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海底|“奋斗者”号，了不起（科技自立自强）

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海底|“奋斗者”号，了不起（科技自立自强）
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“奋斗者”号正在注水下潜 。中国科学院供图

海底|“奋斗者”号，了不起（科技自立自强）
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搭载“奋斗者”号的“探索一号”船（前一） 。中国科学院供图
核心阅读
11月28日 ， “奋斗者”号完成万米深潜海试任务并顺利返航 。 “奋斗者”号启航以来 ， 在马里亚纳海沟完成13次下潜 ， 其中8次突破万米 ， 创造10909米的中国载人深潜新纪录……不断刷新的数字背后 ， 是抗压、控制、通信、浮力等多个关键领域的技术攻关 ， 体现着我国自主研发深海装备技术的突破和进步 。
11月28日 ， “奋斗者”号全海深载人潜水器圆满完成万米深潜海试任务 ， 顺利返回海南三亚 。
10月10日 ， “奋斗者”号从三亚崖州湾南山港码头启航 ， 前往西太平洋马里亚纳海沟海域实施万米深潜试验任务 。 此后 ， 一路捷报频传——
10月27日 ， 下潜首次突破万米；11月10日 ， 创造了10909米的中国载人深潜新纪录；11月13日 ， 完成了世界上首次载人潜水器与着陆器在万米海底的联合作业 ， 并进行了视频直播……截至11月19日 ， “奋斗者”号在马里亚纳海沟海域共开展了13次下潜 ， 其中8次超过万米 。
外观酷似一条绿色大头鱼的“奋斗者”号 ， 是国际上首次可以同时搭载3人下潜的万米载人潜水器 。 本领如此高超 ， 要归功于它有着一颗强大的“中国心” ， 在多个关键技术和重要材料领域 ， 拥有很高的国产化程度 ， 核心部件国产化率超过96.5% 。
抗高压
新型钛合金材料制成宽敞而结实的载人舱
潜入万米海底 ， 首先要攻克的难关就是巨大的水压 。 被称为“地球第四极”的马里亚纳海沟 ， 完全黑暗、温度极低 ， 是地球上环境最恶劣的区域之一 。 海沟1万米深处 ， 水压接近1100个大气压 ， 相当于2000头非洲象踩在一个人的背上 。 “奋斗者”号如何做到不惧高压极端环境 ， 在万米海底自由行走？
关键在于载人舱 。 载人舱是全海深载人潜水器的核心关键部件 ， 是人类进入万米深海的硬件保障和安全屏障 ， 也标志着一个国家载人潜水器的技术水平 。
“奋斗者”号的载人舱呈球形 ， 能够同时容纳3名潜航员 。 此前 ， 也有国外深潜器依靠球形载人舱成功挑战了万米重压 ， 但舱体空间仅能容纳1到2人 ， 无法搭载更多的人和设备 。 为了让“奋斗者”号的载人舱体既宽敞又结实 ， 还足够灵巧轻盈 ， 科研人员没少费心思 。
中科院金属研究所研究员、全海深载人潜水器载人舱项目负责人杨锐说：“载人舱作为整个潜水器里规格最大的一个耐压容器 ， 制作材料十分特殊 ， 其成败直接关系着整个潜水器的成败 。 ”
在万米海深的极端压力条件下 ， 按照“奋斗者”号的目标尺寸和厚度要求 ， 以往深潜器使用的材料都已不能达标 ， 需要找到一种高强度、高韧性、可焊接的钛合金 。 “国际上没有制造先例 ， 也找不到国外厂家生产 ， 唯一的出路就只有我们自己造 。 ”杨锐说 。
于是 ， 中科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“国家队” ， 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 。 杨锐说：“我们独创的新型钛合金材料Ti62A成功解决了载人舱材料所面临的强度、韧性和可焊性等难题 。 ”
操控准
先进控制系统实现高精度航行控制
深海一片漆黑 ， 地形环境高度复杂 ， “奋斗者”号要避免“触礁”风险 ， 得依靠控制系统的精准指挥 。
