近日，在南海海域的廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局“海洋地質(zhì)二號(hào)”科考船上，一套嶄新的絞車系統(tǒng)正迎來(lái)它的重要時(shí)刻。隨著纜繩一米一米沉入深海，控制室里所有人都屏住了呼吸。
“11228.7米！”當(dāng)技術(shù)人員報(bào)出這個(gè)數(shù)字時(shí)，大連海事大學(xué)教授李文華懸了多年的心終于放下了。作為“深海和極地關(guān)鍵技術(shù)與裝備”項(xiàng)目的首席科學(xué)家，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)耗時(shí)數(shù)年攻關(guān)的全海深光電纜絞車系統(tǒng)“海威GD11000”，完成了最關(guān)鍵的驗(yàn)證。
回望十年攻關(guān)路，繩纜為先。它是連接萬(wàn)米深海與甲板操控的“生命線”，沒有自主可控的纜繩，再先進(jìn)的潛水器也如同斷線的風(fēng)箏。2016年，團(tuán)隊(duì)向13000米非金屬鎧裝輕質(zhì)纜發(fā)起攻關(guān)，相繼突破輕量化、大容量、超長(zhǎng)傳輸三大難題，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)深?？瓶己诵难b備從自主可控到全球領(lǐng)先的跨越。
破解繩纜自重困局
絞車究竟有多重要？李文華打了一個(gè)形象的比方：絞車是深海設(shè)備往返海底的唯一通道，纜繩則是承載載荷的核心“橋面”，其性能直接決定全海深科考成敗。然而，傳統(tǒng)深海絞車采用金屬鎧裝鋼纜，自重過大，堪稱這一領(lǐng)域最關(guān)鍵的技術(shù)瓶頸。
隨著下潛深度增加，鋼纜自重會(huì)急劇放大。李文華說(shuō)，想要突破深度限制，實(shí)現(xiàn)輕量化，關(guān)鍵就在于革新纜繩材料。
為此，團(tuán)隊(duì)開啟了漫長(zhǎng)而艱難的材料選型之路，先后對(duì)比了碳纖維、超高強(qiáng)度聚乙烯纖維、LCP纖維、芳綸纖維等多款候選材料，逐一開展強(qiáng)度、模量、密度、耐磨性等多維度測(cè)試，卻屢屢碰壁。
“強(qiáng)度夠了扛不住長(zhǎng)期蠕變，抗蠕變好了又太重，重量輕了卻經(jīng)不住反復(fù)疲勞?！崩钗娜A回憶，那段時(shí)間，團(tuán)隊(duì)成員整天泡在實(shí)驗(yàn)室里，反復(fù)對(duì)比數(shù)據(jù)、優(yōu)化測(cè)試方案，歷經(jīng)數(shù)月篩選，才最終將目光鎖定芳綸纖維。這種材料密度僅為鋼的五分之一，強(qiáng)度卻遠(yuǎn)超鋼材，可讓纜繩自重銳減三分之二，是綜合性能最優(yōu)的非金屬承力纖維材料。但新材料的短板同樣突出，成為攻關(guān)路上的攔路虎。
“芳綸纖維摩擦系數(shù)較大，多股層間磨損會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度下降；而且非金屬材料纏繞受力時(shí)，形變遠(yuǎn)大于鋼纜?！崩钗娜A坦言，兩大難題直接制約萬(wàn)米級(jí)纜繩的實(shí)海作業(yè)。
為攻克這兩大瓶頸，李文華牽頭組建產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合體，聯(lián)合江蘇亨通華海、南通力威機(jī)械、浙江四兄繩業(yè)協(xié)同攻堅(jiān)。團(tuán)隊(duì)通過添加芳綸層間隔離層、優(yōu)化編織結(jié)構(gòu)，將纜繩的承力芳綸層間的抗磨損性能提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)；同時(shí)建立張力—形變模型，重新設(shè)計(jì)排纜工藝，保障超長(zhǎng)距離收放受力均勻。
從材料選型到工藝驗(yàn)證，團(tuán)隊(duì)在曲折中摸索，每一步都走得如履薄冰。李文華說(shuō)，團(tuán)隊(duì)反復(fù)開展強(qiáng)度、形變、疲勞測(cè)試，僅1000米級(jí)試驗(yàn)纜就完成三四輪測(cè)試，每輪耗資數(shù)十萬(wàn)元。13000米全長(zhǎng)纜造價(jià)數(shù)百萬(wàn)元，一旦報(bào)廢將直接沖擊項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)，必須通過小樣本反復(fù)驗(yàn)證。
“所幸這并非一個(gè)團(tuán)隊(duì)的單打獨(dú)斗?！崩钗娜A介紹，產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合體在無(wú)數(shù)個(gè)深夜的攻關(guān)中，硬是用輕質(zhì)纖維纜替代了沉重鋼纜，成功破解了深海裝備自重過大的困局。
攻克超長(zhǎng)纏繞難題
材料難關(guān)剛過，更棘手的問題又?jǐn)[在眼前：13000米長(zhǎng)的非金屬鎧裝光電纜，要像蛇一樣一圈圈盤在絞車滾筒上，一層壓一層，整整16層。
“每層中間不能有間隙。如果有間隙，壓上一層后形變就會(huì)傳遞，整盤纜就報(bào)廢了?！崩钗娜A說(shuō)，這不僅是機(jī)械問題，更是一道復(fù)雜的數(shù)學(xué)和算法難題。16層纏繞，意味著任何一層出現(xiàn)微小偏差，都會(huì)被后續(xù)數(shù)十層逐級(jí)放大，最終導(dǎo)致整盤纜繩亂層、擠壓甚至損壞。
