“奋斗者”凭什么这么牛

2020-11-30 17:19
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11月10日,“奋斗者”号创造了10909米的中国载人深潜新纪录,标志着我国在大深度载人深潜领域达到世界领先水平。(资料图片)新华社发

28日8时30分许,随着一阵汽笛声响,在“地球第四极”结束科考任务的“探索一号”科考船在三亚靠泊下锚,成功实现10909米坐底纪录的“奋斗者”号全海深载人潜水器也随船胜利返航。

“奋斗者”号凭什么这么牛

11月10日8时12分,“奋斗者”号创造了10909米的中国载人深潜新纪录,标志着我国在大深度载人深潜领域达到世界领先水平。

“奋斗者”号到底穿着什么样的装备,才能不惧海底高压、高腐蚀的极端环境?在深潜地球最深处时,3位潜航员还实时向观众直播,又是怎样做到的?

它有一副“钛”强大的盔甲

钛合金新材料能承载极端压力

“奋斗者”号全海深载人潜水器可搭载3人的载人舱球壳,是目前世界最大、搭载人数最多的潜水器载人舱球壳。

“奋斗者”号下潜的马里亚纳海沟最深处,水压超过110兆帕,相当2000头非洲象踩在一个人的背上。要抗住这样的压力,首先要有一身坚固的“盔甲”。

载人舱作为全海深载人潜水器的核心关键部件,是人类进入万米深海的硬件保障和安全屏障。此前世界上最先进的全海深潜水器是美国2019年5月完成万米下潜的“极限因子”,其载人舱可搭载2人。

“奋斗者”号载人舱球壳采用了中国科学院金属研究所钛合金团队自主发明的Ti62A钛合金新材料。3年研制过程中,团队攻克了载人舱材料、成形、焊接等一系列关键技术瓶颈。

据悉,以往深潜器主要使用Ti64材料,这种材料强度、韧性等指标无法达到万米海深极端压力条件下载人舱的目标尺寸和厚度要求。针对这种情况,中国科学院金属研究所提出一种新型合金设计方案,并据此设计和实现了全新的钛合金显微结构,发明了具有良好热加工成形和焊接成形性能的钛合金Ti62A。这种材料韧性和可焊性与Ti64合金相当,但强度更大。

“奋斗者”号的钛合金载人舱球壳,直径高达2米,为世界最大。

载人球舱由两个半球焊接而成,几个窗口和接口也必须通过焊接完成,保证焊缝位置韧性、实现超大尺寸与厚度材料全电子束一次焊接等都是焊接技术面临的世界性难题。中国科学院金属研究所提出了新的焊接思路,并联合中国船舶重工集团公司洛阳船舶材料研究所突破了一系列焊接成形技术。

它有一双灵活的手

机械手持重能力超过60公斤

“潜水器使用了我们研发的两套液压机械手开展万米作业,每套手有7个关节,可实现自由运动控制,持重能力超过60公斤,能够覆盖采样篮及前部作业区域,具有强大的作业能力。”中国科学院沈阳自动化研究所水下机器人研究室副主任张奇峰说。

这双手在深渊海底顺利完成了岩石、生物抓取及沉积物取样器操作等精准作业任务,填补了我国应用全海深液压机械手开展万米作业的空白。

它有一个“超级大脑”

漆黑的海底不迷航

“奋斗者”号的“大脑”由中国科学院沈阳自动化研究所精心打造。

深海一片漆黑,地形环境高度复杂,“奋斗者”号的“大脑”必须得实现高精度航行控制,不然就可能有“触礁”风险。

为此,研究人员克服了深渊复杂环境下大惯量载体多自由度航行操控、系统安全可靠运行等技术难题,“奋斗者”号的“指挥中心”实现了在线智能故障诊断、基于在线控制分配的容错控制以及海底自主避碰等功能,提高了潜水器的“智商”和安全性。

“同时,我们设计的神经网络优化算法,能够让‘奋斗者’在海底自动匹配地形巡航、定点航行以及悬停定位。其中,水平面和垂直面航行控制性能指标,达到国际先进水平。”中国科学院沈阳自动化研究所研究员、“奋斗者”号副总设计师赵洋说。

“奋斗者”号在材料、结构、工艺、配套等领域均已实现技术突破,更可以为其他领域的发展提供技术支持。比如,水声通信技术、水下定位技术、导航技术等都可以在海洋油气、矿藏等资源探索开发领域进行延展,这为我国进行大规模深海探索和研究提供了手段和工具。

它有一双灵敏的“耳朵”

直播万米海底世界信号有保障

“亲爱的观众们,万米的海底妙不可言,希望我们能够通过‘奋斗者’号的画面向大家展示万米的海底。”

2020年11月10日8时12分,“奋斗者”号成功坐底世界最深处马里亚纳海沟,3位潜航员第一时间通过水声通信系统向全国观众直播了他们所看到的万米海底世界。

相较于前两代的“蛟龙”号与“深海勇士”号载人潜水器,“奋斗者”号的声学系统实现了完全国产化,这个系统由中国科学院声学研究所牵头研制。

“‘奋斗者’号的声学系统突破了全海深难关,技术指标更高,在整个海试过程中表现优秀,为全海深范围内的持续巡航作业提供了可靠的技术保障。”中国科学院声学研究所高级工程师、“奋斗者”号副总建造师、主任设计师、潜航员刘烨瑶说。

水声通信是“奋斗者”号与母船“探索一号”之间沟通的唯一桥梁,实现了潜水器从万米海底至海面母船的文字、语音及图像的实时传输。

此外,由声学多普勒测速仪和定位声呐及惯性导航等设备相集成的组合导航系统,还为“奋斗者”号的巡航作业提供了高精度的水下定位导航。

在11月16日的下潜作业中,借助组合导航系统和声呐设备,“奋斗者”号潜航员仅用了半小时便成功取回了此前布放在万米海底的3个水下取样器,成功实现“海底捞针”,并通过水声通信机将取样画面回传至母船。

据新华社、央视、科技日报