萬(wàn)米之下的“奮斗者”

劉如楠

“親愛(ài)的觀眾們，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?！?020年11月10日8時(shí)12分，“奮斗者”號(hào)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(tǒng)向全國(guó)觀眾直播了他們所看到的萬(wàn)米海底世界?！巴黄迫f(wàn)米證明我國(guó)具備對(duì)全球最深的海洋進(jìn)行探索和科考的能力?！敝袊?guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所高級(jí)工程師、“奮斗者”號(hào)聲學(xué)系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師劉燁瑤說(shuō)。2021年5月3日，第25屆“中國(guó)青年五四獎(jiǎng)?wù)隆痹u(píng)選結(jié)果揭曉，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所“奮斗者”號(hào)全海深載人潛水器聲學(xué)團(tuán)隊(duì)和劉燁瑤雙雙獲得“中國(guó)青年五四獎(jiǎng)?wù)隆薄?h3>水聲通信厲害在哪兒

2020年10月27日凌晨，行駛在西太平洋海域的“探索一號(hào)”上一片忙碌的景象。按照計(jì)劃，“奮斗者”號(hào)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(duì)“奮斗者”號(hào)充滿信心，“我們團(tuán)隊(duì)一路從‘蛟龍?zhí)柡汀詈Ｓ率刻?hào)走過(guò)來(lái)，積累了豐富的下潛經(jīng)驗(yàn)，對(duì)設(shè)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”。

經(jīng)過(guò)三四個(gè)小時(shí)的下潛，“奮斗者”號(hào)終于來(lái)到了萬(wàn)米海底。此時(shí)，水聲通信是它與母船“探索一號(hào)”溝通的唯一橋梁，借此潛航員可將潛水器運(yùn)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(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，同時(shí)盡可能多地觀察采樣。

從水下4500米、7000米到10000多米，距離更長(zhǎng)，對(duì)通信的要求自然更高?！熬拖窬嚯x較遠(yuǎn)的兩個(gè)人說(shuō)話，想要聽(tīng)清楚，首先講話人要提高音量，同時(shí)聽(tīng)者也要豎起耳朵或用手幫助收音，這分別對(duì)應(yīng)著信源級(jí)和信號(hào)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?guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所助理研究員郭衛(wèi)振說(shuō)。

除通信外，水下定位也要靠聲學(xué)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于海水對(duì)電磁波的衰減作用，通常使用的北斗、GPS等導(dǎo)航定位系統(tǒng)在水下統(tǒng)統(tǒng)失效。在“奮斗者”號(hào)中，研制團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地采用了由聲學(xué)多普勒測(cè)速儀、超短基線定位系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航等多種設(shè)備集成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

郭衛(wèi)振介紹，聲學(xué)多普勒測(cè)速儀可以測(cè)量潛水器在各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)速度;超短基線定位系統(tǒng)利用聲波的時(shí)延差、相位差等信息來(lái)為潛水器導(dǎo)航和測(cè)距;慣性導(dǎo)航通過(guò)測(cè)量潛水器在慣性參考系的加速度，結(jié)合時(shí)間信息，得到導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置等信息。

“這3種設(shè)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(zhǔn)?！彼f(shuō)。

相較于“蛟龍”號(hào)與“深海勇士”號(hào)載人潛水器，“奮斗者”號(hào)的聲學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了完全國(guó)產(chǎn)化，突破全海深難關(guān)。借助組合導(dǎo)航系統(tǒng)和聲吶設(shè)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(xiàn)了“海底撈針”。

幾百個(gè)日夜的堅(jiān)守

2020年3月初，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所“奮斗者”號(hào)研制團(tuán)隊(duì)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(xiàn)場(chǎng)，只能根據(jù)每天的進(jìn)展日?qǐng)?bào)推測(cè)、排查設(shè)備問(wèn)題?！敝袊?guó)科學(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(jì)突然死機(jī)，他們將能想到的問(wèn)題都列了出來(lái)，芯片過(guò)熱、設(shè)備本身故障、線路中斷、漏水等，挨個(gè)排查。

“為了不耽誤白天的試驗(yàn)進(jìn)度，我們只能趁著間隙或晚上進(jìn)行檢查。由于潛水器完全密封，所有的儀器設(shè)備都在它的‘肚子里，需要拆卸外殼及浮力材料，取出相應(yīng)的儀器。”廖佳偉表示，“奮斗者”號(hào)不可能因?yàn)槟骋徊糠謫?wèn)題耽誤整體試驗(yàn)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(duì)“奮斗者”號(hào)來(lái)說(shuō)，通信效果是科研人員最在意的，也是最需要不斷在真實(shí)水域、海域中摸索的。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(shè)計(jì)是用于萬(wàn)米通信的，現(xiàn)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(fù)的分析模擬，研究人員發(fā)現(xiàn)，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?yàn)榫嚯x較近，回聲反射得很快，多次疊加使信號(hào)接收效果受到影響。這要求我們減小發(fā)射幅度?！惫l(wèi)振說(shuō)，矛盾的是，對(duì)聲學(xué)系統(tǒng)的考核要求必須測(cè)試大幅度下的通信效果，研究人員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(yàn)技巧中度過(guò)，都是為了一個(gè)目標(biāo)—萬(wàn)米深潛順利進(jìn)行?！惫l(wèi)振說(shuō)。

來(lái)自“家里”的全力支持

不論是劉燁瑤、郭衛(wèi)振、廖佳偉，還是其他成員，都愛(ài)把中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所實(shí)驗(yàn)室稱為“家里”，他們?cè)谕膺M(jìn)行湖試、海試，遇到難以解決的問(wèn)題，第一反應(yīng)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(tǒng)研制卻是聲學(xué)團(tuán)隊(duì)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)。

劉燁瑤（右二）與海試團(tuán)隊(duì)成員合影。

就在2020年10月出海前夕，已行至三亞的“奮斗者”號(hào)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)標(biāo)定出現(xiàn)了問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有相關(guān)儀器的研制專家，且三亞也不具備標(biāo)定試驗(yàn)條件?！奥?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(tuán)隊(duì)成員汪偉分別趕赴杭州，進(jìn)行調(diào)試試驗(yàn)?！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(diào)試的時(shí)間也就一兩天，好在他非常熟悉多普勒測(cè)速儀，趕在時(shí)間節(jié)點(diǎn)前完成了調(diào)試?！?/p>

“一旦出現(xiàn)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(yàn)的順利進(jìn)行，這是對(duì)我們的要求，更是科研人員必須背負(fù)的使命?！绷渭褌フf(shuō)。

受疫情影響，往常周末空閑的回京探親無(wú)法實(shí)現(xiàn)，在當(dāng)?shù)氐幕顒?dòng)半徑也縮小到了試驗(yàn)基地，正因如此，大家建立起了深厚的感情?！拔覀兙拖駪?zhàn)友一樣每天待在一起，有了困難和問(wèn)題共同承擔(dān)，為了最終的目標(biāo)不斷努力?！惫l(wèi)振說(shuō)。

單調(diào)的生活中，他們也在給自己尋找樂(lè)趣。郭衛(wèi)振回憶，當(dāng)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≈?，里面的潛航員會(huì)非常難受，我們?cè)娇煺业?，他們就能越快出艙?！?/p>

收工的時(shí)候往往是在傍晚，遠(yuǎn)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(jié)束后，沉浸在碧海藍(lán)天中，“我發(fā)自內(nèi)心地感到高興”。