“奋斗者”号通过综合绩效评价后首次进行深渊科考

“奋斗者”号通过综合绩效评价后首次进行深渊科考 创新成就“中国深度”

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在太平洋西北部，有一条2550公里长的弧形海沟——马里亚纳海沟。那里平均宽70公里，大部分水深在8000米以上，最深的一段在海沟的西南端，超过1万米，是目前已知的地球最深点，被称为“挑战者深渊”。如果把珠穆朗玛峰放进那片海域，将全部被淹没，其峰顶距离海面还有2000多米。
人类对那里的探索从未止步，但是深渊之门却不会被轻易开启，到过那里的人少之又少。中国科学院沈阳自动化研究所研究员、“奋斗者”号副总设计师赵洋便是其中之一。
: W5 {$ f8 W6 O" e: F8 @# O“寒冷、高压、黑暗，但却焕发着勃勃生机，海参、钩虾、多毛类生物等一应俱全。”如今，回忆起那次创纪录的万米深潜，赵洋仍然双目有光。
去年10月至11月，我国自主研发的全海深载人潜水器“奋斗者”号在“挑战者深渊”开展万米海试，成功完成13次下潜，其中8次突破万米，创造了10909米的中国载人深潜新纪录，并在全球首次实现万米洋底直播，标志着我国在大深度载人深潜领域达到世界领先水平。
7 S  C( O4 }+ B1 L/ [  J6 T“奋斗者”号全海深载人潜水器的研制项目7月18日成功收官，并于当天顺利通过综合绩效评价。“奋斗者”号目前正在进行深渊科考。
, t0 A' r! M- y) @! @事实证明，海底1万米的世界，只有跨过核心技术的门槛，才能得其门而入。那么，有哪些关键技术为万米深潜“护航”？
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' d1 w" e- O0 d4 p特殊材料：不惧高压，沉得下去浮得上来

4 @+ H2 N  r7 O! e绿色的“肚皮”、橘色的“头顶”、鸭蛋形的“脸庞”……从外观上看，“奋斗者”号酷似一条巨型大头鱼，重约36吨。
作为“十三五”国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项的核心任务，“奋斗者”号的研制汇集了近百家科研院所、高校、企业近千名科研人员的智慧，国产化率达96．5％，代表了当前深海工程技术领域的顶级水平。而这些独特的设计颇有深意。
: R  s6 A; f( W/ Z) p据介绍，“奋斗者”号的肚子呈绿色，是因为绿光在海水中衰减较小，便于在深海中对其进行观测；而醒目的橘色头顶，是便于在它上浮到水面时，能够被“母船”快速发现；鸭蛋脸则是为了减少阻力。
其特点不仅限于“表面”。其可搭载3人的载人舱球壳的设计、研发是一大看点。
! Z0 A( j/ f8 B3 ^众所周知，巨大的水压是阻止人们探索深海的首要障碍。记者了解到，在深海中，水深每增加10米就增加一个大气压。那么，在万米海底，就是1000多个大气压，即地面压力的1000多倍。这就意味着每一平方厘米的面积，要承受一吨多的重量，相当于2000多只非洲象踩在人的背上。压力之大可想而知。在这种极端压力条件下，十分考验潜水器的抗压能力。作为人类进入万米深海的硬件保障和安全屏障，潜水器核心关键部件——载人舱的设计、用材、焊接等都颇为考究。
# ^' G7 f1 C# E* i“载人舱要求重量轻、强度高、可焊接、耐腐蚀、抗疲劳、长寿命，对材料的大规格制备能力和综合性能要求很高，此前国内外没有可用于制造容纳三人的载人舱材料。”据中国科学院金属研究所研究员杨锐介绍，按照其目标尺寸和厚度要求，以往深潜器使用的Ti64材料已经不能满足要求，需要找到一种更高强度、更高韧性、更易焊接的钛合金。
为此，中国科学院金属研究所联合国内多家企业和研究所，组建起全海深钛合金载人舱研制团队，经过一系列调研论证、研究实验，攻克了载人舱材料、成型、焊接等一系列关键技术瓶颈。
经过不断优化和上千次的测试，一种全新的钛合金显微结构被设计出来，并据此发明了具有良好热加工成型和焊接成型性能的钛合金。“这种材料韧性和可焊性与Ti64合金相当，但强度更大。”杨锐告诉记者。
据介绍，“奋斗者”号的载人球舱由两个半球焊接而成，几个窗口和接口也必须通过焊接完成，保证焊缝位置韧性、实现超大尺寸与厚度材料全电子束一次焊接等都是焊接技术面临的世界性难题。中国科学院金属研究所提出了新的焊接思路，并联合中国船舶重工集团公司洛阳船舶材料研究所突破了一系列焊接成型技术。
从选材到安装各个环节，科研人员可谓是跑了半个中国。据“奋斗者”号总设计师、中国船舶集团有限公司第702研究所副所长叶聪介绍，设计图纸完成以后，他们从沈阳拿到材料，去陕西做轧板，到四川加工，到江苏成型，到河南焊接，最后到海南做试验，再回到无锡安装。“安装的时候，一两毫米的差距就调整了半个月，球壳被吊上来吊下去，不断调整、优化，让测量结果达到图纸要求。
”在一系列新技术支撑下，直径约1．8米，目前世界最大、搭载人数最多的潜水器载人舱球壳问世。不仅如此，我国自主研制的浮力材料，也为“奋斗者”号的顺利下潜和安全上浮提供了保障。
“它采用无动力下潜上浮技术，因此固体浮力材料的选择十分重要。”中国科学院理化技术研究所研究员张敬杰介绍，固体浮力材料是潜水器获取水下净浮力、实现无动力上浮和悬浮定位的核心结构部件，不仅在提高装备载荷、减小外形尺寸上发挥重要作用，还能有效保障系统结构在深海高压环境下的稳定性，需要兼具密度小和抗压强度高两个相对立的特性，制备难度大，此前世界上只有少数发达国家掌握相关关键技术。我国科研团队攻坚克难，采用具有自主知识产权的软化学制备技术，成功研制出了固体浮力材料核心原材料高强空心玻璃微球，真正实现了我国浮力材料研究的突破，提高了我国在深海关键技术领域的自主保障能力。
得益于此，“奋斗者”号下潜上浮的速度可控制在每分钟60米左右。按照这个速度计算，从海面下潜至万米海底或上浮需要三小时，比美国全海深载人潜水器“极限因子”快半个小时，而在海底持续作业时间则可达6小时及以上。

