制圖/焦劍
朱敏在“蛟龍”號第一次海試的現場(chǎng)
“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?！?/p>
馬里亞納海溝，位于北太平洋西部，形成于6000萬(wàn)年之前。海溝深達萬(wàn)米，海底仿佛毫無(wú)生機，唯有黑暗、荒涼與寂靜……然而，這片深海的寂靜不久前被一個(gè)來(lái)自中國的“小家伙”打破了。
2020年11月10日8時(shí)12分，我國自主研發(fā)的載人潛水器“奮斗者”號以10909米，坐底世界最深處馬里亞納海溝，三位潛航員第一時(shí)間通過(guò)水聲通信系統分享了他們的心情。此時(shí)此刻，全世界的觀(guān)眾第一次通過(guò)電視直播聽(tīng)到了來(lái)自地球上這片最神秘的深海的聲音。
從萬(wàn)米深海之中將聲音即時(shí)分享給海面上的人們靠的是水聲通信。這也是“奮斗者”號與母船“探索一號”之間溝通的唯一橋梁。令人驕傲的是，“奮斗者”號水聲通信系統實(shí)現了完全國產(chǎn)化，這意味著(zhù)中國水聲通信技術(shù)已經(jīng)位于世界最先進(jìn)水平之列?！皧^斗者”號使用的水下聲學(xué)通信技術(shù)，是由朱敏研究員帶領(lǐng)的海洋聲學(xué)技術(shù)中心團隊研發(fā)的。從2012年的“蛟龍”號7000米海試成功，到2017年的“深海勇士”號完成4500米深潛，再到2020年的“奮斗者”號突破萬(wàn)米的創(chuàng )舉，“中國之聲”實(shí)現了從最深的海底傳來(lái)……
萬(wàn)米深海傳來(lái)“中國之聲”
“9998米、9999米、10000米、10909米！” 2020年11月10日，“奮斗者”號創(chuàng )造了我國載人深潛的新紀錄。此時(shí)，在海面的母船“探索一號”上，參與海試的科研人員望著(zhù)屏幕上滾動(dòng)的數字，情緒一點(diǎn)點(diǎn)地沸騰……當10000米的數字跳躍在屏幕之上，周?chē)恼坡曇呀?jīng)響成一片。
“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，三位潛航員第一時(shí)間通過(guò)水聲通信系統從馬里亞納海溝的萬(wàn)米深海傳回了“中國之聲”。此時(shí)此刻，遠在萬(wàn)里之外的北京中國科學(xué)院聲學(xué)研究所的辦公室內，有一個(gè)人正通過(guò)電視屏幕，默默地關(guān)注著(zhù)這一切，露出掩飾不住的微笑，心頭既感到欣喜，又有一絲自豪，同時(shí)還有一份成功之后的釋然……他，就是中科院聲學(xué)所研究員朱敏。正是他帶領(lǐng)團隊負責完成了“奮斗者”號聲學(xué)系統中全海深水聲通信機、地形地貌探測聲吶、多波束前視聲吶、多普勒測速儀、避碰聲吶的自主研發(fā)以及定位聲吶和慣性導航設備的系統集成，實(shí)現了從萬(wàn)米海底傳聲傳影。相較于前兩代的“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，突破了全海深難關(guān)，技術(shù)指標也更高。
在茫茫深海，“奮斗者”號深潛，如同一粒芝麻撒進(jìn)了大海，如何確定它的位置？此時(shí)，“聲音”成了最有效的信息傳遞方式?？梢哉f(shuō)，水聲通信技術(shù)是載人深潛器與母船之間溝通的唯一紐帶。朱敏告訴記者，水聲通信可用的工作頻率導致其數據率比較低，能夠傳輸的信息量比較少。如何能在低頻率下，盡可能多和盡可能快地傳播信息？朱敏團隊運用了一個(gè)關(guān)鍵的核心技術(shù)——相干通信技術(shù)，包括一整套從信號編碼調制到信道自適應均衡和糾錯編解碼等技術(shù)構成的整體解決方案，來(lái)克服遠距離傳輸帶來(lái)的信號損耗，在信號微弱的情況下提取出有效信息。
