“奮斗者”號通過綜合績效評價后首次進行深淵科考 創(chuàng)新成就“中國深度”
在太平洋西北部，有一條2550公里長的弧形海溝——馬里亞納海溝。那里平均寬70公里，大部分水深在8000米以上，最深的一段在海溝的西南端，超過1萬米，是目前已知的地球最深點，被稱為“挑戰(zhàn)者深淵”。如果把珠穆朗瑪峰放進那片海域，將全部被淹沒，其峰頂距離海面還有2000多米。
人類對那里的探索從未止步，但是深淵之門卻不會被輕易開啟，到過那里的人少之又少。中國科學院沈陽自動化研究所研究員、“奮斗者”號副總設計師趙洋便是其中之一。
“寒冷、高壓、黑暗，但卻煥發(fā)著勃勃生機，海參、鉤蝦、多毛類生物等一應俱全?！比缃?，回憶起那次創(chuàng)紀錄的萬米深潛，趙洋仍然雙目有光。
去年10月至11月，我國自主研發(fā)的全海深載人潛水器“奮斗者”號在“挑戰(zhàn)者深淵”開展萬米海試，成功完成13次下潛，其中8次突破萬米，創(chuàng)造了10909米的中國載人深潛新紀錄，并在全球首次實現(xiàn)萬米洋底直播，標志著我國在大深度載人深潛領(lǐng)域達到世界領(lǐng)先水平。
“奮斗者”號全海深載人潛水器的研制項目7月18日成功收官，并于當天順利通過綜合績效評價?！皧^斗者”號目前正在進行深淵科考。
事實證明，海底1萬米的世界，只有跨過核心技術(shù)的門檻，才能得其門而入。那么，有哪些關(guān)鍵技術(shù)為萬米深潛“護航”？
特殊材料：不懼高壓，沉得下去浮得上來
綠色的“肚皮”、橘色的“頭頂”、鴨蛋形的“臉龐”……從外觀上看，“奮斗者”號酷似一條巨型大頭魚，重約36噸。
作為“十三五”國家重點研發(fā)計劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點專項的核心任務，“奮斗者”號的研制匯集了近百家科研院所、高校、企業(yè)近千名科研人員的智慧，國產(chǎn)化率達96．5％，代表了當前深海工程技術(shù)領(lǐng)域的頂級水平。而這些獨特的設計頗有深意。
據(jù)介紹，“奮斗者”號的肚子呈綠色，是因為綠光在海水中衰減較小，便于在深海中對其進行觀測；而醒目的橘色頭頂，是便于在它上浮到水面時，能夠被“母船”快速發(fā)現(xiàn)；鴨蛋臉則是為了減少阻力。
其特點不僅限于“表面”。其可搭載3人的載人艙球殼的設計、研發(fā)是一大看點。
眾所周知，巨大的水壓是阻止人們探索深海的首要障礙。記者了解到，在深海中，水深每增加10米就增加一個大氣壓。那么，在萬米海底，就是1000多個大氣壓，即地面壓力的1000多倍。這就意味著每一平方厘米的面積，要承受一噸多的重量，相當于2000多只非洲象踩在人的背上。壓力之大可想而知。在這種極端壓力條件下，十分考驗潛水器的抗壓能力。作為人類進入萬米深海的硬件保障和安全屏障，潛水器核心關(guān)鍵部件——載人艙的設計、用材、焊接等都頗為考究。
“載人艙要求重量輕、強度高、可焊接、耐腐蝕、抗疲勞、長壽命，對材料的大規(guī)格制備能力和綜合性能要求很高，此前國內(nèi)外沒有可用于制造容納三人的載人艙材料?！睋?jù)中國科學院金屬研究所研究員楊銳介紹，按照其目標尺寸和厚度要求，以往深潛器使用的Ti64材料已經(jīng)不能滿足要求，需要找到一種更高強度、更高韌性、更易焊接的鈦合金。
為此，中國科學院金屬研究所聯(lián)合國內(nèi)多家企業(yè)和研究所，組建起全海深鈦合金載人艙研制團隊，經(jīng)過一系列調(diào)研論證、研究實驗，攻克了載人艙材料、成型、焊接等一系列關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。
經(jīng)過不斷優(yōu)化和上千次的測試，一種全新的鈦合金顯微結(jié)構(gòu)被設計出來，并據(jù)此發(fā)明了具有良好熱加工成型和焊接成型性能的鈦合金?！斑@種材料韌性和可焊性與Ti64合金相當，但強度更大。”楊銳告訴記者。
據(jù)介紹，“奮斗者”號的載人球艙由兩個半球焊接而成，幾個窗口和接口也必須通過焊接完成，保證焊縫位置韌性、實現(xiàn)超大尺寸與厚度材料全電子束一次焊接等都是焊接技術(shù)面臨的世界性難題。中國科學院金屬研究所提出了新的焊接思路，并聯(lián)合中國船舶重工集團公司洛陽船舶材料研究所突破了一系列焊接成型技術(shù)。
