這是人類歷史上第4艘
全海深載人潛水器“奮斗者”號
這一天，它將進入世界最深的海域
向萬米洋底發(fā)起挑戰(zhàn)
2020年11月10日，中國“奮斗者”號載人潛水器在馬里亞納海溝創(chuàng)造了10909米的中國載人深潛的新紀(jì)錄，這標(biāo)志著我國在大深度載人深潛領(lǐng)域達到了世界領(lǐng)先水平。
“奮斗者”號研制和海試成功的背后
都有哪些故事？
萬米深潛第一步：克服水下強壓
12月中旬，中科院深海所的工程實驗室里，創(chuàng)造中國載人深潛新紀(jì)錄的“奮斗者”號正在這里接受檢測。
人類想要進入深海，水的壓力是永遠相伴的敵人。在萬米海底，每平方米要承擔(dān)11000噸左右的壓力，相當(dāng)于手指上放一噸重的汽車。而載人艙是在水下為潛航員提供安全屏障的核心關(guān)鍵部件，它也標(biāo)志著一個國家載人潛水器的技術(shù)水平。
高強度高韌性新材料如何帶動工業(yè)進步？
從國際載人深潛格局來看，自上世紀(jì)90年代起，美國、法國、日本、俄羅斯等國家一直掌握著大深度載人潛水技術(shù)。近30年來，這些國家大多數(shù)深潛器的載人艙都由一種叫“鈦64”的合金制造，這是用量最大、數(shù)據(jù)最全、使用經(jīng)驗最豐富的一種鈦合金。
但是到了“奮斗者”號，載人艙一方面要承受萬米海深的極端壓力，另一方面還要滿足搭載三人的更大尺寸球艙設(shè)計，在這樣的條件限制下，鈦64合金無法達標(biāo)。
要想解決載人艙材料難題，研制一種更高強度的新型鈦合金成了唯一出路。2014年，也就是“奮斗者”號立項的兩年前，中科院實施戰(zhàn)略先導(dǎo)科技專項，位于沈陽的金屬研究所負責(zé)對載人艙材料與制造開展調(diào)研論證和預(yù)先研究。
為了研制“奮斗者”號的載人艙新材料，不同成分配比的鈦合金曾在中科院金屬所的這間車間里加工、實驗。
中科院金屬研究所研究員馬英杰：將海綿鈦，和鋁、釩等混合在一起，通過大的壓力裝置，壓制成鈦合金的電極。然后放在熔煉爐里面，經(jīng)過多次真空熔煉，（可以）煉成鈦合金的鑄錠。
“奮斗者”號載人艙的鈦合金材料要同時具有高強度和高韌性，這是材料科學(xué)領(lǐng)域的世界性難題，也是研究員馬英杰長期研究的科學(xué)方向。
馬英杰展示的這張圖片，是新型鈦合金材料5微米范圍內(nèi)的顯微結(jié)構(gòu)。復(fù)合片層組織的實現(xiàn)和其他基礎(chǔ)科學(xué)研究的突破，讓新型鈦合金性能得到了全面提升。
中科院金屬研究所研究員楊銳：傳統(tǒng)鈦合金，強度韌性都在中間，我們又研制了一系列合金。（我們）做一個潛水器，它帶動了工業(yè)的進步，帶動了材料的進步，材料又可以用到其他地方，累加效益是不可估量的。
在強度和韌性達標(biāo)后，金屬所又解決了材料可焊性的問題，從2014年到2016年，通過兩年多的技術(shù)攻關(guān)，科研團隊研制出一種全新的鈦合金——鈦62A，載人艙球殼的材料難題迎刃而解。
三種方案攻克世界性難題
新材料提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，但距離載人艙建造成功還有很長的路。超大厚度的板材制備、半球整體沖壓、電子束焊接等關(guān)鍵技術(shù)，需要各領(lǐng)域多個單位聯(lián)合攻關(guān)，這也考驗著國家的工業(yè)制造能力。
中國船舶集團七〇二所“奮斗者”號副總設(shè)計師李艷青：兩個半球，焊在一起，形成一個整球。最核心的就是這些焊縫，包括孔座焊縫，還有最核心的赤道焊縫。
保證焊縫位置的韌性滿足要求，是焊接技術(shù)面臨的世界性難題，而實現(xiàn)超大尺寸與厚度材料的全電子束一次焊接，更是難上加難。
中科院金屬研究所研究員“奮斗者”號載人潛水器副總設(shè)計師雷家峰：在研制之初，我們列了很多的關(guān)鍵技術(shù)，焊接是我們最擔(dān)心的一件事，因為它最難。
