本文转载自：蒋校长（ID:jiangxiaozhang666）
撰文：权周
1820年，俄罗斯航海家别林斯高晋率领的探险队发现了南极大陆，1911年12月，挪威人罗阿德·阿蒙森顺利抵达南极点，到目前为止，一共有30个国家在南极洲建立了80个科考站。
1847年，安德鲁·沃尔夫率领的测量队在喜马拉雅山脉展开测绘，确定珠穆朗玛峰为世界第一高峰，1953年5月，埃德蒙·希拉里完成了首次珠峰登顶，到今天，已经有超过4000余人登上过珠峰。
1961年4月12日，加加林乘坐东方1号进入太空，完成了1小时48分钟的飞行，1969年7月21日，阿姆斯特朗在月球上迈出了人类的一小步，到今天，已经有超过500余人进入过太空。
然而在海洋的最深处，迄今为止只有不到10个人去过。
1872年，英国皇家学会组织了人类历史上第一次海洋综合科考，不同于麦哲伦、哥伦布这样以发现新大陆为目的的航海家，这次考察的主要对象是海洋深处的未知世界。
上百名船员和科学家，驾驶着名为“挑战者”号的蒸汽帆船，在为期1606天的时间内，他们完成了12.7万公里的航行，相当于绕地球三圈多。
考察队完成了492次深度测量并绘制出《大洋深度图》，并且测量出了海洋的最深处——马里亚纳海沟。
在北太平洋西部，靠近马里亚纳群岛的位置，在无尽的汪洋之下，藏着地球的一道伤疤，南北延伸超过2850公里，宽度只有70公里。
它的深度，科考队测量达到6-11千米，是地球已知最深的海沟。
同样被称做地球最大伤疤的东非大裂谷，最深处只有2千米。
在马里亚纳海沟下面，温度低、含氧量低、完全黑暗、同时压力极高，海底火山爆发和地震频繁出现，那是地球上环境最恶劣的地区。
但同时，马里亚纳海沟有深部生物圈、热液与冷泉、深海矿物与化学能源…..这和地球早期的环境十分类似。因此对海底世界展开科考，对研究生命起源和进化具有重要的作用。
地球上的生命源于海洋，资源拓展的边际也在海洋，探索深海，是人类永恒的渴望。
01.渴望深海
最早进入马里亚纳海沟的是的里雅斯特号。
二战结束之后，瑞士人皮卡德父子在比利时国家科研基金会的支持下启动了深潜器研究，之后又在瑞典有关部门支持下来到了意大利，成功研制出名为“的里雅斯特”的深潜器。
从1951年到1953年，的里雅斯特就将潜水深度从1088米提升到3150米，1955年，美国人盯上了这艘深潜器，把的里雅斯特还有皮卡德父子打包拿走，并入美国海军。
1958年，在皮卡德父子和美国海军的强强联合之下，的里雅斯特下潜深度达到5600米，一年后达到7315米，1960年1月，潜入马里亚纳海沟，坐底深度达到10916米。
但的里雅斯特号也有一个很大的短板，就是只能上下控制升降，不能前后自由活动，就像美国海军一位军官所说：除了能证明我们确实到过那里，别的我们什么都没得到。
六十年代，美国在越战还有和苏联的太空竞赛中开销巨大，根本没有余力支撑深海探索，海军中将理科佛只能牢牢捏住预算，根本不愿意给深潜项目拨款。
最后，深潜项目科学家和美国海军反复讨价还价，才拿到用于建设新深潜器的预算，而作为金主，美国海军的要求是，必须可以实现完全自由活动，不能再做深水电梯了。
伍兹霍尔海洋研究所完成了这艘深潜器的设计，并将其命名为阿尔文号。
但尴尬的是，竟然没有一家工厂愿意承建阿尔文号，像通用动力这种专门为海军生产潜艇的大型公司，根本不敢得罪理科佛这样的海军实力派。
最后，竟然是一家隶属于通用面粉公司、专门生产军餐食品机械的工厂承建的阿尔文号。
1964年6月，阿尔文号下水，它最初承担的任务是为军方勘测海底地貌，潜艇在各大洋中穿行时需要掌握海底深度还有地形地貌，阿尔文号就需要帮助潜艇把海底地图画好。
一般的潜艇下潜深度都不会超过1000米，所以阿尔文号的设计下潜深度也并不是太大。
