“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并順利返航（圖/中新網）

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”號創造了10 909米的中國載人深潛新紀錄，標志著我國在大深度載人深潛領域達到世界領先水平。

新型鈦合金材料制成寬敞而結實載人艙

潛入萬米海底，首先要攻克的難關就是巨大的水壓。被稱為“地球第四極”的馬里亞納海溝，完全黑暗、溫度極低，是地球上環境最惡劣的區域之一。海溝1萬米深處，水壓接近1100個大氣壓，相當于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境，在萬米海底自由行走？

關鍵在于載人艙。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，也標志著一個國家載人潛水器的技術水平。

“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備。為了讓“奮斗者”號的載人艙體既寬敞又結實，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責人楊銳說：“載人艙作為整個潛水器里規格最大的一個耐壓容器，制作材料十分特殊，其成敗直接關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”號的目標尺寸和厚度要求，以往深潛器使用的材料都不能達標，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，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合國內多家企業和研究所，組建起全海深鈦合金載人艙研制“國家隊”，經過一系列調研論證、研究實驗，攻克了載人艙材料、成型、焊接等一系列關鍵技術瓶頸。楊銳說：“我們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?！?/p>

先進控制系統實現高精度航行控制

說起這位“奮斗者”，就不得不談它的控制系統，也就是它的“大腦”?！皧^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，地形環境高度復雜，“奮斗者”號的“大腦”必須實現高精度航行控制，不然就可能有“觸礁”風險。

為此，研究人員克服了深淵復雜環境下大慣量載體多自由度航行操控、系統安全可靠運行等技術難題，“奮斗者”號的“指揮中心”實現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，我們設計的神經網絡優化算法，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達到國際先進水平?！敝锌圃荷蜿栕詣踊芯克芯繂T、“奮斗者”號副總設計師趙洋說。

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的兩套主從伺服液壓機械手開展萬米作業，每套手有7個關節，可實現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區域，具有強大的作業能力?！敝锌圃荷蜿栕詣踊芯克聶C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作業任務，填補了我國應用全海深液壓機械手開展萬米作業的空白。

水聲通信系統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?！?/p>

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”號的聲學系統實現了完全國產化，這個系統由中科院聲學研究所牽頭研制。

“‘奮斗者’號的聲學系統突破了全海深難關，技術指標更高，在整個海試過程中表現優秀，為全海深范圍內的持續巡航作業提供了可靠的技術保障?！敝锌圃郝晫W研究所高級工程師、“奮斗者”號副總建造師和主任設計師、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，由聲學多普勒測速儀和定位聲吶及慣性導航等設備相集成的組合導航系統，還為“奮斗者”號的巡航作業提供了高精度的水下定位導航。

在11月16日的下潛作業中，借助組合導航系統和聲吶設備，“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“海底撈針”，并通過水聲通信機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，其性能直接關系到潛水器與潛航員的安全，也是眾多深?？茖W考察裝備及實現海洋資源開發的核心材料。然而，由于高性能固體浮力材料制備技術難度大，僅有少數幾個國家掌握。

在缺少文獻和經驗借鑒的情況下，中科院理化技術研究所牽頭開始了萬米級浮力材料自主攻關?！皣H上不乏由于浮力材料開裂塌陷等原因，導致水下裝備丟失和報廢的事故，‘奮斗者’號要滿足反復深潛，技術難度可想而知。”中科院理化技術研究所研究員張敬杰介紹，“核心技術問題就是要解決材料的密度與強度的協同關系，也就是說既要密度低又要耐高水壓?！?/p>

在前期多年技術積累基礎上，科研人員采用具有自主知識產權的軟化學制備技術，在短時間內研制出了固體浮力材料的核心原材料，實現了我國浮力材料研究的關鍵技術突破。隨后，經過一系列配方調試和工藝優化，制備出了具有高安全系數的萬米級固體浮力材料并進行了批量化生產，解決了長期以來國產固體浮力材料強度差密度高的技術難題。