深潛海底10909“奮鬥者”號創中國紀錄的科技力
36歲的劉燁瑤終於“上岸”了。
11月28日，隨着一陣汽笛聲響，這位年輕的“奮鬥者”號全海深載人潛水器副總建造師、潛航員、中國科學院聲學研究所高級工程師，從“探索一號”科考船主甲板跨上舷梯，來到位於海南省三亞市的南山港碼頭。這是闊別一個多月之久，他的雙腳再一次踩在大地上。
從10月10日起，劉燁瑤和其他上百名科研試驗人員一起，分兩批乘坐科考船前往已知地球海洋最深處——馬裏亞納海溝。在那裏，他們坐進“奮鬥者”號潛水器，13次下潛大海深淵，其中8次突破1萬米，創造了10909米的中國載人深潛新紀錄。
這標誌着我國在大深度載人深潛領域達到世界領先水平。在接受中青報·中青網記者採訪時，劉燁瑤説：“這再次證明了我國載人深潛器有能力挑戰萬米深淵，在逐夢深藍的道路上，我國又‘潛’進了一大步。”
“第一次來到萬米深淵，心情很平靜”
當“奮鬥者”號舷窗外的顏色，從碧藍過渡到深藍，再到一片漆黑。劉燁瑤知道：海底到了。
“第一次下到萬米深淵，我當時心情很平靜。”劉燁瑤説。
他告訴記者，當時“奮鬥者”號深潛器的載人艙裏坐着3位潛航員，除了他和另外一位科學家，還有一位專職的潛航員——相當於“司機”。
抵達萬米深淵時，3位潛航員沒有歡呼雀躍，沒有鼓掌。“甚至都沒有過多的緊張或興奮。這來自我們對於‘奮鬥者’號狀態的自信。”劉燁瑤説。
“親愛的觀眾們，萬米的海底妙不可言，希望我們能夠通過‘奮鬥者’的畫面向大家展示萬米的海底。”
2020年11月10日8時12分，“奮鬥者”號成功坐底世界最深處馬裏亞納海溝，3位潛航員第一時間通過水聲通信系統向全國觀眾直播了他們所看到的萬米海底世界。
水聲通信是“奮鬥者”號與母船“探索一號”之間溝通的唯一橋樑，可以實現潛水器從萬米海底至海面母船的文字、語音及圖像的即時傳輸。
作為一名聲學科學家，劉燁瑤的注意力更多地放在“奮鬥者”號的聲學系統和相關設備的工作狀態，“幾乎沒有太多時間去觀察海里的生物和景色”。
他告訴記者，相較於前兩代——“蛟龍”號與“深海勇士”號載人潛水器，“奮鬥者”號的聲學系統實現了完全國產化，這個系統由中國科學院聲學研究所牽頭研製。
在11月16日的下潛作業中，藉助組合導航系統和聲吶設備，“奮鬥者”號潛航員僅用了半個小時便成功取回了此前布放在萬米海底的3個水下取樣器，實現了“海底撈針”，並通過水聲通信機將取樣畫面回傳至母船。
“這一次萬米深潛，不僅是從‘4位數’到‘5位數’的變化。”劉燁瑤説，“奮鬥者”號的聲學系統突破了全海深難關，技術指標更高，在整個海試過程中表現優秀，為全海深範圍內的持續巡航作業提供了技術保障。此外，由聲學多普勒測速儀和定位聲納及慣性導航等設備相集成的組合導航系統，還為“奮鬥者”號的巡航作業提供了高精度的水下定位導航。
萬米水壓強度，相當於2000頭非洲象同時踩在背上
“奮鬥者”號載人潛水器要走向深海，首當其衝的就是海水帶來的高壓。
有這樣一個比喻：馬裏亞納海溝最深處，水壓超過110兆帕，相當於2000頭非洲象踩在一個人的背上。
“奮鬥者”號全海深載人潛水器載人艙項目負責人、中國科學院金屬研究所研究員楊鋭告訴記者，如此高壓，意味着“奮鬥者”號的抗壓材料、結構設計等都面臨嚴峻挑戰。
載人艙是全海深載人潛水器的核心部件，是人類進入萬米深海的硬件保障和安全屏障。此前，世界上最先進的全海深潛水器，是美國2019年5月完成萬米下潛的“極限因子”，其載人艙可搭載兩人。
這一次，我國要嘗試的是萬米深海，而且搭載3人，原有的材料已顯得非常“吃力”。楊鋭説，在萬米海深的極端壓力條件下，按照載人艙的目標尺寸和厚度要求，原有的材料在強度、韌性等指標上都已不能達標。
2014年起，我國開始在載人艙方面進行論證和預先研究。
據楊鋭介紹，中科院金屬所科研團隊第一次提出一種新型的合金設計方案，並據此設計實現了一種全新的鈦合金顯微結構，在此基礎上發明了一種具有良好熱加工成形和焊接成形性能的鈦合金。