1966年，美军的一架加油机在给B-52空中加油时发生了碰撞，一同坠毁在西班牙附近海域，而这架B-52上，居然带了四颗氢弹。坠毁后只有3颗找到，剩下一颗消失在了地中海里。
是阿尔文号经过34次下潜的努力后，终于在海底找回了这颗氢弹，让整个地中海沿岸国家悬着的心才放下来。
阿尔文号最大的贡献还是在于发现海底热液生态系统。
1977年，阿尔文号在2500米海底发现了“黑烟囱”，这里喷射出的热液温度高达350摄氏度，还有大量的硫化氢、甲烷等气体，没有氧气、没有光线，但却是一片生机盎然。
从细菌到蠕虫再到各种虾蟹，这个生态系统的能量来源完全不是光合作用，而是化学合成作用，这里的生物从各种硫化物还有热能中吸收热量，和我们认知中的其他生命完全不一样。
▲（图源：知乎）
阿尔文号的这个发现非常重要，给科学家解释生命起源还有能量合成提供了全新的思路。
到目前为止，阿尔文号已经进行了超过4000余次下潜，运送工作者12000余人次，拿回样品超过680公斤，更是凭借对泰坦尼克号残骸的勘测拍照荣登时代周刊。
但即便阿尔文号纵横四大洋开展了超过半个世纪的海底科考，从的里雅斯特号坐底马里亚纳海沟之后超过半个世纪的时间里，人类都未曾再次到达这一地球第四极。
一直到2012年，导演詹姆斯·卡梅隆独自驾驶着自己出资设计研制的“深海挑战者号”深潜器进入马里亚纳海沟，坐底深度达到10898米。据说卡梅隆独自下去没带同伴的原因有两个，一方面是他不想和别人一起分享记录，更重要的是出于成本的考虑。
曾经陪着皮卡德坐底马里亚纳海沟的海军中尉沃尔什，作为过来人的身份为卡梅隆打气：别紧张，如果听到爆裂的声音也别担心是潜水器破裂了，如果破裂的话你早就已经死了。
2013年，卡梅隆将这艘深潜器无偿捐给了伍兹霍尔海洋研究所，就是设计研制阿尔文号的那家研究所。
▲卡梅隆将自己的深海探险经历拍成电影
2019年，美国的极限因子号深潜器又一次进入到马里亚纳海沟，十天之内五次深潜四次坐底。
在海底深潜这个领域内，在探索马里亚纳海沟的征途上，长期以来几乎都只有美国这一个玩家。
02.入海，难于上青天
深潜器的下潜和上浮都是通过改变深潜器自身质量实现的，以卡梅隆的深海挑战者为例，它的底部装有两块243千克的压载钢铁，通过重力大于浮力实现下潜，等到坐底后先扔掉一块，潜水器就可以实现悬浮状态自由活动，准备上浮时，就再抛掉另一块压舱铁，快速实现上浮。
想要在水下自由活动，再加上动力系统，想要具备作业能力，再装机械臂，想要有影像摄绘能力，再装相机和照灯，所以从技术原理上来说，深潜器其实很简单。
关键就在于深海压强。
海底一万米，相当于1000个大气压，100兆帕，每平方米承受10000吨的压力！即1000千克/平方厘米，相当于一个指甲盖的大小上站了15个成年人，相当于你小半个手掌上踩了一头非洲象。
为了克服超高压强，科学家想到的办法是将潜水器做成内外连通，下潜后内部浸满海水，电视、电子元件等避免进水的地方提前灌注硅油，并用保护壳罩住，海水通过保护壳间接挤压不易压缩的液体，最终实现内外压强差的基本平衡，内部也达到近乎深海高压的状态。
但是载人舱不行，人类在舱内活动，舱内的气压就得是标准大气压，舱内是1个标准大气压，舱外是1000个标准大气压，99.9兆帕的压差，全都要载人舱的外壳承载。
也就是说载人舱的材料强度能扛住100兆帕就可以咯？当然没这么简单。
我们知道，材料在受到压力时是会产生形变的，压强越大形变越大，当压强达到一个临界值时，材料的形变会突然变大并且不可恢复，相当于材料彻底“垮了”，这个临界点就叫做屈服应力。
比如黄金的屈服应力是205兆帕，优质碳结构钢的屈服应力能达到355兆帕。而10000米深潜器载人球舱的屈服应力，经计算需要达到800兆帕。
