“奮斗者”號：萬米海底，妙不可言

何為“奮斗者”號

“奮斗者”號是中國自主研發的萬米載人潛水器，由“蛟龍”號、“深海勇士”號載人潛水器的科研團隊承擔主要的研發任務。它融合了“蛟龍”號、“深海勇士”號之前兩代深潛裝備的優良“血統”，除了擁有安全穩定、動力強勁的能源系統，還擁有更加先進的控制系統和定位系統，以及更加耐壓的載人球艙等。

深海環境惡劣，必須“奮斗”抵御

馬里亞納海溝是世界上最深的海溝，海溝底部有著高達1100個大氣壓的巨大水壓，相當于2000頭非洲象踩在一個人的背上，同時完全黑暗，溫度低，可謂是地球上環境最惡劣的區域之一。不同于八年前卡梅隆使用的“皮厚餡小”型潛水器，“奮斗者”號要搭載三人下潛到地球最深處進行科考工作。這是對“奮斗者”號設計的最全面驗證與挑戰，讓我們看看“奮斗者”號如何抵御深海惡劣環境。

為了保證載客量，潛水器載人艙要足夠大；而為了減輕潛水器的負擔，球艙又不能太重。深海高壓下，除了要設計能夠撐得住的材料，還要有能避免因溫度過高引發的自燃隱患的電池系統。“奮斗者”號的上百塊單體鋰電池為若干組排列，模塊之間的間隙中充滿了油。當某個電池的溫度升高時，熱量會先傳遞給周圍的油，然后油再通過電池箱體將熱量傳遞給外部的海水，來緩解電池發熱的狀況。此外，每批鋰電池在成組前，都嚴格進行撞擊、針刺、海水浸泡、短路、過充、過放等十幾項安全抽檢以及超過萬米壓力環境下的安全測試，這樣才能成為“奮斗者”號合格的能量包。

完成潛水工作后，“奮斗者”號又是如何安全返回水面的呢？這主要是浮力材料的功勞。浮力材料是成千上萬個納米級大小的玻璃微珠，它們不僅能為潛水器提供足夠的浮力，自身也非常結實，經得起海底水壓的考驗。

探究極限海底，越戰越勇

2020年6月19日，由專項總體專家組、業主單位、科研團隊代表組成的評議組對征名十強名單評議后，潛水器的名字最終定為“奮斗者”號。

7月到11月，“奮斗者”號載人潛水器正式進入海試，共進行了30個潛次的試驗，累計海底作業時間為141小時48分。

11月10日，北京時間清晨4時20分左右，在早兩個時區的馬里亞納海溝，太陽已從太平洋上升起，“奮斗者”號載著3名潛航員，從“探索一號”母船機庫緩緩推出，被穩穩地起吊布放入水，蛙人解纜后注水下潛。艙內，顯控面板上的深度數字逐漸增大，舷窗外的顏色從碧藍到深藍到變暗，直至一片漆黑。

8時12分，“奮斗者”號在馬里亞納海溝成功下潛到10909米，成為中國歷史上第一艘下潛到“挑戰者深淵”的載人潛水器。

之后，在11月13日的海試任務中，“奮斗者”號載人潛水器和“滄海”號深海著陸器聯合作業，實現萬米水下全球首次高清視頻信號直播和傳輸。

11月16日，“奮斗者”號僅用半小時左右的時間就找回了此前布放在海底的3個取樣器，作業難度堪比“大海撈針”。這項操作對深海科考特別是未來實現深海科研的原位培養、長期監測等意義重大。

11月19日，“奮斗者”號下潛，是此輪萬米海試的“交卷”一關。它承擔著復核洋底科考作業功能的任務，坐底后開啟巡航和作業模式，進行潛水器功能性能檢測，測試機械手，并在找到“滄海”號后與其聯合作業。

潛水器載人艙球殼“鈦”厲害

“奮斗者”號全海深載人潛水器成功完成萬米海試并于28日勝利返航。該鈦合金團隊采用自主發明的Ti62A鈦合金新材料，為“奮斗者”號建造了世界最大、搭載人數最多的潛水器載人艙球殼。其中，中科院金屬所獨創的新型鈦合金材料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。

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，標志一個國家載人潛水器的技術水平。此前，世界上最先進的全海深潛水器是美國2019年5月完成萬米下潛的“極限因子”，其載人艙可搭載2人。

全海深載人潛水器是我國自主研發建造的全新一代載人潛水器，該潛水器建成后，將在世界最大深度（約11000米）的海洋完成載人下潛并進行科考作業，是深海進入能力的頂級體現。載人艙是全海深載人潛水器的核心部件，要求重量輕、強度高、可焊接、耐腐蝕、抗疲勞、長壽命，對材料的大規格制備能力和綜合力學性能有著很高的要求。載人艙使用的鈦合金材料之前一直被廣泛適用于航空航天領域。科研人員發現，鈦合金因諸多優越性和獨特性，用于深海裝備更為理想。

