科普 | 海洋科技创新不断取得突破海底一万米有什么？

科技 2024-11-26 16:44 新疆

海洋科技创新不断取得突破海底一万米有什么？

图①：“奋斗者”号注水下潜。中国科学院深海科学与工程研究所供图

图②：大洋86航次任务期间，潜水器布放前，技术人员拆除“蛟龙”号限位销和潜水器系固。自然资源部国家深海基地管理中心供图

图③：执行中国第四十次南极考察任务的“雪龙2”号在阿蒙森海开展大洋考察作业。新华社发

前不久，我国自主设计建造的首艘大洋钻探船“梦想”号在广东广州正式入列。这标志着我国在深海进入、深海探测、深海开发上迈出了重要一步，是建设海洋强国、科技强国取得的又一重大成果。

　　逐梦深蓝，科技助力。我国海洋科技创新不断取得新突破，持续推进深海事业迈上新台阶。

　　深度不断拓展

　　从下潜600米到挺进万米深渊，一系列关键技术大显身手

　　“深海里有许多发光的浮游生物，它们仿佛是夜空中的流星，出现的时间虽然短暂，却五彩斑斓，令人叹为观止。”提起这段经历，蔡嘉慧难掩兴奋。

　　蔡嘉慧是新加坡国立大学的一名海洋科学家，从事多金属结核矿区大型底栖生物的生态研究。今年8月，她参加了我国自然资源部组织的2024年西太平洋国际航次科考任务，跟随“蛟龙”号载人潜水器潜入海底。

　　执行科考任务时，“蛟龙”号在海底随走随停，蔡嘉慧和中方潜航员默契配合，记录透过舷窗观察到的海底生物，并提出采样目标建议。“海底海山的生物多样性非常丰富，这次终于能在水下亲眼观察深海海绵群和珊瑚林，受到的震撼远超阅读文献或者观看纪录片。”蔡嘉慧说。

　　在2024年西太平洋国际航次科考中，我国首次面向全球开放“蛟龙”号载人潜水器，中外科学家一同下潜采样。作为我国自主设计、自主集成的首台7000米级大深度载人潜水器，“蛟龙”号自2009年首次下潜以来，已完成317次下潜，累计搭载900余人次下潜，为我国乃至全球深海探测提供了有力支撑。

　　2020年11月10日，由我国自主研制的全海深载人潜水器“奋斗者”号，完成万米级海试，首次探底马里亚纳海沟“挑战者深渊”，使我国成为世界上第二个实现万米载人深潜的国家。截至目前，“奋斗者”号累计下潜329次，其中万米下潜25次，万米深潜次数和人数均居世界首位，标志着我国在全海深载人深潜领域达到世界领先水平。

　　深海深渊，一度被认为是海洋科考的“禁区”。但越是漆黑、高压、低温和地质运动活跃的“深海荒漠”研究，越能成为海洋研究的前沿领域。曾任“蛟龙”号载人潜水器主任设计师、“奋斗者”号载人潜水器总设计师的叶聪感慨：“载人深潜让人更加体会到技术自主可控、自立自强的重要。中国人要把深海关键技术牢牢掌握在自己手中。”

　　潜入万米海底，要攻克的首道难关就是巨大的水压。

　　马里亚纳海沟1万米深处，水压接近1100个大气压，相当于2000头非洲象踩在一个人的背上。“奋斗者”号如何做到不惧高压极端环境，在万米海底自由行走？其关键就在于载人舱。

　　以往使用的材料都已不能达标，需要研制一种高强度、高韧性、可焊接的钛合金材料。中国科学院金属研究所研究员、全海深载人潜水器载人舱项目负责人杨锐说：“国际上没有制造先例，唯一的办法就是我们自己造。”

　　于是，中国科学院金属研究所团队经过调研论证、研究实验，攻克了载人舱材料、成型、焊接等一系列技术难关。“我们独创的新型钛合金材料成功满足了载人舱材料所需的强度、韧性和可焊性等要求。”杨锐说。

　　突破光纤缆控技术，采取抗低温设计、研制固体浮力材料……从下潜600米到挺进万米深渊，涉及材料科学、高精度制造、导航定位和数据传输等领域，我国科研人员取得的一系列技术突破，不仅推动我国深海探测能力迈上新台阶，也为深海科学研究、资源开发和国际合作奠定了坚实基础。

　　精度持续提升

　　分辨率、位置精度令人惊叹，深海探测日益精密化、智能化

　　科学基础设施建设是助推深海大洋探测的重中之重，考察站是开展极地科考的基础支撑平台。以我国今年新建成的南极秦岭站为例，其研制建造的精细程度令人惊叹。

　　“秦岭站建设采用装配式建设方式，所有建筑设施均在国内完成加工定制，现场只需按要求安装建筑模块。”中国第四十次南极考察队新站队队长王哲超说，这种精细制造，减少了大量现场加工量，显示出严酷环境中整体建筑高度集成、质量可靠、施工迅速、绿色环保的优势。