2012年下水的“蛟龍”號載人潛水器，載人艙在國外加工制造；2018年下水的4500米級載人潛水器“深海勇士”號，載人艙實現(xiàn)了國產(chǎn)化，當(dāng)時采用了三種技術(shù)方案。
中國船舶集團七〇二所“蛟龍”號副總設(shè)計師中國船舶集團七〇二所“深海勇士”號總設(shè)計師胡震：（我們用）三個工藝路線，做了三個球（載人艙），當(dāng)然這三個球（載人艙）目前都是處于一個可用的狀態(tài)，有一個球（載人艙）在“深海勇士”號上正在服役。
克服三大難點打造世界最大載人艙
與“深海勇士”號類似，為制造“奮斗者”號的載人艙，中科院金屬所設(shè)計了兩種不同的焊接方案，計劃制造兩個球艙，但兩種方案都有一定風(fēng)險。
2018年12月，第一種焊接方案出現(xiàn)問題，載人艙球殼無法使用，只能寄希望于第二種方案，此時，時間進度已經(jīng)很緊，團隊人員背負著巨大壓力。
2019年6月17日，采用第二種焊接方案的載人艙在洛陽的中國船舶集團七二五所開始焊接，工程單位一次性完成赤道縫焊接，焊縫質(zhì)量和強韌性能全面達到設(shè)計要求。最終，載人艙團隊采用自主發(fā)明的鈦合金新材料，為“奮斗者”號建造了世界最大、搭載人數(shù)最多的潛水器載人艙。
中科院金屬研究所研究員楊銳：三大難點，一個材料，一個加工成型，一個焊接，是由三家大型的國有機構(gòu)分別承擔(dān)的。真正實現(xiàn)集中力量辦大事?？焖俚貏?chuàng)新，快速地實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，快速地做出國之重器。
下潛、上浮時如何保證潛水器安全？
張敬杰，中科院理化技術(shù)研究所研究員，她的科研團隊負責(zé)研發(fā)的浮力材料，為潛水器順利下潛和安全上浮提供保障。
中科院理化技術(shù)研究所研究員張敬杰：我們潛器下潛到海底之后，作業(yè)完了要上來，有兩種形式，一種是消耗能源，用動力把它推上來，但潛器在水下的作業(yè)時間和作業(yè)的項目就會縮短，而且活動半徑會變小。所以要用一種無動力上浮技術(shù)，不消耗動力也可以把潛器帶上來，就要用到固體浮力材料。
載人潛水器下水時要攜帶兩組壓載鐵，在重力牽引下潛入海洋深處。臨近海底，潛器會拋掉第一組壓載鐵，達到懸浮在水中的均衡狀態(tài)，并在海底作業(yè)。完成作業(yè)后，潛器拋載掉第二組壓載鐵，使所受浮力大于自身重力，上浮返航。浮力材料的性能直接關(guān)系到潛水器與潛航員的安全。
據(jù)張敬杰介紹，如果沒有固體浮力材料，潛器就不能下去，因為下去之后就再也上不來了，所以這個是非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。
在高速攝像模式下拍攝的畫面中，散落的白色粉末，就是浮力材料的原始狀態(tài)?；蛟S你很難想象，這些粉末每一粒都是一個空心球體。
這種材料的學(xué)名叫空心玻璃微球。用它制作固體浮力材料，不僅需要足夠輕，還需要耐高壓。長期以來，國產(chǎn)浮力材料普遍存在密度高和強度差的問題，這極大阻礙了我國深?？茖W(xué)研究進程。
在世界范圍內(nèi)，只有少數(shù)國家掌握核心技術(shù)，且對我國實行技術(shù)封鎖。2012年下水的中國第一艘載人潛水器“蛟龍”號，浮力材料從美國進口，“蛟龍”號副總設(shè)計師胡震向我們講述了這樣一段往事。
歷經(jīng)萬難：技術(shù)一定要掌握在自己手里
據(jù)“蛟龍”號副總設(shè)計師胡震介紹，當(dāng)時已經(jīng)跟廠家溝通好，購買浮力材料比重是0.52，而（實際）賣給他們的是0.56的，降了一個檔次。潛水器的重量馬上就上來了，相同的浮力就要用更多的原材料，本來設(shè)計好的一套東西，都得重新來過，對潛水器的影響很大。
技術(shù)一定要掌握在自己手里，路才能越走越寬。
2014年，中科院理化所牽頭對浮力材料的自主研制展開攻關(guān)。他們在這一領(lǐng)域有多年的技術(shù)積累。上世紀(jì)90年代，在實心玻璃球的配方實驗中，一次失敗，讓他們偶然發(fā)現(xiàn)了漂浮在水上的空心微球，由于具有輕質(zhì)隔熱等特性，理化所對其性能和應(yīng)用進行了長期研究和關(guān)注。
