海洋科技創(chuàng)新不斷取得突破 海底一萬米有什么？

圖①：“奮斗者”號注水下潛。中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所供圖

圖②：大洋86航次任務(wù)期間，潛水器布放前，技術(shù)人員拆除“蛟龍”號限位銷和潛水器系固。自然資源部國家深?；毓芾碇行墓﹫D

圖③：執(zhí)行中國第四十次南極考察任務(wù)的“雪龍2”號在阿蒙森海開展大洋考察作業(yè)。新華社發(fā)

前不久，我國自主設(shè)計建造的首艘大洋鉆探船“夢想”號在廣東廣州正式入列。這標(biāo)志著我國在深海進入、深海探測、深海開發(fā)上邁出了重要一步，是建設(shè)海洋強國、科技強國取得的又一重大成果。

逐夢深藍，科技助力。我國海洋科技創(chuàng)新不斷取得新突破，持續(xù)推進深海事業(yè)邁上新臺階。

深度不斷拓展

從下潛600米到挺進萬米深淵，一系列關(guān)鍵技術(shù)大顯身手

“深海里有許多發(fā)光的浮游生物，它們仿佛是夜空中的流星，出現(xiàn)的時間雖然短暫，卻五彩斑斕，令人嘆為觀止?！碧崞疬@段經(jīng)歷，蔡嘉慧難掩興奮。

蔡嘉慧是新加坡國立大學(xué)的一名海洋科學(xué)家，從事多金屬結(jié)核礦區(qū)大型底棲生物的生態(tài)研究。今年8月，她參加了我國自然資源部組織的2024年西太平洋國際航次科考任務(wù)，跟隨“蛟龍”號載人潛水器潛入海底。

執(zhí)行科考任務(wù)時，“蛟龍”號在海底隨走隨停，蔡嘉慧和中方潛航員默契配合，記錄透過舷窗觀察到的海底生物，并提出采樣目標(biāo)建議?！昂５缀Ｉ降纳锒鄻有苑浅ＸS富，這次終于能在水下親眼觀察深海海綿群和珊瑚林，受到的震撼遠(yuǎn)超閱讀文獻或者觀看紀(jì)錄片。”蔡嘉慧說。

在2024年西太平洋國際航次科考中，我國首次面向全球開放“蛟龍”號載人潛水器，中外科學(xué)家一同下潛采樣。作為我國自主設(shè)計、自主集成的首臺7000米級大深度載人潛水器，“蛟龍”號自2009年首次下潛以來，已完成317次下潛，累計搭載900余人次下潛，為我國乃至全球深海探測提供了有力支撐。

2020年11月10日，由我國自主研制的全海深載人潛水器“奮斗者”號，完成萬米級海試，首次探底馬里亞納海溝“挑戰(zhàn)者深淵”，使我國成為世界上第二個實現(xiàn)萬米載人深潛的國家。截至目前，“奮斗者”號累計下潛329次，其中萬米下潛25次，萬米深潛次數(shù)和人數(shù)均居世界首位，標(biāo)志著我國在全海深載人深潛領(lǐng)域達到世界領(lǐng)先水平。

深海深淵，一度被認(rèn)為是海洋科考的“禁區(qū)”。但越是漆黑、高壓、低溫和地質(zhì)運動活躍的“深?；哪毖芯?，越能成為海洋研究的前沿領(lǐng)域。曾任“蛟龍”號載人潛水器主任設(shè)計師、“奮斗者”號載人潛水器總設(shè)計師的葉聰感慨：“載人深潛讓人更加體會到技術(shù)自主可控、自立自強的重要。中國人要把深海關(guān)鍵技術(shù)牢牢掌握在自己手中?！?/p>

潛入萬米海底，要攻克的首道難關(guān)就是巨大的水壓。

馬里亞納海溝1萬米深處，水壓接近1100個大氣壓，相當(dāng)于2000頭非洲象踩在一個人的背上?！皧^斗者”號如何做到不懼高壓極端環(huán)境，在萬米海底自由行走？其關(guān)鍵就在于載人艙。

