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“奮鬥者”號的萬米深潛之路

這是人類歷史上第4艘

全海深載人潛水器“奮鬥者”號

這一天,它將進入世界最深的海域

向萬米洋底發起挑戰

2020年11月10日,中國“奮鬥者”號載人潛水器在馬裏亞納海溝創造了10909米的中國載人深潛的新紀錄,這標誌着我國在大深度載人深潛領域達到了世界領先水平。

“奮鬥者”號研製和海試成功的背後

都有哪些故事?

萬米深潛第一步:克服水下強壓

12月中旬,中科院深海所的工程實驗室裏,創造中國載人深潛新紀錄的“奮鬥者”號正在這裏接受檢測。

人類想要進入深海,水的壓力是永遠相伴的敵人。在萬米海底,每平方米要承擔11000噸左右的壓力,相當於手指上放一噸重的汽車。而載人艙是在水下為潛航員提供安全屏障的核心關鍵部件,它也標誌着一個國家載人潛水器的技術水平。

高強度高韌性 新材料如何帶動工業進步?

從國際載人深潛格局來看,自上世紀90年代起,美國、法國、日本、俄羅斯等國家一直掌握着大深度載人潛水技術。近30年來,這些國家大多數深潛器的載人艙都由一種叫“鈦64”的合金製造,這是用量最大、數據最全、使用經驗最豐富的一種鈦合金。

但是到了“奮鬥者”號,載人艙一方面要承受萬米海深的極端壓力,另一方面還要滿足搭載三人的更大尺寸球艙設計,在這樣的條件限制下,鈦64合金無法達標。

要想解決載人艙材料難題,研製一種更高強度的新型鈦合金成了唯一出路。2014年,也就是“奮鬥者”號立項的兩年前,中科院實施戰略先導科技專項,位於瀋陽的金屬研究所負責對載人艙材料與製造開展調研論證和預先研究。

為了研製“奮鬥者”號的載人艙新材料,不同成分配比的鈦合金曾在中科院金屬所的這間車間裏加工、實驗。

中科院金屬研究所研究員 馬英傑:將海綿鈦,和鋁、釩等混合在一起,通過大的壓力裝置,壓制成鈦合金的電極。然後放在熔煉爐裏面,經過多次真空熔鍊,(可以)煉成鈦合金的鑄錠。

“奮鬥者”號載人艙的鈦合金材料要同時具有高強度和高韌性,這是材料科學領域的世界性難題,也是研究員馬英傑長期研究的科學方向。

馬英傑展示的這張圖片,是新型鈦合金材料5微米範圍內的顯微結構。複合片層組織的實現和其他基礎科學研究的突破,讓新型鈦合金性能得到了全面提升。

中科院金屬研究所 研究員 楊鋭:傳統鈦合金,強度韌性都在中間,我們又研製了一系列合金。(我們)做一個潛水器,它帶動了工業的進步,帶動了材料的進步,材料又可以用到其他地方,累加效益是不可估量的。

在強度和韌性達標後,金屬所又解決了材料可焊性的問題,從2014年到2016年,通過兩年多的技術攻關,科研團隊研製出一種全新的鈦合金——鈦62A,載人艙球殼的材料難題迎刃而解。

三種方案攻克世界性難題

新材料提供了物質基礎,但距離載人艙建造成功還有很長的路。超大厚度的板材製備、半球整體衝壓、電子束焊接等關鍵技術,需要各領域多個單位聯合攻關,這也考驗着國家的工業製造能力。

