“成功的原因只有一個，考慮到所有細節”

2021年8月24日，在西太平洋菲律賓海盆，一艘名為“探索一號”的科考船，載著眾多科研裝置，正在進行深海試驗。劉廣平參與研制的“全海深沉積物氣密取樣器”就在這艘船上，準備潛入7700米深的海底進行它的第一次深海試驗。迎著呼嘯的海風，訓練有素的潛航員把取樣器安放在“奮斗者”號潛水器的采樣籃里，劉廣平全神貫注地盯著潛水器潛入海里。

從菲律賓海盆到馬里亞納海溝

劉廣平對此次海試很有信心，因為在過去幾年時間里，取樣器歷經了無數次實驗室試驗、高壓倉試驗、湖水試驗，每次試驗各項指標都能達到技術指標要求。但在等待取樣器回收的過程中，他的內心依然不能平靜。

8個小時后，取樣器回收至甲板上，科考船上的專家第一時間對試驗結果進行了評估：“取樣器沒有可靠密封，壓力沒有保住。”4位專家得出同樣的結論。

聽到此消息，劉廣平異常冷靜，他想到了學校海洋實驗室科研帶頭人萬步炎教授常說的那句話：“失敗有無數個原因，但所有的成功只有一個原因，那就是考慮到全部細節。”他開始跟團隊成員再次復盤所有細節。

這次深海試驗是搭載在“奮斗者”號潛水器上進行的，“奮斗者”號潛水器對試驗設備的重量有嚴格限制，所以團隊想盡一切辦法控制重量。因為陸地實驗發現，設備上的排水閥作用并不明顯，而且增加排水閥，就要增加一個動作，也就增加了機械手操作的難度。為了減輕重量、減小機械手操作難度，團隊再三斟酌，決定在海試的時候取掉排水閥。

想到這里，劉廣平內心一顫：問題會不會出在這個排水閥上？其他團隊成員排查了多個可疑點后一致認為，極有可能就是這個問題導致保壓失敗。團隊立即組織安裝排水閥，并在科考船上測試。

一個星期后，在西菲律賓海盆7700米深的海底，“全海深沉積物氣密取樣器”兩次成功取到了保壓沉積物樣品，兩次保壓率都達到了94%以上，得到海上試驗評審專家的一致肯定——“這一取樣試驗的結果表明，我國在7000米級深度條件下有能力獲取深淵環境的高質量保壓沉積物樣品”。

此次海底沉積物取樣成功后，馬里亞納海溝海底測試的審批下來了，科考船繼續向馬里亞納海溝航行。這次，劉廣平團隊的目標是馬里亞納海溝10000米海底的沉積物。試驗異常順利，“全海深沉積物氣密取樣器”搭載在“奮斗者”號上成功完成10000米深海沉積物原位保壓取樣。

深海取樣有萬難

2016年，劉廣平作為導師彭佑多教授在湖南科技大學海洋方向的第一個研究生，進入海洋實驗室，開始參與“全海深沉積物氣密取樣器”的研制。從方案制定、設計計算，到關鍵技術攻關、加工制造、現場調試他一做就是五六年。

“全海深沉積物氣密取樣器”的研制，難題幾乎都來自深海環境。首先是深海的高壓力，為保證取到“原位”的深海沉積物樣品，需要突破一個很關鍵的技術就是，不僅要取樣成功，還須保證所取樣品的原位環境不變——要求取樣器從海底回收至甲板后，取樣器內的壓力變化小于20%。

“我們提出了一種取樣裝置與保壓裝置獨立的機構設計方法，面對深海環境，這種保壓裝置要密封、保壓，還要抗海水腐蝕，這就要求保壓裝置筒體的壁很厚，又不能過重其中最難的是保壓。”劉廣平說。

“海底10000米的壓力大概是110兆帕，到底有多大呢？相當于一頭成年大象站在一個手指甲上形成的壓力”

如何在取到深海沉積物放進取樣器后，還能保住海底巨大的壓力環境呢？“取樣器取到深海沉積物后，在回收上岸過程中，由于內外壓差的增大，筒體會膨脹變形，體積增大又會導致內部壓力降低。壓降過程中怎么去補償壓力？換句話說就是怎么去填補由于體積增大而缺失的水，當時我們就想到了通過活塞將水壓入到保壓筒內。”

經過周密的計算、畫圖，成百上千次試驗一種活塞式壓力補償裝置設計出來了。這其中怎么在高壓下驅動活塞運動是一個核心難題，“當時國內其他行業保壓裝備多數采用液壓補償，而液壓補償必須用到的液壓油，如果用在深海沉積物取樣器里，會對樣品產生污染。”于是，劉廣平調動原來學到的機械專業的所有知識和技能，從取樣機理開始研究。他想過用彈簧，但彈簧的力很難被精確控制，海底巨大壓力下彈簧需要的力很大，一旦控制失效，整個壓力補償器就報廢了。經過無數次集體研討，不斷地修改方案，最終選擇用相對安全的惰性氣體氮氣進行活塞驅動。

