新闻周刊丨劈波斩浪的“黑珍珠”

2022-03-07 11:05 大众报业·半岛新闻阅读 (144678) 扫描到手机

本期撰稿/摄影 半岛全媒体首席记者 王永端 实习生 温瑱瑱

初春的青岛依旧寒冷,但气温超过28℃的三亚早已满目苍翠、遍地鲜花。

在海南三亚港,一台重达百公斤的小型智能机器,从科考船转运上岸,踏上返回青岛“老家”的行程。

这台智能机器,学名叫“黑珍珠”波浪滑翔器。3个多月前的2021年11月12日,它搭乘“向阳红01”船从青岛出发,驶往遥远的东印度洋,并在该海域布放。48天的时间里,它累计自主航行1349公里,完成了该海域跨赤道海气要素的观测。这在我国,还是第一次。

茫茫大海、挺进深蓝。

采集海面气温、海水温度,近距离观测台风、为印度洋研究提供重要的高频观测基础数据……这台集50多项国家发明专利于一身的波浪滑翔器,一边服务于我国的科研和我们的生活,一边担负起海洋科技创新的重任。

乘风破浪的“黑珍珠”

双体结构、水面母船长2.2米、波浪滑翔器配备6对水翼、总重量100千克;可以抵抗12级台风、最大生存浪高10米,续航里程可达1万公里,续航时间可超过1年。

“黑珍珠”,电影《加勒比海盗》里最快的一艘船,一个所向披靡的存在。电影里,“黑珍珠”在茫茫大海上一往无前,抵御狂风骇浪。孙秀军希望,他和他的技术团队研发的波浪滑翔器,也能在茫茫大海中勇猛坚毅,创造奇迹。正因为此,他才把自己和团队辛苦的结晶,命名为“黑珍珠”。

汪洋大海中的波浪滑翔器

双体结构、水面母船长2.2米、波浪滑翔器配备6对水翼、总重量100千克;靠海浪驱动前行,太阳能电池板为观测设备提供能源,即便在无光的状态下,也可至少连续工作一周;可以抵抗12级台风、最大生存浪高10米,续航里程可达1万公里,续航时间可超过1年。一连串的数字,足以说明这颗“黑珍珠”的科技身价。

2021年11月初,高身价的“黑珍珠”又迎来一次实践检验。中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室“青年英才工程第一层次”教授孙秀军接到了一项任务,他主持研发的“黑珍珠”波浪滑翔器需做好远赴东印度洋执行科考的准备。

科考任务由自然资源部第一海洋研究所牵头实施。孙秀军意识到此次任务意义重大,急忙与研发团队研究,选择适合此次科考的波浪滑翔器。

“到东印度洋考察什么,波浪滑翔器上就需要配备什么观测设备。”很快,他和团队做好了出发前的所有准备,将“黑珍珠”送上了“向阳红01”科考船。

作为自然资源部第一海洋研究所海洋与气候研究中心主任,方越对“黑珍珠”的特点可谓了如指掌。选择它参与这次科考,主要是因为它灵活可控的移动性,以及在海洋和大气界面观测上的技术优势。

波浪滑翔器在海上起吊

“这是我国首次在该海域利用波浪滑翔器开展跨赤道海气要素的高密度观测。”方越说,“‘黑珍珠’的总体性能在国内领先,完全能胜任。”

2021年11月12日,“黑珍珠”搭乘“向阳红01”船,驶离青岛,奔赴遥远的东印度洋。

“从青岛到东印度洋的观测海域,海航共需24天。”到达东印度洋指定海域后,工作人员按照预案,将波浪滑翔器小心翼翼布放到茫茫大洋。

波浪滑翔器家族

挺进东印度洋

海上的航行并非漫无目的地随波逐流。通过铱星通信,孙秀军和团队可以随时设定或更改它在东印度洋的科考路径。不论是在车上还是研发基地,他和研发团队的指定成员,只要打开笔记本电脑,就能实时监测“黑珍珠”的移动状态和移动路径。

离开“向阳红01”船的“黑珍珠”劈波斩浪,开始了自己长达48天的工作。

茫茫大洋里,“黑珍珠”利用波浪动能不停地在海面上行进,而无论它走多远,一举一动都在孙秀军研发团队的掌控中。

波浪滑翔器在布放中

“这是一台无人智能设备,不但长着‘眼睛’,还有‘耳朵’。”说起“黑珍珠”,孙秀军的脸上洋溢着骄傲的神色,“它在洋面上眼观六路耳听八方,而且,还能听到海面以下的动静。”