与此同时还要考虑内部的原子排列不均匀出现间隙，这种间隙会在压力出现过程中迅速增大，引发宏观断裂，而这种断裂和形变不一样，往往都是毫无征兆突然发生的。
所以不仅要考虑到材料的屈服应力，还要考虑到材料对断裂的抵抗能力，前者是强度要求，后者是韧性要求，只有搞定高强度高韧性的材料，载人舱的安全性才能得到保障。
同时在材料加工过程中还要具备极其精密的成型、冷弯、焊接工艺，保证球舱的可靠性，焊接过程中可能一个点焊的不均匀，在100兆帕的压力下就是巨大的安全隐患。
也正是这样的难度，才使得这条赛道上长期以来都只有美国一个超级玩家。
03.蛟龙入水
我国的深海探索事业起步较晚，始于上世纪70年代。
1971年，“深潜救生艇研制工作组”成立，五年后，深潜救生艇的设计工作完成。1986年，中国第一艘深潜救生艇完成试验，下潜深度300米，随后又提升到600米。
▲中国第一台水下机器人“海人一号”样机
1992年，中船重工702所的科学家团队就提出了研发深海载人潜水器的建议，但当时的国家经济基础和科研条件都比较薄弱，尤其是深潜器所必需的材料研发和加工工艺，国内都不成熟。
但项目组一直都在推进深潜器立项的准备工作。
2001年1月，在美国旧金山。前中船总公司所副总设计师徐芑南接到了无锡的越洋电话。对面是中国工程院院士、原中船重工702研究所所长吴有生：老徐，7000米载人深潜正式立项，我们想来想去决定请你回来，这个总师非你莫属。
徐芑南的主攻方向是深海模拟设备及系统，为潜艇实验提供深海模拟环境。
上世纪六十年代，在国外的技术封锁之下，徐芑南带领团队，只靠着国外公开发表的论文和几张实验室照片，用三年的时间就研制出了我国第一个深海模拟设备及系统，帮助我国的潜艇发展迅速起步。
1996年的时候，徐芑南就因为慢性病缠身办理了退休手续，去美国陪伴家人。但接到了这个电话，他毅然决然地决定回到702所。
“来不及了，必须要赶快回到所里！”
徐芑南带着夫人回到了国内，把家重新又安回了702所的老旧宿舍里。
2002年6月，科技部正式把7000米载人深海潜水器列为863专项，定名为蛟龙号，深海攻坚战就此打响。
按照国家863计划重大专项总设计师的年龄要求，不得超过55岁。因为能进863专项的全都是硬骨头，年龄太大的专家当一把手，身体很难吃得消。但徐芑南就是不服输，在他的一再坚持之下，科技部破例让66岁的他担任总工。
要知道在蛟龙号之前，我国研制的载人潜水器下潜深度最深只有600m，蛟龙号几乎需要从头开始。
副总设计师胡震回忆：为了解决最困难的海水密闭阀问题，和研发单位一起从材料、阀体结构、密封形式、测试技术到加工工艺，每一个环节都要从头开始，经过近三年的时间和无数实验，终于解决了这个难题。
技术领域空白，材料和加工工艺不成熟，更重要的是相关人才的缺位，蛟龙号初期每一步都走的非常艰难。
整个蛟龙号项目，除了702所做主力研发单位之外，还有超过100多个国内单位都进行了协助，相比卡梅隆自己独立出资并找公司制造的深海挑战者号，我们真的可以算是投入举国之力研究这个深潜项目。
也是因为参加单位多，投入人力大，蛟龙号项目才得以成为我国深海潜水方面的黄埔军校。
经过7年的设计和实验室调试之后，2009年8月，蛟龙号开始了第一次出海实验。
搭载蛟龙号的母船“向阳红09号”是一艘有着三十多年船龄的旧船，条件非常差，但徐芑南坚持要随团队一起出海，74岁的徐芑南拉着氧气机还有一箱子的应急药品登上“向阳红09号”，又在船上吃了一个月的土豆萝卜，就是要现场见证蛟龙号的每一次深潜。
当蛟龙号顺利完成1000米海试，团队们欢呼雀跃的时候，劳累过度的徐芑南却突发心绞痛，脸色苍白的瘫坐在控制室的椅子上…….
