“奮斗者”號(hào)通過綜合績效評(píng)價(jià)后首次進(jìn)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(diǎn)，被稱為“挑戰(zhàn)者深淵”。如果把珠穆朗瑪峰放進(jìn)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(duì)那里的探索從未止步，但是深淵之門卻不會(huì)被輕易開啟，到過那里的人少之又少。中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所研究員、“奮斗者”號(hào)副總設(shè)計(jì)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(jī)，海參、鉤蝦、多毛類生物等一應(yīng)俱全?！比缃?，回憶起那次創(chuàng)紀(jì)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(hào)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(jì)錄，并在全球首次實(shí)現(xiàn)萬米洋底直播，標(biāo)志著我國在大深度載人深潛領(lǐng)域達(dá)到世界領(lǐng)先水平。
“奮斗者”號(hào)全海深載人潛水器的研制項(xiàng)目7月18日成功收官，并于當(dāng)天順利通過綜合績效評(píng)價(jià)?！皧^斗者”號(hào)目前正在進(jìn)行深淵科考。
事實(shí)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(hù)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(hào)酷似一條巨型大頭魚，重約36噸。
作為“十三五”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)的核心任務(wù)，“奮斗者”號(hào)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(dá)96．5％，代表了當(dāng)前深海工程技術(shù)領(lǐng)域的頂級(jí)水平。而這些獨(dú)特的設(shè)計(jì)頗有深意。
據(jù)介紹，“奮斗者”號(hào)的肚子呈綠色，是因?yàn)榫G光在海水中衰減較小，便于在深海中對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)；而醒目的橘色頭頂，是便于在它上浮到水面時(shí)，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(diǎn)不僅限于“表面”。其可搭載3人的載人艙球殼的設(shè)計(jì)、研發(fā)是一大看點(diǎn)。
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(gè)大氣壓。那么，在萬米海底，就是1000多個(gè)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(dāng)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(yàn)潛水器的抗壓能力。作為人類進(jìn)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(shè)計(jì)、用材、焊接等都頗為考究。
“載人艙要求重量輕、強(qiáng)度高、可焊接、耐腐蝕、抗疲勞、長壽命，對(duì)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。”據(jù)中國科學(xué)院金屬研究所研究員楊銳介紹，按照其目標(biāo)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(qiáng)度、更高韌性、更易焊接的鈦合金。
為此，中國科學(xué)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(tuán)隊(duì)，經(jīng)過一系列調(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。
經(jīng)過不斷優(yōu)化和上千次的測(cè)試，一種全新的鈦合金顯微結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)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(dāng)，但強(qiáng)度更大?！睏钿J告訴記者。
據(jù)介紹，“奮斗者”號(hào)的載人球艙由兩個(gè)半球焊接而成，幾個(gè)窗口和接口也必須通過焊接完成，保證焊縫位置韌性、實(shí)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(xué)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(tuán)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(gè)環(huán)節(jié)，科研人員可謂是跑了半個(gè)中國。據(jù)“奮斗者”號(hào)總設(shè)計(jì)師、中國船舶集團(tuán)有限公司第702研究所副所長葉聰介紹，設(shè)計(jì)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(yàn)，再回到無錫安裝?！鞍惭b的時(shí)候，一兩毫米的差距就調(diào)整了半個(gè)月，球殼被吊上來吊下去，不斷調(diào)整、優(yōu)化，讓測(cè)量結(jié)果達(dá)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(hào)的順利下潛和安全上浮提供了保障。
“它采用無動(dòng)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(xué)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(shí)現(xiàn)無動(dòng)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(qiáng)度高兩個(gè)相對(duì)立的特性，制備難度大，此前世界上只有少數(shù)發(fā)達(dá)國家掌握相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。我國科研團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難，采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟化學(xué)制備技術(shù)，成功研制出了固體浮力材料核心原材料高強(qiáng)空心玻璃微球，真正實(shí)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(hào)下潛上浮的速度可控制在每分鐘60米左右。按照這個(gè)速度計(jì)算，從海面下潛至萬米海底或上浮需要三小時(shí)，比美國全海深載人潛水器“極限因子”快半個(gè)小時(shí)，而在海底持續(xù)作業(yè)時(shí)間則可達(dá)6小時(shí)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(fù)雜，“奮斗者”號(hào)如何避免“觸礁”風(fēng)險(xiǎn)？這就需要一個(gè)聰明的“大腦”——控制系統(tǒng)，來精準(zhǔn)地控制它的每一步。
