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“蛟龙”号将五星红旗插在3757米深海海底。图片由中国大洋协会提供

  2010年7月12日,中国南海海域。

  我国首个深海载人潜水器“蛟龙”号3000米级海试现场。

  “布放潜水器!”随着海试现场总指挥刘峰的一声令下,顿时机械声轰鸣,“蛟龙”号在“向阳红09”母船A字架的吊放下,逐渐沉入水中。经过一段时间调试,“蛟龙”号以每分钟37米的速度缓缓下潜。

  一小时后,“蛟龙”号突破了3682米的世界海洋平均深度,并抛掉载重物,以零浮力附着在海底。通过机械手,“蛟龙”号潜航员叶聪相继把一面五星红旗和寓意中国载人深潜成功的龙宫标志物,布放到了3757米的海底。

  此时叶聪深知,在这一刻,“蛟龙”号为中国载人深潜事业赢得了荣耀与辉煌。

  一个多月后的8月26日,国家科技部与国家海洋局联合在北京召开新闻发布会,正式向世界宣告我国863计划重大成果——中国首台自行设计、自主集成研制的载人潜水器“蛟龙”号3000级海试取得成功,其最大下潜深度达到3759米,突破了3682米的世界海洋平均深度。至此,中国成为继美、法、俄、日之后,世界上第五个掌握3500米以上大深度载人深潜技术的国家。

  “可下五洋捉鳖”,一代伟人毛泽东为中华民族描绘的这一瑰丽梦想,随着鲜艳的五星红旗在深海飘扬,终于在这一天成为现实。

  外媒热评纷至沓来:“蛟龙”号的成功标志着中国在海洋技术强国方面又前进了一大步。这次行动已经远远超越了海底探索本身所具有的意义。与将宇航员送往太空一样,最大设计深度为7000米的载人深潜器“蛟龙入海”也是中国崛起的重要标志之一。

  当今世界,深海载人深潜器是海洋高新技术的综合集成,是一个国家综合技术力量的体现。在日益激烈的国际海底区域竞争中,“蛟龙”号创造我国载人深潜新的历史纪录,极大地增强了我国走向深海的决心,举国上下无不为之振奋。

  在为“蛟龙”号欢庆的人群中,一位74岁的老人颇为引人注目。他就是“蛟龙”号载人潜水器总设计师、中船重工702所(以下简称702所)研究员徐芑南。搞了一辈子潜水器研制的他,终于盼到了中国深海运载器创造历史的这一天。

  从上世纪末期的1000米无缆水下机器人和6000米自治水下机器人,再到如今的7000米载人潜水器,20多年来徐芑南参与了我国多种深海运载器研制的每一个重要阶段,见证了我国深海运载器从“浅蓝”迈向“深蓝”过程中走过的每一步坚实印记。

  在徐芑南看来,今天的成就并非偶然,这是中国深海运载器研制厚积薄发、长年累积的结果。从“浅蓝”迈向“深蓝”,这一跨越式发展的背后却凝聚着自上世纪80年代以来,在863计划的大力支持下,我国科技界和海洋界20多年来持之以恒的努力与坚持。

  第一章 深海放出“返回式卫星”

  作为拥有300多万平方公里海洋专属经济区的发展中国家,深海技术的发展对于我国维护海洋权益,开发海洋资源,建设海洋强国具有重要意义。早在上世纪七八十年代,我国已在深海运载器研制方面迈出了宝贵的探索步伐,其中多种水下机器人的研制被国外视为我国在深海成功放出“返回卫星”。

  2010年“蛟龙”号创造我国载人深潜新纪录,也引发了国人对我国海洋开发技术的极大关注。但也许很多人并不知道,早在上世纪七八十年代,我国一批具有战略眼光的科学家就开始研究水下机器人技术在海洋资源开发中的应用。

  在徐芑南眼中,中国科学院沈阳自动化所(以下简称中科院沈自所)原所长蒋新松院士就是其中的一名战略科学家。

  上世纪70年代末期,蒋新松前瞻性地考虑到海洋是一个广阔的应用领域,大胆地提出了水下机器人在海洋领域应用构想。1985年12月,在中科院的支援下,蒋新松任总设计师的中国第一台水下机器人“海人一号”样机首航成功。

