專訪總設計師:如何讓「夢想號」鑽探到11,000公尺深地?
作為我國自主設計建造的首艘大洋鑽探船,「夢想號」總長179.8米、型寬32.8米,高81.2米,相當於25層樓房的高度。它配備最先進的液壓舉升式鑽探系統,最大鑽探深度可達11,000公尺。目前,世界各地已有的大洋鑽探船除了“夢想”號外,還有美國的“決心”號與日本的“地球”號,它們最大的鑽探深度分別為9150米和10000米,而“夢想”號最大鑽探深度可達11,000米,是世界上已有大洋鑽探船所能鑽探到的最大深度。總台記者專訪了「夢想號」總設計師張海彬,一起看看他與「夢想號」的故事。
記者:打到11000公尺深是什麼概念?
張海彬:我們大洋鑽探最初的目標是要打到地球的莫霍面,莫霍面是地球地殼跟地函的一個分界面,實際上地殼在陸地上和海洋上是厚薄不均的,平均的厚度大概是17公里,但是在陸地上達到33公里,而在海洋大概只有6公里,所以從海上來說能鑽到莫霍面的難度會相對低一些。因此我們大洋鑽探船的一個目標,就是要在海上能達到鑽到莫霍面的需求。它從海面到莫霍面總的鑽深的距離是在7500到11000公尺之間,也就是說我們在莫霍面鑽探的鑽位選擇上,具有更大的靈活性。
地球由內至外由地核、地函、地殼組成。如果把地球比喻成一個雞蛋,地殼是蛋殼,地函是蛋清,地核是蛋黃,莫霍面位於地殼和地函之間,就像蛋殼和蛋清之間的那層薄膜。上個世紀初,科學家開始重視莫霍面的研究,因為這對於了解地球的內部結構、地殼均衡狀態以及火山地震等地殼活動具有重要意義,也有助於推動地質勘探和資源開發,促進地球系統科學發展。然而,由於鑽探技術限制和地球內部極端的環境條件,人類至今仍未能成功鑽探到莫霍面。而「夢想號」超強的深海鑽探能力,也將有望幫助人類率先實現鑽達莫霍面、探索地球內部奧秘的夢想。
張海彬:上面鑽台中間是有一個轉盤,將來在鑽探的時候,鑽桿就是通過這個轉台上面連接,通過中間的孔洞伸到海底,每根鑽桿長度是9.5米,需要一千多根,總共是可以達到11000公尺。
除了大洋科學鑽探之外,「夢想號」還可以執行深海油氣勘探和天然氣水合物勘查試採等國家戰略任務。天然氣水合物被認為是繼石油和天然氣之後的主要替代能源,覆蓋了全球90%的海洋和30%的陸地。根據科學家預測,全球天然氣水合物的儲量約為石油、煤炭、天然氣總和的兩倍,至少能夠供人類使用1000年。也正是基於海洋天然氣水合物開發需求,中國地質調查局早在2008年就開始醞釀「夢想號」功能定位的論證。
記者:當時有沒有可能投入實務去做?
張海彬:在當時,實際上我們國家在高端海洋工程裝備領域的自主研發能力還是比較薄弱的,我們走過了從引進消化吸收,再到逐步獨立自主研發設計的過程。
張海彬長期從事船舶與海洋工程裝備研發設計工作,2014年,他曾受邀登上美國「決心號」大洋科考船參觀,那次參觀讓他深有觸動。
張海彬:當時我印象最深刻的是船上即將隨船踏上南海科考之旅的中國科學家。因為在跟他們溝通的過程中,他們對「決心號」是非常羨慕的。他們說,如果我們國家能有這樣一個自己的大洋鑽探船該有多好,這樣我們就不用交著昂貴的會費,用國外的大洋鑽探船去執行科考任務。
記者:要交多錢呢?
張海彬:如果是執行我們國家提出建議書的航次的話,這個費用一次就要超過1000萬美元。
在當時,中國科學家要搭乘外國科考船進行科考活動,還面臨諸多製約。
記者:如果中國的科學家搭乘了別的國家的科考船,拿回來的實驗樣本是歸人家的船,還是歸中國科學家呢?