針對不同活塞密封材料、密封方式和壓力補償器的容積，每一個問題他們都要進行無數次試驗。

為了模擬深海高壓環境，劉廣平與團隊利用每年暑假進行裝備的高壓實驗室測試。由于高壓實驗的特殊性，每天實驗測試時間都超過10個小時。為能夠準確獲取每個時間段的測試數據，飯點蹲守和熬夜測試已是家常便飯，累了只能支一張小床在工作室休息一會兒。

“氣溫30攝氏度以上，在沒有空調的廠房里工作不算什么，關鍵是不能出事兒。氣體在高壓下‘就像一個定時炸彈’，為把危險系數降到最低，我們必須極度謹慎地設計實驗的每一步，力圖做到萬無一失。”劉廣平說。

從沉積物到宏生物

2019年， 劉廣平開始參與研制另一個裝置——“全深海宏生物保壓采樣系統”。與取到深海沉積物樣品并在密閉空間保持海洋環境不同，這個裝置要取到活的海底生物，并轉移到培養釜，在實驗室進行培養。

海洋中深度大于6000米的海溝和斷裂帶區域被稱為“深淵”。深淵環境壓力大、溫度低、黑暗無光、構造活躍、地震密集、生命奇特，分布著特有的洋流運動，與上層海洋、海底及海底以下圈層之間存在著廣泛的物質和能量交換。這里孕育了地球上最神秘的生態系統。然而，由于深淵巨厚水層和極高靜水壓力的阻隔，長期以來科學界對深淵生命、環境和地質過程的了解十分有限，深淵區域至今仍然是地球上最為神秘的極端環境之一，人類對其了解程度甚至低于月球表面。劉廣平的這個課題，就是要助力海底6000米至10000米深淵的生物研究。

研究的最難點是如何取到活性生物，團隊攻破關鍵技術，提出了一種泵吸式低損傷取樣的方法。為了保證深海宏生物低損傷取樣，劉廣平首次建立了深海獅子魚的模型，并進行材料力學性能試驗后，對采集過程中生物的動態響應進行了分析，為泵吸式深海生物采樣器管道材料選擇和泵吸工藝優化提供了理論依據。制作保證生物低損傷的柔性手柄、研究和控制抽吸力度等，劉廣平團隊進行了無數次的設計、計算、測量、討論和仿真試驗

2022年2月，劉廣平團隊研制的“全深海宏生物保壓采樣系統”參與首次中國-新西蘭聯合潛TS29-1航次科考，團隊每個人都期待著項目能夠順利完成，但結果卻不盡如人意，海底萬米的宏生物樣品取回來了，壓力卻沒保住。

返航后，他們常與黑夜作伴，尋找問題出在哪里。“萬步炎教授在一次討論中，建議考慮繼續測試翻板密封閥中翻板的偏心角度到底多大才能保證密封性最好。這給了我很大的啟發。”劉廣平說。又經過無數次與專家討論、完善方案、測試、修改2023年9月，團隊帶著反復修改的深海生物取樣裝置重新出發，前往南海參與“探索一號”TS-36-1航次的海底試驗，這次他們成功完成國內首次4000米水深宏生物保壓采樣和轉移試驗，為國家的深淵科學研究再添新的技術支撐。

目前，劉廣平團隊想做的事更具挑戰性：他們要取到萬米海底的生物，然后轉移到培養釜，在實驗室原位培養1至3個月，目標是極具研究價值的深海獅子魚。他們正在試驗泵吸式生物取樣器和潛水器的適配性，爭取實現主動式精確捕獲深海宏生物活性樣品。可以想象這樣的畫面：在餌料吸引下，深海宏生物來到泵吸式生物取樣器前，被一股不大不小的吸引力，毫發無傷地抽吸進取樣器內，然后被原位地回收至甲板上，在超高壓力下轉移到培養釜中生活。

這樣的取樣器，可以為從事海底生物研究的科學家們提供非常有利的條件。“我是為科研而做科研，為更多海洋科學家的研究服務。”劉廣平說。

（劉廣平，2012年至2023年，在湖南科技大學完成機械工程專業本科、碩士和博士學習，畢業后留校任教。他碩士階段進入海洋實驗室以來，一直專注于深淵沉積物、海底生物取樣技術與裝備研發。作為科研骨干，他深受“海牛”精神影響，研制的全海深沉積物氣密取樣器，搭載“奮斗者”號潛水器完成海底萬米沉積物保壓取樣試驗，參與研制的“全深海宏生物保壓采樣系統”在新西蘭克馬德克海溝開展作業應用。）