2010年5月，蛟龙号开启3000米深度海试，共完成17次下潜，4次突破3000米，最大下潜深度达到3759米。
2011年7月，蛟龙号开启了5000米载人深潜海试，下潜深度达到5057米，成功打开5000米大关。共有三名试航员参与执行了下潜任务，崔维成，叶聪，杨波，记住这三个名字尤其是前两个，在未来的十年，他们将成为中国深潜事业的主角。
2012年6月，蛟龙号7000米载人深潜海试开始，崔维成，叶聪，杨波又一次进入无垠深海，6671米，6965米，6963米，7020米，在第四次试潜后，终于突破7000米。
在此之前，全世界只有美国、日本、法国、 俄罗斯 四个国家拥有3000米级载人深潜器，最大下潜深度6500米，蛟龙号用10年的时间，将我国的深潜事业拉升到了一个全新高度。
也是在这一天，蛟龙号3名潜航员与天宫一号3名航天员之间实现了一次通话，海天互通，举国欢腾。
2013年4月，科技部在无锡正式通过了蛟龙号载人潜水器研制项目的验收，12月，徐芑南当选中国工程院院士，他终于完成了毕生的心愿可以安心退休。
而中国载人深潜事业，还将继续向前迈进。
04.坐底万米
蛟龙号是我国载人深潜事业的里程碑。
但科研工作者很清醒，很多基础技术我们仍然很薄弱，是接触国外力量完成的。中国深潜器做到了7000米之后，下一个目标就是提高国产程度。
在这样的背景下，2014年“深海勇士”号项目成立，和“蛟龙号”相比，“深海勇士”的下潜深度“只有”4500米级，但对活动能力和下潜时间的要求则更高。
总设计师胡震（蛟龙号的副总设计师）解释：4500米深度已经覆盖整个南海的探测、下潜开发等方面的需求。此外，国际深海研究热点问题，如海底热液硫化物、海底冷泉等，约为3000米深度，也在“深海勇士”号的下潜范围内。
把下潜深度的要求降低，是为了在活动能力和下潜时间上达到更高的要求，最重要的是，实现关键部件技术的国产化。
所以我们适当降低难度，是为了把步子走的更稳。
载人深潜器最关键的四项技术：
载人球壳，必须以极高的强度承受住海底高压，对材料和加工工艺要求极高；
超高压海水泵，必须在海底高压下实现内外水循环，实现潜水器内外压强平衡；
充油锂电池，以低密度实现推进能量供应，同时电池结构耐高压；
推进器，实现深潜器在海底的悬停、升降和自由活动。
可以说这四项技术，就是载人深潜成功的关键，是保证深潜器下得去、上得来、人员安全的关键。从技术研发，到样机测试，再到深海试验，每一步都必须慎之又慎。
2017年8月，“深海勇士”在南海进行了为期46天的海上试验，共完成下潜28次，最大下潜深度达到4534米，完成测试388项。
深海勇士的主要部件国产率达86.4%，核心部件上的国产率更是达到95%。
蛟龙号趟路，深海勇士号实现国产突破，这两步走完成后，中国载人深潜事业瞄准了新的目标。
坐底马里亚纳海沟，拿下最深的地方。
早在2016年，在深海勇士号实验室研发试验工作结束的时候，“奋斗者”号项目就已经立项，项目组成员大多来自蛟龙号和深海勇士号。其中总设计师就是蛟龙号的潜航员叶聪。
奋斗者号给自己提出了一个巨大的任务，载人舱要一次性地带三个人下去。
要知道项目立项的时候是2016年，2019年美国的极限因子深潜器下水的时候，载人舱里都只有两个人。载人舱的材质是钛合金，卡梅隆的深海挑战者还有极限因子用的都是Ti64，但按照“奋斗者”三人舱的目标尺寸要求，这种材料在强度、韧性等指标上都已经不合格了。
