1802.4米、1929.9米、1955.8米、2048.5米、4102.8米……漆黑的深海，復(fù)雜的海況，崎嶇的海底地形，5次探采，最終著底4102.8米，并成功取回深海多金屬結(jié)殼與結(jié)核——近日，中國(guó)深海重載作業(yè)采礦車首次實(shí)現(xiàn)了在4000米深海底開展深海礦產(chǎn)資源試開采的試驗(yàn)，這也標(biāo)志著中國(guó)深海重載作業(yè)裝備創(chuàng)新研發(fā)取得重要的突破性進(jìn)展。

由上海交通大學(xué)自主研制的深海重載作業(yè)采礦車工程樣機(jī)“開拓二號(hào)”。本文圖均為上海交通大學(xué)供圖（除署名外）

近日，由上海交通大學(xué)自主研制的深海重載作業(yè)采礦車工程樣機(jī)“開拓二號(hào)”，在成功完成深海試驗(yàn)航次后，搭乘“向陽(yáng)紅03”號(hào)科考船順利返回廈門，海試取得圓滿成功。此次海試，“開拓二號(hào)”5次探采，創(chuàng)下了中國(guó)深海采礦領(lǐng)域的6項(xiàng)紀(jì)錄，技術(shù)性能達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平。

近日，“開拓二號(hào)”在成功完成深海試驗(yàn)航次后，搭乘“向陽(yáng)紅03”號(hào)科考船順利返回廈門。

探底四千余米，海底礦巖鉆進(jìn)與采集能力強(qiáng)大

大洋海底蘊(yùn)藏著豐富的多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和多金屬硫化物等礦產(chǎn)資源，富含銅、鈷、鎳、錳等重要關(guān)鍵材料，應(yīng)用價(jià)值極高。比如，金屬鈷是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要材料之一，但目前在這款材料上，中國(guó)還比較依賴國(guó)外進(jìn)口。

“深海采礦，對(duì)一些重要的材料，實(shí)現(xiàn)自主采掘、儲(chǔ)備是很重要的。”海試首席科學(xué)家、上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院教授楊建民說。

楊建民（圖中）。

楊建民介紹，長(zhǎng)期以來，深海采礦在國(guó)際上存在三大技術(shù)難題：一是礦區(qū)海底地形異常復(fù)雜，裝備安全行進(jìn)困難；二是深海礦產(chǎn)賦存形式與物理特性復(fù)雜多樣，高效開采收集困難；三是深海重載作業(yè)裝備在海上風(fēng)浪條件下，安全布放回收困難。

“海底地形崎嶇，海況條件比較復(fù)雜，海底采礦裝備不僅需要在這樣的環(huán)境中來去自如，還要具備開采和收集能力，并且能有效地回收。其中的每一個(gè)環(huán)節(jié)，都要經(jīng)過海試的考驗(yàn)。”楊建民說。深海礦產(chǎn)資源開發(fā)是典型的海洋高科技產(chǎn)業(yè)，需集深海工程科技、海洋科學(xué)探索、海洋資源綠色開發(fā)利用于一體。

6月19日啟航，6月28日返航，全程歷時(shí)10天。這次深海試驗(yàn)，“開拓二號(hào)”在海底多金屬結(jié)殼與結(jié)核礦區(qū)，連續(xù)成功完成了5次下潛，其中4000米級(jí)深度1次，2000米級(jí)深度4次，采礦車分別達(dá)到了1802.4米、1929.9米、1955.8米、2048.5米和4102.8米等深海海底，這是國(guó)內(nèi)深海重載作業(yè)采礦車首次在4000米以下的海底開展深海礦產(chǎn)資源試開采試驗(yàn)。“我國(guó)深海礦產(chǎn)資源從勘探向開發(fā)，‘開拓二號(hào)‘將作出重要貢獻(xiàn)。”楊建民介紹。

“開拓二號(hào)”采集到的深海礦產(chǎn)樣品。

“開拓二號(hào)”還展現(xiàn)出了強(qiáng)大的海底礦巖鉆進(jìn)與采集能力，對(duì)緊密附著在堅(jiān)硬礦巖上的多金屬結(jié)殼、淺埋于稀軟深海沉積物中的多金屬結(jié)核等不同類型海底礦物進(jìn)行了高效開采收集，成功獲得了200多公斤的多金屬結(jié)殼、多金屬結(jié)核、海底基巖等各類深海礦產(chǎn)樣品。

無論是坡度達(dá)30多度的陡峭、崎嶇海山，還是由高粘性稀軟沉積物堆積的海底“灘涂”，“開拓二號(hào)”都能順利行進(jìn)、爬坡和原地回轉(zhuǎn)。為了讓采礦車的行進(jìn)更加自由，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了相關(guān)技術(shù)，不需要任何人工操控，可以自主感知采礦環(huán)境，四條履帶能夠根據(jù)海底實(shí)際地形實(shí)時(shí)調(diào)整方向和狀態(tài)，適應(yīng)海底復(fù)雜地形行走的需要，這在國(guó)內(nèi)也是首創(chuàng)。

楊建民介紹此次海試成功的五項(xiàng)重要意義。澎湃新聞?dòng)浾哙u佳雯圖

六個(gè)“突破”，崎嶇海底行進(jìn)、采礦如履平地

據(jù)團(tuán)隊(duì)介紹，“開拓二號(hào)”的研發(fā)，共實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)同類研究的6個(gè)“突破”。