  1986年3月,王大珩、王淦昌、杨嘉墀和陈芳允四位科学家向邓小平提出的“关于跟踪研究外国战略性高技术发展的建议”,得到了邓小平的重要批示。党中央、国务院果断决策,于1986年11月启动实施了高技术研究发展计划,简称863计划。

  在这不久,“水下机器人”就成为863计划自动化领域重点项目,从此奏响了我国深海运载器研发的序曲。

  中国工程院院士、中科院沈自所研究员封锡盛回忆说,1986年863计划实施之前,我国研制的都是有缆遥控水下机器人(ROV),工作深度仅为300米。在863计划精心组织下,蒋新松带领中科院沈自所于1994年成功研制“探索者”号无缆水下机器人(AUV)。它工作深度达到1000米,并且甩掉了与母船间联系的电缆,实现了从有缆向无缆的飞跃。

  封锡盛介绍说,在成功研制1000米水下机器人后,蒋新松又瞄准了当时国际上先进的6000米自治水下机器人技术。随后蒋新松领导的“CR-01”6000米自治水下机器人成为863计划机器人主题的重点项目。

  当年56岁的徐芑南被任命为“CR-01”水下机器人总设计师。1995年发生在南太平洋海域的一幕,至今仍然印刻在这位“CR-01”总设计师的脑海中。

  1995年8月,在烟波浩渺的太平洋,中国“大洋1号”考察船停泊在夏威夷以东1000海里的海面上,5000吨的考察船就像一片树叶似地,时而被海浪推上波峰,时而又抛到波谷。考察船上的人们忍受着摄氏40度的高温,站在摇晃的甲板上俯视着海面,正在焦急地等待着、寻找着什么。

  “看!上来了”,有人喊道。顺着手指的方向,一个貌似鱼雷的家伙浮出了水面,这正是考察船上的人们急切盼望的我国第一台6000米水下机器人“CR-01”,它刚完成水下考察作业返回海面。

  据徐芑南回忆,“CR-01”从1992年6月起开始研制,1995年成功研制出了样机,并赴太平洋进行了深海资源考察实验。随后,又进行了两年的工程化研究,并于1997年再赴太平洋进行了深海资源探测,获得了大量的深海资料。“更为重要的是,它的成功为我国争得了对多金属结核矿产资源丰富的7.5万平方公里海域优先开采权起了积极推进作用,给子孙后代留下了一笔宝贵的遗产。”

  尽管已经过去10多年,徐芑南仍对“CR-01”各项性能了如指掌。“它是一套能按预定航线航行的无人无缆水下机器人系统,可以在6000米水下进行摄像、拍照,并能自动记录各种检测数据及其相应的坐标位置,可用于海底地质地矿探测、水文测量、海底沉物探测定位。”

  “CR-01”的研制成功,使中国成为当时世界上少数几个拥有6000米级水下机器人的国家,它被国外视为 “中国在深海放出的第一颗海底返回卫星”。

  在徐芑南看来,“水下机器人和载人潜水器的关系,就像卫星和飞船的关系一样。有了卫星发射的经验,载人飞船才成为可能。”6000米水下机器人这个“海底返回卫星”,使我国在深海运载器研发方面积累了一定的经验,研制队伍也得到了锻炼,这些都为我国深海载人潜水器这个“海底飞船”研制奠定了坚实的基础。

  第二章 载人深潜技术跨越式发展

  深海载人潜水器是深海科考和资源勘探最基本的作业装备。人类利用它探索海洋已经走过了50年历程,技术发展经历了多次飞跃。因为载人潜水器研制有着极高的技术门坎,在一些发达国家为利用深海油气资源展开一轮轮“探海行动”时,许多国家只能“望洋兴叹”,而中国并不想做一名“旁观者”。