海上的航行并非漫无目的地随波逐流。通过铱星通信,孙秀军和团队可以随时设定或更改它在东印度洋的科考路径。不论是在车上还是研发基地,他和研发团队的指定成员,只要打开笔记本电脑,就能实时监测“黑珍珠”的移动状态和移动路径。

孙秀军在研发车间

大洋上的船只,水下的礁石,包括气象、海浪、风力、海水的温度、盐度,以及鲸和鱼群,“黑珍珠”都可一览无余,并且实时将资料和数据传输到指挥终端。

“通俗地说,这就是一台无人航行器,它小小的身板上集中了50多项发明专利。”“黑珍珠”的研发,经历了多年不间断的技术更迭,它不但可获取科研人员所需的海洋数据,在海上遇到礁石或障碍物时也会自行躲避。

按照此次科考任务的时间安排,在东印度洋观测48天的波浪滑翔器,于2022年1月22日被回收。随着起吊命令的下达,百公斤的波浪滑翔器回收到了科考船甲板上。

科考人员准备布放“黑珍珠”波浪滑翔器

“这犹如离开母亲多日的孩子,看到它,所有科研人员都很激动。”方越感叹于“黑珍珠”的能量,“在茫茫大洋上开展如此高密度的海气界面观测,几乎不可能通过人工完成,波浪滑翔器是完成此类科考任务的一个‘利器’。”

又经历数日海航,载着波浪滑翔器和全体科研人员的“向阳红01”船,从印度洋抵达我国时下鲜花盛开的海南三亚港。这个在大洋上累计航程1349公里、为海洋和气候研究立了大功的波浪滑翔器又被打包,通过陆路顺利地回到了位于青岛的自然资源部第一海洋研究所。

“黑珍珠”波浪滑翔器顺利返回,意味着此次科考任务的圆满完成。

“向阳红01”科考船

深蓝梦想

此次“黑珍珠”在东印度洋海域跨赤道海气要素的观测,为印度洋研究提供了重要的高频观测基础数据。再次展示了波浪滑翔器作为一种新兴海洋移动观测手段,在海洋与气候变化研究中的广阔应用前景,对于支撑海上丝绸之路观测网建设具有重要意义。

此次科考中,“黑珍珠”主要采集了海面风速、风向、气温、气压以及海水温度、浪高、浪向等数据,这些数据每10分钟实时回传至岸基监控终端。波浪滑翔器远赴东印度洋科考,是基于我国保护海洋生态、应对气候变化和为21世纪海上丝绸之路建设提供保障的需要。

说起来高大上、集多种高科技于一身的“黑珍珠”,跟我们的生活有什么关系?这个问题,方越了解得很清楚。虽然印度洋远离中国大陆,但在印度洋上发生的一些特殊海洋和大气现象,却可以通过大气环流进一步影响东亚季风系统,从而影响中国,特别是华南地区的降水分布。就中国气候预测而言,我们不仅要考虑太平洋的厄尔尼诺现象,同时还要考虑印度洋偶极子和季风变化的影响。“我国的天气之所以难以预测,在一定程度上也是因为受到了印度洋海气变化复杂性的影响”。

方越研究员接受半岛全媒体独家专访

此外,海洋和大气界面的精细化观测数据,对于研究海气相互作用极其重要,然而这些数据难以通过人工或常规海洋观测手段获取,波浪滑翔器是采集此类观测数据的最有效手段之一。此次“黑珍珠”在东印度洋海域跨赤道海气要素的观测,为印度洋研究提供了重要的高频观测基础数据。再次展示了波浪滑翔器作为一种新兴海洋移动观测手段,在海洋与气候变化研究中的广阔应用前景,对于支撑海上丝绸之路观测网建设具有重要意义。

2月11日,山东省委海洋发展委员会第五次会议召开,会议强调,要推动海洋科技创新,建设海洋重大科技创新平台,做强海洋科技领军企业,打通科研成果转化通道,打造高水平海洋人才高地。

会议集结号吹响之时,位于青岛蓝谷研发基地的制造车间,一台新型波浪滑翔器静静安放在这里。这是我国研发的第三代波浪滑翔器,最快将于今年年底挺进深蓝大海,届时这一国之重器将赶上美国当前应用的第三代波浪滑翔器,为我国的海洋监测领域开启新的征程。