因为钛合金材料存在固有的“尺寸效应”，即尺寸和厚度越大，其均匀性和力学性能越难以保证。
换言之，想要实现3人共同潜入万米深海，我们必须自己研发出世界最先进的钛合金。
最终是中科院的金属研究所，研制出高强高韧、同时易于加工成型的Ti62A。
还有固体浮力材料，密度必须低，同时强度必须高，卡梅隆的深海挑战者号，在上浮过程中，浮力材料已经出现了问题，“形变太大，提供的浮力已经不够了”。这块硬骨头，交给了中科院理化技术研究所解决。
还有海底的水声通信系统，是中科院声学研究所牵头研制的。
哪一个小领域的尖端突破，都离不开多个基础科学的深度支持，在普通人眼中，大国重器突破的每一个难点，其实都是对一个国家综合工业实力的全方位大考。
每一个大国重器背后，都离不开各细分工业领域内的硬实力做保障。
我们几乎从零开始做到7000米，用了10年，把国产化程度做到90%以上只用了5年，挑战万米深海也只用了5年。突飞猛进的中国速度，其实是整体工业的稳扎稳打。
2020年10月到11月，奋斗者号在马里亚纳海沟下潜连续五次突破万米，其中四次坐底，深度达到10909米。
此前的里雅斯特的下潜深度是10916米，极限因子是10928米，因为海沟底部不是平面有一定的起伏 ，所以即便是坐底深度也会有一点差距。
但相比这十几米的深度差距，奋斗者号的提升则更多。
原来的载人舱外壁，都是瓜瓣焊接，就是像瓜瓣一般一片一片地焊接上，这种方法焊缝多工期长，在经过了上千次的优化测试之后，我们摸索出了半球焊接方法，只有一圈焊缝可靠性更高，在强度最高的钛金属Ti62A上应用难度最大的半球焊接，我国的钛合金材料加工技术直接就能达到国际领先水平。
而除了有绝对扎实的技术之外，我们的科研工作者还有无尽的创意。
双船双潜，就是奋斗者号海试中一个非常亮眼的创意。双船是指有两个护航母船做潜水支持保障，双潜则是指两个潜水器共同坐底马里亚纳海沟，除了奋斗者号，另外一个就是无人深潜器沧海号。
此前的深潜器，最多只配备了照明和摄像设备，能看清海底，也能带回影响资料，但作业过程还有活动形态根本无法记录。而伴随奋斗者号一起下去的沧海号，就是它的“御用摄影师”。
沧海号是全球技术最先进的深海着陆器，可以进行万米海底4K级超高清视频的拍摄、采集和传输，奋斗者号的矫健奋斗身影，完全可以在沧海号的镜头里实时记录并回传到水上。
在工作时，沧海号预先下潜到海底，确定奋斗者号坐底位置，然后运行内部程序，将机器人凌云号唤醒，作为二号机位和沧海号的摄影师。二者完成了海底初步情况的“踩点”和踏勘之后，奋斗者号开始向海底进发，利用声学通信和探测雷达完成定位，最后从沧海号的上方缓缓进入画面中央，稳坐在镜头前。
这样稳妥的设计和奇思妙想的创意，最终让万米海底世界尽收于我们普通人的眼底。
多个关键技术和材料达到国际先进水平，整体部件国产化率超过96.5%，奋斗者号成为全球范围内深海探索领域的真正重器，而且还是全球第一档。
05.开启新模式
我们征服深海的脚步依然没有停下来。
“海洋很大，可以做的事情很多，拥有一台载人潜水器很好，有两台会更好，这会让我们国家建设海洋强国的机会更多一些。”
这是蛟龙号的三位试航员之一，原702所所长崔维成的心愿。