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, u/ [/ A* \* W' N% M聪明“大脑”：黑暗中也可避免“触礁”


深海一片漆黑，地形环境又高度复杂，“奋斗者”号如何避免“触礁”风险？这就需要一个聪明的“大脑”——控制系统，来精准地控制它的每一步。
4 r0 T8 C6 D) i! u“奋斗者”号的控制系统由中国科学院沈阳自动化研究所精心打造。据了解，该控制系统汲取了“蛟龙”号精准可靠、“深海勇士”号信息化、人机共融等优点，并根据全海深载人潜水器自身的设计特点及具体应用需求等，开展了更加复杂的系统研制过程。
“相较于‘蛟龙’号与‘深海勇士’号，‘奋斗者’号的‘大脑’体积更小，但却性能更高、更加安全可靠。”赵洋介绍。
据了解，“奋斗者”号的“大脑”之所以变小，是因为载人舱内空间的减小。“比‘蛟龙’号和‘深海勇士’号缩小约三分之一，但载员仍是三人。在成员占用空间无法压缩的情况下，只能压缩系统设备空间。”
- K2 z) T7 E7 }" _这倒逼研发团队开展自主创新。最终，体积只有原选用产品五分之一、重量为其三分之一，并且数据通道间相互电气隔离的信息采集设备诞生，有效解决了多源信息小型化可靠隔离采集的关键技术问题。
与此同时，科研人员还攻克了深渊复杂环境下大惯量载体多自由度航行操控、系统安全可靠运行等技术难题，让“奋斗者”号的控制系统实现了基于数据与模型预测的在线智能故障诊断、基于在线控制分配的容错控制以及海底自主避碰等功能。
“我们设计的神经网络优化算法，能够让‘奋斗者’号在海底复杂地形巡航、定点航行以及悬停定位。”赵洋说。
不过，载人潜水器抵达万米深渊，可不只是“到此一游”，还要完成岩石、生物抓取，以及沉积物取样等精准科考作业。
为此，科研人员还为“奋斗者”号安上了灵活的双手——两套主从伺服液压机械手，每只“手”有7个关节，可实现六自由度运动控制，持重能力超过60公斤，能够覆盖采样篮及前部作业区域，具有强大的作业能力。这项技术填补了我国应用全海深液压机械手开展万米作业的空白。
机械手握住沉积物采样器的手柄，在指定的位置采集沉积物。然后，再提起手柄将其放回采样篮……这是“奋斗者”号利用机械手臂进行沉积物采样的过程，这样一次操作大概需要5到10分钟。
4 W6 i, R1 N- @0 R- H( N为了支撑实现载人潜水器的科学观测能力，控制系统团队还首次在全海深级别的载人潜水器上研制了电动观测云台，突破超高压环境精确传动控制、高紧凑度一体化设计等技术，搭载多部科考设备实现全向水下观测，获取了大量深渊海底科学观测照片、视频。
. M3 M' {& K! C. j9 O/ a而这些均由聪明的“大脑”控制。
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; ]3 Y1 x- o# }1 \3 t水声通信：“水下微信”实现“千里传音”
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: q& O  f0 N: d9 ^1 e7 W. U+ E! }“亲爱的观众们，万米的海底妙不可言，希望我们能够通过‘奋斗者’号的画面向大家展示万米的海底。”成功坐底马里亚纳海沟后，3位潜航员第一时间通过水声通信系统分享了他们的心情，这一场景至今仍旧振奋人心。