張海彬:它其實是歸船,而不是歸中國科學家。所以只能在船上進行實驗分析,然後再得到一些結果。但是這個樣本本身的保存權不在我們,所以這一點是受制於人的。
記者:這個經驗對於後來很快就會到來的這個設計,有什麼影響?
張海彬:我覺得我們有責任和使命做這樣的事情,也正是這種責任和使命,支撐著我們在後面的船型研發過程中不斷地攻堅克難。
2017年,在國家發展改革委、自然資源部申報下,「夢想號」正式立項籌建,中國船舶集團有限公司第七〇八研究所副總工程師張海彬出任「夢想號」總設計師。
記者:接到這個任務的時候,你們要怎麼評估這個任務?
張海彬:當時在超深水鑽探裝備研發設計領域,我們還是一個「學步的孩子」的時候,就要去完成奔跑,甚至跨越障礙,這的確是非常大的一個挑戰。大洋鑽探船被譽為深海科技領域的航空母艦,其中的難度可想而知。實際上是從我們團隊本身來講,還是有信心完成這樣的一個任務的。
張海彬:因為我們整個的船舶工業是在不斷提升的過程中的,我們這個計畫發揮了全國各單位的力量。不只是我們七〇八所,也不只是我們中國船舶集團,全國有150餘家單位參與進來,實際上這個計畫發揮了我們舉國體制的優勢。
2019年春,「夢想號」獲得可行性研究的核准,隨後進入初步設計階段。
記者:進入哪個階段的時候,真正的難就來了?
張海彬:我覺得最難的階段,還是初步設計階段。初步設計階段其實就是許多方案的落地,一些創新的想法都是在這個階段萌發的。
記者:身為船舶設計師,你心目中的夢想是什麼?做出一艘什麼樣的船,目標是什麼?
張海彬:我的夢想就是為我們科學家研發一艘用得起、用得好的大洋鑽探船。這個船可以概括來講,就是“三高一低”,高就是我們這個船舶平臺本身的綜合性能最高,鑽探作業系統的鑽探作業能力最高,船上實驗能力最高。一低就是我們整個船舶運作的成本要最低,這樣才能夠讓我們中國的科學家,全球的科學家更願意用這艘船。
那麼,如何做到營運成本低呢?研發團隊在對美國的「決心號」和日本的「地球」號的比較分析中得到了啟發。
張海彬:這裡面我們發現了一個比較有趣的現象。美國的「決心號」雖然船齡比較老,作業功能也有限,但是它實際上在國際大洋鑽探中,反而使用得非常多,為大洋鑽探服役了整整四十年,直到2024年9月才退役。而日本「地球號」大洋鑽探船,它的整個功能更加先進,但由於它的噸位比「決心號」大很多,差不多是要五倍還要多,整個運營成本非常高,反而在大洋鑽探中使用得不多。我們也了解到,大洋鑽探是一種公益性科學研究的活動,整個計劃的實施也需要各個參與國提供匹配經費,對於大洋鑽探船來說,除了它的作業功能之外,對整個運營的經濟性也有非常高的要求。所以我和我的團隊就下定決心,一定要為全球的科學家研發一艘用得起的大洋鑽探船。
記者:就是說船大可能成本就大,出去一次花的錢可能就多,因此先把它的個頭弄小,但是個頭小對於設計者來說是不是就難了?
張海彬:是的,因為我們要在這麼小的船型尺度的限制條件下要實現更多的功能,對我們來說具有非常大的挑戰性。
最終,「夢想號」設計噸位為33,000噸,不到「地球號」大洋鑽探船總噸位的60%。雖然個子小了,但是它要實現的功能並沒有減少,以作業模式為例,「地球號」大洋鑽探船隻有兩種,而「夢想號」卻實現了四種。
記者:這個難度有多高?
張海彬:這對我們來說是一個非常大的挑戰。怎麼樣以“小噸位”來實現“多功能”,包括大洋科學鑽探、深海油氣資源勘探、天然氣水合物勘查。我們總結下來,相當於要實現四種作業模式,這是在以往的國外的船型中所沒有的。
記者:現在沒資料、沒例證,對你們來說,敢往前走嗎?
