目前，我國已擁有“蛟龍”號、“深海勇士”號、“奮斗者”號三臺深海載人潛水器，還有“海斗”“潛龍”“海燕”“海翼”和“海龍”號等系列無人潛水器，已經(jīng)初步建立全海深潛水器譜系，并不斷實現(xiàn)了深海裝備技術(shù)發(fā)展的新突破和重大新跨越。
2020年11月10日上午8時12分，中國載人潛水器“奮斗者”號，在西太平洋馬里亞納海溝成功下潛突破1萬米，達(dá)到10909米，再創(chuàng)中國載人深潛的新紀(jì)錄，并帶回了海溝底部的巖石、海水、生物等珍貴樣品。
馬里亞納海溝挑戰(zhàn)者深淵被稱為“地球第四極”，也是地球上環(huán)境最惡劣的區(qū)域之一，水壓高、溫度低、沒有陽光、地震頻發(fā)……
用“奮斗者”號副總設(shè)計師胡震的話來說，“我們挑戰(zhàn)的是全球最深處。特別是狹窄的球形載人艙能夠載三人下潛到萬米深，這在國際上都是非常了不起的”!
科技日報記者了解到，目前，我國已擁有“蛟龍”號、“深海勇士”號、“奮斗者”號三臺深海載人潛水器，還有“海斗”“潛龍”“海燕”“海翼”和“海龍”號等系列無人潛水器，已經(jīng)初步建立全海深潛水器譜系，并不斷實現(xiàn)了深海裝備技術(shù)發(fā)展的新突破和重大新跨越。
“奮斗者”號的研制成功標(biāo)志著我國在大深度載人深潛領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先水平，也讓人類探索萬米深淵從此擁有了一個強(qiáng)大的新平臺。
我國載人潛水器發(fā)展后來居上
“近20年來，我國載人深潛事業(yè)迅猛發(fā)展。2012年，自主集成的‘蛟龍’號下潛7062米，是中國人邁出作業(yè)型載人深潛征程的第一步。”中國船舶集團(tuán)第七〇二研究所副所長、“奮斗者”號總設(shè)計師葉聰說，從2017年到現(xiàn)在，全部關(guān)鍵部件實現(xiàn)國產(chǎn)化的“深海勇士”號，已開展了300余次下潛，國產(chǎn)部件經(jīng)受住了考驗。
應(yīng)該說，我國在深海載人潛水器研究上，起步相對較晚，但發(fā)展很快。1986年，中國第一艘載人潛水器——7103救生艇研制成功。當(dāng)時，雖然它只能下潛300米，但在那個年代，是屬于較先進(jìn)的救援型載人潛水器。
進(jìn)入新世紀(jì)，在863計劃支持下，開始了自主深海載人潛水器研發(fā)。特別是在海試的4年中，“蛟龍”號科研團(tuán)隊，不斷完善與改進(jìn)潛水器，解決了海試中碰到的問題和發(fā)現(xiàn)的不足，使“蛟龍”號不但擁有世界先進(jìn)的懸停和自動駕駛功能，還可以進(jìn)行數(shù)字化的水聲通信和定位，更能穩(wěn)穩(wěn)地“定”在海底開展復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)。
這些年來，科研人員積極踐行深海戰(zhàn)略，矢志不渝推進(jìn)載人作業(yè)潛水器譜系化。在海南省深海技術(shù)實驗室副主任、中科院深海所科技處處長向長生看來，與10年立項、10年研制的“蛟龍”號不同，我國第二代4500米載人潛水器——“深海勇士”號，從研制立項到海試交付只用了短短8年，且國產(chǎn)化率達(dá)到95%，實用性更強(qiáng)。
截至2021年6月7日，“深海勇士”號已完成近400次下潛任務(wù)，作業(yè)頻次、作業(yè)成本、作業(yè)能力均居于世界先進(jìn)水平，成績突出。值得一提的是，早在2016年“深海勇士”號尚未下水的情況下，萬米級載人潛水器就開始同步研制，也就是“奮斗者”號全海深載人潛水器。這是“十三五”國家重點研發(fā)計劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點專項的核心任務(wù)。
我國之前已有萬米級無人潛水器，為什么還要研制萬米級載人潛水器?“該項目主要利用‘蛟龍’號深海潛水器和深海探測設(shè)備的技術(shù)基礎(chǔ)，向全球海洋最深處進(jìn)軍，目的是在馬里亞納海溝進(jìn)行科學(xué)考察與試驗，建立和發(fā)展我國海斗深淵生物學(xué)、海斗深淵生態(tài)學(xué)、海斗深淵地學(xué)等多個學(xué)科體系，并以此為引導(dǎo)，進(jìn)一步攻克全海深探測裝備關(guān)鍵技術(shù)，推動我國深?？茖W(xué)和深海裝備技術(shù)的跨越發(fā)展。”葉聰說。
