這是人類(lèi)歷史上第4艘
全海深載人潛水器“奮斗者”號
這一天，它將進(jìn)入世界最深的海域
向萬(wàn)米洋底發(fā)起挑戰
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錄，這標志著(zhù)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(wàn)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(shí)驗室里，創(chuàng )造中國載人深潛新紀錄的“奮斗者”號正在這里接受檢測。
人類(lèi)想要進(jìn)入深海，水的壓力是永遠相伴的敵人。在萬(wàn)米海底，每平方米要承擔11000噸左右的壓力，相當于手指上放一噸重的汽車(chē)。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，它也標志著(zhù)一個(gè)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(dòng)工業(yè)進(jìn)步？
從國際載人深潛格局來(lái)看，自上世紀90年代起，美國、法國、日本、俄羅斯等國家一直掌握著(zhù)大深度載人潛水技術(shù)。近30年來(lái)，這些國家大多數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、數據最全、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(wàn)米海深的極端壓力，另一方面還要滿(mǎn)足搭載三人的更大尺寸球艙設計，在這樣的條件限制下，鈦64合金無(wú)法達標。
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(shí)施戰略先導科技專(zhuān)項，位于沈陽(yáng)的金屬研究所負責對載人艙材料與制造開(kāi)展調研論證和預先研究。
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(chē)間里加工、實(shí)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(guò)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(guò)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(shí)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(cháng)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微米范圍內的顯微結構。復合片層組織的實(shí)現和其他基礎科學(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(gè)潛水器，它帶動(dòng)了工業(yè)的進(jìn)步，帶動(dòng)了材料的進(jìn)步，材料又可以用到其他地方，累加效益是不可估量的。
在強度和韌性達標后，金屬所又解決了材料可焊性的問(wèn)題，從2014年到2016年，通過(guò)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，但距離載人艙建造成功還有很長(cháng)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(gè)單位聯(lián)合攻關(guān)，這也考驗著(zhù)國家的工業(yè)制造能力。
中國船舶集團七〇二所“奮斗者”號副總設計師李艷青：兩個(gè)半球，焊在一起，形成一個(gè)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(mǎn)足要求，是焊接技術(shù)面臨的世界性難題，而實(shí)現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(shí)現了國產(chǎn)化，當時(shí)采用了三種技術(shù)方案。
中國船舶集團七〇二所“蛟龍”號副總設計師中國船舶集團七〇二所“深海勇士”號總設計師胡震：（我們用）三個(gè)工藝路線(xiàn)，做了三個(gè)球（載人艙），當然這三個(gè)球（載人艙）目前都是處于一個(gè)可用的狀態(tài)，有一個(gè)球（載人艙）在“深海勇士”號上正在服役。
克服三大難點(diǎn)打造世界最大載人艙
與“深海勇士”號類(lèi)似，為制造“奮斗者”號的載人艙，中科院金屬所設計了兩種不同的焊接方案，計劃制造兩個(gè)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問(wèn)題，載人艙球殼無(wú)法使用，只能寄希望于第二種方案，此時(shí)，時(shí)間進(jìn)度已經(jīng)很緊，團隊人員背負著(zhù)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(yáng)的中國船舶集團七二五所開(kāi)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(diǎn)，一個(gè)材料，一個(gè)加工成型，一個(gè)焊接，是由三家大型的國有機構分別承擔的。真正實(shí)現集中力量辦大事?？焖俚貏?chuàng )新，快速地實(shí)現產(chǎn)業(yè)化，快速地做出國之重器。
下潛、上浮時(shí)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(lái)，有兩種形式，一種是消耗能源，用動(dòng)力把它推上來(lái)，但潛器在水下的作業(yè)時(shí)間和作業(yè)的項目就會(huì )縮短，而且活動(dòng)半徑會(huì )變小。所以要用一種無(wú)動(dòng)力上浮技術(shù)，不消耗動(dòng)力也可以把潛器帶上來(lái)，就要用到固體浮力材料。
