【中国科学报】借水传信 海底捞针

【中国科学报】借水传信 海底捞针

“奋斗者”号水池试验。中国科学院声学研究所供图

  ◎开栏语

  10909米!“奋斗者”号创造了中国载人深潜新纪录,也使我国成为世界上第二个实现万米载人深潜的国家。实际上,“奋斗者”号这个国之重器全身上下都是打破纪录的关键核心技术。这些技术背后有着怎样的科研故事?本报今起开设“万米载人深潜的背后”专栏,走进“奋斗者”号研制团队,讲述他们矢志创新的故事。

  “亲爱的观众们,万米的海底妙不可言,希望我们能够通过‘奋斗者’的画面向大家展示万米的海底。”2020年11月10日8时12分,“奋斗者”号成功坐底世界最深处马里亚纳海沟,3位潜航员第一时间通过水声通信系统向全国观众直播了他们所看到的万米海底世界。

  相较于“蛟龙”号与“深海勇士”号载人潜水器,“奋斗者”号的声学系统实现了完全国产化,突破全海深难关。借助组合导航系统和声呐设备,潜航员仅用半小时便成功取回布放在万米海底的3个水下取样器,实现了“海底捞针”。

  “突破万米不仅仅是4位数到5位数的突破,而且证明我们有能力挑战深渊,中国具备对全球最深的海洋进行探索和科考的能力。”中国科学院声学研究所高级工程师、“奋斗者”号声学系统主任设计师刘烨瑶说。

  水声通信厉害在哪儿

  2020年10月27日五点半,西太平洋上日出不久,“探索一号”上的船员和科研人员已开始了例行的检查、布防等工作。按照计划,“奋斗者”号全海深载人潜水器将第一次下潜至马里亚纳海沟万米深处进行科考取样,大家期盼已久。

  经过4年的研制以及千百次的湖试、海试,刘烨瑶对“奋斗者”号充满信心。“我们团队一路从‘蛟龙’号和‘深海勇士’号走过来,积累了丰富的下潜经验,对设备性能也非常熟悉,下潜即将突破万米,心情有些激动但并不紧张。”

  经过三四个小时的下潜,“奋斗者”号终于来到了-10124米处,水声通信是它与母船“探索一号”之间沟通的唯一桥梁,借此潜航员可将潜水器运行状态、海底矿石生物情况等通过文字、语音或图像实时传输至水面。刘烨瑶的首要任务便是保证声学系统的平稳运行,同时尽可能多地观察采样。

  从水下4500米、7000米到10000多米,距离更长,对通信水平的要求自然更高。“就像距离较远的两个人说话,想要听清楚,首先讲话人要提高音量,同时听者也要竖起耳朵或用手帮助收音,这分别对应着信源级和信号处理,我们通过波束形成、波束跟踪等方法,保证通信质量。”中国科学院声学研究所助理研究员郭卫振说。

  除通信外,水下定位也要靠声学系统来实现。由于海水对电磁波的衰减作用,通常使用的北斗、GPS等导航定位系统在水下统统失效。在“奋斗者”号中,研制团队创造性地采用了由声学多普勒测速仪、超短基线定位系统、惯性导航等多种设备集成的组合导航系统。

  郭卫振介绍,声学多普勒测速仪可以测量潜水器在各个方向的运动速度;超短基线定位系统利用声波的时延差、相位差等信息来为潜水器导航和测距;惯性导航通过测量潜水器在惯性参考系的加速度,结合时间信息,得到导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。

  “这3种设备各有优缺点,并存在不同程度的误差,我们将三者组合起来,使其相互校准。”他说。

  几百个日夜的坚守

  2020年3月初,中国科学院声学研究所“奋斗者”号研制团队召开紧急会议,6名研究人员先后被派往无锡进行水试。“初期工作效率很低,因疫情隔离无法到现场,只能根据每天的进展日报推测、排查设备问题。”中国科学院声学研究所工程师廖佳伟说。

  一次,潜水器上用于感知环境障碍的高度计突然死机,他们将能想到的问题都列了出来,芯片过热、设备本身故障、线路中断、漏水等,挨个排查。

  “为了不耽误白天的试验进度,我们只能趁着间隙或晚上进行检查。由于潜水器完全密封,所有的仪器设备都在它的‘肚子’里,需要拆卸外壳及浮力材料,取出相应的仪器。”廖佳伟表示,“奋斗者”号不可能因为某一部分问题耽误整体试验进度,因此,经常还没来得及摸清状况就要重新装回仪器,而要完全解除故障,往往需要来回拆卸。

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