攻堅(jiān)最緊張的時(shí)候，李文華在車間通宵排纜?！靶抟淮尾邸⒏囊淮谓Y(jié)構(gòu)就要耽誤一周時(shí)間，反復(fù)試、反復(fù)改，一個(gè)月就搭進(jìn)去了?！崩钗娜A說(shuō)，伺服排纜器的每一次往返，都需要精確計(jì)算與實(shí)測(cè)驗(yàn)證，容不得半點(diǎn)誤差。這項(xiàng)技術(shù)不是一次成功，而是無(wú)數(shù)次失敗推出來(lái)的。
“為讓纜繩在萬(wàn)米長(zhǎng)跑中不紊亂、無(wú)損傷、不卡滯，團(tuán)隊(duì)對(duì)滾筒與排纜機(jī)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)十輪優(yōu)化?！蹦贤νC(jī)械有限公司總經(jīng)理婁興建說(shuō)，其中的關(guān)鍵在于開發(fā)一套自適應(yīng)排纜算法，系統(tǒng)需依據(jù)實(shí)時(shí)反饋的纜繩位置、張力變化及已排布層數(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡。
如果說(shuō)排纜解決的是“怎么盤”，那么形變控制回答的是“怎么穩(wěn)”。與鋼纜不同，纖維材料受力后會(huì)產(chǎn)生明顯的拉伸和回縮。這種彈性在短距離內(nèi)可以忽略，但放大到萬(wàn)米尺度，就成了必須精確建模的核心變量。纜繩在絞車上的張力分布、層間壓力傳遞、纖維絲的排列方向，每一個(gè)因素都直接影響最終性能。
在形變控制環(huán)節(jié)，團(tuán)隊(duì)花費(fèi)大量時(shí)間在實(shí)驗(yàn)室模擬深海工況。他們反復(fù)測(cè)量纖維纜在不同張力下的伸長(zhǎng)率、回縮率以及層間摩擦特性，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)帶回?cái)?shù)學(xué)模型修正，直至模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)萬(wàn)米長(zhǎng)度的纜繩行為。江蘇亨通華?？萍脊煞萦邢薰炯夹g(shù)總監(jiān)沈韋韋感慨：“每一根芳綸絲的排列方向、每一層纏繞的張力，我們都反復(fù)計(jì)算和驗(yàn)證了數(shù)十次。”
2024年，“海威GD11000”終于完成陸上測(cè)試，16層纜繩在滾筒上整齊排列，每一層嚴(yán)絲合縫。
決勝深海極地大考
“海試不下來(lái)，所有成果都不算數(shù)?！崩钗娜A深知，實(shí)驗(yàn)室無(wú)法完全模擬深海工況，真實(shí)海況才是終極考驗(yàn)。
2024年南海海試，他親自上船，將長(zhǎng)13000米的纜繩連接纜控水下機(jī)器人（ROV），開展海底觀察取樣作業(yè)，一次次通宵堅(jiān)守，團(tuán)隊(duì)最終順利完成了兩次高難度的海底觀察、標(biāo)志物投放及取樣示范應(yīng)用。當(dāng)設(shè)備成功回收的那一刻，所有人緊繃的神經(jīng)終于放松下來(lái)?！斑@次實(shí)戰(zhàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)對(duì)深海拖曳和ROV作業(yè)的卓越支撐能力，也為后續(xù)的深海探索打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。”李文華說(shuō)。
更大的考驗(yàn)是深海拖曳。在超4000米水深海域，“海威GD11000”兩次拖曳各持續(xù)三天兩夜，拖體張力從預(yù)估2噸飆升至4噸以上，海況惡劣、船體劇烈搖擺。“拖曳作業(yè)不能停，一停就勾住海底，海上修設(shè)備比車間難十倍?！眻F(tuán)隊(duì)咬牙堅(jiān)持。最終，放纜長(zhǎng)度超11000米，長(zhǎng)度最大值11228.7米。國(guó)產(chǎn)絞車成功挺過考驗(yàn)。
真正讓李文華后怕的，是2025年隨“雪龍2”號(hào)赴北極。零下6攝氏度，甲板結(jié)冰，破冰時(shí)全船劇烈震動(dòng)。他擔(dān)心監(jiān)控設(shè)備失靈，用泡沫板墊在關(guān)鍵部件下減震。最驚險(xiǎn)的是9級(jí)大風(fēng)中，船舶漂移導(dǎo)致拖體偏移，纜繩彎曲半徑險(xiǎn)些超標(biāo)，并且船舷兩邊兩塊大浮標(biāo)快速漂移過來(lái)，他當(dāng)機(jī)立斷放纜200米后立刻回收，萬(wàn)一纜繩被浮冰割斷，三個(gè)月航次就白費(fèi)了。他在北極的80多天，一邊獨(dú)自操作維護(hù)，一邊拍視頻、記錄數(shù)據(jù)。
如今，中國(guó)成為全球唯一擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)全海深光電纜絞車系統(tǒng)的國(guó)家。纜長(zhǎng)13000米、工作水深11000米，成本較進(jìn)口低三分之一?！耙郧拔覀冎荒芙邮車?guó)外定價(jià)，我們研發(fā)出來(lái)，他們就降價(jià)甚至退出市場(chǎng)。”李文華說(shuō)，“只有自己做出來(lái)，才能掌握主動(dòng)權(quán)?！?/p>
十年攻關(guān)，那本翻得卷邊的筆記本，記錄著從一無(wú)所知到全球領(lǐng)跑的全過程，見證了團(tuán)隊(duì)“要做就做最難的”初心與堅(jiān)守。
（責(zé)任編輯：蔡文斌）
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