搭載著“奮斗者”號(hào)的“探索一號(hào)”科考船載譽(yù)而歸 陳歡歡攝

11月28日，剛剛完成萬米深潛在馬里亞納海溝成功坐底的“奮斗者”號(hào)潛水器勝利返航。10909米是它創(chuàng)造的中國載人深潛新紀(jì)錄。我國也成為世界上第二個(gè)實(shí)現(xiàn)萬米載人深潛的國家。

在此之前，世界上最先進(jìn)的全海深潛水器是2019年5月完成萬米下潛的美國“極限因子”號(hào)，載人艙可搭載2人。“奮斗者”號(hào)卻搭載了3名潛航員。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，原有技術(shù)已不適用，只能超越“極限”，發(fā)展創(chuàng)新技術(shù)。

“以前我們講國產(chǎn)化，還是在追趕別人，現(xiàn)在已經(jīng)不僅是國產(chǎn)，而是國創(chuàng)了。”中科院金屬研究所（以下簡稱金屬所）研究員、全海深載人潛水器載人艙項(xiàng)目負(fù)責(zé)人楊銳告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

實(shí)際上，“奮斗者”號(hào)這個(gè)大國重器全身上下都是打破記錄的“國創(chuàng)”技術(shù)。

載人艙球殼“鈦”厲害

要想搭載3名潛航員，球形載人艙的直徑就必須加大。相應(yīng)的，其體積也會(huì)大大增加，對(duì)材料的強(qiáng)度和韌性提出更高要求。而這一要求已然超出傳統(tǒng)鈦合金材料的極限。

“所有載人艙過去30年用的都是Ti64，但我們必須研發(fā)新的合金。”楊銳說。

研發(fā)30年無人突破的金屬材料，其難度可想而知。這項(xiàng)向“無人區(qū)”進(jìn)軍的重任落到了金屬所的肩上。為國家重大工程開發(fā)所需要的金屬材料，可以說是金屬所的強(qiáng)項(xiàng)。從1953年成立至今，金屬所的科學(xué)家們已經(jīng)為國家若干重大工程提供了關(guān)鍵材料。

“蛟龍?zhí)?rdquo;成功下潛之后，2014年，在中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)支持下，金屬所開始了更大深度潛水器的關(guān)鍵技術(shù)調(diào)研論證和預(yù)先研究，基于在鈦合金方面長期的研究經(jīng)驗(yàn)，他們發(fā)明了一種新型鈦合金——Ti62A，在韌性和可焊性與Ti64合金相當(dāng)?shù)那疤嵯麓蠓�度提升了�?qiáng)度，從而成功解決了載人艙球殼的材料難題。

突破了材料關(guān)，下一步就是加工成型。鈦合金材料存在固有的“尺寸效應(yīng)”，即尺寸和厚度越大，其均勻性和力學(xué)性能穩(wěn)定越難以保證。金屬所通過設(shè)計(jì)材料微觀組織及其獲取工藝，成功克服了鈦合金的“尺寸效應(yīng)”。合作伙伴寶鈦股份全力以赴，制備出高品質(zhì)鑄錠、高質(zhì)量板材和高精度半球，創(chuàng)造了國內(nèi)鈦合金鑄錠重量、板材厚度等多項(xiàng)紀(jì)錄。

眼見著離成功越來越近，最后一道焊接難關(guān)卻始終難以突破。載人球艙由兩個(gè)半球焊接，實(shí)現(xiàn)超大尺寸與厚度材料的全電子束一次焊接，是一道幾乎難以逾越的障礙。但若不克服這一障礙，則前功盡棄。

此時(shí)，金屬所獨(dú)辟蹊徑，提出了一些新的焊接思路。中國船舶洛陽船舶材料所勇于創(chuàng)新，突破了一系列焊接成形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)載人球艙全電子束焊接，確保了焊縫質(zhì)量和強(qiáng)韌性能全面達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

就這樣，這支由金屬所牽頭、多家企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)組建全海深鈦合金載人艙研制“國家隊(duì)”連克材料、成形、焊接三大“攔路虎”。

楊銳表示，最早在啟動(dòng)萬米載人深潛計(jì)劃時(shí)，載人艙是最大的限定因素，而現(xiàn)在，通過項(xiàng)目組成員的努力，提前5年完成任務(wù)，體現(xiàn)了我國集中力量辦大事的制度優(yōu)勢(shì)。

浮力材料保證“下得去、上得來”

