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“奋斗者”号的万米深潜之路

这是人类历史上第 4 艘

全海深载人潜水器 " 奋斗者 " 号

这一天,它将进入世界最深的海域

向万米洋底发起挑战

2020 年 11 月 10 日,中国 " 奋斗者 " 号载人潜水器在马里亚纳海沟创造了 10909 米的中国载人深潜的新纪录,这标志着我国在大深度载人深潜领域达到了世界领先水平。

" 奋斗者 " 号研制和海试成功的背后

都有哪些故事?

万米深潜第一步:克服水下强压

12 月中旬,中科院深海所的工程实验室里,创造中国载人深潜新纪录的 " 奋斗者 " 号正在这里接受检测。

人类想要进入深海,水的压力是永远相伴的敌人。在万米海底,每平方米要承担 11000 吨左右的压力,相当于手指上放一吨重的汽车。而载人舱是在水下为潜航员提供安全屏障的核心关键部件,它也标志着一个国家载人潜水器的技术水平。

高强度高韧性 新材料如何带动工业进步?

从国际载人深潜格局来看,自上世纪 90 年代起,美国、法国、日本、俄罗斯等国家一直掌握着大深度载人潜水技术。近 30 年来,这些国家大多数深潜器的载人舱都由一种叫 " 钛 64" 的合金制造,这是用量最大、数据最全、使用经验最丰富的一种钛合金。

但是到了 " 奋斗者 " 号,载人舱一方面要承受万米海深的极端压力,另一方面还要满足搭载三人的更大尺寸球舱设计,在这样的条件限制下,钛 64 合金无法达标。

要想解决载人舱材料难题,研制一种更高强度的新型钛合金成了唯一出路。2014 年,也就是 " 奋斗者 " 号立项的两年前,中科院实施战略先导科技专项,位于沈阳的金属研究所负责对载人舱材料与制造开展调研论证和预先研究。

为了研制 " 奋斗者 " 号的载人舱新材料,不同成分配比的钛合金曾在中科院金属所的这间车间里加工、实验。

中科院金属研究所研究员 马英杰:将海绵钛,和铝、钒等混合在一起,通过大的压力装置,压制成钛合金的电极。然后放在熔炼炉里面,经过多次真空熔炼,(可以)炼成钛合金的铸锭。

" 奋斗者 " 号载人舱的钛合金材料要同时具有高强度和高韧性,这是材料科学领域的世界性难题,也是研究员马英杰长期研究的科学方向。

马英杰展示的这张图片,是新型钛合金材料 5 微米范围内的显微结构。复合片层组织的实现和其他基础科学研究的突破,让新型钛合金性能得到了全面提升。

中科院金属研究所 研究员 杨锐:传统钛合金,强度韧性都在中间,我们又研制了一系列合金。(我们)做一个潜水器,它带动了工业的进步,带动了材料的进步,材料又可以用到其他地方,累加效益是不可估量的。

在强度和韧性达标后,金属所又解决了材料可焊性的问题,从 2014 年到 2016 年,通过两年多的技术攻关,科研团队研制出一种全新的钛合金——钛 62A,载人舱球壳的材料难题迎刃而解。

三种方案

攻克世界性难题

新材料提供了物质基础,但距离载人舱建造成功还有很长的路。超大厚度的板材制备、半球整体冲压、电子束焊接等关键技术,需要各领域多个单位联合攻关,这也考验着国家的工业制造能力。

中国船舶集团七〇二所 " 奋斗者 " 号副总设计师 李艳青:两个半球,焊在一起,形成一个整球。最核心的就是这些焊缝,包括孔座焊缝,还有最核心的赤道焊缝。

保证焊缝位置的韧性满足要求,是焊接技术面临的世界性难题,而实现超大尺寸与厚度材料的全电子束一次焊接,更是难上加难。

中科院金属研究所 研究员 " 奋斗者 " 号载人潜水器副总设计师 雷家峰:在研制之初,我们列了很多的关键技术,焊接是我们最担心的一件事,因为它最难。

2012 年下水的 " 蛟龙 " 号载人潜水器,载人舱在国外加工制造;2018 年下水的 4500 米级载人潜水器 " 深海勇士 " 号,载人舱实现了国产化,当时采用了三种技术方案。

