身懷絕技，勇闖萬(wàn)米海底

“奮斗者”號(hào)，了不起（科技自立自強(qiáng)）

“奮斗者”號(hào)正在注水下潛。中國(guó)科學(xué)院供圖

搭載“奮斗者”號(hào)的“探索一號(hào)”船（前一）。 中國(guó)科學(xué)院供圖

核心閱讀

11月28日，“奮斗者”號(hào)完成萬(wàn)米深潛海試任務(wù)并順利返航。“奮斗者”號(hào)啟航以來(lái)，在馬里亞納海溝完成13次下潛，其中8次突破萬(wàn)米，創(chuàng)造10909米的中國(guó)載人深潛新紀(jì)錄……不斷刷新的數(shù)字背后，是抗壓、控制、通信、浮力等多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域的技術(shù)攻關(guān)，體現(xiàn)著我國(guó)自主研發(fā)深海裝備技術(shù)的突破和進(jìn)步。

11月28日，“奮斗者”號(hào)全海深載人潛水器圓滿(mǎn)完成萬(wàn)米深潛海試任務(wù)，順利返回海南三亞。

10月10日，“奮斗者”號(hào)從三亞崖州灣南山港碼頭啟航，前往西太平洋馬里亞納海溝海域?qū)嵤┤f(wàn)米深潛試驗(yàn)任務(wù)。此后，一路捷報(bào)頻傳——

10月27日，下潛首次突破萬(wàn)米；11月10日，創(chuàng)造了10909米的中國(guó)載人深潛新紀(jì)錄；11月13日，完成了世界上首次載人潛水器與著陸器在萬(wàn)米海底的聯(lián)合作業(yè)，并進(jìn)行了視頻直播……截至11月19日，“奮斗者”號(hào)在馬里亞納海溝海域共開(kāi)展了13次下潛，其中8次超過(guò)萬(wàn)米。

外觀酷似一條綠色大頭魚(yú)的“奮斗者”號(hào)，是國(guó)際上首次可以同時(shí)搭載3人下潛的萬(wàn)米載人潛水器。本領(lǐng)如此高超，要?dú)w功于它有著一顆強(qiáng)大的“中國(guó)心”，在多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)和重要材料領(lǐng)域，擁有很高的國(guó)產(chǎn)化程度，核心部件國(guó)產(chǎn)化率超過(guò)96.5%。

抗高壓

新型鈦合金材料制成寬敞而結(jié)實(shí)的載人艙

潛入萬(wàn)米海底，首先要攻克的難關(guān)就是巨大的水壓。被稱(chēng)為“地球第四極”的馬里亞納海溝，完全黑暗、溫度極低，是地球上環(huán)境最?lèi)毫拥膮^(qū)域之一。海溝1萬(wàn)米深處，水壓接近1100個(gè)大氣壓，相當(dāng)于2000頭非洲象踩在一個(gè)人的背上。“奮斗者”號(hào)如何做到不懼高壓極端環(huán)境，在萬(wàn)米海底自由行走？

關(guān)鍵在于載人艙。載人艙是全海深載人潛水器的核心關(guān)鍵部件，是人類(lèi)進(jìn)入萬(wàn)米深海的硬件保障和安全屏障，也標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家載人潛水器的技術(shù)水平。

“奮斗者”號(hào)的載人艙呈球形，能夠同時(shí)容納3名潛航員。此前，也有國(guó)外深潛器依靠球形載人艙成功挑戰(zhàn)了萬(wàn)米重壓，但艙體空間僅能容納1到2人，無(wú)法搭載更多的人和設(shè)備。為了讓“奮斗者”號(hào)的載人艙體既寬敞又結(jié)實(shí)，還足夠靈巧輕盈，科研人員沒(méi)少費(fèi)心思。

中科院金屬研究所研究員、全海深載人潛水器載人艙項(xiàng)目負(fù)責(zé)人楊銳說(shuō)：“載人艙作為整個(gè)潛水器里規(guī)格最大的一個(gè)耐壓容器，制作材料十分特殊，其成敗直接關(guān)系著整個(gè)潛水器的成敗。”

在萬(wàn)米海深的極端壓力條件下，按照“奮斗者”號(hào)的目標(biāo)尺寸和厚度要求，以往深潛器使用的材料都已不能達(dá)標(biāo)，需要找到一種高強(qiáng)度、高韌性、可焊接的鈦合金。“國(guó)際上沒(méi)有制造先例，也找不到國(guó)外廠家生產(chǎn)，唯一的出路就只有我們自己造。”楊銳說(shuō)。

于是，中科院金屬研究所聯(lián)合國(guó)內(nèi)多家企業(yè)和研究所，組建起全海深鈦合金載人艙研制“國(guó)家隊(duì)”，經(jīng)過(guò)一系列調(diào)研論證、研究實(shí)驗(yàn)，攻克了載人艙材料、成型、焊接等一系列關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。楊銳說(shuō)：“我們獨(dú)創(chuàng)的新型鈦合金材料Ti62A成功解決了載人艙材料所面臨的強(qiáng)度、韌性和可焊性等難題。”

操控準(zhǔn)

先進(jìn)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度航行控制

深海一片漆黑，地形環(huán)境高度復(fù)雜，“奮斗者”號(hào)要避免“觸礁”風(fēng)險(xiǎn)，得依靠控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)指揮。

為此，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的科研人員，針對(duì)深淵復(fù)雜環(huán)境下大慣量載體多自由度航行操控、系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行等技術(shù)難題進(jìn)行了攻關(guān)，讓“奮斗者”號(hào)的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)的在線(xiàn)智能故障診斷、基于在線(xiàn)控制分配的容錯(cuò)控制以及海底自主避碰等功能。

