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【中国青年报】深潜海底10909
“奋斗者”号创中国纪录的科技力
发布时间:2020-12-01 来源:中国青年报 邱晨辉 【字号:

视觉中国供图

此前海试现场图中科院供图

接船仪式现场中科院供图

此前海试现场图中科院供图

  36岁的刘烨瑶终于“上岸”了

  11月28日,随着一阵汽笛声响,这位年轻的“奋斗者”号全海深载人潜水器副总建造师、潜航员、中国科学院声学研究所高级工程师,从“探索一号”科考船主甲板跨上舷梯,来到位于海南省三亚市的南山港码头。这是阔别一个多月之久,他的双脚再一次踩在大地上。

  从10月10日起,刘烨瑶和其他上百名科研试验人员一起,分两批乘坐科考船前往已知地球海洋最深处——马里亚纳海沟。在那里,他们坐进“奋斗者”号潜水器,13次下潜大海深渊,其中8次突破1万米,创造了10909米的中国载人深潜新纪录。

  这标志着我国在大深度载人深潜领域达到世界领先水平。在接受中青报·中青网记者采访时,刘烨瑶说:“这再次证明了我国载人深潜器有能力挑战万米深渊,在逐梦深蓝的道路上,我国又‘潜’进了一大步。”

  “第一次来到万米深渊,心情很平静”

  当“奋斗者”号舷窗外的颜色,从碧蓝过渡到深蓝,再到一片漆黑。刘烨瑶知道:海底到了。

  “第一次下到万米深渊,我当时心情很平静。”刘烨瑶说。

  他告诉记者,当时“奋斗者”号深潜器的载人舱里坐着3位潜航员,除了他和另外一位科学家,还有一位专职的潜航员——相当于“司机”。

  抵达万米深渊时,3位潜航员没有欢呼雀跃,没有鼓掌。“甚至都没有过多的紧张或兴奋。这来自我们对于‘奋斗者’号状态的自信。”刘烨瑶说。

  “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。

  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,可以实现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。

  作为一名声学科学家,刘烨瑶的注意力更多地放在“奋斗者”号的声学系统和相关设备的工作状态,“几乎没有太多时间去观察海里的生物和景色”。

  他告诉记者,相较于前两代——“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。

  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”号潜航员仅用了半个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。

  “这一次万米深潜,不仅是从‘4位数’到‘5位数’的变化。”刘烨瑶说,“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技术保障。此外,由声学多普勒测速仪和定位声纳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。

  万米水压强度,相当于2000头非洲象同时踩在背上

  “奋斗者”号载人潜水器要走向深海,首当其冲的就是海水带来的高压。

  有这样一个比喻:马里亚纳海沟最深处,水压超过110兆帕,相当于2000头非洲象踩在一个人的背上。

  “奋斗者”号全海深载人潜水器载人舱项目负责人、中国科学院金属研究所研究员杨锐告诉记者,如此高压,意味着“奋斗者”号的抗压材料、结构设计等都面临严峻挑战。

  载人舱是全海深载人潜水器的核心部件,是人类进入万米深海的硬件保障和安全屏障。此前,世界上最先进的全海深潜水器,是美国2019年5月完成万米下潜的“极限因子”,其载人舱可搭载两人。

  这一次,我国要尝试的是万米深海,而且搭载3人,原有的材料已显得非常“吃力”。杨锐说,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,原有的材料在强度、韧性等指标上都已不能达标。

  2014年起,我国开始在载人舱方面进行论证和预先研究。

  据杨锐介绍,中科院金属所科研团队第一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,在此基础上发明了一种具有良好热加工成形和焊接成形性能的钛合金。

  “我们当时遇到一个问题:如果要搭载3人,载人舱钛合金的厚度一下从52毫米变成了130毫米,材料强度也要大幅度提高,但强度和韧性往往是互相矛盾的。”杨锐说。

  比如,陶瓷的强度非常高,但韧性差;塑料的韧性高,但强度又太低;比钛合金强度高的材料有很多,但无法进行焊接。

  “从一篇文献中我们受到启发——可以去除材料里的有害相啊!”杨锐说,“那是一种豁然开朗的感觉!”