載人艙保證了“奮斗者”號(hào)能安全下去，固體浮力材料則要使其還能安全上浮。

潛水器要想上來有兩種方式，一種是消耗能源動(dòng)力，另一種是無動(dòng)力上浮技術(shù)。前者浪費(fèi)寶貴的能源，會(huì)縮短潛水器工作半徑和時(shí)間，后者則需要用到固體浮力材料。

固體浮力材料不僅能保證潛水器安全上浮，還直接關(guān)系到潛水器與潛航員的安全，但由于其制備技術(shù)難度大，世界上只有少數(shù)發(fā)達(dá)國家掌握核心技術(shù)。

在中國載人深潛的發(fā)展歷程中，2017年下潛到4500米的“深海勇士”號(hào)第一次使用了由中科院理化技術(shù)研究所提供的國產(chǎn)固體浮力材料。這一次，理化所的高性能國產(chǎn)固體浮力材料不僅挑戰(zhàn)萬米成功，還創(chuàng)造了10909米的我國載人深潛新紀(jì)錄。

“深潛器下到萬米，工作環(huán)境有很大變化，這就要求材料更輕更強(qiáng)，既要密度低又要耐高水壓，但是這個(gè)深度沒有可借鑒的文獻(xiàn)資料和使用經(jīng)驗(yàn)，材料研制過程中很多挑戰(zhàn)，有些材料甚至達(dá)到極限。”中科院理化所研究員、“奮斗者”號(hào)浮力材料負(fù)責(zé)人張敬杰坦言：“雖然壓力很大，但事關(guān)生命安全，我們決不能退縮！”

張敬杰團(tuán)隊(duì)從2006年開始研究固體浮力材料，在多年技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，他們采用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟化學(xué)制備技術(shù)，短時(shí)間內(nèi)研制出了固體浮力材料核心原材料高強(qiáng)空心玻璃微球，進(jìn)而利用致密填充堆積技術(shù)結(jié)合輕質(zhì)高強(qiáng)樹脂基材，制備出了具有高安全系數(shù)的萬米級(jí)固體浮力材料并進(jìn)行了批量化生產(chǎn)。

“理化所在北京，負(fù)責(zé)材料測(cè)試的深海所在三亞，粘結(jié)加工、裝配在湖北和江蘇，為了做固體浮力材料，我們跑了大半個(gè)中國。”張敬杰笑稱，正是團(tuán)隊(duì)的集體努力使得固體浮力材料在時(shí)間節(jié)點(diǎn)內(nèi)順利交付，且性能比同類產(chǎn)品有很大提升，不僅實(shí)現(xiàn)了萬米深潛，還能多次往返，質(zhì)量可靠。

聲學(xué)系統(tǒng)“海底撈針”

“奮斗者”號(hào)坐底后與母船“探索一號(hào)”之間相距萬米，如何通信？實(shí)際上，水聲通信是溝通的唯一橋梁，可以實(shí)現(xiàn)潛水器從萬米海底至海面母船的文字、語音及圖像的實(shí)時(shí)傳輸。

聲學(xué)系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了探測(cè)、定位、導(dǎo)航等功能，是“奮斗者”號(hào)的重要組成部分。中國科學(xué)院聲學(xué)研究所高級(jí)工程師、“奮斗者”號(hào)聲學(xué)系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師劉燁瑤表示，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)了完全國產(chǎn)化，突破了全海深難關(guān)，技術(shù)指標(biāo)更高，為“奮斗者”號(hào)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。

在11月16日的下潛作業(yè)中，借助組合導(dǎo)航系統(tǒng)和聲納設(shè)備，“奮斗者”號(hào)潛航員僅用了半小時(shí)便成功取回了此前布放在萬米海底的3個(gè)水下取樣器，成功實(shí)現(xiàn)“海底撈針”，并通過水聲通信機(jī)將取樣畫面回傳至母船。

“奮斗者”號(hào)聲學(xué)系統(tǒng)包括全海深水聲通信機(jī)、地形地貌探測(cè)聲納、多波束前視聲納、多普勒測(cè)速儀、避碰聲納的自主研發(fā)以及定位聲納和慣性導(dǎo)航設(shè)備的系統(tǒng)集成。

劉燁瑤先后參與并完成了多次下潛任務(wù)，他表示，從4500米到萬米，技術(shù)難度加大很多。例如，聲納設(shè)備都有換能器，其作用聲電能量轉(zhuǎn)換，也就是聲納的“天線”，它由金屬和非金屬組成，因此在高壓下耐壓設(shè)計(jì)更有難度。