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，实现了潜水器从万米海底至海面的文字、语音及图像的实时传输。其原理就是把信息变成声音在水里传播，到达水面后再把它转变为原来的信息。
为什么是水声通信？记者了解到，与地面不同，由于海水的特性，光、电磁波等在水中会快速衰减至消失，即便是强大的北斗系统也无法发挥作用。而声波恰恰能在水下远距离传播，因此，声波便成了潜水器的通讯、导航利器。
, }: J5 D& X! e6 e/ w$ W$ K; C声学系统由此成为载人潜水器不可或缺的一部分。有科研人员表示，如果说载人潜水器是一个人，那么声学系统就是这个人的眼睛、耳朵、嘴巴，能“看”、能“听”，还能“说”。
相较“蛟龙”号与“深海勇士”号载人潜水器，“奋斗者”号的声学系统实现了完全国产化，技术指标更高。
“奋斗者”号的声学系统是一个庞大的系统，按功能分，有水声通信机，还有测深侧扫声呐、前视成像声呐、定位声呐、多普勒测速声呐以及避碰声呐，等等，其功能主要是为潜水器和载人母船之间进行通信、定位，以及载人潜水器的避障等提供帮助。
9 A, P8 K. i$ `4 ~* W+ |( ]# |' I在载人潜水器下潜时，水声通信机要将与潜水器相关的诸如舱内温度、湿度以及下潜深度等各项状态参数回传至海面母船。
在漆黑一片的海底坐底后，各种声呐就开始“侦察”环境，然后告诉潜水器“你在哪儿”“周围环境如何”“可以往哪儿走”……各种“路况信息”，测深侧扫声呐、前视成像声呐等可谓是一扫便知。潜航员便可根据声呐绘制的“海底地图”规划潜水器的行走路线。不仅如此，在行走过程中，如遇“路障”，避碰声呐就像“安全员”一样，会提前“告知”潜航员，为其提供充分的规避时间。
作业期间，如果潜航员有了新发现或者拍到了值得纪念的精彩瞬间，还可以通过水声通信机实时分享给海面的人，被潜航员称为“水下微信”。
除此之外，“奋斗者”号还在锂离子电池、海水泵等方面实现多项重大技术突破。其研制及海试的成功，标志着我国具有了进入世界海洋最深处开展科学探索和研究的能力，体现了我国在海洋高技术领域的综合实力。
! [9 b8 Z; Y( W& K不过，坐底10909米深度，仅是初窥冰山一角，海洋深处还有太多的未知需要我们不断去探索和揭秘。从“蛟龙”号到“深海勇士”号，再到“奋斗者”号……我国科研工作者将不断带领我们探寻更多大洋深处的奥秘。
: d& T  @3 x3 d. |“奋斗者”号的成功，得益于党中央对深海事业发展的正确领导和科研团队集智攻关中发扬新时代科学家精神，也离不开科技计划管理模式的创新探索。“十三五”国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项管理专业机构、中国21世纪议程管理中心黄晶主任介绍，“奋斗者”号载人潜水器是“深海关键技术与装备”重点专项的核心研制任务，中心始终坚持科学化、规范化、精细化管理，组建项目群协同攻关，成立专家组跟踪指导，制定质量和海试管理规范提升装备实用性，有力支撑深海有关装备研制任务圆满完成。
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