“奮斗者”號正進行深淵科考 有哪些關鍵技術為萬米深潛“護航”？

在太平洋西北部，有一條2550公里長的弧形海溝——馬里亞納海溝。那里平均寬70公里，大部分水深在8000米以上，最深的一段在海溝的西南端，超過1萬米，是目前已知的地球最深點，被稱為“挑戰者深淵”。如果把珠穆朗瑪峰放進那片海域，將全部被淹沒，其峰頂距離海面還有2000多米。

人類對那里的探索從未止步，但是深淵之門卻不會被輕易開啟，到過那里的人少之又少。中國科學院沈陽自動化研究所研究員、“奮斗者”號副總設計師趙洋便是其中之一。

“寒冷、高壓、黑暗，但卻煥發著勃勃生機，海參、鉤蝦、多毛類生物等一應俱全。”如今，回憶起那次創紀錄的萬米深潛，趙洋仍然雙目有光。

“奮斗者”號全海深載人潛水器的研制項目7月18日成功收官，并于當天順利通過綜合績效評價。“奮斗者”號目前正在進行深淵科考。

去年10月至11月，我國自主研發的全海深載人潛水器“奮斗者”號在“挑戰者深淵”開展萬米海試，成功完成13次下潛，其中8次突破萬米，創造了10909米的中國載人深潛新紀錄，并在全球首次實現萬米洋底直播，標志著我國在大深度載人深潛領域達到世界領先水平。

事實證明，海底1萬米的世界，只有跨過核心技術的門檻，才能得其門而入。那么，有哪些關鍵技術為萬米深潛“護航”?

特殊材料： 不懼高壓，沉得下去浮得上來

綠色的“肚皮”、橘色的“頭頂”、鴨蛋形的“臉龐”……從外觀上看，“奮斗者”號酷似一條巨型大頭魚，重約36噸。

作為“十三五”國家重點研發計劃“深海關鍵技術與裝備”重點專項的核心任務，“奮斗者”號的研制匯集了近百家科研院所、高校、企業近千名科研人員的智慧，國產化率達96.5%，代表了當前深海工程技術領域的頂級水平。而這些獨特的設計頗有深意。

據介紹，“奮斗者”號的肚子呈綠色，是因為綠光在海水中衰減較小，便于在深海中對其進行觀測;而醒目的橘色頭頂，是便于在它上浮到水面時，能夠被“母船”快速發現;鴨蛋臉則是為了減少阻力。

其特點不僅限于“表面”。其可搭載3人的載人艙球殼的設計、研發是一大看點。

眾所周知，巨大的水壓是阻止人們探索深海的首要障礙。記者了解到，在深海中，水深每增加10米就增加一個大氣壓。那么，在萬米海底，就是1000多個大氣壓，即地面壓力的1000多倍。這就意味著每一平方厘米的面積，要承受一噸多的重量，相當于2000多只非洲象踩在人的背上。壓力之大可想而知。

在這種極端壓力條件下，十分考驗潛水器的抗壓能力。作為人類進入萬米深海的硬件保障和安全屏障，潛水器核心關鍵部件——載人艙的設計、用材、焊接等都頗為考究。

“載人艙要求重量輕、強度高、可焊接、耐腐蝕、抗疲勞、長壽命，對材料的大規格制備能力和綜合性能要求很高，此前國內外沒有可用于制造容納三人的載人艙材料。”據中國科學院金屬研究所研究員楊銳介紹，按照其目標尺寸和厚度要求，以往深潛器使用的Ti64材料已經不能滿足要求，需要找到一種更高強度、更高韌性、更易焊接的鈦合金。

為此，中國科學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團隊，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。

經過不斷優化和上千次的測試，一種全新的鈦合金顯微結構被設計出來，并據此發明了具有良好熱加工成型和焊接成型性能的鈦合金。“這種材料韌性和可焊性與Ti64合金相當，但強度更大。”楊銳告訴記者。

據介紹，“奮斗者”號的載人球艙由兩個半球焊接而成，幾個窗口和接口也必須通過焊接完成，保證焊縫位置韌性、實現超大尺寸與厚度材料全電子束一次焊接等都是焊接技術面臨的世界性難題。中國科學院金屬研究所提出了新的焊接思路，并聯合中國船舶重工集團公司洛陽船舶材料研究所突破了一系列焊接成型技術。

從選材到安裝各個環節，科研人員可謂是跑了半個中國。據“奮斗者”號總設計師、中國船舶集團有限公司第702研究所副所長葉聰介紹，設計圖紙完成以后，他們從沈陽拿到材料，去陜西做軋板，到四川加工，到江蘇成型，到河南焊接，最后到海南做試驗，再回到無錫安裝。“安裝的時候，一兩毫米的差距就調整了半個月，球殼被吊上來吊下去，不斷調整、優化，讓測量結果達到圖紙要求。”

在一系列新技術支撐下，直徑約1.8米，目前世界最大、搭載人數最多的潛水器載人艙球殼問世。

不僅如此，我國自主研制的浮力材料，也為“奮斗者”號的順利下潛和安全上浮提供了保障。

“它采用無動力下潛上浮技術，因此固體浮力材料的選擇十分重要。”中國科學院理化技術研究所研究員張敬杰介紹，固體浮力材料是潛水器獲取水下凈浮力、實現無動力上浮和懸浮定位的核心結構部件，不僅在提高裝備載荷、減小外形尺寸上發揮重要作用，還能有效保障系統結構在深海高壓環境下的穩定性，需要兼具密度小和抗壓強度高兩個相對立的特性，制備難度大，此前世界上只有少數發達國家掌握相關關鍵技術。我國科研團隊攻堅克難，采用具有自主知識產權的軟化學制備技術，成功研制出了固體浮力材料核心原材料高強空心玻璃微球，真正實現了我國浮力材料研究的突破，提高了我國在深海關鍵技術領域的自主保障能力。

得益于此，“奮斗者”號下潛上浮的速度可控制在每分鐘60米左右。按照這個速度計算，從海面下潛至萬米海底或上浮需要三小時，比美國全海深載人潛水器“極限因子”快半個小時，而在海底持續作業時間則可達6小時及以上。

聰明“大腦”： 黑暗中也可避免“觸礁”

深海一片漆黑，地形環境又高度復雜，“奮斗者”號如何避免“觸礁”風險?這就需要一個聰明的“大腦”——控制系統，來精準地控制它的每一步。

“奮斗者”號的控制系統由中國科學院沈陽自動化研究所精心打造。據了解，該控制系統汲取了“蛟龍”號精準可靠、“深海勇士”號信息化、人機共融等優點，并根據全海深載人潛水器自身的設計特點及具體應用需求等，開展了更加復雜的系統研制過程。

“相較于‘蛟龍’號與‘深海勇士’號，‘奮斗者’號的‘大腦’體積更小，但卻性能更高、更加安全可靠。”趙洋介紹。

據了解，“奮斗者”號的“大腦”之所以變小，是因為載人艙內空間的減小。“比‘蛟龍’號和‘深海勇士’號縮小約三分之一，但載員仍是三人。在成員占用空間無法壓縮的情況下，只能壓縮系統設備空間。”

這倒逼研發團隊開展自主創新。最終，體積只有原選用產品五分之一、重量為其三分之一，并且數據通道間相互電氣隔離的信息采集設備誕生，有效解決了多源信息小型化可靠隔離采集的關鍵技術問題。