從選材到安裝各個環(huán)節(jié)，科研人員可謂是跑了半個中國。據(jù)“奮斗者”號總設計師、中國船舶集團有限公司第702研究所副所長葉聰介紹，設計圖紙完成以后，他們從沈陽拿到材料，去陜西做軋板，到四川加工，到江蘇成型，到河南焊接，最后到海南做試驗，再回到無錫安裝?！鞍惭b的時候，一兩毫米的差距就調(diào)整了半個月，球殼被吊上來吊下去，不斷調(diào)整、優(yōu)化，讓測量結(jié)果達到圖紙要求。
”在一系列新技術(shù)支撐下，直徑約1．8米，目前世界最大、搭載人數(shù)最多的潛水器載人艙球殼問世。不僅如此，我國自主研制的浮力材料，也為“奮斗者”號的順利下潛和安全上浮提供了保障。
“它采用無動力下潛上浮技術(shù)，因此固體浮力材料的選擇十分重要?！敝袊茖W院理化技術(shù)研究所研究員張敬杰介紹，固體浮力材料是潛水器獲取水下凈浮力、實現(xiàn)無動力上浮和懸浮定位的核心結(jié)構(gòu)部件，不僅在提高裝備載荷、減小外形尺寸上發(fā)揮重要作用，還能有效保障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在深海高壓環(huán)境下的穩(wěn)定性，需要兼具密度小和抗壓強度高兩個相對立的特性，制備難度大，此前世界上只有少數(shù)發(fā)達國家掌握相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。我國科研團隊攻堅克難，采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的軟化學制備技術(shù)，成功研制出了固體浮力材料核心原材料高強空心玻璃微球，真正實現(xiàn)了我國浮力材料研究的突破，提高了我國在深海關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的自主保障能力。
得益于此，“奮斗者”號下潛上浮的速度可控制在每分鐘60米左右。按照這個速度計算，從海面下潛至萬米海底或上浮需要三小時，比美國全海深載人潛水器“極限因子”快半個小時，而在海底持續(xù)作業(yè)時間則可達6小時及以上。
聰明“大腦”：黑暗中也可避免“觸礁”
深海一片漆黑，地形環(huán)境又高度復雜，“奮斗者”號如何避免“觸礁”風險？這就需要一個聰明的“大腦”——控制系統(tǒng)，來精準地控制它的每一步。
“奮斗者”號的控制系統(tǒng)由中國科學院沈陽自動化研究所精心打造。據(jù)了解，該控制系統(tǒng)汲取了“蛟龍”號精準可靠、“深海勇士”號信息化、人機共融等優(yōu)點，并根據(jù)全海深載人潛水器自身的設計特點及具體應用需求等，開展了更加復雜的系統(tǒng)研制過程。
“相較于‘蛟龍’號與‘深海勇士’號，‘奮斗者’號的‘大腦’體積更小，但卻性能更高、更加安全可靠?！壁w洋介紹。
據(jù)了解，“奮斗者”號的“大腦”之所以變小，是因為載人艙內(nèi)空間的減小?！氨取札垺柡汀詈Ｓ率俊柨s小約三分之一，但載員仍是三人。在成員占用空間無法壓縮的情況下，只能壓縮系統(tǒng)設備空間?！?/span>
這倒逼研發(fā)團隊開展自主創(chuàng)新。最終，體積只有原選用產(chǎn)品五分之一、重量為其三分之一，并且數(shù)據(jù)通道間相互電氣隔離的信息采集設備誕生，有效解決了多源信息小型化可靠隔離采集的關(guān)鍵技術(shù)問題。
與此同時，科研人員還攻克了深淵復雜環(huán)境下大慣量載體多自由度航行操控、系統(tǒng)安全可靠運行等技術(shù)難題，讓“奮斗者”號的控制系統(tǒng)實現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)與模型預測的在線智能故障診斷、基于在線控制分配的容錯控制以及海底自主避碰等功能。
“我們設計的神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化算法，能夠讓‘奮斗者’號在海底復雜地形巡航、定點航行以及懸停定位。”趙洋說。
不過，載人潛水器抵達萬米深淵，可不只是“到此一游”，還要完成巖石、生物抓取，以及沉積物取樣等精準科考作業(yè)。
為此，科研人員還為“奮斗者”號安上了靈活的雙手——兩套主從伺服液壓機械手，每只“手”有7個關(guān)節(jié)，可實現(xiàn)六自由度運動控制，持重能力超過60公斤，能夠覆蓋采樣籃及前部作業(yè)區(qū)域，具有強大的作業(yè)能力。這項技術(shù)填補了我國應用全海深液壓機械手開展萬米作業(yè)的空白。