“考慮到載人潛水器的應用，我們在通信系統中設計了六大功能?！敝烀舾嬖V記者，在設計之初，這套系統就充分考慮到載人潛水器的各方面需求，比如潛水器與水面通話(huà)的語(yǔ)音功能、數據和文字傳輸功能?？紤]到“一張圖能頂千言萬(wàn)語(yǔ)”，為了讓人們詳細了解水下環(huán)境，朱敏和團隊還在系統里設計了照片傳輸功能。同時(shí)，為了應對水底可能出現的復雜情況，這套系統還包括了一套摩爾斯碼和擴頻碼，可在極其惡劣的噪聲干擾下保證指令的傳達。
從7000米到10000米的飛躍
百丈高樓，非一日壘成?！皧^斗者”號水聲通信技術(shù)驕人的成績(jì)，是經(jīng)過(guò)20年的科研積累，最終實(shí)現的一次飛躍。
在朱敏的辦公桌上，擺放著(zhù)一組模型，從上往下依次是“深海勇士”號、“蛟龍”號和“奮斗者”號，這代表著(zhù)中國載人深潛發(fā)展的三個(gè)階段。
中國深海水聲通信的發(fā)展，也同樣經(jīng)歷了“三步走”：2012年，“蛟龍”號深潛至海底7000米，當時(shí)水聲通信以國內的“硬核”技術(shù)作為支撐，輔之以很少一部分的國外設備和零件；2017年的“深海勇士”號除了一個(gè)聲吶外，從零件到技術(shù)已基本實(shí)現了國產(chǎn)化；及至2020年的“奮斗者”號，所有技術(shù)和零部件徹底實(shí)現了國產(chǎn)化。
“如果當年的‘蛟龍’號沒(méi)有成功，就沒(méi)有后面的‘深海勇士’號和‘奮斗者’號?！敝烀魧ⅰ皧^斗者”號的成功歸結為“蛟龍”號打下的堅實(shí)基礎?！膀札垺碧柕摹?span lang="en-US">7000米載人潛水器聲學(xué)系統”是朱敏獨立承擔的第一個(gè)項目，最令他難以忘懷。因為那是一次“從無(wú)到有”的經(jīng)歷，也是任務(wù)最困難、科研周期最長(cháng)的一個(gè)階段——
2002年，一個(gè)和朱敏科研生涯相關(guān)的決定悄然落地。那一年，科技部將深海載人潛水器研制列為國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）重大專(zhuān)項，啟動(dòng)“蛟龍”號載人深潛器的自行設計、自主集成研制工作。憑借一直以來(lái)優(yōu)異的表現，年僅32歲的朱敏從2003年開(kāi)始擔任國家“十五”863重大專(zhuān)項“7000米載人潛水器”的副總設計師、聲學(xué)系統負責人，主要負責載人潛水器聲學(xué)系統的總體設計。
接手這個(gè)工作，朱敏深感責任重大。在陸地上，通信依靠電磁波可達光速。但電磁波只能深入海水幾十米，在幾千米的深海完全沒(méi)有用武之地。只有聲波，在海水中可以傳播很遠，水聲通信技術(shù)因此應運而生。水聲通信，這是一項在水下收發(fā)信息的技術(shù)，它的工作原理是先將文字、語(yǔ)音、圖像等信息經(jīng)過(guò)編碼、調制處理后，由功率放大器推動(dòng)聲學(xué)換能器將電信號轉換為聲信號。聲信號通過(guò)水這一介質(zhì)，將信息傳遞到遠方的接收換能器后，聲信號又轉換為電信號，經(jīng)過(guò)放大、濾波和數字化后，數字信號處理器對信號進(jìn)行自適應均衡、糾錯等處理，還原成聲音、文字及圖片。依靠水聲通信技術(shù)，可以實(shí)現對水下機器人的遠程控制，還可在載人潛水器和母船之間實(shí)現無(wú)纜語(yǔ)音通話(huà)和數據傳輸，并進(jìn)行海洋監測。