为此 ， 中科院沈阳自动化研究所的科研人员 ， 针对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进行了攻关 ， 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 。
中科院沈阳自动化研究所研究员、“奋斗者”号副总设计师赵洋说：“我们设计的神经网络优化算法 ， 能够让‘奋斗者’号在海底自动匹配地形巡航、定点航行以及悬停定位 。 其中 ， 水平面和垂直面航行控制性能指标 ， 达到国际先进水平 。 ”
此外 ， 研究人员还为“奋斗者”号装上了一双高度灵活且有力的“手” 。 “潜水器使用了我们研发的两套主从伺服液压机械手开展万米作业 ， 每套手有7个关节 ， 可实现6自由度运动控制 ， 持重能力超过60公斤 ， 能够覆盖采样篮及前部作业区域 ， 具有强大的作业能力 。 ”中科院沈阳自动化研究所水下机器人研究室副主任张奇峰说 。 凭借这双“手” ， “奋斗者”号顺利完成了岩石、生物抓取及沉积物取样器操作等精准作业任务 ， 填补了我国应用全海深液压机械手开展万米作业的空白 。
“千里耳”
水声通信系统助万米海底声像实时传输
“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 。 ”11月10日8时12分 ， “奋斗者”号成功坐底马里亚纳海沟 ， 3名潜航员第一时间通过水声通信系统分享了心情 。
作为“奋斗者”号与母船“探索一号”之间沟通的唯一桥梁 ， 这套水声通信系统实现了潜水器从万米海底至海面母船的文字、语音及图像的实时传输 。 相较于前两代的“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 。 这个系统由中科院声学研究所牵头研制 。
除了传递声音和影像 ， 声学系统还能帮助“奋斗者”号在万米海底精确作业 。 比如 ， 由声学多普勒测速仪和定位声呐及惯性导航等设备集成的组合导航系统 ， 为巡航作业提供了高精度的水下定位导航 。
“在11月16日的下潜作业中 ， 借助组合导航系统和声呐设备 ， 潜航员仅用半小时便成功取回了此前布放在万米海底的3个水下取样器 ， 实现了‘海底捞针’ ， 并通过水声通信机将取样画面回传至母船 。 ”作为此次“奋斗者”号的潜航员之一 ， 中科院声学研究所高级工程师刘烨瑶对此次作业印象深刻 ， “‘奋斗者’号的声学系统 ， 突破了全海深难关 ， 为全海深范围内的持续巡航作业提供了可靠的技术保障 。 ”
浮力强
固体浮力材料让深潜器顺利返回水面
“奋斗者”号既要“下得去” ， 也得“回得来” ， 而顺利返回水面的关键是固体浮力材料 。
固体浮力材料的作用是为潜水器顺利下潜和安全上浮提供保障 ， 其性能直接关系到潜水器与潜航员的安全 ， 也是众多深海科学考察装备及实现海洋资源开发的核心材料 。 然而 ， 由于高性能固体浮力材料制备技术难度大 ， 仅有少数几个国家掌握 。
在缺少文献和经验借鉴的情况下 ， 中科院理化技术研究所牵头开始了万米级浮力材料自主攻关 。 “国际上不乏由于浮力材料开裂塌陷等原因 ， 导致水下装备丢失和报废的事故 ， ‘奋斗者’号要满足反复深潜 ， 技术难度可想而知 。 ”中科院理化技术研究所研究员张敬杰介绍 ， “核心技术问题就是要解决材料的密度与强度的协同关系 ， 也就是说既要密度低又要耐高水压 。 ”
在前期多年技术积累基础上 ， 科研人员采用具有自主知识产权的软化学制备技术 ， 在短时间内研制出了固体浮力材料的核心原材料 ， 实现了我国浮力材料研究的关键技术突破 。 随后 ， 经过一系列配方调试和工艺优化 ， 制备出了具有高安全系数的万米级固体浮力材料并进行了批量化生产 ， 解决了长期以来国产固体浮力材料强度差密度高的技术难题 。
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【海底|“奋斗者”号，了不起（科技自立自强）】作者:本报采访人员 吴月辉

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