機械手握住沉積物采樣器的手柄，在指定的位置采集沉積物。然后，再提起手柄將其放回采樣籃……這是“奮斗者”號利用機械手臂進行沉積物采樣的過程，這樣一次操作大概需要5到10分鐘。
為了支撐實現(xiàn)載人潛水器的科學觀測能力，控制系統(tǒng)團隊還首次在全海深級別的載人潛水器上研制了電動觀測云臺，突破超高壓環(huán)境精確傳動控制、高緊湊度一體化設計等技術(shù)，搭載多部科考設備實現(xiàn)全向水下觀測，獲取了大量深淵海底科學觀測照片、視頻。
而這些均由聰明的“大腦”控制。
水聲通信：“水下微信”實現(xiàn)“千里傳音”
“親愛的觀眾們，萬米的海底妙不可言，希望我們能夠通過‘奮斗者’號的畫面向大家展示萬米的海底?！背晒ψ遵R里亞納海溝后，3位潛航員第一時間通過水聲通信系統(tǒng)分享了他們的心情，這一場景至今仍舊振奮人心。
水聲通信是“奮斗者”號與母船“探索一號”之間溝通的唯一橋梁，實現(xiàn)了潛水器從萬米海底至海面的文字、語音及圖像的實時傳輸。其原理就是把信息變成聲音在水里傳播，到達水面后再把它轉(zhuǎn)變?yōu)樵瓉淼男畔ⅰ?/span>
為什么是水聲通信？記者了解到，與地面不同，由于海水的特性，光、電磁波等在水中會快速衰減至消失，即便是強大的北斗系統(tǒng)也無法發(fā)揮作用。而聲波恰恰能在水下遠距離傳播，因此，聲波便成了潛水器的通訊、導航利器。
聲學系統(tǒng)由此成為載人潛水器不可或缺的一部分。有科研人員表示，如果說載人潛水器是一個人，那么聲學系統(tǒng)就是這個人的眼睛、耳朵、嘴巴，能“看”、能“聽”，還能“說”。
相較“蛟龍”號與“深海勇士”號載人潛水器，“奮斗者”號的聲學系統(tǒng)實現(xiàn)了完全國產(chǎn)化，技術(shù)指標更高。
“奮斗者”號的聲學系統(tǒng)是一個龐大的系統(tǒng)，按功能分，有水聲通信機，還有測深側(cè)掃聲吶、前視成像聲吶、定位聲吶、多普勒測速聲吶以及避碰聲吶，等等，其功能主要是為潛水器和載人母船之間進行通信、定位，以及載人潛水器的避障等提供幫助。
在載人潛水器下潛時，水聲通信機要將與潛水器相關(guān)的諸如艙內(nèi)溫度、濕度以及下潛深度等各項狀態(tài)參數(shù)回傳至海面母船。
在漆黑一片的海底坐底后，各種聲吶就開始“偵察”環(huán)境，然后告訴潛水器“你在哪兒”“周圍環(huán)境如何”“可以往哪兒走”……各種“路況信息”，測深側(cè)掃聲吶、前視成像聲吶等可謂是一掃便知。潛航員便可根據(jù)聲吶繪制的“海底地圖”規(guī)劃潛水器的行走路線。不僅如此，在行走過程中，如遇“路障”，避碰聲吶就像“安全員”一樣，會提前“告知”潛航員，為其提供充分的規(guī)避時間。
作業(yè)期間，如果潛航員有了新發(fā)現(xiàn)或者拍到了值得紀念的精彩瞬間，還可以通過水聲通信機實時分享給海面的人，被潛航員稱為“水下微信”。
除此之外，“奮斗者”號還在鋰離子電池、海水泵等方面實現(xiàn)多項重大技術(shù)突破。其研制及海試的成功，標志著我國具有了進入世界海洋最深處開展科學探索和研究的能力，體現(xiàn)了我國在海洋高技術(shù)領(lǐng)域的綜合實力。
不過，坐底10909米深度，僅是初窺冰山一角，海洋深處還有太多的未知需要我們不斷去探索和揭秘。從“蛟龍”號到“深海勇士”號，再到“奮斗者”號……我國科研工作者將不斷帶領(lǐng)我們探尋更多大洋深處的奧秘。
“奮斗者”號的成功，得益于黨中央對深海事業(yè)發(fā)展的正確領(lǐng)導和科研團隊集智攻關(guān)中發(fā)揚新時代科學家精神，也離不開科技計劃管理模式的創(chuàng)新探索。“十三五”國家重點研發(fā)計劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點專項管理專業(yè)機構(gòu)、中國21世紀議程管理中心黃晶主任介紹，“奮斗者”號載人潛水器是“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點專項的核心研制任務，中心始終堅持科學化、規(guī)范化、精細化管理，組建項目群協(xié)同攻關(guān)，成立專家組跟蹤指導，制定質(zhì)量和海試管理規(guī)范提升裝備實用性，有力支撐深海有關(guān)裝備研制任務圓滿完成。
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