“奮斗者”號水池試驗（中國科學(xué)院聲學(xué)研究所供圖）

　　開(kāi)欄語(yǔ)

　　10909米！“奮斗者”號創(chuàng )造了中國載人深潛新紀錄，也使我國成為世界上第二個(gè)實(shí)現萬(wàn)米載人深潛的國家。實(shí)際上，“奮斗者”號這個(gè)國之重器全身上下都是打破紀錄的關(guān)鍵核心技術(shù)。這些技術(shù)背后有著(zhù)怎樣的科研故事？本報今起開(kāi)設“萬(wàn)米載人深潛的背后”專(zhuān)欄，走進(jìn)“奮斗者”號研制團隊，講述他們矢志創(chuàng )新的故事。

　　“親愛(ài)的觀(guān)眾們，萬(wàn)米的海底妙不可言，希望我們能夠通過(guò)‘奮斗者’的畫(huà)面向大家展示萬(wàn)米的海底?！?span lang="en-US">2020年11月10日8時(shí)12分，“奮斗者”號成功坐底世界最深處馬里亞納海溝，3位潛航員第一時(shí)間通過(guò)水聲通信系統向全國觀(guān)眾直播了他們所看到的萬(wàn)米海底世界。

　　相較于“蛟龍”號與“深海勇士”號載人潛水器，“奮斗者”號的聲學(xué)系統實(shí)現了完全國產(chǎn)化，突破全海深難關(guān)。借助組合導航系統和聲吶設備，潛航員僅用半小時(shí)便成功取回布放在萬(wàn)米海底的3個(gè)水下取樣器，實(shí)現了“海底撈針”。

　　“突破萬(wàn)米不僅僅是4位數到5位數的突破，而且證明我們有能力挑戰深淵，中國具備對全球最深的海洋進(jìn)行探索和科考的能力?！敝袊茖W(xué)院聲學(xué)研究所高級工程師、“奮斗者”號聲學(xué)系統主任設計師劉燁瑤說(shuō)。

　　水聲通信厲害在哪兒

　　2020年10月27日五點(diǎn)半，西太平洋上日出不久，“探索一號”上的船員和科研人員已開(kāi)始了例行的檢查、布防等工作。按照計劃，“奮斗者”號全海深載人潛水器將第一次下潛至馬里亞納海溝萬(wàn)米深處進(jìn)行科考取樣，大家期盼已久。

　　經(jīng)過(guò)4年的研制以及千百次的湖試、海試，劉燁瑤對“奮斗者”號充滿(mǎn)信心?！拔覀儓F隊一路從‘蛟龍’號和‘深海勇士’號走過(guò)來(lái)，積累了豐富的下潛經(jīng)驗，對設備性能也非常熟悉，下潛即將突破萬(wàn)米，心情有些激動(dòng)但并不緊張?！?/p>

　　經(jīng)過(guò)三四個(gè)小時(shí)的下潛，“奮斗者”號終于來(lái)到了萬(wàn)米海底，水聲通信是它與母船“探索一號”之間溝通的唯一橋梁，借此潛航員可將潛水器運行狀態(tài)、海底礦石生物情況等通過(guò)文字、語(yǔ)音或圖像實(shí)時(shí)傳輸至水面。劉燁瑤的首要任務(wù)便是保證聲學(xué)系統的平穩運行，同時(shí)盡可能多地觀(guān)察采樣。

　　從水下4500米、7000米到10000多米，距離更長(cháng)，對通信水平的要求自然更高?！熬拖窬嚯x較遠的兩個(gè)人說(shuō)話(huà)，想要聽(tīng)清楚，首先講話(huà)人要提高音量，同時(shí)聽(tīng)者也要豎起耳朵或用手幫助收音，這分別對應著(zhù)信源級和信號處理，我們通過(guò)波束形成、波束跟蹤等方法，保證通信質(zhì)量?！敝袊茖W(xué)院聲學(xué)研究所助理研究員郭衛振說(shuō)。

　　除通信外，水下定位也要靠聲學(xué)系統來(lái)實(shí)現。由于海水對電磁波的衰減作用，通常使用的北斗、GPS等導航定位系統在水下統統失效。在“奮斗者”號中，研制團隊創(chuàng )造性地采用了由聲學(xué)多普勒測速儀、超短基線(xiàn)定位系統、慣性導航等多種設備集成的組合導航系統。

　　郭衛振介紹，聲學(xué)多普勒測速儀可以測量潛水器在各個(gè)方向的運動(dòng)速度；超短基線(xiàn)定位系統利用聲波的時(shí)延差、相位差等信息來(lái)為潛水器導航和測距；慣性導航通過(guò)測量潛水器在慣性參考系的加速度，結合時(shí)間信息，得到導航坐標系中的速度、偏航角和位置等信息。

　　“這3種設備各有優(yōu)缺點(diǎn)，并存在不同程度的誤差，我們將三者組合起來(lái)，使其相互校準?！彼f(shuō)。

　　幾百個(gè)日夜的堅守

　　2020年3月初，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所“奮斗者”號研制團隊召開(kāi)緊急會(huì )議，6名研究人員先后被派往無(wú)錫進(jìn)行水試?！俺跗诠ぷ餍屎艿?，因疫情隔離無(wú)法到現場(chǎng)，只能根據每天的進(jìn)展日報推測、排查設備問(wèn)題?！敝袊茖W(xué)院聲學(xué)研究所工程師廖佳偉說(shuō)。

