“奮斗者”號正在注水下潛,。中國科學(xué)院供圖

搭載“奮斗者”號的“探索一號”船（前一）,。中國科學(xué)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(wù)并順利返航,?！皧^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(jì)錄……不斷刷新的數(shù)字背后，是抗壓,、控制,、通信、浮力等多個關(guān)鍵領(lǐng)域的技術(shù)攻關(guān),，體現(xiàn)著我國自主研發(fā)深海裝備技術(shù)的突破和進(jìn)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(wù),，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?qū)嵤┤f米深潛試驗任務(wù),。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(jì)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(lián)合作業(yè),，并進(jìn)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(lǐng)如此高超,，要歸功于它有著一顆強(qiáng)大的“中國心”，在多個關(guān)鍵技術(shù)和重要材料領(lǐng)域,，擁有很高的國產(chǎn)化程度,，核心部件國產(chǎn)化率超過96.5%。

抗高壓

新型鈦合金材料制成寬敞而結(jié)實的載人艙

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?！皧^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,?！?/p>

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已不能達(dá)標(biāo),，需要找到一種高強(qiáng)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(qiáng)度,、韌性和可焊性等難題,?！?/p>

操控準(zhǔn)

先進(jìn)控制系統(tǒng)實現(xiàn)高精度航行控制

深海一片漆黑,，地形環(huán)境高度復(fù)雜,，“奮斗者”號要避免“觸礁”風(fēng)險，得依靠控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)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(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)難題進(jìn)行了攻關(guān),，讓“奮斗者”號的控制系統(tǒng)實現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)與模型預(yù)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(shè)計師趙洋說：“我們設(shè)計的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(biāo),，達(dá)到國際先進(jìn)水平?！?/p>

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(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,。”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,。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(zhǔn)作業(yè)任務(wù),，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,。

“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(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。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(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。

除了傳遞聲音和影像,，聲學(xué)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(xué)多普勒測速儀和定位聲吶及慣性導(dǎo)航等設(shè)備集成的組合導(dǎo)航系統(tǒng),，為巡航作業(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,，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(xiàn)了‘海底撈針’，并通過水聲通信機(jī)將取樣畫面回傳至母船,?！弊鳛榇舜巍皧^斗者”號的潛航員之一,，中科院聲學(xué)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(xué)系統(tǒng),，突破了全海深難關(guān),，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,?！?/p>

浮力強(qiáng)

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?？茖W(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),?！皣H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?！敝锌圃豪砘夹g(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(qiáng)度的協(xié)同關(guān)系，也就是說既要密度低又要耐高水壓,?！?/p>

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(qiáng)度差密度高的技術(shù)難題,。

《人民日報》（2020年11月30日07版）