劉廣平：萬米海底，探“深淵”取物

樸添勤

劉廣平

湖南科技大學(xué)機械工程專業(yè)2019級博士研究生。2016年，他進入學(xué)校的海洋礦產(chǎn)資源探采裝備與安全技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室（簡稱海洋實驗室。該實驗室研制的“海牛號”系列海底鉆機“海牛Ⅰ號”亮相國家“十二五”科技創(chuàng)新成就展，“海牛Ⅱ號”亮相國家“十三五”科技創(chuàng)新成就展，并在我國海域“可燃冰”勘探和首個深海油氣田開發(fā)中應(yīng)用），致力于深海取樣裝備研發(fā)。2021年，他參與研制的“全海深沉積物氣密取樣器”搭載在我國“奮斗者”號潛水器上，完成了海底萬米沉積物取樣試驗，攻克了萬米海底活性生物樣本獲取和轉(zhuǎn)移難題

取樣器與“奮斗者”號進行協(xié)調(diào)測試

海底7700米，壓力沒有保??！

2021年8月24日，在西太平洋菲律賓海盆，一艘名為“探索一號”的科考船，載著眾多科研裝置，正在進行深海試驗。

劉廣平參與研制的“全海深沉積物氣密取樣器”就在這艘船上，準備潛入7700米深的海底進行它的第一次深海試驗。迎著呼嘯的海風(fēng)，訓(xùn)練有素的潛航員把取樣器安放在“奮斗者”潛水器的采樣籃里，劉廣平全神貫注地盯著潛水器潛入海里，便又開始在腦海里演示取樣器的所有工作流程，一遍又一遍……

雖然3年多時間歷經(jīng)無數(shù)次實驗室試驗、高壓艙試驗、湖水試驗，每次試驗各項指標(biāo)都能達到技術(shù)指標(biāo)要求，劉廣平對此次海試很有信心，但是在等待取樣器回收的過程中，他內(nèi)心依然不能平靜。

8個小時后，取樣器回收至甲板上，科考船上的專家第一時間對試驗結(jié)果進行了評估：“取樣器沒有可靠密封，壓力沒有保住?！?位專家得出同樣的結(jié)論。

聽到此消息，劉廣平異常冷靜。他想起了學(xué)校海洋實驗室科研帶頭人萬步炎教授常說的那句話：“失敗有無數(shù)個原因，但所有的成功只有一個原因，那就是考慮到全部細節(jié)?！彼_始跟團隊成員一起復(fù)盤所有細節(jié)。

這次深海試驗是搭載在“奮斗者”號潛水器上進行的，“奮斗者”號潛水器對試驗設(shè)備的重量有嚴格限制，所以團隊想盡一切辦法控制重量。在高壓艙實驗時，設(shè)備里面的排水閥作用并不明顯，而且增加了排水閥，就要增加一個動作，也就增加了機械手操作的難度。為了減輕重量、減小機械手操作難度，團隊再三斟酌，決定在海試的時候取掉排水閥。

想到這里，劉廣平內(nèi)心一顫，問題會不會出在這個排水閥上？其他團隊成員排查了多個可疑點后也認為，極有可能就是這個問題導(dǎo)致保壓失敗。團隊立即組織安裝排水閥，并在科考船上測試。

一個星期后，在西菲律賓海盆7700米深的海底，“全海深沉積物氣密取樣器”兩次成功取到了保壓沉積物樣品，兩次保壓率都達到了94%以上，得到海上試驗評審專家的一致肯定——“這一取樣試驗的結(jié)果表明，我國在7000米級深度條件下，有能力獲取深淵環(huán)境的高質(zhì)量保壓沉積物樣品”。

此次海底沉積物取樣成功后，馬里亞納海溝海底測試的審批下來了，科考船繼續(xù)向馬里亞納海溝航行，這次，劉廣平團隊的目標(biāo)是馬里亞納海溝10000米海底的沉積物。試驗異常順利，“全海深沉積物氣密取樣器”搭載在“奮斗者”號上成功完成10000米深海沉積物原位保壓取樣。

萬米取樣有萬難

2016年，劉廣平作為導(dǎo)師彭佑多教授在湖南科技大學(xué)海洋方向的第一個研究生，進入海洋實驗室，開始參與“全海深沉積物氣密取樣器”的研制。從方案制定、設(shè)計計算，到關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、加工制造、現(xiàn)場調(diào)試……，他一做就是五六年。

“全海深沉積物氣密取樣器”的研制，難題幾乎都來自于深海環(huán)境，其中最難的是深海的高壓力?！昂５?0000米的壓力大概是110兆帕，到底有多大呢？相當(dāng)于一頭成年大象站在一個手指甲上形成的壓力……”為保證取到“原位”的深海沉積物樣品，需要突破一個很關(guān)鍵的技術(shù)：不僅要取樣成功，還須保證所取樣品的原位環(huán)境不變——要求取樣器從海底回收至甲板后，取樣器內(nèi)的壓力變化小于20%。

“我們提出了一種取樣裝置與保壓裝置獨立的機構(gòu)設(shè)計方法，面對深海環(huán)境，這種保壓裝置要密封、保壓，還要抗海水腐蝕，這就要求保壓裝置筒體的壁很厚，又不能過重……其中最難的是保壓?！眲V平說。

如何取到深海沉積物，放進取樣器后，還能保住海底巨大的壓力環(huán)境呢？“取樣器取到深海沉積物后，在回收上岸過程中，由于內(nèi)外壓差的增大，筒體會膨脹變形，體積增大又會導(dǎo)致內(nèi)部壓力降低。壓降過程中怎么去補償壓力？換句話說就是怎么去填補由于體積增大而缺失的水，我們想到了通過活塞將水壓入到保壓筒內(nèi)?！眲V平說。

