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胜利返航!“奋斗者”号万米深渊归来,哪些神器助力探底成功

2020

11/28

10:50

来源

文汇网

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  ▲接船仪式现场(中科院传播局供图)

  今天(11月28日)上午,创造并连续刷新中国载人深潜纪录的“奋斗者号”载人深潜器胜利返航。

  过去一个多月,“奋斗者”号在马里亚纳海沟区域共开展了13次下潜,其中8次下潜突破万米。

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  ▲“奋斗者”号正在注水下潜

  每次三名潜航员,连续八次下潜深度超万米,成功坐底马里亚纳海沟,最深到达10909米处,并第一次实现全球万米海底视频直播。这一“下五洋”的纪录,令世界刮目相看。

  在接船仪式上,海试队员与倾尽多年心血打造“奋斗者”号的科研人员激动万分。“从‘蛟龙’号到‘奋斗者’号,中国的深海装备研发也从‘国产化’开始走向‘国产创’。”负责“奋斗者”号关键设备载人舱研制的中科院金属所研究员杨锐说,“突破万米深渊,也促使着中国前沿科技从实验室到实际应用的链路寻找更迅速的突破之路”。

  据透露,“奋斗者”号的核心部件国产化率超过96.5%。当中国走入万米海深时代,中国深渊科学研究也将同步驶入“无人区”。

  半小时成功“海底捞针”,万米海底妙不可言

  “亲爱的观众们,万米的海底妙不可言,希翼大家能够通过‘奋斗者’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的那一刻,三位潜航员第一时间通过水声通信系统向全国观众分享了他们的心情。

  作为“奋斗者”号与母船“探索一号”之间沟通的唯一桥梁,这套先进的水声通信系统将万米深渊的风景和声音带到了地球表面,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。

  由中科院声学所朱敏研究员带领的团队负责完成了“奋斗者”号声学系统中全海深水声通信机、地形地貌探测声纳、多波束前视声纳、多普勒测速仪、避碰声纳的自主研发以及定位声纳和惯性导航设备的系统集成。

  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,突破了全海深难关,技术指标更高,在“奋斗者”号的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。

  “这套声学系统是国家‘十三五’重点研发的科研装备,在下潜马里亚纳海沟的过程中,在通信、探测、定位、导航等功能上,都发挥了重要作用。”这次,中科院声学所高级工程师刘烨瑶随“奋斗者”号坐底马里亚纳海沟,他先容,通过前置成像声纳,潜航员可以实现对海底的超视距观测,精准发现百米外的作业目标,给安全飞行带来有力保障。

  由声学多普勒测速仪和定位声纳及惯性导航等设备相集成的组合导航系统为“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纳设备,“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。

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  ▲来源:中央广播电视总台

  正因为有了强有力的技术保障,刘烨瑶坦言,潜入海底的心情“相当平静”,参加深潜的科学家们少了应付突发情况的跌宕起伏,却多了捕捉海底风景细节的兴奋:人眼毕竟是最好的“摄像机”,很多镜头带不上来的信息,只有通过科学家的眼睛发现。

  从理论突破,创制“世界载人潜水舱中的劳斯莱斯”

  载人舱是人类进入万米深海的硬件保障和安全屏障,也标志着一个国家载人潜水器的技术水平。“奋斗者”号的万米载人深潜舱,可以容纳三名潜航员!这样的宽敞程度,堪称世界载人潜水舱中的劳斯莱斯。此前,日本、美国等万米载人深潜器最多可载两人。

  多携带一人,就意味着载人舱球体直径要增大许多。而万米深海压力高达110兆帕——相当于2000头非洲象踩在一个人的背上。可见球舱面积每增大一点,所承受压力都会成倍增长,最终将球体压垮。

  “这样的材料太难找!既要强度足够高,又要韧性足够大,还要能够真正造出来!”杨锐说,这在国际上没有先例,也找不到国外厂家生产,唯一出路只有自己造。联合国内多家企业和研究所,中科院金属所组建起全海深钛合金载人舱研制“国家队”。

  从解决若干钛合金基础科知识题入手,研究团队攻克了载人舱材料、成形、焊接等一系列关键技术瓶颈,实现从“国产化”到“国产创”的创新能级跃迁。

  最关键的一步在于理论上寻找到突破。从2013年起,团队冥思苦想寻找载人舱材料的突破口。就在2014年春节,一篇原英国剑桥大学同学十几年前发表的论文,让杨锐豁然开朗:钛合金材料中有害相的消除,可以使高强度的钛合金变得韧性十足!

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  ▲“奋斗者”号载人舱完成电子束焊接 (来源:中国科学院金属研究所)

  于是,团队马上开展实验,并迅速实现工程化。“按照常规,可能五年也难以完成的任务,大家三年多就完成了。”杨锐回顾,整个过程中,基础研究成为许多瓶颈突破的关键。比如,超大超厚的钛合金球遇到焊接难题,辛苦打造的新型钛合金,焊完之后由于焊缝重熔发生相变“一夜回到解放前”,整个大球就会因自身热应力而裂开。此时,又是此前研究生的相关理论研究解决了难题——研究团队发现,根据元素周期表,将位于钛下面的元素替换成其右边的元素,就能很快解决问题。

  跑遍大半个中国,只为“奋斗者”号“下”得去“上”得来压不垮

  万米深海,能安全下潜难,要做到安全返回海面更难。将深潜器带回海面,固体浮力块是关键。因此,固体浮力材料是众多深海科学考察装备及实现海洋资源开发的核心材料。

  如果没有浮力块,深潜器只能算是“沉入”海底。随深潜器进入万米深海,浮力块首先要能承受住巨大的压力。可是,为了减小体积、获得最大浮力,浮力材料的密度越小越好。然而,既要密度低又要耐高水压,这似乎又是一对难以调和的矛盾,同时也成了攻克固体浮力材料的核心技术问题。

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  ▲“奋斗者”号抛载上浮中

  中科院理化技术研究所张敬杰研究员先容,国产浮力材料研发的整体水平与国外差距很大,极大的阻碍了我国深海科学研究进程。由于其制备技术难度大,世界范围内只有少数发达国家掌握核心技术,且对我国实行技术封锁。

  由中国科学院理化技术研究所牵头,在前期多年技术积累的基础上,科研人员在短时间内研制出了固体浮力材料核心原材料高强空心玻璃微球,实现了我国浮力材料研究的重大突破。

  “由于研制单位分布在北京、海南、湖北等地,材料运输、配套工作量非常大,整个团队几乎跑遍了大半个中国。”张敬杰说,因为研制时间相当紧张,团队等不到打压测试外部建筑全部建成,只能想尽办法创造外部条件,以满足测试要求,“测试厂房连门窗都没有,太阳直射会影响浮力块测试件性能,大家就用布将空洞封起来,又拉来很多冰块确保测试温度”。

  采用具有自主常识产权的软化学制备技术,利用致密填充堆积技术结合轻质高强树脂基材,科研团队制备出了具有高安全系数的万米级固体浮力材料,并进行了批量化生产,此后又联合国内优势科研和生产力量,进行了浮力材料在模拟深海高压下的性能评估和大型构件粘接加工。

  为推动固体浮力材料的可持续发展,在基础研究方面,理化所组织开展了浮力材料涉及的相关基础科知识题研究。张敬杰说,走到这一步,已经没有现成文献和经验可以借鉴,“大家只有从基础研究寻求突破”——当中国走入万米海深时代,中国深渊科学研究也将同步进入深海探索“无人区”。

  编辑:许琦敏

  图片来源:中央广播电视总台、中科院

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