　　一次，潛水器上用于感知環(huán)境障礙的高度計突然死機，他們將能想到的問(wèn)題都列了出來(lái)，芯片過(guò)熱、設備本身故障、線(xiàn)路中斷、漏水等，挨個(gè)排查。

　　“為了不耽誤白天的試驗進(jìn)度，我們只能趁著(zhù)間隙或晚上進(jìn)行檢查。由于潛水器完全密封，所有的儀器設備都在它的‘肚子’里，需要拆卸外殼及浮力材料，取出相應的儀器?！绷渭褌ケ硎?，“奮斗者”號不可能因為某一部分問(wèn)題耽誤整體試驗進(jìn)度，因此，經(jīng)常還沒(méi)來(lái)得及摸清狀況就要重新裝回儀器，而要完全解除故障，往往需要來(lái)回拆卸。

　　對“奮斗者”號來(lái)說(shuō)，通信效果是科研人員最在意的，也最需要在真實(shí)水域、海域中摸索出最佳狀態(tài)。水試過(guò)程中，有段時(shí)間通信效果一直不佳，大家都很疑惑：原本的設計是用于萬(wàn)米通信的，現在水試深度才二三十米，效果怎么會(huì )不理想呢？

　　經(jīng)過(guò)反復的分析模擬，研究人員發(fā)現，可能是發(fā)射幅度增加產(chǎn)生的回聲干擾了正常通信?！扒∏∈且驗榫嚯x較近，回聲反射得很快，多次疊加使信號接收效果受到影響。這要求我們減小發(fā)射幅度?！惫l振說(shuō)，矛盾的是，對聲學(xué)系統的考核要求必須測試大幅度下的通信效果，只能不斷摸索兩者間的平衡點(diǎn)。

　　“大半年的時(shí)間里，每天都是在尋找問(wèn)題、排查問(wèn)題、摸索試驗技巧中度過(guò)，都是為了一個(gè)目標——萬(wàn)米深潛順利進(jìn)行?！彼f(shuō)。

　　來(lái)自“家里”的全力支持

　　不論是劉燁瑤、郭衛振、廖佳偉，還是其他成員，都愛(ài)把中國科學(xué)院聲學(xué)研究所實(shí)驗室稱(chēng)為“家里”，他們在外進(jìn)行湖試、海試，遇到難以解決的問(wèn)題，第一反應便是聯(lián)系“家里”?！拔覀儏⑴c海試的只有6個(gè)人，可整個(gè)聲學(xué)系統研制卻是聲學(xué)團隊多年來(lái)辛苦鉆研的成果，離不開(kāi)‘家里’的支持?！眲瞵幷f(shuō)。

　　就在2020年10月出海前夕，已行至三亞的“奮斗者”號的組合導航系統標定出現了問(wèn)題，現場(chǎng)沒(méi)有相關(guān)儀器的研制專(zhuān)家，且三亞也不具備標定試驗條件。

　　“聯(lián)系‘家里’，初步排查問(wèn)題后，決定將100多公斤的儀器寄到杭州千島湖，我和北京的團隊成員汪偉分別趕赴杭州，進(jìn)行調試試驗?！绷渭褌フf(shuō)，“問(wèn)題必須在出海前解決，來(lái)回郵寄就需要五六天，留給調試的時(shí)間也就一兩天，好在他非常熟悉多普勒測速儀，趕在時(shí)間節點(diǎn)前完成了調試?！?/p>

　　“一旦出現問(wèn)題，就要集合所有人的智慧連夜排查。必須保證出海試驗的順利進(jìn)行，這是對我們的要求，更是科研人員必須背負的使命?！绷渭褌ジ嬖V《中國科學(xué)報》。

　　受疫情影響，往常周末空閑的回京探親無(wú)法實(shí)現，在當地的活動(dòng)半徑也縮小到了試驗基地，正因如此，大家建立起了深厚的感情?！拔覀兙拖駪鹩岩粯用刻齑谝黄?，有了困難和問(wèn)題共同承擔，為了最終的目標不斷努力?！惫l振說(shuō)。

　　單調的生活中，他們也在給自己尋找樂(lè )趣。郭衛振回憶，當潛水器浮上海面之后，比賽快速找到潛水器是大家最喜歡做的事?！皾撍髟诤Ｃ嫔掀≈?zhù)，里面的潛航員會(huì )非常難受，我們越快找到，他們就能越快出艙?！?/p>

　　收工的時(shí)候往往是在傍晚，遠離城市和人群的海上，景色非常美麗，還會(huì )有大片的火燒云。大家都在甲板上拍照，劉燁瑤也不例外。他說(shuō)，尤其是在萬(wàn)米深潛順利結束后，沉浸在碧海藍天中，“我發(fā)自?xún)刃牡馗械礁吲d”。

　　作者：劉如楠

　　來(lái)源：《中國科學(xué)報》 (2021-01-11 第1版要聞)

　　報道鏈接：

　　http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2021/1/360020.shtm?id=360020