“我們當時遇到一個問題：如果要搭載3人，載人艙鈦合金的厚度一下從52毫米變成了130毫米，材料強度也要大幅度提高，但強度和韌性往往是互相矛盾的。”楊鋭説。
比如，陶瓷的強度非常高，但韌性差；塑料的韌性高，但強度又太低；比鈦合金強度高的材料有很多，但無法進行焊接。
“從一篇文獻中我們受到啓發——可以去除材料裏的有害相啊！”楊鋭説，“那是一種豁然開朗的感覺！”
興奮之餘，整個研製團隊又花兩年多的時間，拿下這一項目，成功建造世界最大、可搭載3人的全海深載人艙。
今天，“奮鬥者”凱旋，意味着國產新型鈦合金材料不辱使命，能成功應對萬米深海的高壓和衝擊。
除了一身“鈦戰甲”，“奮鬥者”號還要有靈活的“手”，才能採集海底的樣品。
“奮鬥者”號萬米機械手項目負責人、中科院瀋陽自動化所水下機器人研究室副主任張奇峯告訴記者，該所科研團隊打造了“奮鬥者”號兩套機械手，它們都具有7個關節，可實現六自由度運動控制，持重能力超過60千克。
在萬米深淵，這雙“手”完成了岩石、生物抓取及沉積物取樣器操作等精準作業任務，成功填補我國應用全海深液壓機械手開展萬米作業的空白。
“奮鬥者”號副總設計師、潛水器控制系統負責人、中科院瀋陽自動化所研究員趙洋告訴記者，包括這雙“手”在內，“奮鬥者”號的整個控制系統，實現了在線智能故障診斷、容錯控制以及海底自主避碰等功能，提高了潛水器的智能程度和安全性。這其中，水平面和垂直面航行控制性能指標，還達到了國際先進水平。
不僅要“下”得去，還要能“上”得來
對載人潛水器來説，不僅要“下”得去，還要能“上”得來。
中國科學院理化技術研究所研究員張敬傑告訴記者，“奮鬥者”號“下”得萬米深淵之後，要“上”得來，靠的正是該所研製的固體浮力材料。
據她介紹，潛水器要浮到海面，一般有兩種方式：一是消耗動力，不過這種方式既浪費能源，又縮短作業半徑；第二種是無動力上浮，即藉助固體浮力材料上浮，不過這種方式有一定風險，必須保證絕對安全，否則會出現災難性事故。
此前，國際上不乏由於浮力材料開裂塌陷等原因，而導致水下裝備丟失和報廢的事故，因此，固體浮力材料，一定要經過嚴格測試。
張敬傑説，這些固體浮力材料像磚頭一樣，一共幾千塊，由於製備技術難度大，世界範圍內只有少數發達國家掌握核心技術，且對我國實行技術封鎖。
來自中科院理化所的科研團隊，在前期多年技術積累的基礎上，實現了我國浮力材料研究的重大突破，最終制備出具有高安全係數的萬米級固體浮力材料，並進行了批量化生產。
有人提出這樣的疑問：既然載人深潛風險那麼大，為何不派個機器人下去？此前，我國已經研製出“海鬥一號”等萬米級無人潛水器，為什麼還要研製萬米級載人潛水器？
中國科學院深海科學與工程研究所研究員包更生的回答是：從技術角度來説，研製萬米級載人潛水器會推進突破一系列關鍵技術問題。從科學角度來説，載人潛水器在進行水下科考時機動性、巡航能力更強，可搭載更多科考裝備，因此既要有無人潛水器，也要有載人潛水器。
劉燁瑤對此深有體會，他告訴記者，相比機器人或照相機，潛航員可以進行即時觀察。人在觀察和採樣時，如果覺得一些地方有價值，可以自主長時間定點作業，也可以提高作業的效率。
中國科學院深海科學與工程研究所黨委副書記陽寧給出另一個理由：不管是像素，還是光譜，人眼所能看到的東西只會更多。據他介紹，人眼成像可以達到10億像素，遠比現在的機器設備要高得多；此外，一些照相機並不能接收所有光譜，從這個意義上説，它們所看到的世界相比人眼會存在一定程度的“丟失”。
更為重要的是，不同的科學家，因其學術背景不同，在大洋深淵可能會看到“不一樣的世界”。一個典型的例子是：長期從事海洋微體古生物與古海洋學研究的中科院院士汪品先，曾在2018年乘坐“深海勇士”號載人深潛器下海深潛，在南海下潛科考中，汪品先親眼發現了那裏的冷水珊瑚羣落。
如今，從“深海勇士”號到“奮鬥者”號，我國載人下潛深度突破萬米大關。劉燁瑤也相信，隨着下潛能力的突破，未來有望收穫更多的“深海發現”。