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徐芑南 中国“蛟龙”在深海
2014-5-23 15:00:32     编辑:yuxuantang   文字大小:【】【】【】    【打印本页】【关闭本页

在上海交通大学建校118周年庆典上,一批复旦大学的杰出校友获得思源校友年度奖,其中就包括中国工程院院士、蛟龙号载人深海潜水器的总设计师 ——徐芑南。


近来,有关深海探测和打捞技术装备的话题甚是火热。先有南太平洋海域水下搜索MH370航班的踪迹的“蓝鳍金枪鱼”,接着又是救援韩国“岁月”号沉船的水下螃蟹机器人。这几起灾难性事件,无形中成为了各国科技水准的斗法台。但曾号称全球唯一能下潜超过7000米的作业型深海探查利器“蛟龙号”,却迟迟未能一展身手。这个被国人寄予厚望的“蛟龙”将来能否在深海搜救就方面有所作为呢?中国工程院院士、“蛟龙号”总设计师徐芑南为我们给出了肯定的答案。

只要国家需要“蛟龙号”随时上阵

在谈到失联马航客机MH370的搜救工作时,徐芑南感到很揪心。他对记者表示,现在最关键的步骤就是进行目标定位。“如果失事飞机掉在海里,其位置在什么地方?有了位置之后,才可以开展下一步工作。进行海上搜救,首先要做的是,通过空中和水面手段确定一个大概的区域。几千平方公里的范围,如果直接靠水下搜索,难度很大。
徐芑南告诉记者,如果飞机坠落的位置是水深超过1千米的深海,可以用自主式水下机器人(AUV)和有缆水下机器人(ROV)配合搜索。AUV可以沿着需要的线路,一方面用声呐设备探测,检查海底有无可疑物体;一方面还可通过照相设备把海底情况记录下来。在把目标缩小到几个可疑物体后,再用带有机械手的ROV进行打捞作业。
在谈到“蛟龙号”是否有能力在未来参与实施MH370的搜救工作话题时,徐芑南表示,通过水面设备确定残骸疑似位置后,才适合派遣类似“蛟龙号”这样的装备进行水下搜索。因为载人水下设备的续航力一般较短,所以使用范围都很有限。他同时强调,只要马航失联飞机的定位精确,“蛟龙”号可以下海,参与现场评估、搜救指挥甚至打捞工作。只要国家需要,“蛟龙”号马上就能出发。

徐芑南告诉记者,“蛟龙”号的长处在于定点作业,而不是大范围搜寻。可以下潜后探测到黑匣子,甚至直接将黑匣子打捞起来,但大件残骸的打捞,还需要其它打捞设备的辅助。“蛟龙号”上也有高分辨率的声纳设备,但其工作范围只有数公里;另外,由于航程限制,载人深潜器无法像无人深潜器那样在深海长时间作业。在确定失联飞机的位置之后,“蛟龙”号可以参与打捞的前期工作,比如评估海底现场状况,帮助确定打捞方案,还可以作为海底打捞的指挥平台。


7000米深海下的极限挑战

2012年6月的一天,当承载着“蛟龙”号载人潜水器的“向阳红09”海洋调查船扬帆归航时,意味着有中国人创造的人类又一次向大自然发起的极限挑战——载人作业类潜水器下潜至超过7000米以下的大洋深处的壮举获得了圆满成功。此时远在国内的蛟龙号”总设计师徐芑南,已经按捺不住内心的喜悦了。
有人说,徐芑南的人生高度,几乎可以用中国深海潜水器的下潜深度来衡量。300米、600米、1000米、3000米、5000米、7000米!可以说,中国载人深潜每前进一步都有他的杰出贡献,他的梦想随着潜水器的下潜不断深入到更深的海域。

现在回忆起当时的情景,徐芑南依旧历历在目。徐芑南说,“蛟龙”号载人潜水器在西太平洋马里亚纳海沟附近密克罗尼西亚海域进行7000米级载人深海潜水试验时,是面临最大设计水深,高水压、低温等挑战的。7000米海洋环境的特点主要是水的压力很大。从5000米到7000米要差2000米,举个简单例子,我们常用建筑面积,下潜5000米,每平方米要承受5000吨压力,下潜7000米,一平米就要承受7000吨水压,所以首先面临压力的考验。另外,海底严峻的条件就是水温,下潜5000米只有2度左右,7000米在1.5到1度这个范围,又面临新的挑战。

高压低温条件下,蛟龙号技术上面临的三大难题。首先是密封性能,会不会有渗漏;其次,在高压下可能会有不同程度的变形,引起短路。第三,潜水器上有很多充油的设备、液压系统,油在这个高压低温下它的性能如何,要通过这个实验证明。最终“蛟龙”号不辱使命,经受住了深海环境下的严峻考验,顺利完成了超过7000米以下的潜航任务。

