作者:陈欢欢 来源:中国科学报 发布时间:2020/11/28 19:14:56
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中科院力量让“奋斗者”号从国产到“国创”

 

搭载着“奋斗者”号的“探索一号”科考船载誉而归 陈欢欢摄

11月28日,刚刚完成万米深潜在马里亚纳海沟成功坐底的“奋斗者”号潜水器胜利返航。10909米是它创造的中国载人深潜新纪录。我国也成为世界上第二个实现万米载人深潜的国家。

在此之前,世界上最先进的全海深潜水器是2019年5月完成万米下潜的美国“极限因子”号,载人舱可搭载2人。“奋斗者”号却搭载了3名潜航员。要实现这一目标,原有技术已不适用,只能超越“极限”,发展创新技术。

“以前我们讲国产化,还是在追赶别人,现在已经不仅是国产,而是国创了。”中科院金属研究所(以下简称金属所)研究员、全海深载人潜水器载人舱项目负责人杨锐告诉《中国科学报》。

实际上,“奋斗者”号这个大国重器全身上下都是打破记录的“国创”技术。

载人舱球壳“钛”厉害

要想搭载3名潜航员,球形载人舱的直径就必须加大。相应的,其体积也会大大增加,对材料的强度和韧性提出更高要求。而这一要求已然超出传统钛合金材料的极限。

“所有载人舱过去30年用的都是Ti64,但我们必须研发新的合金。”杨锐说。

研发30年无人突破的金属材料,其难度可想而知。这项向“无人区”进军的重任落到了金属所的肩上。为国家重大工程开发所需要的金属材料,可以说是金属所的强项。从1953年成立至今,金属所的科学家们已经为国家若干重大工程提供了关键材料。

“蛟龙号”成功下潜之后,2014年,在中科院战略性先导专项支持下,金属所开始了更大深度潜水器的关键技术调研论证和预先研究,基于在钛合金方面长期的研究经验,他们发明了一种新型钛合金——Ti62A,在韧性和可焊性与Ti64合金相当的前提下大幅度提升了强度,从而成功解决了载人舱球壳的材料难题。

突破了材料关,下一步就是加工成型。钛合金材料存在固有的“尺寸效应”,即尺寸和厚度越大,其均匀性和力学性能稳定越难以保证。金属所通过设计材料微观组织及其获取工艺,成功克服了钛合金的“尺寸效应”。合作伙伴宝钛股份全力以赴,制备出高品质铸锭、高质量板材和高精度半球,创造了国内钛合金铸锭重量、板材厚度等多项纪录。

眼见着离成功越来越近,最后一道焊接难关却始终难以突破。载人球舱由两个半球焊接,实现超大尺寸与厚度材料的全电子束一次焊接,是一道几乎难以逾越的障碍。但若不克服这一障碍,则前功尽弃。

此时,金属所独辟蹊径,提出了一些新的焊接思路。中国船舶洛阳船舶材料所勇于创新,突破了一系列焊接成形技术,实现载人球舱全电子束焊接,确保了焊缝质量和强韧性能全面达到设计要求。

就这样,这支由金属所牵头、多家企业和研究机构组建全海深钛合金载人舱研制“国家队”连克材料、成形、焊接三大“拦路虎”。

杨锐表示,最早在启动万米载人深潜计划时,载人舱是最大的限定因素,而现在,通过项目组成员的努力,提前5年完成任务,体现了我国集中力量办大事的制度优势。

浮力材料保证“下得去、上得来”

载人舱保证了“奋斗者”号能安全下去,固体浮力材料则要使其还能安全上浮。

潜水器要想上来有两种方式,一种是消耗能源动力,另一种是无动力上浮技术。前者浪费宝贵的能源,会缩短潜水器工作半径和时间,后者则需要用到固体浮力材料。

固体浮力材料不仅能保证潜水器安全上浮,还直接关系到潜水器与潜航员的安全,但由于其制备技术难度大,世界上只有少数发达国家掌握核心技术。

在中国载人深潜的发展历程中,2017年下潜到4500米的“深海勇士”号第一次使用了由中科院理化技术研究所提供的国产固体浮力材料。这一次,理化所的高性能国产固体浮力材料不仅挑战万米成功,还创造了10909米的我国载人深潜新纪录。

“深潜器下到万米,工作环境有很大变化,这就要求材料更轻更强,既要密度低又要耐高水压,但是这个深度没有可借鉴的文献资料和使用经验,材料研制过程中很多挑战,有些材料甚至达到极限。”中科院理化所研究员、“奋斗者”号浮力材料负责人张敬杰坦言:“虽然压力很大,但事关生命安全,我们决不能退缩!”

