“奮斗者”號身上的“黑科技”

　　本報記者 陸成寬

　　那個在海底下潛10909米的“奮斗者”回來了。

　　11月28日，“奮斗者”號載人潛水器深海試驗返航儀式在海南三亞舉行。這位凱旋的“奮斗者”受到了熱烈歡迎。

　　“奮斗者”號怎么這么牛氣，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，3位潛航員還向全國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“奮斗者”號的那些“高精尖”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”號的“大腦”由中國科學(xué)院沈陽自動化研究所精心打造。

　　深海一片漆黑，地形環(huán)境高度復(fù)雜，“奮斗者”號的“大腦”必須實現(xiàn)高精度航行控制，不然就可能有“觸礁”風(fēng)險。

　　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)安全可靠運行等技術(shù)難題，“奮斗者”號的“指揮中心”實現(xiàn)了在線智能故障診斷、基于在線控制分配的容錯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，我們設(shè)計的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法，能夠讓‘奮斗者’號在海底自動匹配地形巡航、定點航行以及懸停定位。其中，水平面和垂直面航行控制性能指標(biāo)，達(dá)到國際先進水平。”中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研究員、“奮斗者”號副總設(shè)計師趙洋說。

　　同時，研究人員還為“奮斗者”號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械手開展萬米作業(yè)，每套手有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，能夠覆蓋采樣籃及前部作業(yè)區(qū)域，具有強大的作業(yè)能力。”中國科學(xué)院沈陽自動化研究所水下機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)，填補了我國應(yīng)用全海深液壓機械手開展萬米作業(yè)的空白。

　　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，是因為它的戰(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，是人類進入萬米深海的硬件保障和安全屏障，標(biāo)志著一個國家載人潛水器的技術(shù)水平。“奮斗者”號的載人艙球形外殼由中國科學(xué)院金屬研究所牽頭研制。

　　研究團隊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度、韌性和可焊性等難題。”中國科學(xué)院金屬研究所研究員、全海深載人潛水器載人艙項目負(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)計方案，并據(jù)此設(shè)計實現(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藦姸龋瑥亩晒鉀Q了載人艙球殼的材料難題。”楊銳說。

　　事實上，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)。

　　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12分，“奮斗者”號成功坐底世界最深處馬里亞納海溝，3位潛航員第一時間通過水聲通信系統(tǒng)向全國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”號與“深海勇士”號載人潛水器，“奮斗者”號的聲學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)了完全國產(chǎn)化，這個系統(tǒng)由中國科學(xué)院聲學(xué)研究所牽頭研制。

　　“‘奮斗者’號的聲學(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。”中國科學(xué)院聲學(xué)研究所高級工程師、“奮斗者”號副總建造師和主任設(shè)計師、潛航員劉燁瑤說。

　　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，實現(xiàn)了潛水器從萬米海底至海面母船的文字、語音及圖像的實時傳輸。

　　此外，由聲學(xué)多普勒測速儀和定位聲吶及慣性導(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)和聲吶設(shè)備，“奮斗者”號潛航員僅用了半小時便成功取回了此前布放在萬米海底的3個水下取樣器，成功實現(xiàn)“海底撈針”，并通過水聲通信機將取樣畫面回傳至母船。