以往使用的材料都已不能達標(biāo)，需要研制一種高強度、高韌性、可焊接的鈦合金材料。中國科學(xué)院金屬研究所研究員、全海深載人潛水器載人艙項目負(fù)責(zé)人楊銳說：“國際上沒有制造先例，唯一的辦法就是我們自己造?！?/p>

于是，中國科學(xué)院金屬研究所團隊經(jīng)過調(diào)研論證、研究實驗，攻克了載人艙材料、成型、焊接等一系列技術(shù)難關(guān)。“我們獨創(chuàng)的新型鈦合金材料成功滿足了載人艙材料所需的強度、韌性和可焊性等要求。”楊銳說。

突破光纖纜控技術(shù)，采取抗低溫設(shè)計、研制固體浮力材料……從下潛600米到挺進萬米深淵，涉及材料科學(xué)、高精度制造、導(dǎo)航定位和數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域，我國科研人員取得的一系列技術(shù)突破，不僅推動我國深海探測能力邁上新臺階，也為深?？茖W(xué)研究、資源開發(fā)和國際合作奠定了堅實基礎(chǔ)。

精度持續(xù)提升

分辨率、位置精度令人驚嘆，深海探測日益精密化、智能化

科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是助推深海大洋探測的重中之重，考察站是開展極地科考的基礎(chǔ)支撐平臺。以我國今年新建成的南極秦嶺站為例，其研制建造的精細(xì)程度令人驚嘆。

“秦嶺站建設(shè)采用裝配式建設(shè)方式，所有建筑設(shè)施均在國內(nèi)完成加工定制，現(xiàn)場只需按要求安裝建筑模塊。”中國第四十次南極考察隊新站隊隊長王哲超說，這種精細(xì)制造，減少了大量現(xiàn)場加工量，顯示出嚴(yán)酷環(huán)境中整體建筑高度集成、質(zhì)量可靠、施工迅速、綠色環(huán)保的優(yōu)勢。

對設(shè)備配置、建設(shè)材料的要求同樣精益求精。秦嶺站采用輕質(zhì)高強的建筑材料，能夠抵御零下60攝氏度的超低溫和海岸環(huán)境的強腐蝕，清潔能源占比也超過60%。

中國第四十次南極考察中，國產(chǎn)極地特種載具“雪豹”2馳騁冰雪，不懼嚴(yán)寒，盡顯身手。

這種新型極地特種載具能行駛于南極內(nèi)陸硬雪、軟雪、海冰、堅冰與砂石路面等各類復(fù)雜地形，同時可以根據(jù)考察實時需求，改裝為站區(qū)快速運輸、陸空協(xié)同指揮、緊急醫(yī)療救援等模塊化方艙，標(biāo)志著我國南極考察向精密化、智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展。

數(shù)千米深的海水阻隔了電磁波的遠(yuǎn)距離傳播，如何實現(xiàn)水下長距離通信與數(shù)據(jù)傳輸？

依靠水聲通信技術(shù)，“蛟龍”號實現(xiàn)“千里傳音”。十年磨一劍，科研人員研發(fā)了水聲通信系統(tǒng)，通過優(yōu)化信號調(diào)制和抗干擾算法，實現(xiàn)深海環(huán)境中穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，通信距離超過10公里。該系統(tǒng)使用自適應(yīng)糾錯技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)傳輸精度，確保在復(fù)雜水文條件下信息傳輸?shù)耐暾浴?/p>

深海一片漆黑，地形環(huán)境高度復(fù)雜，“奮斗者”號要避免“觸礁”風(fēng)險，控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)指揮尤其關(guān)鍵。為此，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所的科研人員攻關(guān)技術(shù)難題，讓“奮斗者”號的控制系統(tǒng)實現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)與模型預(yù)測的在線智能故障診斷、基于在線控制分配的容錯控制和海底自主避碰等功能。

中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研究員、“奮斗者”號載人潛水器副總設(shè)計師趙洋說：“我們設(shè)計的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法，能夠讓‘奮斗者’號在海底自動匹配地形巡航、定點航行以及懸停定位。其中，水平面和垂直面航行控制性能指標(biāo)，達到國際先進水平。”

