「奮鬥者」號水池試驗。中國科學院聲學研究所供圖
◎開欄語
10909米！「奮鬥者」號創造了中國載人深潛新紀錄，也使我國成為世界上第二個實現萬米載人深潛的國家。實際上，「奮鬥者」號這個國之重器全身上下都是打破紀錄的關鍵核心技術。這些技術背後有著怎樣的科研故事？本報今起開設「萬米載人深潛的背後」專欄，走進「奮鬥者」號研製團隊，講述他們矢志創新的故事。
「親愛的觀眾們，萬米的海底妙不可言，希望我們能夠通過『奮鬥者』的畫面向大家展示萬米的海底。」2020年11月10日8時12分，「奮鬥者」號成功坐底世界最深處馬裡亞納海溝，3位潛航員第一時間通過水聲通信系統向全國觀眾直播了他們所看到的萬米海底世界。
相較於「蛟龍」號與「深海勇士」號載人潛水器，「奮鬥者」號的聲學系統實現了完全國產化，突破全海深難關。藉助組合導航系統和聲吶設備，潛航員僅用半小時便成功取回布放在萬米海底的3個水下取樣器，實現了「海底撈針」。
「突破萬米不僅僅是4位數到5位數的突破，而且證明我們有能力挑戰深淵，中國具備對全球最深的海洋進行探索和科考的能力。」中國科學院聲學研究所高級工程師、「奮鬥者」號聲學系統主任設計師劉燁瑤說。
水聲通信厲害在哪兒
2020年10月27日五點半，西太平洋上日出不久，「探索一號」上的船員和科研人員已開始了例行的檢查、布防等工作。按照計劃，「奮鬥者」號全海深載人潛水器將第一次下潛至馬裡亞納海溝萬米深處進行科考取樣，大家期盼已久。
經過4年的研製以及千百次的湖試、海試，劉燁瑤對「奮鬥者」號充滿信心。「我們團隊一路從『蛟龍』號和『深海勇士』號走過來，積累了豐富的下潛經驗，對設備性能也非常熟悉，下潛即將突破萬米，心情有些激動但並不緊張。」
經過三四個小時的下潛，「奮鬥者」號終於來到了-10124米處，水聲通信是它與母船「探索一號」之間溝通的唯一橋梁，藉此潛航員可將潛水器運行狀態、海底礦石生物情況等通過文字、語音或圖像實時傳輸至水面。劉燁瑤的首要任務便是保證聲學系統的平穩運行，同時儘可能多地觀察採樣。
從水下4500米、7000米到10000多米，距離更長，對通信水平的要求自然更高。「就像距離較遠的兩個人說話，想要聽清楚，首先講話人要提高音量，同時聽者也要豎起耳朵或用手幫助收音，這分別對應著信源級和信號處理，我們通過波束形成、波束跟蹤等方法，保證通信質量。」中國科學院聲學研究所助理研究員郭衛振說。
除通信外，水下定位也要靠聲學系統來實現。由於海水對電磁波的衰減作用，通常使用的北鬥、GPS等導航定位系統在水下統統失效。在「奮鬥者」號中，研製團隊創造性地採用了由聲學都卜勒測速儀、超短基線定位系統、慣性導航等多種設備集成的組合導航系統。
郭衛振介紹，聲學都卜勒測速儀可以測量潛水器在各個方向的運動速度；超短基線定位系統利用聲波的時延差、相位差等信息來為潛水器導航和測距；慣性導航通過測量潛水器在慣性參考系的加速度，結合時間信息，得到導航坐標系中的速度、偏航角和位置等信息。
「這3種設備各有優缺點，並存在不同程度的誤差，我們將三者組合起來，使其相互校準。」他說。
幾百個日夜的堅守