一是首次實(shí)現(xiàn)了深海重載作業(yè)采礦車布放作業(yè)水深突破4000米大關(guān)，達(dá)到4102.8米，并獲得了大量多金屬結(jié)殼、多金屬結(jié)核等深海礦產(chǎn)樣品；

二是首創(chuàng)深海復(fù)雜海底地形高機(jī)動(dòng)行進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了30度以上陡峭海山、深海稀軟沉積物等各種復(fù)雜海底地形的安全、穩(wěn)定行進(jìn)；

三是首創(chuàng)深海多礦類復(fù)合鉆采技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多金屬結(jié)殼、多金屬結(jié)核等不同類型礦石的高效開采與收集；

四是首創(chuàng)深水重載作業(yè)智能精細(xì)控制技術(shù)，形成了作業(yè)路徑智能規(guī)劃、跟蹤與避障能力，實(shí)現(xiàn)了深水厘米級(jí)精準(zhǔn)定位；

五是首創(chuàng)非金屬纜深海重載布放回收技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了4100米水深重載裝備布放回收，安全工作負(fù)載等指標(biāo)位居國(guó)內(nèi)前列；

六是創(chuàng)新深海環(huán)境擾動(dòng)監(jiān)測(cè)評(píng)估技術(shù)，采礦車還搭載了環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)海底羽狀流生成擴(kuò)散、水下作業(yè)噪聲等環(huán)境影響情況進(jìn)行了全面監(jiān)測(cè)與評(píng)估，為中國(guó)深海礦產(chǎn)資源勘探與綠色環(huán)保開采提供了珍貴的一手材料和數(shù)據(jù)。

“開拓二號(hào)”團(tuán)隊(duì)。

隨船參加海試的青島海洋地質(zhì)研究所深海地質(zhì)與礦產(chǎn)室副主任黃威表示，“開拓二號(hào)”具備高效、穩(wěn)定地采集深海多金屬結(jié)殼礦石的能力，針對(duì)附著在斜坡基巖之上的多金屬結(jié)殼，它的切削能力可以把結(jié)殼和基巖快速分離開，高效地把結(jié)殼礦石吸入集礦箱。

此外，該深海采礦車的爬坡和避障能力可以讓它在復(fù)雜地形環(huán)境下實(shí)現(xiàn)多方向進(jìn)行，從而大范圍覆蓋結(jié)殼礦區(qū)，提升礦石采收率。而在深海采礦車的布放與回收這個(gè)技術(shù)難點(diǎn)上，“開拓二號(hào)”的表現(xiàn)也很好，可以連續(xù)5天在6級(jí)風(fēng)、4級(jí)海況條件下作業(yè)，成功完成了多次、連續(xù)深海布放、海底作業(yè)與提升回收，裝備安全性、可靠性得到了檢驗(yàn)。

“深海是一個(gè)非常復(fù)雜的環(huán)境，未來除了采礦以外，我們或許還可以基于目前積累到的技術(shù)儲(chǔ)備，挑戰(zhàn)更多的海底作業(yè)。”楊建民說。

在重大科創(chuàng)成果的背后，從最初的一個(gè)設(shè)想，到蔚藍(lán)大海的海試，“開拓”系列深海采礦車首席科學(xué)家楊建民一干就是十年。“2013年，國(guó)外深海采礦裝備研發(fā)早已經(jīng)達(dá)到了一定水平，但是在國(guó)內(nèi)相關(guān)研發(fā)還沒有完全起步，當(dāng)時(shí)我就覺得在深海探采這方面，中國(guó)需要填補(bǔ)空白。”楊建民說。

其間，他帶著團(tuán)隊(duì)主動(dòng)對(duì)接國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，先后成功研制了深海重載作業(yè)采礦車“開拓一號(hào)”與“開拓二號(hào)”。其中，深海采礦車“開拓一號(hào)”2021年成功實(shí)現(xiàn)了1305米深海試驗(yàn)。新一代深海重載作業(yè)采礦車“開拓二號(hào)”，主要由深海采礦車主體、大承載光電復(fù)合臍帶纜和重載布放回收絞車等多型裝備組成，長(zhǎng)6.0米，寬3.0米，高2.5米，重量約14.0噸，設(shè)計(jì)作業(yè)水深6000米，具備深海多金屬結(jié)殼、多金屬結(jié)核與深海硫化物等多類型礦產(chǎn)綜合開采能力，技術(shù)性能達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際一流水平。

上海作為海洋工程裝備科技創(chuàng)新重鎮(zhèn)，也是全國(guó)唯一集船舶海工研發(fā)、制造、驗(yàn)證試驗(yàn)和港機(jī)建造的城市，產(chǎn)業(yè)鏈較為完整、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)突出，擁有一批致力于深海資源開采的科研創(chuàng)新資源，研發(fā)優(yōu)勢(shì)突出。上海市發(fā)改委也在近年來布局一批重大科研項(xiàng)目，支持優(yōu)勢(shì)研發(fā)單位開展深海資源開采關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，將加快形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新成果，搶占未來經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展制高點(diǎn)，使上海在國(guó)家海洋強(qiáng)國(guó)重大戰(zhàn)略中發(fā)揮更大作用。