樸添勤

劉廣平

湖南科技大學機械工程專業(yè)2019級博士研究生。2016年，他進入學校的海洋礦產(chǎn)資源探采裝備與安全技術國家地方聯(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，壓力沒有保住！

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，訓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，每次試驗各項指標都能達到技術指標要求，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論。

聽到此消息，劉廣平異常冷靜。他想起了學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，劉廣平作為導師彭佑多教授在湖南科技大學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、設計計算，到關鍵技術攻關、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，需要突破一個很關鍵的技術：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設計方法，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。”劉廣平說。

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計出來了。其中怎么在高壓下驅動活塞運動是一個核心難題，“當時國內(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?！庇谑牵瑒V平從取樣機理開始研究，調(diào)動原來學到的機械專業(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計實驗的每一步，力圖做到萬無一失。”劉廣平說。

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，長期以來科學界對深淵生命、環(huán)境和地質(zhì)構成的了解十分有限，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，團隊攻破關鍵技術，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，且在進行材料力學性能試驗后，對采集過程中生物的動態(tài)響應進行了分析，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移試驗，為國家的深淵科學研究再添新的技術支撐。

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，然后轉移到培養(yǎng)釜，在實驗室原位培養(yǎng)1至3個月，目標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家們提供非常有利的條件。“我是為科研而做科研，為更多海洋科學家的研究服務?！眲V平說。