2020年3月初，中國科學院聲學研究所「奮鬥者」號研製團隊召開緊急會議，6名研究人員先後被派往無錫進行水試。「初期工作效率很低，因疫情隔離無法到現場，只能根據每天的進展日報推測、排查設備問題。」中國科學院聲學研究所工程師廖佳偉說。
一次，潛水器上用於感知環境障礙的高度計突然死機，他們將能想到的問題都列了出來，晶片過熱、設備本身故障、線路中斷、漏水等，挨個排查。
「為了不耽誤白天的試驗進度，我們只能趁著間隙或晚上進行檢查。由於潛水器完全密封，所有的儀器設備都在它的『肚子』裡，需要拆卸外殼及浮力材料，取出相應的儀器。」廖佳偉表示，「奮鬥者」號不可能因為某一部分問題耽誤整體試驗進度，因此，經常還沒來得及摸清狀況就要重新裝回儀器，而要完全解除故障，往往需要來回拆卸。
對「奮鬥者」號來說，通信效果是科研人員最在意的，也最需要在真實水域、海域中摸索出最佳狀態。水試過程中，有段時間通信效果一直不佳，大家都很疑惑：原本的設計是用於萬米通信的，現在水試深度才二三十米，效果怎麼會不理想呢？
經過反覆的分析模擬，研究人員發現，可能是發射幅度增加產生的回聲幹擾了正常通信。「恰恰是因為距離較近，回聲反射得很快，多次疊加使信號接收效果受到影響。這要求我們減小發射幅度。」郭衛振說，矛盾的是，對聲學系統的考核要求必須測試大幅度下的通信效果，只能不斷摸索兩者間的平衡點。
「大半年的時間裡，每天都是在尋找問題、排查問題、摸索試驗技巧中度過，都是為了一個目標——萬米深潛順利進行。」他說。
來自「家裡」的全力支持
不論是劉燁瑤、郭衛振、廖佳偉，還是其他成員，都愛把中國科學院聲學研究所實驗室稱為「家裡」，他們在外進行湖試、海試，遇到難以解決的問題，第一反應便是聯繫「家裡」。「我們參與海試的只有6個人，可整個聲學系統研製卻是聲學團隊多年來辛苦鑽研的成果，離不開『家裡』的支持。」劉燁瑤說。
就在2020年10月出海前夕，已行至三亞的「奮鬥者」號的組合導航系統標定出現了問題，現場沒有相關儀器的研製專家，且三亞也不具備標定試驗條件。
「聯繫『家裡』，初步排查問題後，決定將100多公斤的儀器寄到杭州千島湖，我和北京的團隊成員汪偉分別趕赴杭州，進行調試試驗。」廖佳偉說，「問題必須在出海前解決，來回郵寄就需要五六天，留給調試的時間也就一兩天，好在他非常熟悉都卜勒測速儀，趕在時間節點前完成了調試。」
「一旦出現問題，就要集合所有人的智慧連夜排查。必須保證出海試驗的順利進行，這是對我們的要求，更是科研人員必須背負的使命。」廖佳偉告訴《中國科學報》。
受疫情影響，往常周末空閒的回京探親無法實現，在當地的活動半徑也縮小到了試驗基地，正因如此，大家建立起了深厚的感情。「我們就像戰友一樣每天待在一起，有了困難和問題共同承擔，為了最終的目標不斷努力。」郭衛振說。
單調的生活中，他們也在給自己尋找樂趣。郭衛振回憶，當潛水器浮上海面之後，比賽快速找到潛水器是大家最喜歡做的事。「潛水器在海面上漂浮著，裡面的潛航員會非常難受，我們越快找到，他們就能越快出艙。」
收工的時候往往是在傍晚，遠離城市和人群的海上，景色非常美麗，還會有大片的火燒雲。大家都在甲板上拍照，劉燁瑤也不例外。他說，尤其是在萬米深潛順利結束後，沉浸在碧海藍天中，「我發自內心地感到高興」。
（原載於《中國科學報》 2021-01-11 第1版 要聞）