由于水聲通信技術(shù)的敏感性以及巨大的應用價(jià)值，國外長(cháng)期將之列為禁止出口中國的高技術(shù)產(chǎn)品。上世紀90年代初，有一次我國863計劃訪(fǎng)問(wèn)團在法國考察，當中國專(zhuān)家談起水聲通信技術(shù)時(shí)，法國人連連搖頭說(shuō)：“關(guān)于水聲通信技術(shù)，一切免談！”
阻礙也是奮起的動(dòng)力。當時(shí)，國外水聲通信領(lǐng)域的主流技術(shù)是水聲電話(huà)，我國的科研人員完全可以選擇這個(gè)領(lǐng)域攻堅。但是，為了能在完成研發(fā)后仍保持在國際上的先進(jìn)性，朱敏在導師朱維慶的帶領(lǐng)下，選擇了研發(fā)當時(shí)具有較好技術(shù)基礎但還不成熟的高速數字水聲通信技術(shù)方案。這是一個(gè)“冒險”的決定，因為當時(shí)這個(gè)技術(shù)在國際上還處于實(shí)驗室階段，相當不成熟。為了這個(gè)決定，朱敏和團隊開(kāi)始走上了一條艱苦卓絕的科研之路。
如何在復雜的海水環(huán)境中有效提取信號？“蛟龍”號潛入深海數千米，如何與母船保持聯(lián)系？在對比國外相關(guān)技術(shù)，同時(shí)考慮“蛟龍”號實(shí)際需求的基礎上，朱敏帶領(lǐng)的聲學(xué)所團隊日夜奮戰在實(shí)驗室里，花了兩年多時(shí)間突破了關(guān)鍵核心技術(shù)，自主研發(fā)水聲通信系統的核心設備——水聲通信機，并制定出了通信機的具體技術(shù)方案，即采用了相干水聲通信、非相干水聲通信、擴頻水聲通信、水聲電話(huà)四種通信技術(shù)手段，使之能夠在不同的水聲環(huán)境下實(shí)現圖像、文字、指令等數據的即時(shí)傳輸。朱敏形象地比喻，這是將水下通信功能由“水下電話(huà)”升級成了“水下QQ”。
直到現在，這套“冒著(zhù)風(fēng)險”研發(fā)的技術(shù)，相比國外的水聲通信技術(shù)，仍足足領(lǐng)先了一代。先進(jìn)的水聲通信和海底微地形地貌探測能力，也成了“蛟龍”號載人潛水器的標志性成果之一。
4次海試最終“化繭成蝶”
檢驗科研成果最好的方式就是實(shí)踐。從2009年到2012年，“蛟龍”號做了4次海試。
萬(wàn)事開(kāi)頭難。2009年“蛟龍”號1000米海試時(shí)，這支由朱敏負責的聲學(xué)系統團隊都是70后、80后的“娃娃兵”，接觸潛水器的時(shí)間短，海試經(jīng)驗少，集中暴露出了很多問(wèn)題。朱敏告訴記者，當時(shí)的聲學(xué)系統在設計時(shí)，沒(méi)有充分考慮到船舶本身的噪聲問(wèn)題，再加上試驗正值臺風(fēng)多發(fā)季節，試驗期間遇到了4次臺風(fēng)、4個(gè)熱帶風(fēng)暴，在如此惡劣的海況中，船體噪聲很大，50米海區的海洋背景噪聲也很大，母船與潛水器的通信就如同“兩個(gè)人隔著(zhù)大馬路，在穿梭往來(lái)的汽車(chē)噪聲中說(shuō)話(huà)，結果誰(shuí)也聽(tīng)不見(jiàn)?！边@個(gè)措手不及的問(wèn)題，“一棒子把所有人都打蒙了”。