經(jīng)過周密的計算、畫圖，成百上千次試驗……一種活塞式壓力補償裝置設(shè)計出來了。其中怎么在高壓下驅(qū)動活塞運動是一個核心難題，“當(dāng)時國內(nèi)其他行業(yè)保壓裝備多數(shù)采用液壓補償，而液壓補償必須用到的液壓油，如果用在深海沉積物取樣器里，會對樣品產(chǎn)生污染?！庇谑?，劉廣平從取樣機理開始研究，調(diào)動原來學(xué)到的機械專業(yè)的所有知識和技能。他想過用彈簧，但彈簧的力很難被精確控制，海底巨大壓力下彈簧需要的力很大，一旦控制失效，整個壓力補償器就報廢了。經(jīng)過無數(shù)次集體研討，不斷地修改方案，最終選擇用相對安全的惰性氣體氮氣進行活塞驅(qū)動。

針對不同活塞密封材料、密封方式和壓力補償器的容積等，每一個問題他們都要進行無數(shù)次試驗。

為了模擬深海高壓環(huán)境，劉廣平與團隊利用每年暑假進行裝置的高壓實驗室測試。由于高壓實驗的特殊性，每天實驗測試時間都超過10個小時，為能夠準確獲取每個時間段的測試數(shù)據(jù)，飯點蹲守和熬夜測試已是家常便飯，累了只能支一張小床在工作室休息一會兒。

“氣溫30℃以上，在沒有空調(diào)的廠房里工作不算什么。關(guān)鍵是不能出事兒。氣體在高壓下‘就像一個定時炸彈’，為把危險系數(shù)降到最低，我們必須極度謹慎地設(shè)計實驗的每一步，力圖做到萬無一失?！眲V平說。

從沉積物到宏生物

2019年，?劉廣平開始參與研制另一個裝置——“全深海宏生物（是與海洋微生物相對應(yīng)的肉眼看得見的海洋生物）保壓采樣系統(tǒng)”。與取到深海沉積物樣品并在密閉空間保持海洋環(huán)境不同，這個裝置要取到活的海底生物，并轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)釜，在實驗室進行培養(yǎng)。

海洋中深度大于?6000米?的海溝和斷裂帶區(qū)域被稱為“深淵”。深淵環(huán)境壓力大、溫度低、黑暗無光、構(gòu)造活躍、地震密集和生命奇特，分布著特有的洋流運動，與上層海洋、海底及海底以下圈層之間存在著廣泛的物質(zhì)和能量交換。這里孕育了地球上最神秘的生態(tài)系統(tǒng)。然而，由于深淵巨厚水層和極高靜水壓力的阻隔，長期以來科學(xué)界對深淵生命、環(huán)境和地質(zhì)構(gòu)成的了解十分有限，深淵區(qū)域至今仍然是地球上最為神秘的極端環(huán)境之一，人類對其了解程度甚至低于月球表面。劉廣平的這個課題，就是要助力海底6000米至10000米深淵的生物研究。

研究的最難點是如何取到活性生物，團隊攻破關(guān)鍵技術(shù)，提出了一種泵吸式低損傷取樣的方法。為了保證深海宏生物低損傷取樣，劉廣平首次建立了深海獅子魚的模型，且在進行材料力學(xué)性能試驗后，對采集過程中生物的動態(tài)響應(yīng)進行了分析，為泵吸式深海生物采樣器管道材料選擇和泵吸工藝優(yōu)化提供了理論依據(jù)。在制作保證生物低損傷的柔性手柄、研究和控制抽吸力度等的過程中，進行了無數(shù)的設(shè)計、計算、測量、討論和仿真試驗……

2022年2月，劉廣平團隊研制的“全深海宏生物保壓采樣系統(tǒng)”參與首次中國-新西蘭聯(lián)合潛TS29-1航次科考，團隊每個人都期待著項目能夠順利完成，可結(jié)果卻不盡如人意，海底萬米的宏生物樣品取回來了，壓力卻沒保住。

返航后，他們常與黑夜做伴，尋找問題出在哪里?！叭f步炎教授在一次討論中，建議考慮繼續(xù)測試翻板密封閥中翻板的偏心角度到底多大才能保證密封性最好。給了我很大的啟發(fā)?！眲V平說。又經(jīng)過無數(shù)次與專家討論、完善方案、測試、修改……2023年9月，團隊帶著反復(fù)修改的深海生物取樣裝置重新出發(fā)，前往南海參與“探索一號”TS-36-1航次的海底試驗，這次他們成功完成國內(nèi)首次4000米水深宏生物保壓采樣和轉(zhuǎn)移試驗，為國家的深淵科學(xué)研究再添新的技術(shù)支撐。

目前，劉廣平團隊想做的事更具挑戰(zhàn)性，他們要取到萬米海底的生物，然后轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)釜，在實驗室原位培養(yǎng)1至3個月，目標(biāo)是極具研究價值的深海獅子魚。他們正在試驗泵吸式生物取樣器和潛水器的適配性，爭取實現(xiàn)主動式精確捕獲深海宏生物活性樣品?？梢韵胂筮@樣的畫面：在餌料吸引下，深海宏生物來到泵吸式生物取樣器前，被一股不大不小的吸引力，毫發(fā)無傷地抽吸進取樣器內(nèi)，然后被原位地回收至甲板上，在超高壓力下轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)釜中生活。

這樣的取樣器，可以為從事海底生物研究的科學(xué)家們提供非常有利的條件?！拔沂菫榭蒲卸隹蒲?，為更多海洋科學(xué)家的研究服務(wù)?！眲V平說。