集結(jié)近千名科研人員攻克難關(guān)
“在研制‘奮斗者’號全海深載人潛水器上，我們集結(jié)了中國船舶集團(tuán)第七〇二研究所、中國科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所等20家科研院所、13家高校、60余家企業(yè)等近千名科研人員，是在‘蛟龍’號、‘深海勇士’號載人潛水器研制與應(yīng)用的良好基礎(chǔ)上，組織開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。”葉聰說。
記者了解到，該項目2016年正式立項，圍繞全海深載人潛水器攻關(guān)的總體目標(biāo)，科技部設(shè)立19個項目、投入中央財政經(jīng)費(fèi)7.67億元。其中，由中國船舶集團(tuán)第七〇二研究所牽頭負(fù)責(zé)“奮斗者”號的總體設(shè)計和集成建造，中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所作為業(yè)主單位牽頭開展海試。
聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊歷經(jīng)近5年時間，在耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計及安全性評估、鈦合金材料制備及焊接、浮力材料研制與加工、聲學(xué)通信定位、智能控制技術(shù)、鋰離子電池、海水泵、作業(yè)機(jī)械手等方面實現(xiàn)多項重大技術(shù)突破。
相關(guān)專家透露，“奮斗者”號融合了之前兩代深潛裝備的“優(yōu)良血統(tǒng)”，不僅采用了安全穩(wěn)定、動力強(qiáng)勁的能源系統(tǒng)，還擁有更加先進(jìn)的控制系統(tǒng)和定位系統(tǒng)，以及更加耐壓的載人球艙和浮力材料。
“我們憑著‘嚴(yán)謹(jǐn)求實、團(tuán)結(jié)協(xié)作、拼搏奉獻(xiàn)、勇攀高峰’的中國載人深潛精神，通過學(xué)科交叉融合，先后順利完成了潛水器的設(shè)計、總裝建造、陸上聯(lián)調(diào)、水池試驗和海試驗收，具備了全海深進(jìn)入、探測和作業(yè)能力，正式轉(zhuǎn)入試驗性應(yīng)用階段。”葉聰說。
挑戰(zhàn)全球海洋最深處，首先要攻克的難關(guān)就是巨大的水壓。馬里亞納海溝，是地球上環(huán)境最惡劣的區(qū)域之一。海溝1萬米深處，水壓超過1100個大氣壓，相當(dāng)于2000頭非洲象踩在一個人的背上。
如何讓“奮斗者”號做到不懼高壓極端環(huán)境，在萬米海底自由行走?
在中國科學(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)人楊銳看來，載人艙作為整個潛水器里規(guī)格最大的一個耐壓容器，制作材料十分特殊，其成敗直接關(guān)系著整個潛水器的成敗。因此，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，也標(biāo)志著一個國家載人潛水器的技術(shù)水平。
當(dāng)時，在萬米海深的極端壓力條件下，按照“奮斗者”號的目標(biāo)尺寸和厚度要求，以往潛水器使用的材料都已不能達(dá)標(biāo)，需要找到一種高強(qiáng)度、高韌性、可焊接的鈦合金。
然而，國際上沒有制造先例，也找不到國外廠家生產(chǎn)，唯一的出路就只有我們自己造。
為此，中國科學(xué)院金屬研究所聯(lián)合國內(nèi)多家企業(yè)和研究所，組建起全海深鈦合金載人艙研制“國家隊”，經(jīng)過一系列調(diào)研論證、研究實驗，攻克了載人艙材料、成型、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，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，終于制造出由新型鈦合金材料制成寬敞而結(jié)實的載人艙。”楊銳說。
記者了解到，“奮斗者”號的載人艙呈球形，能夠同時容納3名潛航員。此前，也有國外深潛器依靠球形載人艙成功挑戰(zhàn)了萬米重壓，但艙體空間僅能容納1—2人，無法搭載更多的人和設(shè)備。
深海一片漆黑，地形環(huán)境高度復(fù)雜，“奮斗者”號如何避免“觸礁”風(fēng)險?
