刘广平：万米海底，探“深渊”取物

朴添勤

刘广平

湖南科技大学机械工程专业2019级博士研究生。2016年，他进入学校的海洋矿产资源探采装备与安全技术国家地方联合工程实验室（简称海洋实验室。该实验室研制的“海牛号”系列海底钻机“海牛Ⅰ号”亮相国家“十二五”科技创新成就展，“海牛Ⅱ号”亮相国家“十三五”科技创新成就展，并在我国海域“可燃冰”勘探和首个深海油气田开发中应用），致力于深海取样装备研发。2021年，他参与研制的“全海深沉积物气密取样器”搭载在我国“奋斗者”号潜水器上，完成了海底万米沉积物取样试验，攻克了万米海底活性生物样本获取和转移难题

取样器与“奋斗者”号进行协调测试

海底7700米，压力没有保住！

2021年8月24日，在西太平洋菲律宾海盆，一艘名为“探索一号”的科考船，载着众多科研装置，正在进行深海试验。

刘广平参与研制的“全海深沉积物气密取样器”就在这艘船上，准备潜入7700米深的海底进行它的第一次深海试验。迎着呼啸的海风，训练有素的潜航员把取样器安放在“奋斗者”潜水器的采样篮里，刘广平全神贯注地盯着潜水器潜入海里，便又开始在脑海里演示取样器的所有工作流程，一遍又一遍……

虽然3年多时间历经无数次实验室试验、高压舱试验、湖水试验，每次试验各项指标都能达到技术指标要求，刘广平对此次海试很有信心，但是在等待取样器回收的过程中，他内心依然不能平静。

8个小时后，取样器回收至甲板上，科考船上的专家第一时间对试验结果进行了评估：“取样器没有可靠密封，压力没有保住。”4位专家得出同样的结论。

听到此消息，刘广平异常冷静。他想起了学校海洋实验室科研带头人万步炎教授常说的那句话：“失败有无数个原因，但所有的成功只有一个原因，那就是考虑到全部细节。”他开始跟团队成员一起复盘所有细节。

这次深海试验是搭载在“奋斗者”号潜水器上进行的，“奋斗者”号潜水器对试验设备的重量有严格限制，所以团队想尽一切办法控制重量。在高压舱实验时，设备里面的排水阀作用并不明显，而且增加了排水阀，就要增加一个动作，也就增加了机械手操作的难度。为了减轻重量、减小机械手操作难度，团队再三斟酌，决定在海试的时候取掉排水阀。

想到这里，刘广平内心一颤，问题会不会出在这个排水阀上？其他团队成员排查了多个可疑点后也认为，极有可能就是这个问题导致保压失败。团队立即组织安装排水阀，并在科考船上测试。

一个星期后，在西菲律宾海盆7700米深的海底，“全海深沉积物气密取样器”两次成功取到了保压沉积物样品，两次保压率都达到了94%以上，得到海上试验评审专家的一致肯定——“这一取样试验的结果表明，我国在7000米级深度条件下，有能力获取深渊环境的高质量保压沉积物样品”。

此次海底沉积物取样成功后，马里亚纳海沟海底测试的审批下来了，科考船继续向马里亚纳海沟航行，这次，刘广平团队的目标是马里亚纳海沟10000米海底的沉积物。试验异常顺利，“全海深沉积物气密取样器”搭载在“奋斗者”号上成功完成10000米深海沉积物原位保压取样。

万米取样有万难

2016年，刘广平作为导师彭佑多教授在湖南科技大学海洋方向的第一个研究生，进入海洋实验室，开始参与“全海深沉积物气密取样器”的研制。从方案制定、设计计算，到关键技术攻关、加工制造、现场调试……，他一做就是五六年。

“全海深沉积物气密取样器”的研制，难题几乎都来自于深海环境，其中最难的是深海的高压力。“海底10000米的压力大概是110兆帕，到底有多大呢？相当于一头成年大象站在一个手指甲上形成的压力……”为保证取到“原位”的深海沉积物样品，需要突破一个很关键的技术：不仅要取样成功，还须保证所取样品的原位环境不变——要求取样器从海底回收至甲板后，取样器内的压力变化小于20%。

“我们提出了一种取样装置与保压装置独立的机构设计方法，面对深海环境，这种保压装置要密封、保压，还要抗海水腐蚀，这就要求保压装置筒体的壁很厚，又不能过重……其中最难的是保压。”刘广平说。

如何取到深海沉积物，放进取样器后，还能保住海底巨大的压力环境呢？“取样器取到深海沉积物后，在回收上岸过程中，由于内外压差的增大，筒体会膨胀变形，体积增大又会导致内部压力降低。压降过程中怎么去补偿压力？换句话说就是怎么去填补由于体积增大而缺失的水，我们想到了通过活塞将水压入到保压筒内。”刘广平说。

