材料百态

近日，在南海海域的广州海洋地质调查局“海洋地质二号”科考船上，一套崭新的绞车系统正迎来它的重要时刻。随着缆绳一米一米沉入深海，控制室里所有人都屏住了呼吸。

“11228.7米！”当技术人员报出这个数字时，大连海事大学教授李文华悬了多年的心终于放下了。作为“深海和极地关键技术与装备”项目的首席科学家，他带领团队耗时数年攻关的全海深光电缆绞车系统“海威GD11000”，完成了最关键的验证。

回望十年攻关路，绳缆为先。它是连接万米深海与甲板操控的“生命线”，没有自主可控的缆绳，再先进的潜水器也如同断线的风筝。2016年，团队向13000米非金属铠装轻质缆发起攻关，相继突破轻量化、大容量、超长传输三大难题，实现了我国深海科考核心装备从自主可控到全球领先的跨越。

破解绳缆自重困局

绞车究竟有多重要？李文华打了一个形象的比方：绞车是深海设备往返海底的唯一通道，缆绳则是承载载荷的核心“桥面”，其性能直接决定全海深科考成败。然而，传统深海绞车采用金属铠装钢缆，自重过大，堪称这一领域最关键的技术瓶颈。

随着下潜深度增加，钢缆自重会急剧放大。李文华说，想要突破深度限制，实现轻量化，关键就在于革新缆绳材料。

为此，团队开启了漫长而艰难的材料选型之路，先后对比了碳纤维、超高强度聚乙烯纤维、LCP纤维、芳纶纤维等多款候选材料，逐一开展强度、模量、密度、耐磨性等多维度测试，却屡屡碰壁。

“强度够了扛不住长期蠕变，抗蠕变好了又太重，重量轻了却经不住反复疲劳。”李文华回忆，那段时间，团队成员整天泡在实验室里，反复对比数据、优化测试方案，历经数月筛选，才最终将目光锁定芳纶纤维。这种材料密度仅为钢的五分之一，强度却远超钢材，可让缆绳自重锐减三分之二，是综合性能最优的非金属承力纤维材料。但新材料的短板同样突出，成为攻关路上的拦路虎。

“芳纶纤维摩擦系数较大，多股层间磨损会导致强度下降；而且非金属材料缠绕受力时，形变远大于钢缆。”李文华坦言，两大难题直接制约万米级缆绳的实海作业。

为攻克这两大瓶颈，李文华牵头组建产学研联合体，联合江苏亨通华海、南通力威机械、浙江四兄绳业协同攻坚。团队通过添加芳纶层间隔离层、优化编织结构，将缆绳的承力芳纶层间的抗磨损性能提升了一个数量级；同时建立张力—形变模型，重新设计排缆工艺，保障超长距离收放受力均匀。

从材料选型到工艺验证，团队在曲折中摸索，每一步都走得如履薄冰。李文华说，团队反复开展强度、形变、疲劳测试，仅1000米级试验缆就完成三四轮测试，每轮耗资数十万元。13000米全长缆造价数百万元，一旦报废将直接冲击项目经费，必须通过小样本反复验证。

“所幸这并非一个团队的单打独斗。”李文华介绍，产学研联合体在无数个深夜的攻关中，硬是用轻质纤维缆替代了沉重钢缆，成功破解了深海装备自重过大的困局。

攻克超长缠绕难题

材料难关刚过，更棘手的问题又摆在眼前：13000米长的非金属铠装光电缆，要像蛇一样一圈圈盘在绞车滚筒上，一层压一层，整整16层。

“每层中间不能有间隙。如果有间隙，压上一层后形变就会传递，整盘缆就报废了。”李文华说，这不仅是机械问题，更是一道复杂的数学和算法难题。16层缠绕，意味着任何一层出现微小偏差，都会被后续数十层逐级放大，最终导致整盘缆绳乱层、挤压甚至损坏。

攻坚最紧张的时候，李文华在车间通宵排缆。“修一次槽、改一次结构就要耽误一周时间，反复试、反复改，一个月就搭进去了。”李文华说，伺服排缆器的每一次往返，都需要精确计算与实测验证，容不得半点误差。这项技术不是一次成功，而是无数次失败推出来的。

“为让缆绳在万米长跑中不紊乱、无损伤、不卡滞，团队对滚筒与排缆机构进行了数十轮优化。”南通力威机械有限公司总经理娄兴建说，其中的关键在于开发一套自适应排缆算法，系统需依据实时反馈的缆绳位置、张力变化及已排布层数，动态调整伺服电机的运动轨迹。

如果说排缆解决的是“怎么盘”，那么形变控制回答的是“怎么稳”。与钢缆不同，纤维材料受力后会产生明显的拉伸和回缩。这种弹性在短距离内可以忽略，但放大到万米尺度，就成了必须精确建模的核心变量。缆绳在绞车上的张力分布、层间压力传递、纤维丝的排列方向，每一个因素都直接影响最终性能。

在形变控制环节，团队花费大量时间在实验室模拟深海工况。他们反复测量纤维缆在不同张力下的伸长率、回缩率以及层间摩擦特性，将实测数据带回数学模型修正，直至模型能够准确预测万米长度的缆绳行为。江苏亨通华海科技股份有限公司技术总监沈韦韦感慨：“每一根芳纶丝的排列方向、每一层缠绕的张力，我们都反复计算和验证了数十次。”

2024年，“海威GD11000”终于完成陆上测试，16层缆绳在滚筒上整齐排列，每一层严丝合缝。

决胜深海极地大考

“海试不下来，所有成果都不算数。”李文华深知，实验室无法完全模拟深海工况，真实海况才是终极考验。

2024年南海海试，他亲自上船，将长13000米的缆绳连接缆控水下机器人（ROV），开展海底观察取样作业，一次次通宵坚守，团队最终顺利完成了两次高难度的海底观察、标志物投放及取样示范应用。当设备成功回收的那一刻，所有人紧绷的神经终于放松下来。“这次实战验证了该系统对深海拖曳和ROV作业的卓越支撑能力，也为后续的深海探索打下了坚实的基础。”李文华说。

更大的考验是深海拖曳。在超4000米水深海域，“海威GD11000”两次拖曳各持续三天两夜，拖体张力从预估2吨飙升至4吨以上，海况恶劣、船体剧烈摇摆。“拖曳作业不能停，一停就勾住海底，海上修设备比车间难十倍。”团队咬牙坚持。最终，放缆长度超11000米，长度最大值11228.7米。国产绞车成功挺过考验。

真正让李文华后怕的，是2025年随“雪龙2”号赴北极。零下6摄氏度，甲板结冰，破冰时全船剧烈震动。他担心监控设备失灵，用泡沫板垫在关键部件下减震。最惊险的是9级大风中，船舶漂移导致拖体偏移，缆绳弯曲半径险些超标，并且船舷两边两块大浮标快速漂移过来，他当机立断放缆200米后立刻回收，万一缆绳被浮冰割断，三个月航次就白费了。他在北极的80多天，一边独自操作维护，一边拍视频、记录数据。

如今，中国成为全球唯一拥有完全自主知识产权全海深光电缆绞车系统的国家。缆长13000米、工作水深11000米，成本较进口低三分之一。“以前我们只能接受国外定价，我们研发出来，他们就降价甚至退出市场。”李文华说，“只有自己做出来，才能掌握主动权。”

十年攻关，那本翻得卷边的笔记本，记录着从一无所知到全球领跑的全过程，见证了团队“要做就做最难的”初心与坚守。

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