中國船舶集團七〇二所“奮鬥者”號副總設計師 李豔青:兩個半球,焊在一起,形成一個整球。最核心的就是這些焊縫,包括孔座焊縫,還有最核心的赤道焊縫。

保證焊縫位置的韌性滿足要求,是焊接技術面臨的世界性難題,而實現超大尺寸與厚度材料的全電子束一次焊接,更是難上加難。

中科院金屬研究所 研究員 “奮鬥者”號載人潛水器副總設計師 雷家峯:在研製之初,我們列了很多的關鍵技術,焊接是我們最擔心的一件事,因為它最難。

2012年下水的“蛟龍”號載人潛水器,載人艙在國外加工製造;2018年下水的4500米級載人潛水器“深海勇士”號,載人艙實現了國產化,當時採用了三種技術方案。

中國船舶集團七〇二所“蛟龍”號副總設計師 中國船舶集團七〇二所“深海勇士”號總設計師 胡震:(我們用)三個工藝路線,做了三個球(載人艙),當然這三個球(載人艙)目前都是處於一個可用的狀態,有一個球(載人艙)在“深海勇士”號上正在服役。

克服三大難點 打造世界最大載人艙

與“深海勇士”號類似,為製造“奮鬥者”號的載人艙,中科院金屬所設計了兩種不同的焊接方案,計劃製造兩個球艙,但兩種方案都有一定風險。

2018年12月,第一種焊接方案出現問題,載人艙球殼無法使用,只能寄希望於第二種方案,此時,時間進度已經很緊,團隊人員揹負着巨大壓力。

2019年6月17日,採用第二種焊接方案的載人艙在洛陽的中國船舶集團七二五所開始焊接,工程單位一次性完成赤道縫焊接,焊縫質量和強韌性能全面達到設計要求。最終,載人艙團隊採用自主發明的鈦合金新材料,為“奮鬥者”號建造了世界最大、搭載人數最多的潛水器載人艙。

中科院金屬研究所 研究員 楊鋭:三大難點,一個材料,一個加工成型,一個焊接,是由三家大型的國有機構分別承擔的。真正實現集中力量辦大事。快速地創新,快速地實現產業化,快速地做出國之重器。

下潛、上浮時 如何保證潛水器安全?

張敬傑,中科院理化技術研究所研究員,她的科研團隊負責研發的浮力材料,為潛水器順利下潛和安全上浮提供保障。

中科院理化技術研究所 研究員 張敬傑:我們潛器下潛到海底之後,作業完了要上來,有兩種形式,一種是消耗能源,用動力把它推上來,但潛器在水下的作業時間和作業的項目就會縮短,而且活動半徑會變小。所以要用一種無動力上浮技術,不消耗動力也可以把潛器帶上來,就要用到固體浮力材料。

載人潛水器下水時要攜帶兩組壓載鐵,在重力牽引下潛入海洋深處。臨近海底,潛器會拋掉第一組壓載鐵,達到懸浮在水中的均衡狀態,並在海底作業。完成作業後,潛器拋載掉第二組壓載鐵,使所受浮力大於自身重力,上浮返航。浮力材料的性能直接關係到潛水器與潛航員的安全。

據張敬傑介紹,如果沒有固體浮力材料,潛器就不能下去,因為下去之後就再也上不來了,所以這個是非常關鍵的一個環節。

在高速攝像模式下拍攝的畫面中,散落的白色粉末,就是浮力材料的原始狀態。或許你很難想象,這些粉末每一粒都是一個空心球體。

這種材料的學名叫空心玻璃微球。用它製作固體浮力材料,不僅需要足夠輕,還需要耐高壓。長期以來,國產浮力材料普遍存在密度高和強度差的問題,這極大阻礙了我國深海科學研究進程。

在世界範圍內,只有少數國家掌握核心技術,且對我國實行技術封鎖。2012年下水的中國第一艘載人潛水器“蛟龍”號,浮力材料從美國進口,“蛟龍”號副總設計師胡震向我們講述了這樣一段往事。

歷經萬難:技術一定要掌握在自己手裏

據“蛟龍”號副總設計師胡震介紹,當時已經跟廠家溝通好,購買浮力材料比重是0.52,而(實際)賣給他們的是0.56的,降了一個檔次。潛水器的重量馬上就上來了,相同的浮力就要用更多的原材料,本來設計好的一套東西,都得重新來過,對潛水器的影響很大。

技術一定要掌握在自己手裏,路才能越走越寬。

2014年,中科院理化所牽頭對浮力材料的自主研製展開攻關。他們在這一領域有多年的技術積累。上世紀90年代,在實心玻璃球的配方實驗中,一次失敗,讓他們偶然發現了漂浮在水上的空心微球,由於具有輕質隔熱等特性,理化所對其性能和應用進行了長期研究和關注。