“但奮斗者號(hào)水聲通信指標(biāo)沒有下降，這得益于團(tuán)隊(duì)多年來的研究積累和經(jīng)驗(yàn)傳承，核心骨干成員連續(xù)完成‘蛟龍’號(hào)、‘深海勇士’號(hào)、‘奮斗者’號(hào)聲學(xué)系統(tǒng)設(shè)備研發(fā)，積累了很多經(jīng)驗(yàn)。”劉燁瑤說。

機(jī)械手精準(zhǔn)作業(yè)

“奮斗者”號(hào)多次在馬里亞納海溝完成深潛作業(yè)，獲取了大量生物、地質(zhì)等深淵海底樣品，離不開機(jī)械手。這是中科院沈陽自動(dòng)化所的杰作。

據(jù)悉，機(jī)械手具有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。機(jī)械手還突破了超高壓密封技術(shù)及超高壓油液環(huán)境驅(qū)動(dòng)與控制等技術(shù)，在深淵海底順利完成了巖石、生物抓取及沉積物取樣器操作等精準(zhǔn)作業(yè)任務(wù)，是我國首次將全海深液壓機(jī)械手應(yīng)用于萬米作業(yè)。

此外，中科院沈陽自動(dòng)化所還自主研制了“奮斗者”號(hào)的智能化控制系統(tǒng)和電動(dòng)觀測(cè)云臺(tái)。這套智能系統(tǒng)解決了深淵復(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，實(shí)現(xiàn)了在線智能故障診斷、容錯(cuò)控制以及海底自主避碰等功能，提高了潛水器的智能程度和安全性，并采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的算法實(shí)現(xiàn)了大慣量載體貼海底自動(dòng)匹配地形巡航、定點(diǎn)航行及懸停定位等高精度控制功能，其中，水平面和垂直面航行控制性能指標(biāo)，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

“奮斗者”號(hào)萬米機(jī)械手項(xiàng)目負(fù)責(zé)人張奇峰表示，隨著我國深海科考進(jìn)入萬米時(shí)代，對(duì)深海技術(shù)裝備提出了更高的要求，只有堅(jiān)持自主創(chuàng)新，才能在關(guān)鍵部件研發(fā)上持續(xù)取得進(jìn)展。

超高壓模擬沒“擬”不行

不管是載人艙還是聲學(xué)系統(tǒng)，所有這些材料和設(shè)備要實(shí)現(xiàn)萬米深潛萬無一失，必須進(jìn)行充分的先期測(cè)試。這一重任落在了“奮斗者”號(hào)業(yè)主單位——中國科學(xué)院深�？茖W(xué)與工程研究所（以下簡稱深海所）身上。

在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點(diǎn)專項(xiàng)支持下，深海所聯(lián)合四川航空工業(yè)川西機(jī)器有限責(zé)任公司、中船集團(tuán)702所等單位，建成了國際上容積與工作壓力組合技術(shù)指標(biāo)最高的超大型深海超高壓模擬試驗(yàn)裝置，及時(shí)保障了“奮斗者”號(hào)鈦合金載人艙、固體浮力材料等核心部件壓力測(cè)試工作的順利完成。

楊銳表示，金屬球殼不能拆分進(jìn)行壓力測(cè)試，其挑戰(zhàn)之大在國內(nèi)史無前例的，深海所付出了巨大努力。

張敬杰亦表示，深海所團(tuán)隊(duì)對(duì)幾千塊塊狀浮力材料逐一進(jìn)行了壓力測(cè)試，這才確保了萬米環(huán)境下的安全穩(wěn)妥。

全海深載人深潛試驗(yàn)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，為保證海試工作流程順暢，協(xié)調(diào)高效，安全實(shí)施，深海所團(tuán)結(jié)和協(xié)調(diào)多方力量，建立了安全高效的海試領(lǐng)導(dǎo)、組織、實(shí)施體系，并形成了“只有崗位、沒有單位”的跨系統(tǒng)、跨單位、跨部門團(tuán)結(jié)協(xié)作氛圍。如今，“只有崗位、沒有單位”的理念已經(jīng)深入人心。

“一旦形成隊(duì)伍，必須堅(jiān)持‘只有崗位、沒有單位’的出海文化，這么我們多年合作的默契，也是最為行之有效的方法。”深海所黨委副書記、副所長陽寧告訴《中國科學(xué)報(bào)》。