张敬杰团队从2006年开始研究固体浮力材料,在多年技术积累的基础上,他们采用自主知识产权的软化学制备技术,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,进而利用致密填充堆积技术结合轻质高强树脂基材,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。

“理化所在北京,负责材料测试的深海所在三亚,粘结加工、装配在湖北和江苏,为了做固体浮力材料,我们跑了大半个中国。”张敬杰笑称,正是团队的集体努力使得固体浮力材料在时间节点内顺利交付,且性能比同类产品有很大提升,不仅实现了万米深潜,还能多次往返,质量可靠。

声学系统“海底捞针”

“奋斗者”号坐底后与母船“探索一号”之间相距万米,如何通信?实际上,水声通信是沟通的唯一桥梁,可以实现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。

声学系统还实现了探测、定位、导航等功能,是“奋斗者”号的重要组成部分。中国科学院声学研究所高级工程师、“奋斗者”号声学系统主任设计师刘烨瑶表示,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,为“奋斗者”号全海深范围内的持续巡航作业提供了可靠的技术保障。

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。

“奋斗者”号声学系统包括全海深水声通信机、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。

刘烨瑶先后参与并完成了多次下潜任务,他表示,从4500米到万米,技术难度加大很多。例如,声纳设备都有换能器,其作用声电能量转换,也就是声纳的“天线”,它由金属和非金属组成,因此在高压下耐压设计更有难度。

“但奋斗者号水声通信指标没有下降,这得益于团队多年来的研究积累和经验传承,核心骨干成员连续完成‘蛟龙’号、‘深海勇士’号、‘奋斗者’号声学系统设备研发,积累了很多经验。”刘烨瑶说。

机械手精准作业

“奋斗者”号多次在马里亚纳海沟完成深潜作业,获取了大量生物、地质等深渊海底样品,离不开机械手。这是中科院沈阳自动化所的杰作。

据悉,机械手具有7个关节,可实现6自由度运动控制,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。机械手还突破了超高压密封技术及超高压油液环境驱动与控制等技术,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,是我国首次将全海深液压机械手应用于万米作业。

此外,中科院沈阳自动化所还自主研制了“奋斗者”号的智能化控制系统和电动观测云台。这套智能系统解决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,实现了在线智能故障诊断、容错控制以及海底自主避碰等功能,提高了潜水器的智能程度和安全性,并采用基于神经网络优化的算法实现了大惯量载体贴海底自动匹配地形巡航、定点航行及悬停定位等高精度控制功能,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。

“奋斗者”号万米机械手项目负责人张奇峰表示,随着我国深海科考进入万米时代,对深海技术装备提出了更高的要求,只有坚持自主创新,才能在关键部件研发上持续取得进展。

超高压模拟没“拟”不行

不管是载人舱还是声学系统,所有这些材料和设备要实现万米深潜万无一失,必须进行充分的先期测试。这一重任落在了“奋斗者”号业主单位——中国科学院深海科学与工程研究所(以下简称深海所)身上。

在国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项支持下,深海所联合四川航空工业川西机器有限责任公司、中船集团702所等单位,建成了国际上容积与工作压力组合技术指标最高的超大型深海超高压模拟试验装置,及时保障了“奋斗者”号钛合金载人舱、固体浮力材料等核心部件压力测试工作的顺利完成。

杨锐表示,金属球壳不能拆分进行压力测试,其挑战之大在国内史无前例的,深海所付出了巨大努力。

张敬杰亦表示,深海所团队对几千块块状浮力材料逐一进行了压力测试,这才确保了万米环境下的安全稳妥。

全海深载人深潜试验是一项复杂的系统工程,为保证海试工作流程顺畅,协调高效,安全实施,深海所团结和协调多方力量,建立了安全高效的海试领导、组织、实施体系,并形成了“只有岗位、没有单位”的跨系统、跨单位、跨部门团结协作氛围。如今,“只有岗位、没有单位”的理念已经深入人心。

“一旦形成队伍,必须坚持‘只有岗位、没有单位’的出海文化,这么我们多年合作的默契,也是最为行之有效的方法。”深海所党委副书记、副所长阳宁告诉《中国科学报》。

 
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