固體浮力材料的製備沒有技術路徑可以參考,研製過程異常艱辛,在經歷了上千次失敗後,中科院理化所終於製備出具有高安全係數的固體浮力材料,並且批量化生產。2018年,固體浮力材料標準塊在中科院深海所完成了壓力測試。

10909米 “奮鬥者”號探知海底最深點

2020年12月,“奮鬥者”號的母船“探索一號”靜靜地停泊在三亞的海港。此前的萬米海試中,它在水面發揮了重要的支持保障作用。

包更生,“奮鬥者”號的副總設計師,除了完善母船“探索一號”的支持系統外,他還要負責一項重要任務,確定去馬裏亞納海溝海試的“奮鬥者”號具體下潛點。萬米深潛的位置是如何選擇的?海試中,10909米的坐底深度記錄是否是海洋的最深點呢?

中科院深海所海洋裝備與運行管理中心 副主任 包更生:馬溝是個狹長型的海溝,所以它其實最深的地方,東部一塊,西部一塊,2017年“海洋6號”,2018年“探索一號”,我們當時(用聲學的方法)測出來西部這一塊是10925正負15米,東部這一塊測出來的是10927正負15米。

據包更生介紹,10909米的深度是“奮鬥者”號用壓力傳感器所測得的水深,通常比聲學方法測出的水深要小一些。

水聲通信是“奮鬥者”號與母船“探索一號”之間溝通的唯一橋樑,能夠實現潛水器從萬米海底至海面母船的數據、文字、語音及圖像的實時傳輸。

11月10日,在海試直播中,萬米海底的潛航員與母船的這段通話就是通過水聲通信系統完成的。

中科院聲學研究所 研究員 朱敏:我們平時用的通信,都是基於電磁波的通信系統,我們簡稱通信系統,實際上全稱應該叫無線電通信或者叫電磁波通信,手機信號、無線電波信號,或者光信號,在海水裏面傳播的話,實際上都距離非常短。

在“奮鬥者”號載人潛水器上,這些圓柱形金屬外殼的器材就是水聲通信系統的關鍵材料——聲學換能器。相較於前兩代的“蛟龍”號和“深海勇士”號載人潛水器,“奮鬥者”號的水聲通信設備實現了完全國產化。

除了通信,其他多種聲學設備還為潛水器提供了定位、探測、障礙物避碰等多方面功能。

神奇的機械手:探索神祕海底世界

在“奮鬥者”號海試中,潛水器的機械手是核心作業工具,通過機械手,實現了對海底生物、海底沉積物和岩石的採樣及科考設備布放與回收。

“奮鬥者”號的“機械手”具有7個關節,可實現6自由度運動控制,持重能力超過60公斤。機械手由中科院瀋陽自動化所自主研製,突破了萬米密封技術、超高壓油液環境驅動與控制等技術,填補了我國液壓機械手開展萬米作業的空白。

萬米深潛:離“無人區”更進一步

海洋佔據了地球表面71%的面積,但人類對太空、對月球的瞭解,都超過了深海區域,萬米深淵更是人類科研的“無人區”。6000米以下的深海區,是解決生命起源、地球演化等重大科學問題的前沿領域,

與一些載人潛器作為探險設備的定位不同,“奮鬥者”號載人潛水器未來將作為常態化科研裝備投入使用,這將助力我國在未來大深度海底深淵科研方面作出原創性、奠基性貢獻。

中科院深海所 研究員 蔣磊:“奮鬥者”號只是完成了海試,馬上要投入業務化的運行。頻繁的下潛需要有強的作業能力跟硬件和軟件的保障,我們希望,“奮鬥者”號能夠比較高效地而且成本比較低地投入到常態化的科考裏面去,為我們國家的科學家,國際上其他國家的科學家,提供一個好的平台,能夠有更好的科學發現。

[責任編輯:孫麗榮]

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