　　对设备配置、建设材料的要求同样精益求精。秦岭站采用轻质高强的建筑材料，能够抵御零下60摄氏度的超低温和海岸环境的强腐蚀，清洁能源占比也超过60%。

　　中国第四十次南极考察中，国产极地特种载具“雪豹”2驰骋冰雪，不惧严寒，尽显身手。

　　这种新型极地特种载具能行驶于南极内陆硬雪、软雪、海冰、坚冰与砂石路面等各类复杂地形，同时可以根据考察实时需求，改装为站区快速运输、陆空协同指挥、紧急医疗救援等模块化方舱，标志着我国南极考察向精密化、智能化转型发展。

　　数千米深的海水阻隔了电磁波的远距离传播，如何实现水下长距离通信与数据传输？

　　依靠水声通信技术，“蛟龙”号实现“千里传音”。十年磨一剑，科研人员研发了水声通信系统，通过优化信号调制和抗干扰算法，实现深海环境中稳定的数据传输，通信距离超过10公里。该系统使用自适应纠错技术，提高了数据传输精度，确保在复杂水文条件下信息传输的完整性。

　　深海一片漆黑，地形环境高度复杂，“奋斗者”号要避免“触礁”风险，控制系统的精准指挥尤其关键。为此，中国科学院沈阳自动化研究所的科研人员攻关技术难题，让“奋斗者”号的控制系统实现了基于数据与模型预测的在线智能故障诊断、基于在线控制分配的容错控制和海底自主避碰等功能。

　　中国科学院沈阳自动化研究所研究员、“奋斗者”号载人潜水器副总设计师赵洋说：“我们设计的神经网络优化算法，能够让‘奋斗者’号在海底自动匹配地形巡航、定点航行以及悬停定位。其中，水平面和垂直面航行控制性能指标，达到国际先进水平。”

　　挺进深海大洋，探测精度不断刷新。

　　聚焦极地海底地形和冰下海洋环境的高分辨率成像，误差已小于5厘米；通过多波束测深系统和侧扫声呐技术，实现高精度海底地形测绘，垂直分辨率达到10厘米，水平分辨率达到1米……

　　深海大洋的探测精度持续提升，离不开关键技术的有力支撑，得益于科研人员对高精度设备和算法的不懈追求。借助人工智能、高性能计算等更多新技术，深海科考有望实现更加精准的地形勘探、生物及矿物样品采集。

　　广度继续延伸

　　中外科学家携手，海洋科考国际“朋友圈”越来越大

　　南极罗斯海恩克斯堡岛海岸边，秦岭站巍然屹立。依托这座科考站，我国科学家将填补在太平洋扇区长期科学观测的空白，从而对南极长期观测网进行系统构建，更好地回答气候变化、冰雪和生态环境变化机理等前沿科学问题。

　　极地求索四十载，中国极地科考的脚步从南极边缘深入内陆，活动范围和科学考察领域持续拓展。

　　今年，“蛟龙”号实现首探大西洋，将我国载人深潜由“两洋一海”拓展到“三大洋”，未来还将拓展至极区。依托“奋斗者”号，我国深渊海沟科考已经从马里亚纳海沟扩展至全球多个深渊海沟。2022年10月到2023年3月，中国科学院深海科学与工程研究所组织国际首次环大洋洲载人深潜科考，“奋斗者”号搭乘“探索一号”母船，历时157天，完成了2.2万多海里的大洋洲探索之旅，采集了丰富的深渊宏生物、岩石、结核、沉积物和水体样品。

　　我国的深海大洋探测脚步越迈越深，“朋友圈”也越扩越大。不论是“蛟龙”探海、“雪龙”破冰，还是“奋斗者”遨游，中外科考团队都有许多珍贵动人的“携手”时刻。

　　9月6日，“蛟龙”号成功完成2024年西太平洋国际航次第十四潜，一名来自香港浸会大学的加拿大籍科学家参加了此次下潜。本航次共有8名外籍科学家和3名中国香港科学家搭乘“蛟龙”号下潜，下潜区域包括西太平洋6座海山和1个海盆。

　　航次联合首席科学家、香港浸会大学教授邱建文表示：“启航以来，大家共同采集和处理深海生物、底泥、海水等样品，共同制定下潜作业计划，分享下潜经历和感受，共同推动深海生物多样性国际合作。”

　　轰鸣声近，红白相间的“雪鹰601”固定翼飞机稳稳降落在南极中山站中山冰雪机场，标志着中国第四十次南极考察队圆满完成了一项重大极地国际合作——南极毛德皇后地和恩德比地冰盖边缘航空科学调查国际合作计划。该计划是南极研究科学委员会下“环”行动组发起的首个南极航空科学调查国际合作计划。

　　任务完成后，我国将同其他国家共享“雪鹰601”航空观测数据，并开展合作研究，为各国科学家研究南极冰盖快速变化和全球海平面上升提供宝贵资料。“环”行动组首席科学家、挪威极地研究所教授松冈健一给中国第四十次南极考察队专门发来邮件，感谢中方的重要贡献。

　　加强海洋科技创新，深化国际海洋合作，深海大洋探测事业将不断迈上新台阶。

来源：人民日报

编辑：胡江郎花制作：孙瑞雪

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