2012年，当蛟龙号成功完成了7000米海试之后，崔维成就明确了自己的下一个目标，走出体制，利用商业化力量推进深潜事业。
从93年进入702所任高级工程师，一直干到所长，再到12年离开，崔维成是整个中国深潜事业的第一见证者，但他同时也在思考我们的研发模式。
做蛟龙号，我们投入了上百家国内科研机构，奋斗者号由702所和中科院分别牵头，20多家科研所，13家高校，60余家企业。
在攻坚突破阶段，举国力量干大事的体制确实能把能量集中到最大化，但科研攻关完成了，走向成果转化和市场民用领域时，国家配置力量就不再是最优解。
也是在2012年，卡梅隆的深海挑战者号完成深潜，这艘仅仅12吨、只能容纳一人的“小玩意”，投资只有1000万美元，设计是卡梅隆和一个澳大利亚工程师一起完成的，制造则是找的外部工厂，虽然深潜过后部分材质出现了损坏，但整体的性价比仍然非常高。
这对崔维成的触动是巨大的。
蛟龙号成功了，中国有了自己的技术储备，为什么我们的深潜器不能也走这条路线，它不一定要很完美，而是需要根据目标和企业的需求做定向研制。
带着这个目标，2013年3月，崔维成离开了702所，在上海海洋大学组建了“深渊科学技术研究中心”，选择“国家投入+民间资金”的新模式。他说，“为国家培养一支年轻的研究队伍，比我一个人能做的贡献要大得多。”
崔维成联合上海企业家成立“彩虹鱼”公司，他的目标就是做出深潜领域的SpaceX，对深潜事业的发展，崔维成认为最大的卡点就在于钱。
“第二代载人万米深潜器如果交给美国来做，根本不用等到2012年，但小布什把钱都用来打仗了，给科研的钱就少了。”
“美国航天也是，过去几十年里基本没什么进步，就是因为NASA经费不足，给我们往前追赶一步的机会，科学需要大量地砸钱，只有投入大，才能持续保持行业的领先。”
敢于走向市场，就是因为看到了当下的机会，对于自己在做的事情，崔维成信心十足。
经过过去二三十年经济发展，现在我们已经到了这个时间点，有能力做到这个事情。
2016年，彩虹鱼团队的三台万米级着陆器成功通过海试，科考母船“张謇号”顺利完工。2018年，第二代万米级着陆器完成海试，基本实现国产化。
如今，崔维成正紧锣密鼓地开展载人深潜器的万米试验，在奋斗者号成功之后，我们同样期待彩虹鱼号的成功。
而彩虹鱼还有一个更宏伟的愿望，在海底建造一座海底空间站用于科考，届时全世界的深海探测器都可以来这里开展科考获得补给。
写在最后
西方国家对中国一直有一个指责，就是说我们坐享人类公共文明的成果，说我们总是摘桃子搞二次加工，但在基础学科上和前沿科学上的突破不够。
这本质上还是经济账。当我们基础条件不好，人民生活水平不高的时候，我们的科研投入大多指向“证明自己”和“实用主义”，为中国争一口气，给人民美好生活，这是科研工作者的最大动力。
当我们经济条件好了之后，科学家有了余力，有了基础，有了更宽松的科研环境之后，转向基础研究将会是水到渠成的事情。
那些在基础研究领域，那些在“似乎看不见回报”的科研领域，我们曾经落下的课，都会慢慢补上。
我们要让时间说真话，中国在基础学科领域未来究竟会做出什么成绩，过二十年后，我们不妨再看。
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