  深海技术的制高点

  深海载人潜水器体现一个国家的综合技术力量,是海洋技术开发的最前沿与制高点。人类利用深海载人潜水器探索海洋已经走过了50多年的历程,目前世界上只有美国、法国、俄罗斯、日本等国相继研制成功了5艘深海载人潜水器,这些潜水器到达范围遍及海洋的大陆坡、海山顶、火山口、洋脊以及6500米深的洋底,在地质、地球化学、地球物理和海洋生物等方面取得了大量的重要发现。

  20世纪末,随着在国际海底调查研究工作的深入,我国对载人深潜器应用需求越来越迫切。时任中国大洋矿产资源研究开发协会(以下简称中国大洋协会)项目处处长的刘峰,深感我国海洋装备的落后和载人潜水器的缺失。

  其实早在上世纪90年代,以中国工程院院士、702所原所长吴有生教授为代表的又一批战略科学家就提出了大深度载人潜水器的构想,但由于当时没有明确用户、技术面临巨大挑战等原因,立项申请一直未获批准。

  新世纪初,国际海底区域竞争形势日益激烈,刘峰认为,我国自主研制深海载人潜水器条件已经成熟。而在此时,载人潜水器已经被国家决策部门提上了议事日程。2001年1月,在中国大洋协会的组织下,国内科技界和海洋界的10位院士和15位教授级专家与国家发改委、财政部、科技部、外交部的有关领导汇集一堂,进行深入探讨,达成研发载人深潜器的共识。

  2002年4月国家海洋局向科技部报送了“关于启动7000米载人潜水器重大专项的请示”。2002年6月,科技部正式把“蛟龙”号载人潜水器列为863计划“十五”期间重大专项。

  载人潜水器的研发是一项复杂的系统工程,必须组织国内的优势力量联合攻关。根据863计划和科技部的要求,国家海洋局是该项目组织实施部门,中国大洋协会作为业主单位,负责组织702所、中科院沈自所、中科院声学所等单位开展载人潜水器本体研制,组织中船重工701所(以下简称701所)等单位开展水面支持系统研制和工作母船改造,组织702所和北海分局等单位进行潜航员的选拔培训等配套工作。

  至此,一场我国深海载人潜水器研制联合攻坚战正式打响。

  难啃的“技术骨头”

  2001年12月1日,刘峰对这个日子记忆犹新,那天北京下起了雪,从科技部回来的路上,交通瘫痪,但这丝毫不影响刘峰当时的好心情,因为他刚应聘成为863计划“7000米载人潜水器”项目总体技术专家组组长。

  由于以前参与了863计划水下自治机器人、海底采矿等项目,刘峰积累了一定的技术管理经验。担任“7000米载人潜水器”项目总体技术专家组组长,可以说没有悬念。“但‘蛟龙’号是我国深海载人技术从几百米到几千米的技术跨域,立项之初,到国外参观都困难,更何况了解掌握关键核心技术!现在要真枪实弹地做,确实很有压力。”刘峰深感重任在肩。

  和刘峰有同样感受的还有徐芑南。“载人潜水器本体研制需要攻克很多技术难点。”在他看来,耐压构件密封、控制、水声通信等都是潜水器研制过程中“一块块难啃的技术骨头”。

  众多技术难点中,如何保障潜航员的安全是徐芑南和项目组一直苦苦思索的疑难问题。

  其实,3700多米深的海底不适于人类生存。那里没有氧气,没有阳光,而且深度越深,压力越大。一般来说,深度每增加100米,压力就会增加10个大气压,因此深潜至海底3759米要承受376个大气压。在大洋深处,潜器载人舱内必须保持氧气、二氧化碳达到一定浓度,同时也要保持舱内拥有正常的舱压、温度、湿度。

  经过长时间的讨论和验证,研制团队最终在“蛟龙”号潜水器中设计装配了功能强大的生命支持系统和两套氧气供给系统,以保证3名潜航员头脑清醒、精力充沛,力求万无一失。

  控制系统相当于载人潜水器的“大脑和中枢神经”,其重要性不言而喻。在“蛟龙”号研制过程中,中科院沈自所王晓辉副总设计师带领团队采用先进的控制策略,有效克服潜水器本体、海洋环境等不确定性干扰,实现潜水器长距离航行时全自动航行控制功能。

