“成功的原因只有一個(gè)，考慮到所有細(xì)節(jié)”

2021年8月24日，在西太平洋菲律賓海盆，一艘名為“探索一號(hào)”的科考船，載著眾多科研裝置，正在進(jìn)行深海試驗(yàn)。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(zhǔn)備潛入7700米深的海底進(jìn)行它的第一次深海試驗(yàn)。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”號(hào)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。

從菲律賓海盆到馬里亞納海溝

劉廣平對(duì)此次海試很有信心，因?yàn)樵谶^(guò)去幾年時(shí)間里，取樣器歷經(jīng)了無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、高壓倉(cāng)試驗(yàn)、湖水試驗(yàn)，每次試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)都能達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。但在等待取樣器回收的過(guò)程中，他的內(nèi)心依然不能平靜。

8個(gè)小時(shí)后，取樣器回收至甲板上，科考船上的專(zhuān)家第一時(shí)間對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了評(píng)估：“取樣器沒(méi)有可靠密封，壓力沒(méi)有保住。”4位專(zhuān)家得出同樣的結(jié)論。

聽(tīng)到此消息，劉廣平異常冷靜，他想到了學(xué)校海洋實(shí)驗(yàn)室科研帶頭人萬(wàn)步炎教授常說(shuō)的那句話：“失敗有無(wú)數(shù)個(gè)原因，但所有的成功只有一個(gè)原因，那就是考慮到全部細(xì)節(jié)。”他開(kāi)始跟團(tuán)隊(duì)成員再次復(fù)盤(pán)所有細(xì)節(jié)。

這次深海試驗(yàn)是搭載在“奮斗者”號(hào)潛水器上進(jìn)行的，“奮斗者”號(hào)潛水器對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的重量有嚴(yán)格限制，所以團(tuán)隊(duì)想盡一切辦法控制重量。因?yàn)殛懙貙?shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，設(shè)備上的排水閥作用并不明顯，而且增加排水閥，就要增加一個(gè)動(dòng)作，也就增加了機(jī)械手操作的難度。為了減輕重量、減小機(jī)械手操作難度，團(tuán)隊(duì)再三斟酌，決定在海試的時(shí)候取掉排水閥。

想到這里，劉廣平內(nèi)心一顫：?jiǎn)栴}會(huì)不會(huì)出在這個(gè)排水閥上？其他團(tuán)隊(duì)成員排查了多個(gè)可疑點(diǎn)后一致認(rèn)為，極有可能就是這個(gè)問(wèn)題導(dǎo)致保壓失敗。團(tuán)隊(duì)立即組織安裝排水閥，并在科考船上測(cè)試。

一個(gè)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(dá)到了94%以上，得到海上試驗(yàn)評(píng)審專(zhuān)家的一致肯定——“這一取樣試驗(yàn)的結(jié)果表明，我國(guó)在7000米級(jí)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(cè)試的審批下來(lái)了，科考船繼續(xù)向馬里亞納海溝航行。這次，劉廣平團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是馬里亞納海溝10000米海底的沉積物。試驗(yàn)異常順利，“全海深沉積物氣密取樣器”搭載在“奮斗者”號(hào)上成功完成10000米深海沉積物原位保壓取樣。

深海取樣有萬(wàn)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(gè)研究生，進(jìn)入海洋實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)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(jì)計(jì)算，到關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、加工制造、現(xiàn)場(chǎng)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(lái)自深海環(huán)境。首先是深海的高壓力，為保證取到“原位”的深海沉積物樣品，需要突破一個(gè)很關(guān)鍵的技術(shù)就是，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(dú)立的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，面對(duì)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(guò)重其中最難的是保壓。”劉廣平說(shuō)。

“海底10000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(gè)手指甲上形成的壓力”

如何在取到深海沉積物放進(jìn)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(guò)程中，由于內(nèi)外壓差的增大，筒體會(huì)膨脹變形，體積增大又會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部壓力降低。壓降過(guò)程中怎么去補(bǔ)償壓力？換句話說(shuō)就是怎么去填補(bǔ)由于體積增大而缺失的水，當(dāng)時(shí)我們就想到了通過(guò)活塞將水壓入到保壓筒內(nèi)。”

經(jīng)過(guò)周密的計(jì)算、畫(huà)圖，成百上千次試驗(yàn)一種活塞式壓力補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)出來(lái)了。這其中怎么在高壓下驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)是一個(gè)核心難題，“當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)其他行業(yè)保壓裝備多數(shù)采用液壓補(bǔ)償，而液壓補(bǔ)償必須用到的液壓油，如果用在深海沉積物取樣器里，會(huì)對(duì)樣品產(chǎn)生污染。”于是，劉廣平調(diào)動(dòng)原來(lái)學(xué)到的機(jī)械專(zhuān)業(yè)的所有知識(shí)和技能，從取樣機(jī)理開(kāi)始研究。他想過(guò)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(gè)壓力補(bǔ)償器就報(bào)廢了。經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次集體研討，不斷地修改方案，最終選擇用相對(duì)安全的惰性氣體氮?dú)膺M(jìn)行活塞驅(qū)動(dòng)。