固體浮力材料的制備沒有技術(shù)路徑可以參考，研制過程異常艱辛，在經(jīng)歷了上千次失敗后，中科院理化所終于制備出具有高安全系數(shù)的固體浮力材料，并且批量化生產(chǎn)。2018年，固體浮力材料標(biāo)準(zhǔn)塊在中科院深海所完成了壓力測試。
10909米“奮斗者”號探知海底最深點
2020年12月，“奮斗者”號的母船“探索一號”靜靜地停泊在三亞的海港。此前的萬米海試中，它在水面發(fā)揮了重要的支持保障作用。
包更生，“奮斗者”號的副總設(shè)計師，除了完善母船“探索一號”的支持系統(tǒng)外，他還要負責(zé)一項重要任務(wù)，確定去馬里亞納海溝海試的“奮斗者”號具體下潛點。萬米深潛的位置是如何選擇的？海試中，10909米的坐底深度記錄是否是海洋的最深點呢？
中科院深海所海洋裝備與運行管理中心副主任包更生：馬溝是個狹長型的海溝，所以它其實最深的地方，東部一塊，西部一塊，2017年“海洋6號”，2018年“探索一號”，我們當(dāng)時（用聲學(xué)的方法）測出來西部這一塊是10925正負15米，東部這一塊測出來的是10927正負15米。
據(jù)包更生介紹，10909米的深度是“奮斗者”號用壓力傳感器所測得的水深，通常比聲學(xué)方法測出的水深要小一些。
水聲通信是“奮斗者”號與母船“探索一號”之間溝通的唯一橋梁，能夠?qū)崿F(xiàn)潛水器從萬米海底至海面母船的數(shù)據(jù)、文字、語音及圖像的實時傳輸。
11月10日，在海試直播中，萬米海底的潛航員與母船的這段通話就是通過水聲通信系統(tǒng)完成的。
中科院聲學(xué)研究所研究員朱敏：我們平時用的通信，都是基于電磁波的通信系統(tǒng)，我們簡稱通信系統(tǒng)，實際上全稱應(yīng)該叫無線電通信或者叫電磁波通信，手機信號、無線電波信號，或者光信號，在海水里面?zhèn)鞑サ脑挘瑢嶋H上都距離非常短。
在“奮斗者”號載人潛水器上，這些圓柱形金屬外殼的器材就是水聲通信系統(tǒng)的關(guān)鍵材料——聲學(xué)換能器。相較于前兩代的“蛟龍”號和“深海勇士”號載人潛水器，“奮斗者”號的水聲通信設(shè)備實現(xiàn)了完全國產(chǎn)化。
除了通信，其他多種聲學(xué)設(shè)備還為潛水器提供了定位、探測、障礙物避碰等多方面功能。
神奇的機械手：探索神秘海底世界
在“奮斗者”號海試中，潛水器的機械手是核心作業(yè)工具，通過機械手，實現(xiàn)了對海底生物、海底沉積物和巖石的采樣及科考設(shè)備布放與回收。
“奮斗者”號的“機械手”具有7個關(guān)節(jié)，可實現(xiàn)6自由度運動控制，持重能力超過60公斤。機械手由中科院沈陽自動化所自主研制，突破了萬米密封技術(shù)、超高壓油液環(huán)境驅(qū)動與控制等技術(shù)，填補了我國液壓機械手開展萬米作業(yè)的空白。
萬米深潛：離“無人區(qū)”更進一步
海洋占據(jù)了地球表面71%的面積，但人類對太空、對月球的了解，都超過了深海區(qū)域，萬米深淵更是人類科研的“無人區(qū)”。6000米以下的深海區(qū)，是解決生命起源、地球演化等重大科學(xué)問題的前沿領(lǐng)域，
與一些載人潛器作為探險設(shè)備的定位不同，“奮斗者”號載人潛水器未來將作為常態(tài)化科研裝備投入使用，這將助力我國在未來大深度海底深淵科研方面作出原創(chuàng)性、奠基性貢獻。
中科院深海所研究員蔣磊：“奮斗者”號只是完成了海試，馬上要投入業(yè)務(wù)化的運行。頻繁的下潛需要有強的作業(yè)能力跟硬件和軟件的保障，我們希望，“奮斗者”號能夠比較高效地而且成本比較低地投入到常態(tài)化的科考里面去，為我們國家的科學(xué)家，國際上其他國家的科學(xué)家，提供一個好的平臺，能夠有更好的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。