“奮斗者”號身上的“黑科技”

11月28日，“奮斗者”號完成萬米深潛海試任務(wù)并順利返航（圖/中新網(wǎng)）

11月28日，成功完成萬米海試的“奮斗者”號全海深載人潛水器勝利返航。自2020年10月10日起，“奮斗者”號赴馬里亞納海溝開展萬米海試，成功完成13次下潛，其中8次突破萬米。11月10日8時12分，“奮斗者”號創(chuàng)造了10 909米的中國載人深潛新紀(jì)錄，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。

新型鈦合金材料制成寬敞而結(jié)實載人艙

潛入萬米海底，首先要攻克的難關(guān)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(dāng)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(guān)鍵在于載人艙。載人艙是全海深載人潛水器的核心關(guān)鍵部件，是人類進(jìn)入萬米深海的硬件保障和安全屏障，也標(biāo)志著一個國家載人潛水器的技術(shù)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(shè)備。為了讓“奮斗者”號的載人艙體既寬敞又結(jié)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(fù)責(zé)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(guān)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(biāo)尺寸和厚度要求，以往深潛器使用的材料都不能達(dá)標(biāo)，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(chǎn)，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(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“國家隊”，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。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。”

先進(jìn)控制系統(tǒng)實現(xiàn)高精度航行控制

說起這位“奮斗者”，就不得不談它的控制系統(tǒng)，也就是它的“大腦”。“奮斗者”號的“大腦”由中科院沈陽自動化研究所精心打造。

深海一片漆黑，地形環(huán)境高度復(fù)雜，“奮斗者”號的“大腦”必須實現(xiàn)高精度航行控制，不然就可能有“觸礁”風(fēng)險。

為此，研究人員克服了深淵復(fù)雜環(huán)境下大慣量載體多自由度航行操控、系統(tǒng)安全可靠運行等技術(shù)難題，“奮斗者”號的“指揮中心”實現(xiàn)了在線智能故障診斷、基于在線控制分配的容錯控制以及海底自主避碰等功能，提高了潛水器的“智商”和安全性。

“同時，我們設(shè)計的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法，能讓‘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(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。”中科院沈陽自動化研究所研究員、“奮斗者”號副總設(shè)計師趙洋說。

此外，研究人員還為“奮斗者”號裝上了一雙高度靈活有力的“手”。

“潛水器使用了我們研發(fā)的兩套主從伺服液壓機(jī)械手開展萬米作業(yè)，每套手有7個關(guān)節(jié)，可實現(xiàn)6自由度運動控制，持重能力超過60千克，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(jī)器人研究室副主任張奇峰說。

這雙手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)，填補了我國應(yīng)用全海深液壓機(jī)械手開展萬米作業(yè)的空白。

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’的畫面向大家展示萬米的海底。”

11月10日8時12分，“奮斗者”號成功坐底世界最深處馬里亞納海溝，3位潛航員第一時間通過水聲通信系統(tǒng)向全國觀眾直播了他們所看到的萬米海底世界。

相較于“蛟龍”號與“深海勇士”號載人潛水器，“奮斗者”號的聲學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)了完全國產(chǎn)化，這個系統(tǒng)由中科院聲學(xué)研究所牽頭研制。

“‘奮斗者’號的聲學(xué)系統(tǒng)突破了全海深難關(guān)，技術(shù)指標(biāo)更高，在整個海試過程中表現(xiàn)優(yōu)秀，為全海深范圍內(nèi)的持續(xù)巡航作業(yè)提供了可靠的技術(shù)保障。”中科院聲學(xué)研究所高級工程師、“奮斗者”號副總建造師和主任設(shè)計師、潛航員劉燁瑤說。

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母船的文字、語音及圖像的實時傳輸。

此外，由聲學(xué)多普勒測速儀和定位聲吶及慣性導(dǎo)航等設(shè)備相集成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，還為“奮斗者”號的巡航作業(yè)提供了高精度的水下定位導(dǎo)航。

在11月16日的下潛作業(yè)中，借助組合導(dǎo)航系統(tǒng)和聲吶設(shè)備，“奮斗者”號潛航員僅用了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，成功實現(xiàn)“海底撈針”，并通過水聲通信機(jī)將取樣畫面回傳至母船。

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(guān)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(guān)系到潛水器與潛航員的安全，也是眾多深海科學(xué)考察裝備及實現(xiàn)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(shù)難度大，僅有少數(shù)幾個國家掌握。

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

在前期多年技術(shù)積累基礎(chǔ)上，科研人員采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的軟化學(xué)制備技術(shù)，在短時間內(nèi)研制出了固體浮力材料的核心原材料，實現(xiàn)了我國浮力材料研究的關(guān)鍵技術(shù)突破。隨后，經(jīng)過一系列配方調(diào)試和工藝優(yōu)化，制備出了具有高安全系數(shù)的萬米級固體浮力材料并進(jìn)行了批量化生產(chǎn)，解決了長期以來國產(chǎn)固體浮力材料強度差密度高的技術(shù)難題。