中国测绘丨听奋斗者讲“奋斗者”的创新故事——深海利器：让我国海洋探测迈入“万米”时代

  深渊区域人类踪迹罕见。被称为“地球第四级”的马里亚纳海沟，像⼀座倒立海底的山峰，深奥而神秘。走向大洋，探索深海是世界各国科学家的共同梦想，也是中国科学家孜孜以求的夙愿，到达万米则是每个深潜人心中的目标。

  2020年11月10日，我国“奋斗者”号载人潜水器在马里亚纳海沟成功坐底，坐底深度10909米，创造了中国载人深潜的新纪录，体现了我国在大深度载人深潜领域达到世界领先水平。中国科学家与工程师也用实际行动告诉世人：中国载人深潜跨入万米时代！

  “建设海洋强国”，需要高度国产化海洋装备来支持。进入新世纪以来，我国先后研制出了“蛟龙”号、“深海勇士”号、“奋斗者”号三台载人潜水器，探索万米深海的步伐越来越稳。

  从无到有，从引进创新到自主研制，从几百米到跨入万米时代，短短20年，我国载人潜水器技术和装备研制能力实现了飞跃。

  喜讯通过4K高清电视直播画面飞过大洋传遍世界，当屏幕上出现“10000米”的时候，现场一片欢腾。一位参与研发的科学技术人员兴奋地说，“我们自己的潜航员搭乘我们自己制造的载人潜水器到达万米深渊，这是见证历史的时刻，也是中国载人深潜的高光时刻。”

  中科院声学所研究员、“奋斗者”号试航员杨波自豪地表示，“这不止是一个瞬间，也承载了我们很多的回忆。因我们的努力，因为我们的奋斗，才得到了这样一个很好的结果。我也期待这样的潜水器能有更好的探索能力。这也验证了一句话：幸福是奋斗出来的。”

  其实，自从1960年“的里亚斯特”号深潜器下潜到太平洋马里亚纳海沟海底至今的60年里，能够对马里亚纳海沟进行科学考察的国家并不多，而可以在一定程度上完成载人下潜到海沟底部的国家也只有中国和美国。足见，人类探索海底深处的难度。

  据介绍，“奋斗者”号2016年立项，作为中国拥有自主知识产权的全海深载人潜水器，它由中国船舶集团702所牵头，近百家科研院所、高校、企业的近千名科研人员，经过艰苦攻关，历时4年多研制完成。如果您留意有关报道就会知道，这支研发团队的主体也参与了“蛟龙”号、“深海勇士”号载人潜水器的研发。可以说，他们见证了我国载人潜水器的发展。

  在“蛟龙”号、“深海勇士”号载人潜水器研制与应用的良好基础上，研发团队历经4年多艰苦攻关，在耐压结构设计及安全性评估、钛合金材料制备及焊接、浮力材料研制与加工、声学通信定位、智能控制技术、锂离子电池、海水泵、作业机械手等方面实现多项重大技术突破，顺利完成了潜水器的设计、总装建造、陆上联调、水池试验和海试验收，核心部件国产化率超过96.5%。

  大家知道，海水越深，海水的压强越大，到了万米深度的海沟底部，海水压强达到1000个大气压。如此大的压强，加上海洋深处的黑暗、低温、低氧等，都成为潜水器科研团队要面临的挑战。

  就潜水器应对抗压来说，“奋斗者”号拥有一系列硬核“抗压”装备,表现抢眼。比如载人球壳，深潜器外观看起来像条胖鱼，是因为核心部件是一个圆球，即载人球舱。因为人需要生存在1个大气压下，所以圆球中也只有一个大气压，球壳要适应万米深海超高压(标准大气压的1000多倍)，就要承受住巨大的压力。

  圆球形载人舱的安全可靠，是“奋斗者”号的头等大事。因此，载人舱的选材很重要，选材决定了其焊接工艺要求极高、难度极大。经过无数次攻关，“奋斗者”号研发团队终于找到可满足需求的国产新型钛合金材料,并完成半球冲压。之后又经过八、九个月努力，突破了高强高韧钛合金材料的特殊焊接工艺，焊接质量满足技术指标要求，从而保障了“奋斗者”号能顶住海底压力,安全载人潜入万米深海。

  固体浮力材料的作用是为潜水器的顺利下潜和安全上浮提供保障，其性能必然的联系到潜水器与潜航员的安全。“奋斗者”号科研团队在前期多年技术积累的基础上，开展了万米级浮力材料自主研制和攻关，制备出了具有高安全系数的万米级固体浮力材料，并进行了批量化生产，解决了长期以来国产固体浮力材料强度差密度高的技术难题。