針對(duì)不同活塞密封材料、密封方式和壓力補(bǔ)償器的容積，每一個(gè)問(wèn)題他們都要進(jìn)行無(wú)數(shù)次試驗(yàn)。

為了模擬深海高壓環(huán)境，劉廣平與團(tuán)隊(duì)利用每年暑假進(jìn)行裝備的高壓實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。由于高壓實(shí)驗(yàn)的特殊性，每天實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間都超過(guò)10個(gè)小時(shí)。為能夠準(zhǔn)確獲取每個(gè)時(shí)間段的測(cè)試數(shù)據(jù)，飯點(diǎn)蹲守和熬夜測(cè)試已是家常便飯，累了只能支一張小床在工作室休息一會(huì)兒。

“氣溫30攝氏度以上，在沒(méi)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(gè)定時(shí)炸彈’，為把危險(xiǎn)系數(shù)降到最低，我們必須極度謹(jǐn)慎地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的每一步，力圖做到萬(wàn)無(wú)一失。”劉廣平說(shuō)。

從沉積物到宏生物

2019年， 劉廣平開(kāi)始參與研制另一個(gè)裝置——“全深海宏生物保壓采樣系統(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(gè)裝置要取到活的海底生物，并轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)釜，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)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(chēng)為“深淵”。深淵環(huán)境壓力大、溫度低、黑暗無(wú)光、構(gòu)造活躍、地震密集、生命奇特，分布著特有的洋流運(yùn)動(dòng)，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(zhǎng)期以來(lái)科學(xué)界對(duì)深淵生命、環(huán)境和地質(zhì)過(guò)程的了解十分有限，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(lèi)對(duì)其了解程度甚至低于月球表面。劉廣平的這個(gè)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(diǎn)是如何取到活性生物，團(tuán)隊(duì)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(yú)的模型，并進(jìn)行材料力學(xué)性能試驗(yàn)后，對(duì)采集過(guò)程中生物的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)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)。制作保證生物低損傷的柔性手柄、研究和控制抽吸力度等，劉廣平團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了無(wú)數(shù)次的設(shè)計(jì)、計(jì)算、測(cè)量、討論和仿真試驗(yàn)

2022年2月，劉廣平團(tuán)隊(duì)研制的“全深海宏生物保壓采樣系統(tǒng)”參與首次中國(guó)-新西蘭聯(lián)合潛TS29-1航次科考，團(tuán)隊(duì)每個(gè)人都期待著項(xiàng)目能夠順利完成，但結(jié)果卻不盡如人意，海底萬(wàn)米的宏生物樣品取回來(lái)了，壓力卻沒(méi)保住。

返航后，他們常與黑夜作伴，尋找問(wèn)題出在哪里。“萬(wàn)步炎教授在一次討論中，建議考慮繼續(xù)測(cè)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。這給了我很大的啟發(fā)。”劉廣平說(shuō)。又經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次與專(zhuān)家討論、完善方案、測(cè)試、修改2023年9月，團(tuán)隊(duì)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(hào)”TS-36-1航次的海底試驗(yàn)，這次他們成功完成國(guó)內(nèi)首次4000米水深宏生物保壓采樣和轉(zhuǎn)移試驗(yàn)，為國(guó)家的深淵科學(xué)研究再添新的技術(shù)支撐。

目前，劉廣平團(tuán)隊(duì)想做的事更具挑戰(zhàn)性：他們要取到萬(wàn)米海底的生物，然后轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)釜，在實(shí)驗(yàn)室原位培養(yǎng)1至3個(gè)月，目標(biāo)是極具研究?jī)r(jià)值的深海獅子魚(yú)。他們正在試驗(yàn)泵吸式生物取樣器和潛水器的適配性，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式精確捕獲深海宏生物活性樣品。可以想象這樣的畫(huà)面：在餌料吸引下，深海宏生物來(lái)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(wú)傷地抽吸進(jìn)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。“我是為科研而做科研，為更多海洋科學(xué)家的研究服務(wù)。”劉廣平說(shuō)。

（劉廣平，2012年至2023年，在湖南科技大學(xué)完成機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)本科、碩士和博士學(xué)習(xí)，畢業(yè)后留校任教。他碩士階段進(jìn)入海洋實(shí)驗(yàn)室以來(lái)，一直專(zhuān)注于深淵沉積物、海底生物取樣技術(shù)與裝備研發(fā)。作為科研骨干，他深受“海牛”精神影響，研制的全海深沉積物氣密取樣器，搭載“奮斗者”號(hào)潛水器完成海底萬(wàn)米沉積物保壓取樣試驗(yàn)，參與研制的“全深海宏生物保壓采樣系統(tǒng)”在新西蘭克馬德克海溝開(kāi)展作業(yè)應(yīng)用。）