載人潛水器下水時(shí)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(huì )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。
據張敬杰介紹，如果沒(méi)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(lái)了，所以這個(gè)是非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節。
在高速攝像模式下拍攝的畫(huà)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(gè)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(cháng)期以來(lái)，國產(chǎn)浮力材料普遍存在密度高和強度差的問(wèn)題，這極大阻礙了我國深?？茖W(xué)研究進(jìn)程。
在世界范圍內，只有少數國家掌握核心技術(shù)，且對我國實(shí)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(jìn)口，“蛟龍”號副總設計師胡震向我們講述了這樣一段往事。
歷經(jīng)萬(wàn)難：技術(shù)一定要掌握在自己手里
據“蛟龍”號副總設計師胡震介紹，當時(shí)已經(jīng)跟廠(chǎng)家溝通好，購買(mǎi)浮力材料比重是0.52，而（實(shí)際）賣(mài)給他們的是0.56的，降了一個(gè)檔次。潛水器的重量馬上就上來(lái)了，相同的浮力就要用更多的原材料，本來(lái)設計好的一套東西，都得重新來(lái)過(guò)，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(kāi)攻關(guān)。他們在這一領(lǐng)域有多年的技術(shù)積累。上世紀90年代，在實(shí)心玻璃球的配方實(shí)驗中，一次失敗，讓他們偶然發(fā)現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用進(jìn)行了長(cháng)期研究和關(guān)注。
固體浮力材料的制備沒(méi)有技術(shù)路徑可以參考，研制過(guò)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的固體浮力材料，并且批量化生產(chǎn)。2018年，固體浮力材料標準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(diǎn)
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(wàn)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”號的副總設計師，除了完善母船“探索一號”的支持系統外，他還要負責一項重要任務(wù)，確定去馬里亞納海溝海試的“奮斗者”號具體下潛點(diǎn)。萬(wàn)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(diǎn)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(gè)狹長(cháng)型的海溝，所以它其實(shí)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”，我們當時(shí)（用聲學(xué)的方法）測出來(lái)西部這一塊是10925正負15米，東部這一塊測出來(lái)的是10927正負15米。
據包更生介紹，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，能夠實(shí)現潛水器從萬(wàn)米海底至海面母船的數據、文字、語(yǔ)音及圖像的實(shí)時(shí)傳輸。
11月10日，在海試直播中，萬(wàn)米海底的潛航員與母船的這段通話(huà)就是通過(guò)水聲通信系統完成的。
中科院聲學(xué)研究所研究員朱敏：我們平時(shí)用的通信，都是基于電磁波的通信系統，我們簡(jiǎn)稱(chēng)通信系統，實(shí)際上全稱(chēng)應該叫無(wú)線(xiàn)電通信或者叫電磁波通信，手機信號、無(wú)線(xiàn)電波信號，或者光信號，在海水里面傳播的話(huà)，實(shí)際上都距離非常短。
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”號的水聲通信設備實(shí)現了完全國產(chǎn)化。
除了通信，其他多種聲學(xué)設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(guò)機械手，實(shí)現了對海底生物、海底沉積物和巖石的采樣及科考設備布放與回收。
“奮斗者”號的“機械手”具有7個(gè)關(guān)節，可實(shí)現6自由度運動(dòng)控制，持重能力超過(guò)60公斤。機械手由中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所自主研制，突破了萬(wàn)米密封技術(shù)、超高壓油液環(huán)境驅動(dòng)與控制等技術(shù)，填補了我國液壓機械手開(kāi)展萬(wàn)米作業(yè)的空白。
萬(wàn)米深潛：離“無(wú)人區”更進(jìn)一步
海洋占據了地球表面71%的面積，但人類(lèi)對太空、對月球的了解，都超過(guò)了深海區域，萬(wàn)米深淵更是人類(lèi)科研的“無(wú)人區”。6000米以下的深海區，是解決生命起源、地球演化等重大科學(xué)問(wèn)題的前沿領(lǐng)域，
與一些載人潛器作為探險設備的定位不同，“奮斗者”號載人潛水器未來(lái)將作為常態(tài)化科研裝備投入使用，這將助力我國在未來(lái)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(gè)好的平臺，能夠有更好的科學(xué)發(fā)現。