为了完成这次试验,“蛟龙”号在液压系统、高清视频系统等方面都有所改进。改进了液压系统,使得液压系统能够提高对这么大深度压力和低温的适应能力;完善了高清视频系统,根据去年的经验,我们对蛟龙号头部的十六个水下灯重新做了一下布局,使得它照射的面积更合理。同时,对高清摄像的信息传输能力加强,这样可以使在水下得到的图像更加清晰,色彩更加逼真。第三,装了一个GPS定位的装置,保证潜水器完成水下作业返回海面的时候,踫上恶劣的天气,能以最短的时间、最快的速度,来做出潜水区的精确定位,来增加潜水区的安全性。


报国激情,造就潜航多面手

当年与同龄的青年人一样,徐芑南胸中充满了科技报国的激情梦想。从上海交通大学毕业以后,他于1956年幸运地入选为国家第一批为未来海军舰船装备研发而培养的设计人员时,他就知道,这一生将与舰船、与大海分不开了。
1958年,徐芑南毕业分配到船舶研究所。本来他的毕业设计做的是“水面舰船”,由于工作需要,他被派去做潜艇模型的水动力试验。这一下,徐芑南的事业从水上“潜入”了水下。从此,徐芑南就梦想着能够做出世界上最领先的载人潜水器,为我国海洋科考开辟更广阔的领域。

从潜艇基地回来后,一项“主持深海模拟设备及系统(简称压力筒设备)的设计和建造”的任务,落在了徐芑南的肩上。这一设备的主要用途是在实验室建立模拟深海巨大水压的环境,来检验各种水下耐压结构和设备的承压能力及其密封性,这也是潜艇耐压壳结构强度稳定性设计研究必不可少的实验设备,而当时国外对中国实行的是严密的技术封锁。
凭借论文资料上美国海军实验室的一张照片,徐芑南和课题组成员绞尽脑汁,在加工制造厂技术人员和工人师傅的支持下,只用了3年时间,就自行研制出了我国第一台当时国际先进结构形式卡环密封的压力筒设备。20世纪70年代,他又开创性地提出了双层壳、定比压力的新结构形式,并建成了我国最大压力筒设备及系统——其压力达25兆帕、直径达3.2米、高9米,这系列压力筒群为我国水下舰船和潜水器结构研究奠定了试验研究基础。

“感谢那个时代。”徐芑南说,新中国的潜艇在一穷二白的基础上起步,从无到有,从弱到强,他参与了圆柱耐压壳结构设计研究的引进、仿造、消化的整个研制过程。从行车指挥,到设备安装,到实验测试,再到写分析报告,一路走来,他成了所里的“多面手”。人在磨练中总是能成长得很快,在实践的过程中,他打下了坚实的基础,并逐渐形成了自己的创新性想法。


毕生精力奉献给潜航事业

上世纪80年代,随着我国海洋工程的发展,对潜水器的需求越来越迫切,徐芑南先后担任了四项水下潜器的总设计师,创造性地研制了多型载人深潜器和水下机器人。工作深度由300米、600米、1000米发展到6000米、7000米;其类型有载人、无人,有缆、无缆;其控制方式由载人手控、带缆遥控,发展到无缆智能控制。
80年代初,徐芑南作为总设计师,带领中船重工集团七○二研究所等5个单位的技术骨干,成功完成了我国第一台单人常压潜水器和双功能常压潜水器的研制,达到当时国际同类产品的先进水平,填补了国内空白。

80年代末,徐芑南作为船舶总公司任命的总设计师,提出了赶超国际先进水平的具有光纤通信的缆控水下机器人设计方案及其技术途径,这是以援救为主、兼顾海洋油气开发的大功率作业型缆控无人潜水器。90年代初,徐芑南任我国第一台自行研制大深度无缆智能型水下机器人“探索者”号的副总设计师,以丰富的经验成功完成了该项目的总体设计和载体系统的研制。1992年起,徐芑南同时还担任了6000米自治水下机器人的总设计师,这是当今国际高新技术先进水平的反映,它可到达地球94%的海域进行考察。

无人、载人,有缆、无缆……徐芑南说:“几乎所有种类的潜水器,我都做过了。”而唯一让他遗憾的是,没有机会完成大深度的载人深潜器。事实上,上世纪后期以来,随着人类对资源的消耗需求与日俱增,各国越来越多地把目光投向了辽阔无边的海洋。深海技术被认为是与航天技术、核能利用技术并列的高新领域,而载人深潜器则是海洋开发和海洋技术发展的最前沿和制高点。