中国船舶集团七〇二所 " 蛟龙 " 号副总设计师 中国船舶集团七〇二所 " 深海勇士 " 号总设计师 胡震:(我们用)三个工艺路线,做了三个球(载人舱),当然这三个球(载人舱)目前都是处于一个可用的状态,有一个球(载人舱)在 " 深海勇士 " 号上正在服役。

克服三大难点

打造世界最大载人舱

与 " 深海勇士 " 号类似,为制造 " 奋斗者 " 号的载人舱,中科院金属所设计了两种不同的焊接方案,计划制造两个球舱,但两种方案都有一定风险。

2018 年 12 月,第一种焊接方案出现问题,载人舱球壳无法使用,只能寄希望于第二种方案,此时,时间进度已经很紧,团队人员背负着巨大压力。

2019 年 6 月 17 日,采用第二种焊接方案的载人舱在洛阳的中国船舶集团七二五所开始焊接,工程单位一次性完成赤道缝焊接,焊缝质量和强韧性能全面达到设计要求。最终,载人舱团队采用自主发明的钛合金新材料,为 " 奋斗者 " 号建造了世界最大、搭载人数最多的潜水器载人舱。

中科院金属研究所 研究员 杨锐:三大难点,一个材料,一个加工成型,一个焊接,是由

三家大型的国有机构

分别承担的。真正实现集中力量办大事。快速地创新,快速地实现产业化,快速地做出国之重器。

下潜、上浮时 如何保证潜水器安全?

张敬杰,中科院理化技术研究所研究员,她的科研团队负责研发的浮力材料,为潜水器顺利下潜和安全上浮提供保障。

中科院理化技术研究所 研究员 张敬杰:我们潜器下潜到海底之后,作业完了要上来,有两种形式,一种是消耗能源,用动力把它推上来,但潜器在水下的作业时间和作业的项目就会缩短,而且活动半径会变小。所以要用一种无动力上浮技术,不消耗动力也可以把潜器带上来,就要用到固体浮力材料。

载人潜水器下水时要携带两组压载铁,在重力牵引下潜入海洋深处。临近海底,潜器会抛掉第一组压载铁,达到悬浮在水中的均衡状态,并在海底作业。完成作业后,潜器抛载掉第二组压载铁,使所受浮力大于自身重力,上浮返航。浮力材料的性能直接关系到潜水器与潜航员的安全。

据张敬杰介绍,如果没有固体浮力材料,潜器就不能下去,因为下去之后就再也上不来了,所以这个是非常关键的一个环节。

在高速摄像模式下拍摄的画面中,散落的白色粉末,就是浮力材料的原始状态。或许你很难想象,这些粉末每一粒都是一个空心球体。

这种材料的学名叫空心玻璃微球。用它制作固体浮力材料,不仅需要足够轻,还需要耐高压。长期以来,国产浮力材料普遍存在密度高和强度差的问题,这极大阻碍了我国深海科学研究进程。

在世界范围内,只有少数国家掌握核心技术,且对我国实行技术封锁。2012 年下水的中国第一艘载人潜水器 " 蛟龙 " 号,浮力材料从美国进口," 蛟龙 " 号副总设计师胡震向我们讲述了这样一段往事。

历经万难:技术一定要掌握在自己手里

据 " 蛟龙 " 号副总设计师胡震介绍,

当时已经跟厂家沟通好,购买浮力材料比重是 0.52,而(实际)卖给他们的是 0.56 的,降了一个档次。潜水器的重量马上就上来了,相同的浮力就要用更多的原材料,本来设计好的一套东西,都得重新来过,对潜水器的影响很大。

技术一定要掌握在自己手里,路才能越走越宽。

2014 年,中科院理化所牵头对浮力材料的自主研制展开攻关。他们在这一领域有多年的技术积累。上世纪 90 年代,在实心玻璃球的配方实验中,一次失败,让他们偶然发现了漂浮在水上的空心微球,由于具有轻质隔热等特性,理化所对其性能和应用进行了长期研究和关注。