挺進深海大洋，探測精度不斷刷新。

聚焦極地海底地形和冰下海洋環(huán)境的高分辨率成像，誤差已小于5厘米；通過多波束測深系統(tǒng)和側(cè)掃聲吶技術(shù)，實現(xiàn)高精度海底地形測繪，垂直分辨率達到10厘米，水平分辨率達到1米……

深海大洋的探測精度持續(xù)提升，離不開關(guān)鍵技術(shù)的有力支撐，得益于科研人員對高精度設(shè)備和算法的不懈追求。借助人工智能、高性能計算等更多新技術(shù)，深?？瓶加型麑崿F(xiàn)更加精準(zhǔn)的地形勘探、生物及礦物樣品采集。

廣度繼續(xù)延伸

中外科學(xué)家攜手，海洋科考國際“朋友圈”越來越大

南極羅斯海恩克斯堡島海岸邊，秦嶺站巍然屹立。依托這座科考站，我國科學(xué)家將填補在太平洋扇區(qū)長期科學(xué)觀測的空白，從而對南極長期觀測網(wǎng)進行系統(tǒng)構(gòu)建，更好地回答氣候變化、冰雪和生態(tài)環(huán)境變化機理等前沿科學(xué)問題。

極地求索四十載，中國極地科考的腳步從南極邊緣深入內(nèi)陸，活動范圍和科學(xué)考察領(lǐng)域持續(xù)拓展。

今年，“蛟龍”號實現(xiàn)首探大西洋，將我國載人深潛由“兩洋一?！蓖卣沟健叭笱蟆保磥磉€將拓展至極區(qū)。依托“奮斗者”號，我國深淵海溝科考已經(jīng)從馬里亞納海溝擴展至全球多個深淵海溝。2022年10月到2023年3月，中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所組織國際首次環(huán)大洋洲載人深潛科考，“奮斗者”號搭乘“探索一號”母船，歷時157天，完成了2.2萬多海里的大洋洲探索之旅，采集了豐富的深淵宏生物、巖石、結(jié)核、沉積物和水體樣品。

我國的深海大洋探測腳步越邁越深，“朋友圈”也越擴越大。不論是“蛟龍”探海、“雪龍”破冰，還是“奮斗者”遨游，中外科考團隊都有許多珍貴動人的“攜手”時刻。

9月6日，“蛟龍”號成功完成2024年西太平洋國際航次第十四潛，一名來自香港浸會大學(xué)的加拿大籍科學(xué)家參加了此次下潛。本航次共有8名外籍科學(xué)家和3名中國香港科學(xué)家搭乘“蛟龍”號下潛，下潛區(qū)域包括西太平洋6座海山和1個海盆。

航次聯(lián)合首席科學(xué)家、香港浸會大學(xué)教授邱建文表示：“啟航以來，大家共同采集和處理深海生物、底泥、海水等樣品，共同制定下潛作業(yè)計劃，分享下潛經(jīng)歷和感受，共同推動深海生物多樣性國際合作?！?/p>

轟鳴聲近，紅白相間的“雪鷹601”固定翼飛機穩(wěn)穩(wěn)降落在南極中山站中山冰雪機場，標(biāo)志著中國第四十次南極考察隊圓滿完成了一項重大極地國際合作——南極毛德皇后地和恩德比地冰蓋邊緣航空科學(xué)調(diào)查國際合作計劃。該計劃是南極研究科學(xué)委員會下“環(huán)”行動組發(fā)起的首個南極航空科學(xué)調(diào)查國際合作計劃。

任務(wù)完成后，我國將同其他國家共享“雪鷹601”航空觀測數(shù)據(jù)，并開展合作研究，為各國科學(xué)家研究南極冰蓋快速變化和全球海平面上升提供寶貴資料。“環(huán)”行動組首席科學(xué)家、挪威極地研究所教授松岡健一給中國第四十次南極考察隊專門發(fā)來郵件，感謝中方的重要貢獻。

加強海洋科技創(chuàng)新，深化國際海洋合作，深海大洋探測事業(yè)將不斷邁上新臺階。（劉詩瑤 吳月輝）