中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研究員、“奮斗者”號(hào)副總設(shè)計(jì)師趙洋說(shuō)：“我們?cè)O(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法，能夠讓‘奮斗者’號(hào)在海底自動(dòng)匹配地形巡航、定點(diǎn)航行以及懸停定位。其中，水平面和垂直面航行控制性能指標(biāo)，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。”

此外，研究人員還為“奮斗者”號(hào)裝上了一雙高度靈活且有力的“手”。“潛水器使用了我們研發(fā)的兩套主從伺服液壓機(jī)械手開(kāi)展萬(wàn)米作業(yè)，每套手有7個(gè)關(guān)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)6自由度運(yùn)動(dòng)控制，持重能力超過(guò)60公斤，能夠覆蓋采樣籃及前部作業(yè)區(qū)域，具有強(qiáng)大的作業(yè)能力。”中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所水下機(jī)器人研究室副主任張奇峰說(shuō)。憑借這雙“手”，“奮斗者”號(hào)順利完成了巖石、生物抓取及沉積物取樣器操作等精準(zhǔn)作業(yè)任務(wù)，填補(bǔ)了我國(guó)應(yīng)用全海深液壓機(jī)械手開(kāi)展萬(wàn)米作業(yè)的空白。

“千里耳”

水聲通信系統(tǒng)助萬(wàn)米海底聲像實(shí)時(shí)傳輸

“親愛(ài)的觀眾們，萬(wàn)米的海底妙不可言，希望我們能夠通過(guò)‘奮斗者’號(hào)的畫(huà)面向大家展示萬(wàn)米的海底。”11月10日8時(shí)12分，“奮斗者”號(hào)成功坐底馬里亞納海溝，3名潛航員第一時(shí)間通過(guò)水聲通信系統(tǒng)分享了心情。

作為“奮斗者”號(hào)與母船“探索一號(hào)”之間溝通的唯一橋梁，這套水聲通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了潛水器從萬(wàn)米海底至海面母船的文字、語(yǔ)音及圖像的實(shí)時(shí)傳輸。相較于前兩代的“蛟龍”號(hào)與“深海勇士”號(hào)載人潛水器，“奮斗者”號(hào)的聲學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了完全國(guó)產(chǎn)化。這個(gè)系統(tǒng)由中科院聲學(xué)研究所牽頭研制。

除了傳遞聲音和影像，聲學(xué)系統(tǒng)還能幫助“奮斗者”號(hào)在萬(wàn)米海底精確作業(yè)。比如，由聲學(xué)多普勒測(cè)速儀和定位聲吶及慣性導(dǎo)航等設(shè)備集成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，為巡航作業(yè)提供了高精度的水下定位導(dǎo)航。

“在11月16日的下潛作業(yè)中，借助組合導(dǎo)航系統(tǒng)和聲吶設(shè)備，潛航員僅用半小時(shí)便成功取回了此前布放在萬(wàn)米海底的3個(gè)水下取樣器，實(shí)現(xiàn)了‘海底撈針’，并通過(guò)水聲通信機(jī)將取樣畫(huà)面回傳至母船。” 作為此次“奮斗者”號(hào)的潛航員之一，中科院聲學(xué)研究所高級(jí)工程師劉燁瑤對(duì)此次作業(yè)印象深刻，“‘奮斗者’號(hào)的聲學(xué)系統(tǒng)，突破了全海深難關(guān)，為全海深范圍內(nèi)的持續(xù)巡航作業(yè)提供了可靠的技術(shù)保障。”

浮力強(qiáng)

固體浮力材料讓深潛器順利返回水面

“奮斗者”號(hào)既要“下得去”，也得“回得來(lái)”，而順利返回水面的關(guān)鍵是固體浮力材料。

固體浮力材料的作用是為潛水器順利下潛和安全上浮提供保障，其性能直接關(guān)系到潛水器與潛航員的安全，也是眾多深海科學(xué)考察裝備及實(shí)現(xiàn)海洋資源開(kāi)發(fā)的核心材料。然而，由于高性能固體浮力材料制備技術(shù)難度大，僅有少數(shù)幾個(gè)國(guó)家掌握。

在缺少文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)借鑒的情況下，中科院理化技術(shù)研究所牽頭開(kāi)始了萬(wàn)米級(jí)浮力材料自主攻關(guān)。“國(guó)際上不乏由于浮力材料開(kāi)裂塌陷等原因，導(dǎo)致水下裝備丟失和報(bào)廢的事故，‘奮斗者’號(hào)要滿(mǎn)足反復(fù)深潛，技術(shù)難度可想而知。”中科院理化技術(shù)研究所研究員張敬杰介紹，“核心技術(shù)問(wèn)題就是要解決材料的密度與強(qiáng)度的協(xié)同關(guān)系，也就是說(shuō)既要密度低又要耐高水壓。”

在前期多年技術(shù)積累基礎(chǔ)上，科研人員采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟化學(xué)制備技術(shù)，在短時(shí)間內(nèi)研制出了固體浮力材料的核心原材料，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)浮力材料研究的關(guān)鍵技術(shù)突破。隨后，經(jīng)過(guò)一系列配方調(diào)試和工藝優(yōu)化，制備出了具有高安全系數(shù)的萬(wàn)米級(jí)固體浮力材料并進(jìn)行了批量化生產(chǎn)，解決了長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)產(chǎn)固體浮力材料強(qiáng)度差密度高的技術(shù)難題。

[責(zé)任編輯：楊凡、崔中連]

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