“奮斗者”號(hào)的控制系統(tǒng)由中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所精心打造。據(jù)了解，該控制系統(tǒng)汲取了“蛟龍”號(hào)精準(zhǔn)可靠、“深海勇士”號(hào)信息化、人機(jī)共融等優(yōu)點(diǎn)，并根據(jù)全海深載人潛水器自身的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及具體應(yīng)用需求等，開展了更加復(fù)雜的系統(tǒng)研制過程。
“相較于‘蛟龍’號(hào)與‘深海勇士’號(hào)，‘奮斗者’號(hào)的‘大腦’體積更小，但卻性能更高、更加安全可靠。”趙洋介紹。
據(jù)了解，“奮斗者”號(hào)的“大腦”之所以變小，是因?yàn)檩d人艙內(nèi)空間的減小?！氨取札垺?hào)和‘深海勇士’號(hào)縮小約三分之一，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(shè)備空間?！?/span>
這倒逼研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(shè)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(shí)，科研人員還攻克了深淵復(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，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)的在線智能故障診斷、基于在線控制分配的容錯(cuò)控制以及海底自主避碰等功能。
“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)在海底復(fù)雜地形巡航、定點(diǎn)航行以及懸停定位?！壁w洋說。
不過，載人潛水器抵達(dá)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(zhǔn)科考作業(yè)。
為此，科研人員還為“奮斗者”號(hào)安上了靈活的雙手——兩套主從伺服液壓機(jī)械手，每只“手”有7個(gè)關(guān)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)六自由度運(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。這項(xiàng)技術(shù)填補(bǔ)了我國應(yīng)用全海深液壓機(jī)械手開展萬米作業(yè)的空白。
機(jī)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(hào)利用機(jī)械手臂進(jìn)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(shí)現(xiàn)載人潛水器的科學(xué)觀測(cè)能力，控制系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)還首次在全海深級(jí)別的載人潛水器上研制了電動(dòng)觀測(cè)云臺(tái)，突破超高壓環(huán)境精確傳動(dòng)控制、高緊湊度一體化設(shè)計(jì)等技術(shù)，搭載多部科考設(shè)備實(shí)現(xiàn)全向水下觀測(cè)，獲取了大量深淵海底科學(xué)觀測(cè)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(shí)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(hào)的畫面向大家展示萬米的海底。”成功坐底馬里亞納海溝后，3位潛航員第一時(shí)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(hào)與母船“探索一號(hào)”之間溝通的唯一橋梁，實(shí)現(xiàn)了潛水器從萬米海底至海面的文字、語音及圖像的實(shí)時(shí)傳輸。其原理就是把信息變成聲音在水里傳播，到達(dá)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(huì)快速衰減至消失，即便是強(qiáng)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(yuǎn)距離傳播，因此，聲波便成了潛水器的通訊、導(dǎo)航利器。
聲學(xué)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(gè)人，那么聲學(xué)系統(tǒng)就是這個(gè)人的眼睛、耳朵、嘴巴，能“看”、能“聽”，還能“說”。
相較“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，技術(shù)指標(biāo)更高。
“奮斗者”號(hào)的聲學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)龐大的系統(tǒng)，按功能分，有水聲通信機(jī)，還有測(cè)深側(cè)掃聲吶、前視成像聲吶、定位聲吶、多普勒測(cè)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(jìn)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(shí)，水聲通信機(jī)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(xiàng)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(cè)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(huì)提前“告知”潛航員，為其提供充分的規(guī)避時(shí)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(jì)念的精彩瞬間，還可以通過水聲通信機(jī)實(shí)時(shí)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(hào)還在鋰離子電池、海水泵等方面實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)重大技術(shù)突破。其研制及海試的成功，標(biāo)志著我國具有了進(jìn)入世界海洋最深處開展科學(xué)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(shí)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(hào)到“深海勇士”號(hào)，再到“奮斗者”號(hào)……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(hào)的成功，得益于黨中央對(duì)深海事業(yè)發(fā)展的正確領(lǐng)導(dǎo)和科研團(tuán)隊(duì)集智攻關(guān)中發(fā)揚(yáng)新時(shí)代科學(xué)家精神，也離不開科技計(jì)劃管理模式的創(chuàng)新探索?！笆濉眹抑攸c(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點(diǎn)專項(xiàng)管理專業(yè)機(jī)構(gòu)、中國21世紀(jì)議程管理中心黃晶主任介紹，“奮斗者”號(hào)載人潛水器是“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點(diǎn)專項(xiàng)的核心研制任務(wù)，中心始終堅(jiān)持科學(xué)化、規(guī)范化、精細(xì)化管理，組建項(xiàng)目群協(xié)同攻關(guān)，成立專家組跟蹤指導(dǎo)，制定質(zhì)量和海試管理規(guī)范提升裝備實(shí)用性，有力支撐深海有關(guān)裝備研制任務(wù)圓滿完成。
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