中國科學(xué)院沈陽自動化研究所的科研人員，針對深淵復(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，進(jìn)行了攻關(guān)，讓“奮斗者”號的控制系統(tǒng)實現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)與模型預(yù)測的在線智能故障診斷、基于在線控制分配的容錯控制以及海底自主避碰等功能。
“我們設(shè)計的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法，能夠讓‘奮斗者’號在海底復(fù)雜地形巡航、定點航行以及懸停定位。”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。
除此之外，科研人員還給“奮斗者”號裝上了一雙高度靈活且有力的“手”，在開展萬米作業(yè)時，具有強(qiáng)大的作業(yè)能力，順利完成巖石、生物抓取及沉積物取樣器操作等精準(zhǔn)作業(yè)任務(wù)。這項技術(shù)填補(bǔ)了我國應(yīng)用全海深液壓機(jī)械手開展萬米作業(yè)的空白。
2020年2月，“奮斗者”號按計劃完成了總裝和陸上聯(lián)調(diào)，3月立即開展水池試驗。在水池試驗過程中，總共完成了包括全流程考核、多名潛航員承擔(dān)水池下潛培訓(xùn)等25項測試任務(wù)。
未來遨游在世界海洋的最深處
葉聰告訴記者，從2020年7月—11月，“奮斗者”號正式進(jìn)入海試，共進(jìn)行了30個潛次的試驗，累計海底作業(yè)時間141小時。其中，在馬里亞納海溝下潛8次超過萬米，最長水中時間達(dá)13小時，最大下潛深度為10909米。
記者了解到，“奮斗者”號連續(xù)和重復(fù)多次的萬米級海試，不但驗證了潛水器總體性能穩(wěn)定和系統(tǒng)工作可靠，能夠滿足大深度載人潛水器的安全規(guī)范要求;同時，通過使用我國生產(chǎn)的載人艙、浮力材料、鋰電池、推進(jìn)器、海水泵、機(jī)械手、聲學(xué)通信、液壓泵、水下定位、航行控制、成像聲吶等關(guān)鍵設(shè)備和重要技術(shù)，也為國產(chǎn)水密接插件提供了萬米深度的試驗機(jī)會，全面驗證了載人潛水器的全海深作業(yè)能力和實用價值，更為后續(xù)的運(yùn)維應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
相關(guān)專家認(rèn)為，“奮斗者”號研制及海試的成功，顯著提升了我國載人深潛的技術(shù)裝備能力和自主創(chuàng)新水平，推動了潛水器向全海深譜系化、功能化發(fā)展，為探索深?？茖W(xué)奧秘、保護(hù)和合理利用海洋資源提供了又一利器，為引導(dǎo)公眾關(guān)心認(rèn)識海洋、提升全民海洋意識、加快建設(shè)海洋強(qiáng)國作出了突出貢獻(xiàn)。
今年3月16日，“奮斗者”號全海深載人潛水器交付活動在三亞舉行。當(dāng)天，參與驗收的專家組人員一致認(rèn)為，“奮斗者“號在萬米級海試中以諸多的顯著優(yōu)勢，如可乘載3人的艙體、海底連續(xù)6小時的作業(yè)能力、海試過程中8次抵達(dá)萬米深的海底、在多種類科考樣品的采集及多次目標(biāo)搜尋布放回收作業(yè)中展示的作業(yè)能力、自動巡航以及鏈接水面的高速數(shù)字水聲通信等特點，表明了“奮斗者”號在萬米級所擁有的綜合性技術(shù)實力。“奮斗者”號海試現(xiàn)場驗收得分達(dá)到99.25分。
“深海勇士”號和“奮斗者”號載人潛水器用戶科學(xué)指導(dǎo)委員會委員、中國21世紀(jì)議程管理中心海洋處原處長孫清，是“蛟龍”號、“深海勇士”號和“奮斗者”號三次交付的參研者和見證者。他說：“‘奮斗者’號全海深載人潛水器正式向業(yè)主單位交付，是我國邁向深海科考科研高峰的第一步，也是重要一步，但后面還有很多科學(xué)考察的工作要做，不少新的難題要攻克。”
同濟(jì)大學(xué)翦知湣教授透露，今后，載人潛水器用戶科學(xué)指導(dǎo)委員會將搭建一個面向“深海勇士”號和“奮斗者”號載人潛水器科學(xué)應(yīng)用的溝通和交流平臺，積極推動開展載人深潛國際合作，促進(jìn)學(xué)術(shù)共同體的多學(xué)科交叉融合與應(yīng)用。
而在葉聰看來，在不久的將來，我國自主研制的萬米載人潛水器，將搭載著更多我國科學(xué)家自由自在遨游在世界海洋的最深處，實現(xiàn)自己的科學(xué)夢想。
