身懷絕技，勇闖萬米海底

“奮斗者”號，了不起（科技自立自強）

“奮斗者”號正在注水下潛。中國科學院供圖

搭載“奮斗者”號的“探索一號”船（前一）。 中國科學院供圖

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11月28日，“奮斗者”號完成萬米深潛海試任務并順利返航。“奮斗者”號啟航以來，在馬里亞納海溝完成13次下潛，其中8次突破萬米，創(chuàng)造10909米的中國載人深潛新紀錄……不斷刷新的數字背后，是抗壓、控制、通信、浮力等多個關鍵領域的技術攻關，體現著我國自主研發(fā)深海裝備技術的突破和進步。

11月28日，“奮斗者”號全海深載人潛水器圓滿完成萬米深潛海試任務，順利返回海南三亞。

10月10日，“奮斗者”號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實施萬米深潛試驗任務。此后，一路捷報頻傳——

10月27日，下潛首次突破萬米；11月10日，創(chuàng)造了10909米的中國載人深潛新紀錄；11月13日，完成了世界上首次載人潛水器與著陸器在萬米海底的聯合作業(yè)，并進行了視頻直播……截至11月19日，“奮斗者”號在馬里亞納海溝海域共開展了13次下潛，其中8次超過萬米。

外觀酷似一條綠色大頭魚的“奮斗者”號，是國際上首次可以同時搭載3人下潛的萬米載人潛水器。本領如此高超，要歸功于它有著一顆強大的“中國心”，在多個關鍵技術和重要材料領域，擁有很高的國產化程度，核心部件國產化率超過96.5%。

抗高壓

新型鈦合金材料制成寬敞而結實的載人艙

潛入萬米海底，首先要攻克的難關就是巨大的水壓。被稱為“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)境最惡劣的區(qū)域之一。海溝1萬米深處，水壓接近1100個大氣壓，相當于2000頭非洲象踩在一個人的背上。“奮斗者”號如何做到不懼高壓極端環(huán)境，在萬米海底自由行走？

關鍵在于載人艙。載人艙是全海深載人潛水器的核心關鍵部件，是人類進入萬米深海的硬件保障和安全屏障，也標志著一個國家載人潛水器的技術水平。

“奮斗者”號的載人艙呈球形，能夠同時容納3名潛航員。此前，也有國外深潛器依靠球形載人艙成功挑戰(zhàn)了萬米重壓，但艙體空間僅能容納1到2人，無法搭載更多的人和設備。為了讓“奮斗者”號的載人艙體既寬敞又結實，還足夠靈巧輕盈，科研人員沒少費心思。

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

在萬米海深的極端壓力條件下，按照“奮斗者”號的目標尺寸和厚度要求，以往深潛器使用的材料都已不能達標，需要找到一種高強度、高韌性、可焊接的鈦合金。“國際上沒有制造先例，也找不到國外廠家生產，唯一的出路就只有我們自己造。”楊銳說。

于是，中科院金屬研究所聯合國內多家企業(yè)和研究所，組建起全海深鈦合金載人艙研制“國家隊”，經過一系列調研論證、研究實驗，攻克了載人艙材料、成型、焊接等一系列關鍵技術瓶頸。楊銳說：“我們獨創(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度、韌性和可焊性等難題。”

操控準

先進控制系統(tǒng)實現高精度航行控制

深海一片漆黑，地形環(huán)境高度復雜，“奮斗者”號要避免“觸礁”風險，得依靠控制系統(tǒng)的精準指揮。

為此，中科院沈陽自動化研究所的科研人員，針對深淵復雜環(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難題進行了攻關，讓“奮斗者”號的控制系統(tǒng)實現了基于數據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。

中科院沈陽自動化研究所研究員、“奮斗者”號副總設計師趙洋說：“我們設計的神經網絡優(yōu)化算法，能夠讓‘奮斗者’號在海底自動匹配地形巡航、定點航行以及懸停定位。其中，水平面和垂直面航行控制性能指標，達到國際先進水平。”

此外，研究人員還為“奮斗者”號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械手開展萬米作業(yè)，每套手有7個關節(jié)，可實現6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。”中科院沈陽自動化研究所水下機器人研究室副主任張奇峰說。憑借這雙“手”，“奮斗者”號順利完成了巖石、生物抓取及沉積物取樣器操作等精準作業(yè)任務，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。

“千里耳”

水聲通信系統(tǒng)助萬米海底聲像實時傳輸

“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。”11月10日8時12分，“奮斗者”號成功坐底馬里亞納海溝，3名潛航員第一時間通過水聲通信系統(tǒng)分享了心情。

作為“奮斗者”號與母船“探索一號”之間溝通的唯一橋梁，這套水聲通信系統(tǒng)實現了潛水器從萬米海底至海面母船的文字、語音及圖像的實時傳輸。相較于前兩代的“蛟龍”號與“深海勇士”號載人潛水器，“奮斗者”號的聲學系統(tǒng)實現了完全國產化。這個系統(tǒng)由中科院聲學研究所牽頭研制。

除了傳遞聲音和影像，聲學系統(tǒng)還能幫助“奮斗者”號在萬米海底精確作業(yè)。比如，由聲學多普勒測速儀和定位聲吶及慣性導航等設備集成的組合導航系統(tǒng)，為巡航作業(yè)提供了高精度的水下定位導航。

“在11月16日的下潛作業(yè)中，借助組合導航系統(tǒng)和聲吶設備，潛航員僅用半小時便成功取回了此前布放在萬米海底的3個水下取樣器，實現了‘海底撈針’，并通過水聲通信機將取樣畫面回傳至母船。” 作為此次“奮斗者”號的潛航員之一，中科院聲學研究所高級工程師劉燁瑤對此次作業(yè)印象深刻，“‘奮斗者’號的聲學系統(tǒng)，突破了全海深難關，為全海深范圍內的持續(xù)巡航作業(yè)提供了可靠的技術保障。”

浮力強

固體浮力材料讓深潛器順利返回水面

“奮斗者”號既要“下得去”，也得“回得來”，而順利返回水面的關鍵是固體浮力材料。

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，其性能直接關系到潛水器與潛航員的安全，也是眾多深海科學考察裝備及實現海洋資源開發(fā)的核心材料。然而，由于高性能固體浮力材料制備技術難度大，僅有少數幾個國家掌握。

在缺少文獻和經驗借鑒的情況下，中科院理化技術研究所牽頭開始了萬米級浮力材料自主攻關。“國際上不乏由于浮力材料開裂塌陷等原因，導致水下裝備丟失和報廢的事故，‘奮斗者’號要滿足反復深潛，技術難度可想而知。”中科院理化技術研究所研究員張敬杰介紹，“核心技術問題就是要解決材料的密度與強度的協同關系，也就是說既要密度低又要耐高水壓。”

在前期多年技術積累基礎上，科研人員采用具有自主知識產權的軟化學制備技術，在短時間內研制出了固體浮力材料的核心原材料，實現了我國浮力材料研究的關鍵技術突破。隨后，經過一系列配方調試和工藝優(yōu)化，制備出了具有高安全系數的萬米級固體浮力材料并進行了批量化生產，解決了長期以來國產固體浮力材料強度差密度高的技術難題。

[責任編輯：楊凡、崔中連]

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