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潜水器|“奋斗者”号身上的“黑科技”

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那个在海底下潜10909米的“奋斗者”回来了 。
11月28日 ， “奋斗者”号载人潜水器深海试验返航仪式在海南三亚举行 。 这位凯旋的“奋斗者”受到了热烈欢迎 。
“奋斗者”号怎么这么牛气 ， 能够“一口气”下潜到海底10000多米？它到底穿着什么样的装备 ， 才能不惧海底高压、高腐蚀的极端环境？在深潜地球最深处时 ， 3位潜航员还向全国观众分享了他们的心情 ， 又是怎样做到的？
【潜水器|“奋斗者”号身上的“黑科技”】下面 ， 我们就来扒一扒“奋斗者”号的那些“高精尖”技术装备 。
它有聪明的大脑和一双灵活的手
说起这位“奋斗者” ， 就不得不谈它的控制系统 ， 也就是它的“大脑” 。 “奋斗者”号的“大脑”由中国科学院沈阳自动化研究所精心打造 。
深海一片漆黑 ， 地形环境高度复杂 ， “奋斗者”号的“大脑”必须实现高精度航行控制 ， 不然就可能有“触礁”风险 。
为此 ， 研究人员克服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 ， “奋斗者”号的“指挥中心”实现了在线智能故障诊断、基于在线控制分配的容错控制以及海底自主避碰等功能 ， 提高了潜水器的“智商”和安全性 。
“同时 ， 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 。 ”中国科学院沈阳自动化研究所研究员、“奋斗者”号副总设计师赵洋说 。
同时 ， 研究人员还为“奋斗者”号装上了一双高度灵活有力的“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 。 ”中国科学院沈阳自动化研究所水下机器人研究室副主任张奇峰说 。
这双手在深渊海底顺利完成了岩石、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 。
身披战甲“钛”厉害
这位“奋斗者”之所以能够不惧海底高压、高腐蚀的极端环境 ， 是因为它的战甲“钛”厉害 。
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 ， 标志着一个国家载人潜水器的技术水平 。 “奋斗者”号的载人舱球形外壳由中国科学院金属研究所牵头研制 。
研究团队解决了若干钛合金基础科学问题 ， 攻克了载人舱材料、成形、焊接等一系列关键技术瓶颈 。
“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 。 ”中国科学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 。
以往深潜器主要使用Ti64材料 ， 在万米海深的极端压力条件下 ， 按照载人舱的目标尺寸和厚度要求 ， 这种材料在强度、韧性等指标上目前已不能达标 。
为此 ， “我们首次提出一种新型的合金设计方案 ， 并据此设计实现了一种全新的钛合金显微结构 ， 在此基础上发明了具有良好热加工成形和焊接成形性能的钛合金Ti62A ， 在韧性和可焊性与Ti64合金相当的前提下大幅度提升了强度 ， 从而成功解决了载人舱球壳的材料难题 。 ”杨锐说 。
事实上 ， 钛合金材料存在固有的尺寸效应 ， 即尺寸和厚度越大 ， 其均匀性和力学性能的稳定性就越难保证 。 但这又是其应用于深海极端高压环境必须跨越的障碍 。
经过攻关 ， 研究人员通过设计材料微观组织及其获取工艺 ， 成功克服了钛合金的尺寸效应 。
直播万米海底世界有保障
“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’的画面向大家展示万米的海底 。 ”
2020年11月10日8时12分 ， “奋斗者”号成功坐底世界最深处马里亚纳海沟 ， 3位潜航员第一时间通过水声通信系统向全国观众直播了他们所看到的万米海底世界 。
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 ， 这个系统由中国科学院声学研究所牵头研制 。
“‘奋斗者’号的声学系统突破了全海深难关 ， 技术指标更高 ， 在整个海试过程中表现优秀 ， 为全海深范围内的持续巡航作业提供了可靠的技术保障 。 ”中国科学院声学研究所高级工程师、“奋斗者”号副总建造师和主任设计师、潜航员刘烨瑶说 。
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母船的文字、语音及图像的实时传输 。
此外 ， 由声学多普勒测速仪和定位声呐及惯性导航等设备相集成的组合导航系统 ， 还为“奋斗者”号的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 ， “奋斗者”号潜航员仅用了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 ， 成功实现“海底捞针” ， 并通过水声通信机将取样画面回传至母船 。 （采访人员 陆成宽）

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