如何把船的噪聲抑制掉？如何讓水聲通信成為“蛟龍”號這個(gè)水底的“孩子”與“母親”傳輸的紐帶？這關(guān)系到試驗的成敗。船上百余名科研工作者將希望全寄托在了朱敏帶領(lǐng)的團隊身上。一名參加過(guò)1000米海試的隊員回憶，每天的指揮部會(huì )議上，朱敏都被催問(wèn)，怎么還沒(méi)好，什么時(shí)候能好？朱敏本來(lái)說(shuō)話(huà)聲音就不大，一次次被催問(wèn)，急得聲音都堵在了嗓子眼，幾乎沒(méi)人聽(tīng)得清。
而就在這個(gè)緊要關(guān)頭，朱敏的愛(ài)人提前進(jìn)行剖腹產(chǎn)。趁“向陽(yáng)紅09”船靠港補給時(shí)，朱敏急忙趕到醫院，因為早產(chǎn)，孩子被放在保溫箱里，他在醫院只陪了愛(ài)人一個(gè)晚上，第二天匆匆又返回了海試現場(chǎng)。
再難也要堅持下去！背負著(zhù)重重壓力，朱敏沉下心仔細分析了整個(gè)系統，最后發(fā)現是因為主船的噪音太大，導致他們的設計系統無(wú)法正常運行。查找原因、修改軟件、重新編程……一連十幾天，朱敏帶領(lǐng)團隊成員幾乎每天都奮戰到深夜。經(jīng)過(guò)反復試驗，問(wèn)題終于得以解決，所有人長(cháng)舒了一口氣。
2012年6月27日，中國載人深潛器“蛟龍”號7000米級海試最大下潛深度達7062米，再創(chuàng )中國載人深潛紀錄。而在這背后，朱敏的心其實(shí)一直是懸著(zhù)的。每次下潛，當潛水器布放階段結束，其他海試隊員紛紛離開(kāi)時(shí)，朱敏和團隊成員卻會(huì )默默地留下來(lái)，布放聲學(xué)通信吊陣。聲學(xué)通信吊陣由4個(gè)換能器組成的換能器陣和電子吊艙兩部分組成，由一根長(cháng)電纜拖曳在母船身后，建立起“蛟龍”號與母船溝通的橋梁。此時(shí)，他們并不知道這些經(jīng)驗會(huì )在日后派上大用場(chǎng)。2012年6月15日，當“蛟龍”號在下潛試驗中達到6200米左右深度時(shí)，聲學(xué)數字通信系統意外中斷了。朱敏當機立斷，馬上對聲學(xué)吊陣進(jìn)行回收和檢查，發(fā)現是由于拖曳電纜破損進(jìn)水導致的短路。他們立刻將進(jìn)水的那段電纜截斷并重新加工了承重水密連接頭，并對接頭進(jìn)行了相應處理，經(jīng)過(guò)十幾個(gè)小時(shí)的持續工作，“蛟龍”號再次“生龍活虎”起來(lái)。
從一開(kāi)始的手忙腳亂，到現在沉著(zhù)冷靜地處理各種突發(fā)狀況，朱敏和他的團隊逐漸成長(cháng)，而經(jīng)過(guò)了歷次大深度海試的考驗，這套自主研發(fā)的水聲通信系統也越來(lái)越穩定。
身為一名科研工作者，全身心投入工作在朱敏看來(lái)義不容辭。對于陪伴家人的時(shí)間太少，朱敏雖心有愧疚，卻無(wú)怨無(wú)悔。談起在孩子出生時(shí)，因為忙于海試沒(méi)有在孩子身邊這件事情，朱敏連連擺手說(shuō)，這不算什么，這種情況對海洋科學(xué)工作者來(lái)說(shuō)再平常不過(guò)了。事實(shí)上，在他的團隊里，許多科研工作者的孩子都是伴隨著(zhù)“蛟龍”號的海試出生的，這些寶寶也被團隊成員們稱(chēng)為“7000米寶寶”。
“目前正在完成‘奮斗者’號的海試報告，然后還有下一階段的任務(wù)?！敝烀舾嬖V記者，深海蘊含無(wú)限的奧秘，等待人們去探索、去發(fā)現，這也是科研工作者最大的動(dòng)力。一切成績(jì)只屬于過(guò)去，前路漫漫，任重道遠。
作者：傅洋
來(lái)源：《北京日報》 (2021-02-18 第16版京韻周刊·領(lǐng)創(chuàng ))
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