海的方向

“其实人一生,潜心做一两件事就够了。哪怕研究个马桶,将马桶研究好,研究到极致,也是对人类的贡献。”说这话之前的孙秀军没有想到,出生于山东半岛内陆、世界足球起源地淄博的他,事业之路竟指向了大海的方向。

翻阅孙秀军的博客,从2010年6月9日的第一篇文章,到最近2022年2月12日的更新,一共26页内容,几乎成了他的一本在线工作日记,丝粉栉比间,是《我国波浪滑翔器技术发展历程》、《波浪滑翔器工程化技术研究开发填补国内行业空白》、《专业波浪滑翔器项目简介》。而他最钟爱的,无疑是那颗“黑珍珠”。

“黑珍珠”波浪滑翔器在东印度洋被回收

与海结缘

“去美国之前,我在天津大学从事海洋无人装备研究。”2010年,作为“黑珍珠”波浪滑翔器研发团队总负责人,孙秀军在国家留学基金委的资助下前往美国佐治亚理工学院,在电气与计算机工程专业接受联合培养。

一年的美国之行让孙秀军学到了很多知识,也极大地开阔了视野。在实验室里,他不放过每一次研究机会,当来自他国的联合培养者徜徉着异国他乡的美景时,他却埋头苦读,仔细钻研。回国之后,他获得了天津大学机械电子工程专业工学博士学位。

“既然学了工科,就要将学术进行传承。”孙秀军说,不管后来走到哪里,都不曾忘记导师对他的叮嘱。后来他执着地从事海洋无人装备的研发,与导师的教导有很大关系。

“其实人一生,潜心做一两件事就够了。哪怕研究个马桶,将马桶研究好,研究到极致,也是对人类的贡献。”

获得博士学位后,进入国家海洋技术中心深远海及海底探测技术研究室的孙秀军,先是成为一名工程师,后成为副研究员,继而成为港口、海岸及近海工程专业硕士生导师。

“海洋装备不能只停留在样机状态,要成为国家需要即可使用的货架产品。”在孙秀军看来,海洋装备是海洋强国建设的基石,停留在专利和论文上的海洋技术,对我国的海洋强国建设不能发挥效能,必须要落到海洋装备和海洋工程上。

为此,孙秀军带着研发团队在实验室里进行各种数据的实验。

饱尝酷暑严寒,对于科学家和工程技术专家而言,最欣喜的莫过于一个个难关被攻克,一个个山头被拿下。孙秀军也不例外。

直径仅1米的圆桌,是孙秀军的办公与监控平台

海上遇险

机会总是青睐有所准备的头脑。当国家号召科研战线持续向科学技术高峰发起冲锋时,孙秀军经过多年研发的波浪滑翔器已现雏形,此时的他开始向相关部门申报,并争取进入国家立项。

“当时国内并没有波浪滑翔器研发的相关报道,尽管如此,争取到这一项目也确实不容易。”基于自己研发的样机在功能上已经取得了较大进步,以及自己的竞争答辩第一名的实力,孙秀军的项目得到了专家组的认可,一次就争取到了580万元的项目研发经费。

“当时也有其他人申请这一项目,但其他的申请者既没有原理样机,也没有翔实的数据支撑,位列其后。”孙秀军说这话,是有硬实力撑腰的。

这一年是2014年,为了这个项目,他此前已经进行了整整3年的研发。

拿到项目,有了经费,孙秀军带着5名研究生再次扎进实验室,让原理样机一步步变身为工程样机。工程样机的出现,也就意味着可以下海进行试验了。

工程样机的首秀,定在了青岛。

滑翔器在船舱接受检测

“我们将样机布放到大海里,看它的自主导航能力、观测海洋气象数据的能力、抵御风浪和其他各类风险的能力。”孙秀军说,一次试验不是一天两天,至少需要半个月以上的时间方可完成。

首次海试结束,工程样机运回天津,他们将得到的数据一一进行分析,通过一次次技术更迭,帮助波浪滑翔器样机完成了一次次“进化”。

2017年下半年,孙秀军团队的工程样机再次从天津启程,奔赴青岛,以千里岩为中心点,计划进行为期半年的海试。不料,当样机布放入海第99天时,观测平台上传回了样机机能异常的信号。

“有渔民往渔船上拖拽样机!”发现这一情况后,孙秀军等人一边让守在青岛市区的同事向千里岩附近赶,一边向距千里岩较近的烟台海阳警方求助,同时将这一情况上报渔业监管部门。