  中科院深海科学与⼯程研究所深潜技术研究室主任、潜航员叶延英与“奋⽃者”号，他亦曾参与过“深海勇⼠”号科研攻关

  “做万米级浮力材料是非常巨大的挑战。”参与过“深海勇士”号和“奋斗者”号研发工作的中科院深海科学与工程研究所深潜技术研究室主任、潜航员叶延英和记者说，这些浮力材料的大小比盖房子用的青砖大一些，每一小块都要经过打压测试，合格后再粘贴成大块，再进行打压测试，最终确保没有一点问题才能使用。

  “曾经发生过这样一件事。”叶延英举例说，当时几个批次的浮力材料在打压测试时都有开裂现象，却找不到开裂的原因，致使浮力材料研发受阻。

  后来，经反复分析研究，团队认为，有可能是因为测试的水温与深海底部的水温不同，深海底部水温只有1度上下。研发人员试着将冰块放入水中降温，模拟海底的温度。果然，改变水温后，浮力材料不再开裂，此事让研发人员的自信心大增。

  “选择了自主创新，前路就不会平坦，本着‘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，坚持不懈，就会战胜一切艰难险阻，探索出一条成功的创新之路。”叶延英先后共进行过60多次下潜。

  叶延英与同济⼤学82岁⾼龄的汪品先院⼠⼀同下潜，创造了世界最⼤年龄科学家下潜纪录

  2017年，他作为试航员，有幸与团队一起完成了“深海勇士”号首次突破4500米的下潜；曾创下12天连续下潜12次的国内下潜纪录；他还和团队一起进行了国内载人深潜史上的首次夜间下潜。他和同济大学82岁高龄的汪品先院士一同下潜，并获得重要发现，采集到珍贵的冷水珊瑚以及岩石样品，帮助汪品先院士完成多年来的深潜梦想，创造了世界最大年龄科学家下潜纪录。“深海勇士”号可以搭载一名潜航员配合两名科学家开展下潜作业，使我国成为继美国之外第二个具备该能力的国家。

  不断向深渊进发、探索未知的愿望，驱使着人类不断下到更深的海底。人类起源，生物进化，地球地质演变等迷团都可能在深海这片净土中找到答案。这也是研发载人潜水器的最大的目的所在，能够在一定程度上帮助人类去认识深海、开发深海、保护海洋，科学家可以搭载潜水器抵达海底深渊，去发现寻找和探秘更多未知的海洋世界。

  载人潜水器为科学家提供了与深海近距离接触的机会。“科学家可以搭载潜水器直接下到海底进行水下勘察，目力所及都是真实的海底世界。正如再好的相机也拍摄不出人眼睛中的海上晚霞一样，身处海底透过载人潜水器舷窗看到的世界，也无法仅通过水下相机就得以完整呈现。”中科院深海科学与工程研究所科学部副主任陈传绪告诉记者。

  科学家的水下探索之旅还需要很多类型水下装备的支持。我们大家可以通过海底地形的测绘获取海底地形图，进而一窥全貌。利用卫星重力反演、船载多波束探测等技术把海底地形地貌绘制出来，从图上我们就能够正常的看到哪里有海山、火山、海沟、断层、断崖等。

  卫星重力反演和船载多波束测绘的分辨率是有限的，比如通过卫星重力反演得到的地形的横向分辨率仅为1弧分，也就是大约2千米的分辨率。船载的多波束能大大的提升地形分辨率，达到水深的百分之一，比如在万米海沟，多波束的分辨率可达100米左右。

  “奋斗者”号载人潜水器的首次马里亚纳之行都用到了哪些测绘技术方法？陈传绪回答说，“奋斗者”号要下到全世界最深的地方去，怎么样来判断全世界哪个地方最深？这就需要用船载多波束测绘手段圈定马里亚纳海沟的最深处。我们在2020年的万米载人深潜航次之前，已经在2018年利用“探索一号”搭载的多波束设备对马里亚纳海沟的最深海区——挑战者深渊进行了测量，圈定了东部和西部凹陷区的百米级分辨率的下潜作业区。

