憑什么它能“一口氣”下潛到海底10000多米？

　　那個(gè)在海底下潛10909米的“奮斗者”回來了。

　　28日，“奮斗者”號(hào)載人潛水器深海試驗(yàn)返航儀式在海南三亞舉行。這位凱旋而歸的“奮斗者”受到了熱烈歡迎。

　　這位“奮斗者”怎么這么牛氣，能夠“一口氣”下潛到海底10000多米？它到底穿著什么樣的裝備，才能不懼海底高壓、高腐蝕的極端環(huán)境？在深潛地球最深處時(shí)，三位潛航員還向全國(guó)觀眾分享了他們的心情，又是怎樣做到的？

　　下面，我們就來扒一扒這位“奮斗者”的那些“高精尖”的技術(shù)裝備。

　　它有聰明的大腦和一雙靈活的手

　　說起這位“奮斗者”，就不得不談它的控制系統(tǒng)，也就是它的“大腦”。“奮斗者”號(hào)的“大腦”由中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所精心打造。

　　深海一片漆黑，地形環(huán)境高度復(fù)雜，“奮斗者”號(hào)的“大腦”必須得實(shí)現(xiàn)高精度航行控制，不然就可能有“觸礁”風(fēng)險(xiǎn)。

　　為此，研究人員克服了深淵復(fù)雜環(huán)境下大慣量載體多自由度航行操控、系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行等技術(shù)難題，“奮斗者”的“指揮中心”實(shí)現(xiàn)了在線智能故障診斷、基于在線控制分配的容錯(cuò)控制以及海底自主避碰等功能，提高了潛水器的“智商”和安全性。

　　“同時(shí)，我們?cè)O(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法，能夠讓‘奮斗者’在海底自動(dòng)匹配地形巡航、定點(diǎn)航行以及懸停定位。其中，水平面和垂直面航行控制性能指標(biāo)，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。”中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所研究員、“奮斗者”號(hào)副總設(shè)計(jì)師趙洋說。

　　同時(shí)，研究人員還為“奮斗者”號(hào)裝上了一雙高度靈活有力的“手”。

　　“潛水器使用了我們研發(fā)的兩套主從伺服液壓機(jī)械手開展萬米作業(yè)，每套手有7個(gè)關(guān)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)6自由度運(yùn)動(dòng)控制，持重能力超過60公斤，能夠覆蓋采樣籃及前部作業(yè)區(qū)域，具有強(qiáng)大的作業(yè)能力。”中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所水下機(jī)器人研究室副主任張奇峰說。

　　這雙手在深淵海底順利完成了巖石、生物抓取及沉積物取樣器操作等精準(zhǔn)作業(yè)任務(wù)，填補(bǔ)了我國(guó)應(yīng)用全海深液壓機(jī)械手開展萬米作業(yè)的空白。

　　“奮斗者”身披“戰(zhàn)甲”“鈦”厲害

　　這位“奮斗者”之所以能夠不懼海底高壓、高腐蝕的極端環(huán)境，是因?yàn)樗摹皯?zhàn)甲”“鈦”厲害。

　　載人艙是全海深載人潛水器的核心關(guān)鍵部件，是人類進(jìn)入萬米深海的硬件保障和安全屏障，標(biāo)志一個(gè)國(guó)家載人潛水器的技術(shù)水平。“奮斗者”號(hào)的載人艙球形的“外殼”由中國(guó)科學(xué)院金屬研究所牽頭研制。

　　研究團(tuán)隊(duì)解決了若干鈦合金基礎(chǔ)科學(xué)問題，攻克了載人艙材料、成形、焊接等一系列關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

　　“我們獨(dú)創(chuàng)的新型鈦合金材料Ti62A成功解決了載人艙材料所面臨的強(qiáng)度、韌性和可焊性等難題。”中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研究員、全海深載人潛水器載人艙項(xiàng)目負(fù)責(zé)人楊銳說。

　　以往深潛器主要使用Ti64材料，在萬米海深的極端壓力條件下，按照載人艙的目標(biāo)尺寸和厚度要求，這種材料在強(qiáng)度、韌性等指標(biāo)上目前已不能達(dá)標(biāo)。

　　為此，“我們首次提出一種新型的合金設(shè)計(jì)方案，并據(jù)此設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種全新的鈦合金顯微結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上發(fā)明了具有良好熱加工成形和焊接成形性能的鈦合金Ti62A，在韌性和可焊性與Ti64合金相當(dāng)?shù)那疤嵯麓蠓忍嵘藦?qiáng)度，從而成功解決了載人艙球殼的材料難題。”楊銳說。

　　事實(shí)上，鈦合金材料存在固有的“尺寸效應(yīng)”，即尺寸和厚度越大，其均勻性和力學(xué)性能的穩(wěn)定性就越難保證。

　　但這又是其應(yīng)用于深海極端高壓環(huán)境必須跨越的障礙。

　　經(jīng)過攻關(guān)，研究人員通過設(shè)計(jì)材料微觀組織及其獲取工藝，成功克服了鈦合金的“尺寸效應(yīng)”。

　　“奮斗者”直播萬米海底世界有保障

　　“親愛的觀眾們，萬米的海底妙不可言，希望我們能夠通過‘奮斗者’的畫面向大家展示萬米的海底。”

　　2020年11月10日8時(shí)12分，“奮斗者”號(hào)成功坐底世界最深處馬里亞納海溝，三位潛航員第一時(shí)間通過水聲通信系統(tǒng)向全國(guó)觀眾直播了他們所看到的萬米海底世界。

　　相較于前兩代的“蛟龍”號(hào)與“深海勇士”號(hào)載人潛水器，“奮斗者”號(hào)的聲學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了完全國(guó)產(chǎn)化，這個(gè)系統(tǒng)由中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所牽頭研制。

　　“‘奮斗者’的聲學(xué)系統(tǒng)突破了全海深難關(guān)，技術(shù)指標(biāo)更高，在整個(gè)海試過程中表現(xiàn)優(yōu)秀，為全海深范圍內(nèi)的持續(xù)巡航作業(yè)提供了可靠的技術(shù)保障。”中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所高級(jí)工程師、“奮斗者”號(hào)副總建造師、主任設(shè)計(jì)師、潛航員劉燁瑤說。

　　水聲通信是“奮斗者”號(hào)與母船“探索一號(hào)”之間溝通的唯一橋梁，實(shí)現(xiàn)了潛水器從萬米海底至海面母船的文字、語音及圖像的實(shí)時(shí)傳輸。

　　此外，由聲學(xué)多普勒測(cè)速儀和定位聲納及慣性導(dǎo)航等設(shè)備相集成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，還為“奮斗者”號(hào)的巡航作業(yè)提供了高精度的水下定位導(dǎo)航。

　　在11月16日的下潛作業(yè)中，借助組合導(dǎo)航系統(tǒng)和聲納設(shè)備，“奮斗者”號(hào)潛航員僅用了半小時(shí)便成功取回了此前布放在萬米海底的3個(gè)水下取樣器，成功實(shí)現(xiàn)“海底撈針”，并通過水聲通信機(jī)將取樣畫面回傳至母船。（科技日?qǐng)?bào)記者 陸成寬）