“其实渔民在海上发现了这个东西,也不知道到底是个什么,只是对滑翔器上的太阳能电池板等设备感兴趣。”这位渔民更不知道,波浪滑翔器会自主发出信号,正是凭着这个信号,孙秀军等人找到了那名海阳渔民的家中,及时完好地收回了滑翔器。

因为这个意外,正在进行中的试验不得不中途结束。彼时,滑翔器已经在海上累计航行了3595公里。

从“0”开始

如同在进行一场电子竞技,孙秀军征服大海的装备在手中不停地升级,工程样机被先后布放到渤海海域、黄海海域、东海海域以及南海海域开展试验。

“在不同海域开展试验,目的是测试不同海洋环境下工程样机的性能、功能和采集海洋环境数据的能力。”孙秀军说,因为青岛海域的区域面积、海气环境、海浪状况以及水深等因素,让他们将试验的重点海域选择在了青岛。为此,青岛海域也成为布放次数最多的海域。

工程样机的可靠性几何?这些除了数据说话外,还需第三方机构鉴定。当样机最后一次布放大洋3个月,并实时将数据传输给团队和第三方机构时,孙秀军的项目宣告成功。

“应该说,我国第一台波浪滑翔器的成功下水是一个壮举,有人认为值得庆贺。”可孙秀军认为,“当时我们的设备与美国设备相比,仍有很大差距。”

为了缩短这段“距离”,已掌握核心技术的孙秀军竟决绝地在原有基础上从“0”起步,开始对我国的第一代波浪滑翔器进行技术更新。

“刚掌握核心技术,再从‘0’起步,实则比起初起步更为艰难。”孙秀军说,“打破之前的规则,每走一步都是突破。”

不久之后,他苦心研究的波浪滑翔器有了“黑珍珠”这个名字。

波浪滑翔器在汪洋大海中

装备“撒手锏”

2018年1月,孙秀军正式“落户”青岛,成为中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室“青年英才工程第一层次”教授、“透明海洋”工程团队技术骨干,同时还是“海哨兵”波浪滑翔器研发团队总负责人。

这些头衔的背后,是来自扎实的学术素养与研发高精尖科技能力的支撑。

2019年6月起,孙秀军又接过中国海洋大学信息科学与工程学部海洋装备技术方向博士生导师、计算机应用技术方向硕士生导师的重任。

身为多学科导师的孙秀军边教学,边向我国第二代波浪滑翔器的研发进军。

“我们所说的二代滑翔器,与美国的二代技术处在同一水平。”孙秀军说,若实现这个目标,我们必将要投入更多的精力、人力、物力和财力。

苦心研究的动力,源自于助力海洋强国建设的梦想。在孙秀军看来,建设海洋强国,首先要装备强,装备是工具、是手段、是“撒手锏”。预报海洋气象、预警海洋灾害、预测海洋生态、为21世纪海上丝绸之路提供各类保障,没有高科技装备、没有这个“撒手锏”不行。

多年来,科学家一直在研究黑潮及其延伸体区域的海气相互作用规律,以更好服务海洋机理认知,更好地对未来进行模拟和预测。然而,黑潮及其延伸体区域无论是海洋动力过程还是气象条件均十分复杂。受限于恶劣海况,人们无法很好地在该区域开展系统性的现场观测,导致海洋观测数据匮乏。波浪滑翔器正可弥补这一观测空缺,实现在海区大范围、长期无人值守观测,实现海洋数据的累积。

“总不能让科研人员穿着泳装下海去测量数据,也不能总是依赖科考船让科研人员冒着风险去科学考察。”孙秀军说,“有了波浪滑翔器这个无人化装备,我们便可以到达全球绝大部分海域,海上科研实力就会大大增强。”

福岛探“核”

孙秀军提到的“全球绝大部分海域”里,就包括2011年日本强震后的福岛核电站附近海域。

2011年,日本福岛强震导致核电站泄漏。多年来,核泄漏对福岛周边海洋生物及我国等国海域生态危害几何,一直让人心生困扰。为了揭秘答案、拿到精准数据与证据,“黑珍珠”波浪滑翔器曾前往周边大洋。

“寻找这样的数据和证据,对波浪滑翔器而言并不难。”说起那次取证,孙秀军的语气有些轻描淡写。当时,他们仅依靠波浪滑翔器和搭载的设备,加上办公室的一个电脑,就实现了对福岛核泄漏放射性物质的取证。