固体浮力材料的制备没有技术路径可以参考,研制过程异常艰辛,在经历了上千次失败后,中科院理化所终于制备出具有高安全系数的固体浮力材料,并且批量化生产。2018 年,固体浮力材料标准块在中科院深海所完成了压力测试。

10909 米

" 奋斗者 " 号

探知海底最深点

2020 年 12 月," 奋斗者 " 号的母船 " 探索一号 " 静静地停泊在三亚的海港。此前的万米海试中,它在水面发挥了重要的支持保障作用。

包更生," 奋斗者 " 号的副总设计师,除了完善母船 " 探索一号 " 的支持系统外,他还要负责一项重要任务,确定去马里亚纳海沟海试的 " 奋斗者 " 号具体下潜点。万米深潜的位置是如何选择的?海试中,10909 米的坐底深度记录是否是海洋的最深点呢?

中科院深海所海洋装备与运行管理中心 副主任 包更生:马沟是个狭长型的海沟,所以它其实最深的地方,东部一块,西部一块,2017 年 " 海洋 6 号 ",2018 年 " 探索一号 ",我们当时(用声学的方法)测出来西部这一块是 10925 正负 15 米,东部这一块测出来的是 10927 正负 15 米。

据包更生介绍,10909 米的深度是 " 奋斗者 " 号用压力传感器所测得的水深,通常比声学方法测出的水深要小一些。

水声通信是 " 奋斗者 " 号与母船 " 探索一号 " 之间沟通的唯一桥梁,能够实现潜水器从万米海底至海面母船的数据、文字、语音及图像的实时传输。

11 月 10 日,在海试直播中,万米海底的潜航员与母船的这段通话就是通过水声通信系统完成的。

中科院声学研究所 研究员 朱敏:我们平时用的通信,都是基于电磁波的通信系统,我们简称通信系统,实际上全称应该叫无线电通信或者叫电磁波通信,手机信号、无线电波信号,或者光信号,在海水里面传播的话,实际上都距离非常短。

在 " 奋斗者 " 号载人潜水器上,这些圆柱形金属外壳的器材就是水声通信系统的关键材料——声学换能器。相较于前两代的 " 蛟龙 " 号和 " 深海勇士 " 号载人潜水器," 奋斗者 " 号的水声通信设备实现了完全国产化。

除了通信,其他多种声学设备还为潜水器提供了定位、探测、障碍物避碰等多方面功能。

神奇的机械手:探索神秘海底世界

在 " 奋斗者 " 号海试中,潜水器的机械手是核心作业工具,通过机械手,实现了对海底生物、海底沉积物和岩石的采样及科考设备布放与回收。

" 奋斗者 " 号的 " 机械手 " 具有 7 个关节,可实现 6 自由度运动控制,持重能力超过 60 公斤。机械手由中科院沈阳自动化所自主研制,突破了万米密封技术、超高压油液环境驱动与控制等技术,填补了我国液压机械手开展万米作业的空白。

万米深潜:离 " 无人区 " 更进一步

海洋占据了地球表面 71% 的面积,但人类对太空、对月球的了解,都超过了深海区域,万米深渊更是人类科研的 " 无人区 "。6000 米以下的深海区,是解决生命起源、地球演化等重大科学问题的前沿领域,

与一些载人潜器作为探险设备的定位不同," 奋斗者 " 号载人潜水器未来将作为常态化科研装备投入使用,这将助力我国在未来大深度海底深渊科研方面作出原创性、奠基性贡献。

中科院深海所 研究员 蒋磊:" 奋斗者 " 号只是完成了海试,马上要投入业务化的运行。频繁的下潜需要有强的作业能力跟硬件和软件的保障,我们希望," 奋斗者 " 号能够比较高效地而且成本比较低地投入到常态化的科考里面去,为我们国家的科学家,国际上其他国家的科学家,提供一个好的平台,能够有更好的科学发现。

栏目主编:顾万全 张武 本文作者:央视新闻客户端 文字编辑:宋慧

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