1992年,徐芑南所在的中国船舶重工集团七○二研究所向国家科委(现科技部)提出研制6000米级大深度载人潜水器的建议。然而,因当时条件有限,申请一直未获批准。1996年,花甲之年的徐芑南因重病缠身,不得不办理了退休手续,他以为自己为之奋斗一生的梦想就此搁浅了。


再次出山  打造中国“蛟龙”

2002年6月,载人深潜项目上马前夕,工程院院士吴有生在给徐芑南的电话中说,“你做了多个潜水器的总设计师,科技部领导对你比较熟悉,是总师的最佳人选。7000米载人深海潜水器立项了,我们想来想去,这个总师非你老徐来当不可!”于是已经退休6年之久的徐芑南再次出山,担任了“7000米载人深海潜水器”的总设计师。
对徐芑南来说,担任总师是一份责任,更是自己梦想的延续,“虽我已退休6年,为了能圆梦,还是愿意多出一份力,多尽一份心。”

立项前一年,702所领导向时任中国工程院院长宋健汇报载人深潜项目的紧迫性和重要性。当时,国际上一些重大的载人深潜项目的深度都是6000米级,最深为6500米。“宋健院长提出‘要搞我们就要搞出敢创世界先进水平的’,就这样,这一项目最终希望达到的深度就定为了7000米,现在看来,确实是一个高瞻远瞩的规划”。
但我国以前研制的载人潜水器最深只有600米,要让一个载人深潜器,在短短数年之内就实现从600米到7000米深度的跨越,并非易事。

首先要面对的就是复杂的海洋环境,想要到达7000米的深海区,要求载人潜水器上的所有设备都必须承受相当于70兆帕的深海压力,还要承受得住海水的腐蚀。
同时,针对处于容纳潜航员的关键部件载人球舱,不仅需承担深海的高水压,而且还要保障舱内恒定的一个大气常压,潜航员身处舱内就像在陆上感觉一样,生命支持系统要保障舱内17%—23%的氧气浓度、低于0.5%的二氧化碳浓度。
此外,还要有通信、语音、文字和画面传输的技术,在深潜器内部配备完善的水声通信系统、水声定位系统和视频系统。

统筹这些复杂的元素,就是作为总师的徐芑南的工作。徐芑南用18个字概况这一设计理念:下得去,能干活;上得来,保安全。“实用、安全”这两大原则始终贯彻在潜器研制全过程。

一方面,徐芑南要作好顶层设计,“蛟龙”号走的是“自行设计、自主集成、独立完成海上试验”的研制路线,强调的是“丰富继承、重点突破、集成创新、整体跨越”的设计思想。“‘蛟龙’号的每一项的技术指标,要细化到让每一个设计师明白自己要干的是什么,如何去干,让每一个协作单位清楚需要开发的是怎样的东西,哪些设备可以引进,哪些设备需要我们自行研发”,事无巨细,均要过徐芑南的耳目。

另一方面,“蛟龙”号的研发是一个复杂的系统工程,包括总体、结构、动力源、机械、通信等12个分系统,涉及到多种技术领域的前沿科技。作为总师单位的中船重工702所,需要联合中科院自动化所和声学所等上百家科研单位进行协力攻关,各种事务可谓千头万绪,都需由徐芑南率队梳理。

接踵而至的还有人才建设、团队协作等问题。当时,702所的一批老研究员已经陆续退休,但在“蛟龙”攻关的过程中,仅仅是各个分系统的主任设计师,就需要12位,最缺的就是40岁左右年富力强、富有经验的人才。
更令徐芑南感动的是以中青年为骨干的设计师系统团队。很多时候,这个团队里的成员几乎都是从设计、加工、总装、联调、水池试验一路走过来的。“在海试期间,我们的设计人员有的还要亲自进‘蛟龙’号下潜,特别是第一次海试,下潜的全都不是专业的潜航员,但却承担起这潜航员的责任。‘蛟龙’号上的每一个人,都是这样在独立摸索,在实践中创造经验,这就是一种拼搏奉献的精神。”

此外,“蛟龙”号的海试团队由方方面面的单位组成,“当时我们有这么一个口号:‘只有岗位之分,没有单位之分’,连续几年的合作,我们的通力协作也印证了这个口号”。每一次“蛟龙”潜海,海试指挥部、海监渔政部门以及海洋气象等各单位人员都需要密切配合,几次海试下来几乎没有出错,这都令徐芑南印象深刻。
历时10年,作为我国自行设计、自主集成的第一台深海载人潜水器的“蛟龙”号的试制工作终于圆满完成。随着“蛟龙”号7000米海试的成功,徐芑南作为“蛟龙”号总设计师的工作已经告一段落,徐芑南常对702所的年轻人说:“你们赶上了好时候,一进所就碰上了‘蛟龙’号这个大项目,我可是等了一辈子啊!”文/雅商

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