  对此,自称“深海的哥”的首席潜航员叶聪颇有感触。“自动驾驶时,可以自动实现定高、定深、定速和定向航行,如果遇到障碍物,潜水器会发出警报。这些功能减轻了潜航员的劳动强度,我们会觉得很轻松。”

  除了“大脑”之外,载人潜水器也少不了“眼镜、嘴巴、耳朵”等器官。而由中科院声学所负责研制的声学系统就充当了这些器官功能。声学系统可为“蛟龙”号在深海潜航提供通信、定位、目标搜索和地形地貌观测等功能。

  “之前采用多波束调查,不能对海底细微地貌,比如1—2米变化形成高分辨率成像。”载人潜器副总设计师、中科院声学所研究员朱敏解释说,“‘蛟龙’号采用高分辨率测深侧扫声呐,可以对如岩浆流、裂缝、断崖等细微尺寸地貌进行精准探测,并形成高分辨的成像图片。这次我们在3759米海底就获得了等深线间隔为1米的精细三维海底地形图和地貌图。”

  “蛟龙”号研制团队啃掉一块块难啃的“技术骨头”,正是我国深海载人潜水器技术大攻关的一个缩影。正是在100多家研制单位齐心协力下,历经6年联合技术攻关,“蛟龙”号终于顺利问世。

  自主设计集成凸显创新能力

  在“蛟龙”号研制过程中,一个值得注意的现象是,由于研制初期受国内制造技术水准的限制,“蛟龙”号关键零部件仍需进口,如机械手、水下灯等设备引进自美国,成像设备来自日本,载人舱钛合金球壳则是委托俄罗斯制造。

  作为“蛟龙”号总设计师,徐芑南对这个敏感问题并不避讳。“我想这是一些人对‘蛟龙’号最大的质疑,有几成部件是中国自主制造的?”

  “深海载人潜水器装备部件生产非常专业化,美国、法国载人潜器研发团队都是请专业机构按照他们的设计方案定制零部件,然后再自行组装集成。”徐芑南认为,根据现阶段我国制造技术水平,采购一些国外设备并不妨碍中国载人深潜设计集成创新和掌握自主知识产权。他举例说:“‘蛟龙’号钛合金球壳虽然是俄罗斯制造,但它是按照我们的设计来加工的,因而知识产权也在我们自己手里。”

  事实上,“蛟龙”号从总体方案设计,到潜水器的初步设计和详细设计,到最后的总装联调和水池实验,都由我国工程技术人员独立完成。“蛟龙”号研制团队正是通过这次研发,向世界证明了中国已经掌握了深海载人潜水器自主设计、集成创新等核心能力。

  尽管如此,研制团队对关键部件生产国产化仍保持着清醒认识。“蛟龙”号第一副总设计师、702所副所长崔维成坦言,国外对中国限制工作深度超过1000米的关键部件出口。“因此从长远角度来说,载人潜水器核心部件还需我们进行自主研发和制造。”

  为此,从“十一五”开始,863计划海洋技术领域就支持载人潜水器关键部件生产国产化研究,目前我国在钛合金球设计制造、低密度深海浮力材料、深海电机、推进器等技术的消化吸收与再创新方面取得了长足进展。

  崔维成对记者表示,从部件数量比例而言,“蛟龙”号目前的国产化率已达到60%。“接下来的两三年,我们的目标是力争使达到90%以上国产化率。那时即使国外不再卖给我们任何部件,我们的‘蛟龙’号完全可以用国产部件替代。”

  崔维成认为,在863计划支持下,我国自主研发和制造深海运载器已进入良性循环。“我们最终目的并不仅仅在于制造出完全国产化的深海运载器,更大的意义在于带动一大批相关深海技术的国产化,打破国外垄断,促进海洋重大装备制造产业链的发展。”

  伟人邓小平当年为863计划题词“发展高科技,实现产业化”,已经指出了863计划的发展方向。在崔维成看来,7000米载人潜水器作为863计划支持下的重大海洋装备专项,正朝着这个远大目标一步步坚实迈进。

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