  兴奋之余,整个研制团队又花两年多的时间,拿下这一项目,成功建造世界最大、可搭载3人的全海深载人舱。

  今天,“奋斗者”凯旋,意味着国产新型钛合金材料不辱使命,能成功应对万米深海的高压和冲击。

  除了一身“钛战甲”,“奋斗者”号还要有灵活的“手”,才能采集海底的样品。

  “奋斗者”号万米机械手项目负责人、中科院沈阳自动化所水下机器人研究室副主任张奇峰告诉记者,该所科研团队打造了“奋斗者”号两套机械手,它们都具有7个关节,可实现六自由度运动控制,持重能力超过60千克。

  在万米深渊,这双“手”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,成功填补我国应用全海深液压机械手开展万米作业的空白。

  “奋斗者”号副总设计师、潜水器控制系统负责人、中科院沈阳自动化所研究员赵洋告诉记者,包括这双“手”在内,“奋斗者”号的整个控制系统,实现了在线智能故障诊断、容错控制以及海底自主避碰等功能,提高了潜水器的智能程度和安全性。这其中,水平面和垂直面航行控制性能指标,还达到了国际先进水平。

  不仅要“下”得去,还要能“上”得来

  对载人潜水器来说,不仅要“下”得去,还要能“上”得来。

  中国科学院理化技术研究所研究员张敬杰告诉记者,“奋斗者”号“下”得万米深渊之后,要“上”得来,靠的正是该所研制的固体浮力材料。

  据她介绍,潜水器要浮到海面,一般有两种方式:一是消耗动力,不过这种方式既浪费能源,又缩短作业半径;第二种是无动力上浮,即借助固体浮力材料上浮,不过这种方式有一定风险,必须保证绝对安全,否则会出现灾难性事故。

  此前,国际上不乏由于浮力材料开裂塌陷等原因,而导致水下装备丢失和报废的事故,因此,固体浮力材料,一定要经过严格测试。

  张敬杰说,这些固体浮力材料像砖头一样,一共几千块,由于制备技术难度大,世界范围内只有少数发达国家掌握核心技术,且对我国实行技术封锁。

  来自中科院理化所的科研团队,在前期多年技术积累的基础上,实现了我国浮力材料研究的重大突破,最终制备出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。

  有人提出这样的疑问:既然载人深潜风险那么大,为何不派个机器人下去?此前,我国已经研制出“海斗一号”等万米级无人潜水器,为什么还要研制万米级载人潜水器?

  中国科学院深海科学与工程研究所研究员包更生的回答是:从技术角度来说,研制万米级载人潜水器会推进突破一系列关键技术问题。从科学角度来说,载人潜水器在进行水下科考时机动性、巡航能力更强,可搭载更多科考装备,因此既要有无人潜水器,也要有载人潜水器。

  刘烨瑶对此深有体会,他告诉记者,相比机器人或照相机,潜航员可以进行实时观察。人在观察和采样时,如果觉得一些地方有价值,可以自主长时间定点作业,也可以提高作业的效率。

  中国科学院深海科学与工程研究所党委副书记阳宁给出另一个理由:不管是像素,还是光谱,人眼所能看到的东西只会更多。据他介绍,人眼成像可以达到10亿像素,远比现在的机器设备要高得多;此外,一些照相机并不能接收所有光谱,从这个意义上说,它们所看到的世界相比人眼会存在一定程度的“丢失”。

  更为重要的是,不同的科学家,因其学术背景不同,在大洋深渊可能会看到“不一样的世界”。一个典型的例子是:长期从事海洋微体古生物与古海洋学研究的中科院院士汪品先,曾在2018年乘坐“深海勇士”号载人深潜器下海深潜,在南海下潜科考中,汪品先亲眼发现了那里的冷水珊瑚群落。

  如今,从“深海勇士”号到“奋斗者”号,我国载人下潜深度突破万米大关。刘烨瑶也相信,随着下潜能力的突破,未来有望收获更多的“深海发现”。

(原载于《中国青年报》 2020-12-01 12版)

(责任编辑:董凯悦)
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