在中科院戰略性先導專項支持下，中科院金屬所于2014年開始針對全海深載人潛水器用載人艙材料與制造等關鍵技術展開調研論證和預先研究。2016年國家重點研發計劃立項后，由中科院金屬所牽頭，聯合寶鈦股份、中船集團洛陽船舶材料研究所、中航工業制造技術研究院和中科院深海科學與工程研究所等單位的技術優勢，組建了全海深鈦合金載人艙研制“國家隊”，歷時3年完成了研制工作，成功建造世界最大、可搭載3人的全海深載人艙，解決了若干鈦合金基礎科學問題，攻克了載人艙材料、成形、焊接等一系列關鍵技術瓶頸。

以往，深潛器主要使用Ti64材料，在萬米海深的極端壓力條件下，按照我國載人艙的目標尺寸和厚度要求，這種材料在強度、韌性等指標上已不可能達到。金屬所首次提出一種新型的合金設計方案，并據此設計實現了一種全新的鈦合金顯微結構，在此基礎上發明了具有良好熱加工成形和焊接成形性能的鈦合金Ti62A，在韌性和可焊性與Ti64合金相當的前提下大幅度提升了強度，從而成功解決了載人艙球殼的材料難題。

為了解決大尺寸超厚鈦合金材料成形的均勻性和力學性能穩定性難題，金屬所通過設計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”，為實現載人球艙材料微觀組織均勻和力學性能穩定奠定了技術基礎。

在萬米級擁有綜合性技術實力

2014年4月，中國科學院正式啟動了“海斗深淵前沿科技問題研究與攻關”先導專項（B類）項目。緊接著，在國家重點研發計劃“深海關鍵技術與裝備”重點專項中，支持開展全海深載人潛水器總體設計、集成與海試項目，也就是研制“奮斗者”號載人潛水器。其中，中國船舶集團有限公司第七〇二研究所牽頭負責“奮斗者”號的總體設計和集成建造，中科院深海所是“奮斗者”號的業主單位及海試任務牽頭單位。

七〇二研究所副所長葉聰介紹：“該項目主要利用‘蛟龍’號深海潛水器和深海探測設備在馬里亞納海溝進行科學考察與試驗，建立和發展我國海斗深淵生物學、海斗深淵生態學、海斗深淵地學等多個學科體系，并以此為引導，進一步攻克全海深潛水器關鍵技術及全海深探測裝備關鍵技術，推動我國深海科學和深海裝備技術向最深的海洋區域進軍。”

作為人類歷史上第4艘全海深載人潛水器，為實現萬米海底作業目標，“奮斗者”號研發團隊歷經5年艱苦攻關，在耐壓結構設計及安全性評估、鈦合金材料制備及焊接、浮力材料研制與加工、聲學通信定位、智能控制技術、鋰離子電池、海水泵、作業機械手等方面，實現多項重大技術突破，核心部件國產化率超過96.5%。

葉聰告訴記者，從2020年7月到11月，“奮斗者”號載人潛水器正式進入海試，共進行了30個潛次的試驗，累計海底作業時間141小時48分。其中，在馬里亞納海溝下潛13次，11人24人次參與了8個超過萬米的深海試驗。在挑戰者深淵最深區域進行了6個潛次，單潛次海底作業時間超過6小時，最長水中時間達13小時，最大下潛深度為10909米。

3月16日，參與驗收專家組人員一致認為，“奮斗者”號在萬米級海試中顯示的優勢，諸如，可乘載3人的艙體，海底連續6小時的作業能力、海試過程中8從次抵達萬米以深的海底，在多種類科考樣品的采集及多次目標搜尋布放回收作業中展示的作業能力、自動巡航以及鏈接水面的高速數字水聲通信等特點，表明了“奮斗者”號在萬米級所擁有的綜合性技術實力。“奮斗者”號海試現場驗收得分達到99.25分。

“奮斗者”號研發和海試的成功是我國深海高科技的研發及產業發展。這一成功同時也標志了人類在經歷了六十多年持續不懈的努力后，萬米級載人深潛開始從簡單的極限挑戰和探險階段邁入了可在海洋極限深度進行常規科考作業的時代，這一進步將極大地更新人類對深海尤其是海斗深淵的理解和認識。

“奮斗者”號研制及海試的成功，顯著提升了我國載人深潛的技術裝備能力和自主創新水平，推動了潛水器向全海深譜系化、功能化發展，為探索深海科學奧秘、保護和合理利用海洋資源提供了又一利器，為引導公眾關心認識海洋、提升全民海洋意識、加快建設海洋強國作出了突出貢獻。

（來源：科普中國數說科學、人民網、科技日報）