張海彬:我們必須硬著頭皮往前走,因為這是我們中國科學家對這艘船的期盼。我們在以往的專案過程中,可能更採用定性的思維,提出這樣的一個需求來進行功能上的疊加,去滿足這樣的要求。如果我們還是沿用常規做法,我們這四種作業模式,實際上最後做出的方案很可能就是一艘超出日本「地球號」的船。雖然我們有了這樣一個大洋鑽探船,但因為營運成本高,科學家還是用不起,還不是一個成功的計畫。所以說在整個過程中,就不能用常規的方法,需要打破常規的思考定式。
研發團隊創新提出了「小噸位、多功能、模組化」設計概念,成功解決了大洋科學鑽探、深海油氣勘探和天然氣水合物勘查試採等多種功能同船融合設計的難題,完成了創新船型方案、新型連體雙月池、DP-3級蓄能閉環電網等多項國際首創設計,研發了具有完全自主知識產權的大洋鑽探船,在國際上實現了船舶尺度規模控制和綜合性能水平的超越。
張海彬:這就是我們配置的全球首套岩心自動傳輸儲存系統,它可以把海上鑽上來的岩心自動進行出入庫,岩心從井架取出來之後,首先是進入實驗室。
張海彬:切割完差不多就是1.5公尺的長度,這個岩心分剖成兩半之後,其中一半是運到船的岩心庫,另外一半就會運到外面的這個基礎地質研究室進行分析。
張海彬:這個就是我們基礎地質實驗室一個開放的實驗區,一半的岩心就會放在這個區域,供科學家採樣,進行相對應的分析研究工作。
記者:那就是隨便在這裡放開了研究,沒人限制了。
張海彬:我們自己的大洋鑽探船,我們中國科學家有自主權了。
「夢想號」打造了全球面積最大、功能最全、流程最優的海上移動實驗室,總面積超3000平方米,可全面滿足海洋領域全學科即時實驗的需求。
張海彬:這裡有個微生物實驗室,岩心拿到船上之後,可以對這個岩心裡面的微生物的情況進行分析,這有各種分析的設備。
記者:這叫虛位以待,都準備好了。
張海彬:就等著我們正式鑽探取出岩心之後,在這裡進行科學實驗分析。
據介紹,「夢想號」續航力15,000海裡,自持力120天,載員180人。它的穩性和結構強度以16級超強颱風安全要求設計,可在6級海況下正常作業,具備全球海域無限航區航行作業能力。
張海彬:我們在進行鑽探作業的時候,比較關鍵的是要維持船舶位置的穩定。如果位置偏移過大的話,很有可能拉斷鑽桿,如果造成更嚴重的情況,有可能會損壞井架的頂驅的設備。
記者:接下來實踐過程中,如果風浪很大,靠什麼讓船能巋然不動?
張海彬:這就要靠動力定位控制系統了,我們配置最先進的DP-3級的動力定位控制系統,來控制這個船的七台推進器。船下面的螺旋槳能夠發出推力,來抵抗外界的風浪流負荷。
11月17日,經過近十年時間的奮戰,張海彬與上萬名參建者迎來了激動人心的時刻,「夢想號」在廣州正式入列。中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平發來賀信,指出「夢想號」海試成功並正式入列,標誌著我國在深海進入、深海探測、深海開發上邁出了重要一步,是建設海洋強國、科技強國所取得的另一個重大成果。在2025年新年賀詞中,國家主席習近平再次提到了我國自主設計建造的首艘大洋鑽探船「夢想號」,展現了我國在深海科技領域的重大突破和逐夢深海的豪情壯志。
記者:當你知道你自己設計的船入列的時候,當時心裡是什麼想法?
張海彬:我們這個船入列是在17日的下午進行的,我提前一天就到達了廣州,徹夜難眠,第二天早早地來到了入列儀式的現場,迫不及待地等待對於我和我的團隊來說無比重要的一個時刻。當宣布「夢想號」正式入列那一刻,這種激動的心情達到了最高點。當時我的眼睛濕潤了,這十年來我們研發設計和建造團隊在整個過程中,克服了很多的困難,在那一刻,我們覺得我們所有的辛苦都變得非常有意義,我們中國人完全獨立自主研發設計和建造的大洋鑽探船,終於夢想成真。