同时,“黑珍珠”波浪滑翔器还是国内首次、也是唯一开展过台风常态化观测的波浪滑翔器平台。近距离观测台风主要是进行大气、水体物理参数的全程记录,以此了解台风生成、发展和消亡中的关键海洋大气要素的变化,据此掌握台风的大小、路径和强度等的变化规律,以更好地预测和预报台风及海气环境的变化,服务我们的生产生活。2017年至2020年期间,“黑珍珠”先后结识了台风“天鸽”、“帕卡”“玛娃”“丹娜丝”“韦帕”“白鹿”“玲玲”和“米娜”等,顺利完成了观测任务。

赴远海、挺进深蓝、探秘大洋,不是波浪滑翔器服务人类的唯一目标。

2020年9月15日,我国黄海海域,长征十一号海射运载火箭将“吉林一号”高分03-1组卫星送入预定轨道——“一箭九星”,其发射海域的水文、气象等实况精准数据,就是提前布放在发射海域的“黑珍珠”所提供。

还有海警、海监、海巡,在茫茫大海上单靠人力和执法船打击非法活动,不是一件容易的事。有了波浪滑翔器出手,它就是永不休眠的执法者,会全时、全天候在海上盯着,非法偷渡、非法走私、休渔期私自出海的渔船,都会纳入它的监控视线。

近海“捕”鲸

如果说,实现放射性物质取证、近距离观测台风,还让人感觉跟自己的生活风马牛不相及,那么2018年波浪滑翔器在青岛近海的一个发现,却引起了市民和业界的极大关注。

2018年8月下旬,孙秀军与国家深海基地管理中心副研究员杨志国等人,将自容式水听器挂载在波浪滑翔器上,测量青岛近海海洋环境噪音时,捕获到了一种奇特的声音。

“当时我们高度怀疑这种离奇的声音来自某种海洋哺乳动物。”孙秀军说,“但这种声音依靠我们自己的知识和经验,无法甄别和确认。”

身为英国南安普顿大学与英国国家海洋中心访问学者的杨志国博士,将捕获到的声音带到英国进行鉴别,最终确认,声音是虎鲸或伪虎鲸发出的。

在此之前,青岛海域已经多年未进行大型海洋哺乳动物生活习性、种类、存量和迁徙习惯的调查。波浪滑翔器挂载水听器捕获的声源信息,证明了青岛近海存有大型海洋哺乳动物。

这一声源信息的发现,随后得到印证。2020年8月,青岛第三海水浴场附近有人拍到鲸鱼出没的照片,引发震动与讨论。

“人类发展与生物发展长期共存。”目前,孙秀军和他的团队已经联合我国多家海洋科研机构,开展了外海大洋区域性阵列观测的常态化部署,将波浪滑翔器的海洋观测由南海、东海推进到西太平洋、西北太平洋等区域,30多个节点有效支撑海气界面的观测。这些从青岛蓝谷驶向世界大洋、对陌生领域充满“好奇”的波浪滑翔器,未来定会揭开海气界面或界面以下更多未知或难知的秘密。

一米圆桌上弄海潮

有着广阔视野的孙秀军,将波浪滑翔器研发基地落户青岛蓝谷,成立了青岛海舟科技有限公司。此时,二代波浪滑翔器技术成为国家重点研发计划项目。

经过团队持之以恒的技术革新与拓展,二代技术毫无悬念地被攻克。这不光让我国实现了海上环境监测数据由点到面的跨越,作为“撒手锏”的二代波浪滑翔器还挺进西太平洋、东印度洋、白令海,进行气象水文调查、水质生态监测、海洋声学观测、卫星遥感验证。

除了授课和赶往一些学术机构做研讨,几乎每天早上8时30分,孙秀军会准时出现在研发基地,对跟随自己的各专业研究生开展学术指导,听取机械、电控、智能、监控以及商务部门的技术汇报。而他的办公平台就是墙角一张直径仅有1米的圆桌,圆桌不但是他的待客交流点,还是他打开笔记本电脑查看和指挥波浪滑翔器远洋运行的平台。

“海洋科技创新和创业,离不开各级政府的全力支持,更需要有一个稳定的、专注的团队。”刚入不惑之年的孙秀军接到一个新任务——建立深海大洋无人移动观测阵列,实现长期实时稳定的数据回传,为海洋强国大科学计划出拳。