  载人潜水器就等于一辆出租车，根据科学家的需求，载着不同的科学家，去他们想去的地方，只要事先告诉潜航员团队他的目的地是哪里，潜航员就会带着他去探测，帮助科学家取回想要的样品。但是全球海洋面积约3.6亿平方千米，载人潜水器单次下潜的作业覆盖范围约3.6平方千米，也就是海洋的亿分之一。所以，利用有限的潜次，要透过载人潜水器的舷窗看到科学家期待的画面，就需要在下潜站位的选择上要求“精准”。比如海底独特的两个环境，一个是冷泉区，一个是热液区。热液区从海底的黑烟囱不断往外冒着黑烟，冷泉区会有气泡从海底溢出，它们都是海洋生物的富集之地，也是海洋科学家的重点研究区域。

  这些神奇的海底景象，在船载多波束探测的海底地形图可能都不会表现出异常特征，因此类似地区的载人深潜调查，就对海底测绘的精度提出了更高的要求。我们可通过潜器搭载的探测声呐设备做近海底的测深侧扫作业，获取10米级、米级乃至厘米级的高分辨率海底地形图，为下潜科学家选址提供参考依据。

  随着探测需求的增加，对探测质量发展要求也在提高，对海底测绘分辨率的要求将会更高。比如海底活火山喷发的探查，单次喷发的范围是多大？岩浆新增了多少？这时就可通过潜水器搭载的多波束设备去测量。测量距离探查物越近，分辨率就越高。

  陈传绪表示，不久的将来，我们的潜水器上除了搭载光学成像和各类型作业工具之外，还有一个重要的组成部分，就是潜载地球物理探测系统，也能说是探测声呐系统，可以集成测深侧扫、多波束、合成孔径成像声呐、侧扫、浅层剖面仪等设备，实现海底高分辨率分米级、厘米级探测，包括海底以下浅层精细地层和目标物的探查等。

  “我们的载人潜水器本身比较先进，但船载和潜载的一些探测声呐设备，目前还不尽人意。”陈传绪坦言，从用户使用的角度来讲，包括在测量精度、仪器设施的稳定性和使用者真实的体验上，都与国外领先水平有一定差距。但是，现在我们有了自己的载人潜水器，可通过它进行设备的反复试验，进而察觉缺陷处理问题，完善设备。“其实导致某些装备不好用不耐用，是因为过去缺少类似我们载人潜水器这种“班车化”运维的深海进入的装备，缺少反复试验和用户反馈的机会。”

  无论是“深海勇士”号还是“奋斗者”号，研制它们的最终目的是要用起来。陈传绪表示，近3年来，深海所不断降低它的运维成本，潜次需求量也在一直上升。比如“深海勇士”号，能轻松实现每天一潜，依据需求也可以开展2天3潜，最多的时候，达到过8天12个潜次，同时夜潜也成为常规化作业的类型。“下潜次数多了，才能减少相关成本，降低了成本，才能让更多的科学家下潜至海底世界。”陈传绪表示。

  叶延英和记者说，“深海勇士”号从2017年开始下潜到今天，3年多来，共下潜了342次，平均每年100次左右；“奋斗者”号从2020年7月份开始下潜，从海试时算起，目前共计下潜了30次。

  据介绍，叶延英所在的潜航员驾驶团队目前共有16位潜航员，2台潜水器（一台万米级的“奋斗者”号和4500级的“深海勇士”号）。这些潜航员不仅是驾驶员，还要兼顾潜水器的维修维护工作，包括当“蛙人”。叶延英表示，今年，他们计划组织科学家到深海进行应用性科考。等疫情过后，还要与国外科学家开展合作，让探海利器最大限度地用起来，也让更多科学家有机会到海底“寻宝”。

  正如“奋斗者”号的“探索一号”保障母船领队刘心成教授所说，“奋斗者”号是一个大国的科考重器，研制它的全部意义就在于今后科学应用。中科院深海所作为“深海勇士”号和“奋斗者”号载人潜水器的运营单位，一是会努力做好功课，实现高频次的下潜，把更多的科学家送到深海、深渊，以获取更多的发现,取得更多的科考样品。二是完善软硬件支撑保障条件建设,比如说一整套下潜作业的制度体系建设、潜航员教育培养体制和激励机制，还有硬件支撑保障能力的升级改造等等。三是拓展国际合作。深渊科考是当今国际上面临的一个全球性难题，需要发动更多有能力的国家、地区以及有意愿、有能力的科学家共同参与进来。这几年，“深海勇士”号在运行当中已经取得了很好的实践，也取得了经验。

  “我们坚信，‘奋斗者’号的入列，将会为中国实现海洋科技强国，作出它应有的贡献。中国人也一定会为人类探索深渊科学奥秘作出新的更大贡献。”刘心成表示。

  原标题：《中国测绘丨听奋斗者讲“奋斗者”的创新故事——深海利器：让我国海洋探测迈入“万米”时代》

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