经过周密的計算、画图，成百上千次试验……一种活塞式压力补偿装置设计出来了。其中怎么在高压下驱动活塞运动是一个核心难题，“当时国内其他行业保压装备多数采用液压补偿，而液压补偿必须用到的液压油，如果用在深海沉积物取样器里，会对样品产生污染。”于是，刘广平从取样机理开始研究，调动原来学到的机械专业的所有知识和技能。他想过用弹簧，但弹簧的力很难被精确控制，海底巨大压力下弹簧需要的力很大，一旦控制失效，整个压力补偿器就报废了。经过无数次集体研讨，不断地修改方案，最终选择用相对安全的惰性气体氮气进行活塞驱动。

针对不同活塞密封材料、密封方式和压力补偿器的容积等，每一个问题他们都要进行无数次试验。

为了模拟深海高压环境，刘广平与团队利用每年暑假进行装置的高压实验室测试。由于高压实验的特殊性，每天实验测试时间都超过10个小时，为能够准确获取每个时间段的测试数据，饭点蹲守和熬夜测试已是家常便饭，累了只能支一张小床在工作室休息一会儿。

“气温30℃以上，在没有空调的厂房里工作不算什么。关键是不能出事儿。气体在高压下‘就像一个定时炸弹’，为把危险系数降到最低，我们必须极度谨慎地设计实验的每一步，力图做到万无一失。”刘广平说。

从沉积物到宏生物

2019年， 刘广平开始参与研制另一个装置——“全深海宏生物（是与海洋微生物相对应的肉眼看得见的海洋生物）保压采样系统”。与取到深海沉积物样品并在密闭空间保持海洋环境不同，这个装置要取到活的海底生物，并转移到培养釜，在实验室进行培养。

海洋中深度大于 6000米 的海沟和断裂带区域被称为“深渊”。深渊环境压力大、温度低、黑暗无光、构造活跃、地震密集和生命奇特，分布着特有的洋流运动，与上层海洋、海底及海底以下圈层之间存在着广泛的物质和能量交换。这里孕育了地球上最神秘的生态系统。然而，由于深渊巨厚水层和极高静水压力的阻隔，长期以来科学界对深渊生命、环境和地质构成的了解十分有限，深渊区域至今仍然是地球上最为神秘的极端环境之一，人类对其了解程度甚至低于月球表面。刘广平的这个课题，就是要助力海底6000米至10000米深渊的生物研究。

研究的最难点是如何取到活性生物，团队攻破关键技术，提出了一种泵吸式低损伤取样的方法。为了保证深海宏生物低损伤取样，刘广平首次建立了深海狮子鱼的模型，且在进行材料力学性能试验后，对采集过程中生物的动态响应进行了分析，为泵吸式深海生物采样器管道材料选择和泵吸工艺优化提供了理论依据。在制作保证生物低损伤的柔性手柄、研究和控制抽吸力度等的過程中，进行了无数的设计、计算、测量、讨论和仿真试验……

2022年2月，刘广平团队研制的“全深海宏生物保压采样系统”参与首次中国-新西兰联合潜TS29-1航次科考，团队每个人都期待着项目能够顺利完成，可结果却不尽如人意，海底万米的宏生物样品取回来了，压力却没保住。

返航后，他们常与黑夜做伴，寻找问题出在哪里。“万步炎教授在一次讨论中，建议考虑继续测试翻板密封阀中翻板的偏心角度到底多大才能保证密封性最好。给了我很大的启发。”刘广平说。又经过无数次与专家讨论、完善方案、测试、修改……2023年9月，团队带着反复修改的深海生物取样装置重新出发，前往南海参与“探索一号”TS-36-1航次的海底试验，这次他们成功完成国内首次4000米水深宏生物保压采样和转移试验，为国家的深渊科学研究再添新的技术支撑。

目前，刘广平团队想做的事更具挑战性，他们要取到万米海底的生物，然后转移到培养釜，在实验室原位培养1至3个月，目标是极具研究价值的深海狮子鱼。他们正在试验泵吸式生物取样器和潜水器的适配性，争取实现主动式精确捕获深海宏生物活性样品。可以想象这样的画面：在饵料吸引下，深海宏生物来到泵吸式生物取样器前，被一股不大不小的吸引力，毫发无伤地抽吸进取样器内，然后被原位地回收至甲板上，在超高压力下转移到培养釜中生活。

这样的取样器，可以为从事海底生物研究的科学家们提供非常有利的条件。“我是为科研而做科研，为更多海洋科学家的研究服务。”刘广平说。