,13次下潛,其中8次突破萬米,標(biāo)志著我國在大深度載人深潛領(lǐng)域達到世界領(lǐng)先水平,標(biāo)志著中國的深潛事業(yè)從跟跑到并跑、再到領(lǐng)跑的世紀(jì)性大跨越。
當(dāng)記者請葉聰談?wù)劯惺軙r,這位年輕老成的深潛科研工作者既豪邁又謙遜地說:“我覺得不能用這5年來講深潛的故事,應(yīng)該用20年甚至更長一些時間。我們從沒有深海裝備到有深海裝備,從無人深潛到載人深潛,從簡單作業(yè)到復(fù)雜作業(yè),是老一輩科學(xué)家們用肩膀托起來的。我們既要牢記傳統(tǒng)又要開拓創(chuàng)新,所以‘奮斗者’號遠遠不是終點,應(yīng)該說,我們剛剛打開了深海的一道門縫……”
是的,深海的門縫已經(jīng)打開,更多的光榮與夢想正等待著人們?nèi)^斗、去爭取!