搭載著“奮斗者”號的“探索一號”科考船載譽而歸 陳歡歡攝

11月28日，剛剛完成萬米深潛在馬里亞納海溝成功坐底的“奮斗者”號潛水器勝利返航。10909米是它創造的中國載人深潛新紀錄。我國也成為世界上第二個實現萬米載人深潛的國家。

在此之前，世界上最先進的全海深潛水器是2019年5月完成萬米下潛的美國“極限因子”號，載人艙可搭載2人。“奮斗者”號卻搭載了3名潛航員。要實現這一目標，原有技術已不適用，只能超越“極限”，發展創新技術。

“以前我們講國產化，還是在追趕別人，現在已經不僅是國產，而是國創了。”中科院金屬研究所（以下簡稱金屬所）研究員、全海深載人潛水器載人艙項目負責人楊銳告訴《中國科學報》。

實際上，“奮斗者”號這個大國重器全身上下都是打破記錄的“國創”技術。

載人艙球殼“鈦”厲害

要想搭載3名潛航員，球形載人艙的直徑就必須加大。相應的，其體積也會大大增加，對材料的強度和韌性提出更高要求。而這一要求已然超出傳統鈦合金材料的極限。

“所有載人艙過去30年用的都是Ti64，但我們必須研發新的合金。”楊銳說。

研發30年無人突破的金屬材料，其難度可想而知。這項向“無人區”進軍的重任落到了金屬所的肩上。為國家重大工程開發所需要的金屬材料，可以說是金屬所的強項。從1953年成立至今，金屬所的科學家們已經為國家若干重大工程提供了關鍵材料。

“蛟龍號”成功下潛之后，2014年，在中科院戰略性先導專項支持下，金屬所開始了更大深度潛水器的關鍵技術調研論證和預先研究，基于在鈦合金方面長期的研究經驗，他們發明了一種新型鈦合金——Ti62A，在韌性和可焊性與Ti64合金相當的前提下大幅度提升了強度，從而成功解決了載人艙球殼的材料難題。

突破了材料關，下一步就是加工成型。鈦合金材料存在固有的“尺寸效應”，即尺寸和厚度越大，其均勻性和力學性能穩定越難以保證。金屬所通過設計材料微觀組織及其獲取工藝，成功克服了鈦合金的“尺寸效應”。合作伙伴寶鈦股份全力以赴，制備出高品質鑄錠、高質量板材和高精度半球，創造了國內鈦合金鑄錠重量、板材厚度等多項紀錄。

眼見著離成功越來越近，最后一道焊接難關卻始終難以突破。載人球艙由兩個半球焊接，實現超大尺寸與厚度材料的全電子束一次焊接，是一道幾乎難以逾越的障礙。但若不克服這一障礙，則前功盡棄。

此時，金屬所獨辟蹊徑，提出了一些新的焊接思路。中國船舶洛陽船舶材料所勇于創新，突破了一系列焊接成形技術，實現載人球艙全電子束焊接，確保了焊縫質量和強韌性能全面達到設計要求。

就這樣，這支由金屬所牽頭、多家企業和研究機構組建全海深鈦合金載人艙研制“國家隊”連克材料、成形、焊接三大“攔路虎”。

楊銳表示，最早在啟動萬米載人深潛計劃時，載人艙是最大的限定因素，而現在，通過項目組成員的努力，提前5年完成任務，體現了我國集中力量辦大事的制度優勢。

浮力材料保證“下得去、上得來”

載人艙保證了“奮斗者”號能安全下去，固體浮力材料則要使其還能安全上浮。

潛水器要想上來有兩種方式，一種是消耗能源動力，另一種是無動力上浮技術。前者浪費寶貴的能源，會縮短潛水器工作半徑和時間，后者則需要用到固體浮力材料。

固體浮力材料不僅能保證潛水器安全上浮，還直接關系到潛水器與潛航員的安全，但由于其制備技術難度大，世界上只有少數發達國家掌握核心技術。

在中國載人深潛的發展歷程中，2017年下潛到4500米的“深海勇士”號第一次使用了由中科院理化技術研究所提供的國產固體浮力材料。這一次，理化所的高性能國產固體浮力材料不僅挑戰萬米成功，還創造了10909米的我國載人深潛新紀錄。

“深潛器下到萬米，工作環境有很大變化，這就要求材料更輕更強，既要密度低又要耐高水壓，但是這個深度沒有可借鑒的文獻資料和使用經驗，材料研制過程中很多挑戰，有些材料甚至達到極限。”中科院理化所研究員、“奮斗者”號浮力材料負責人張敬杰坦言：“雖然壓力很大，但事關生命安全，我們決不能退縮！”

張敬杰團隊從2006年開始研究固體浮力材料，在多年技術積累的基礎上，他們采用自主知識產權的軟化學制備技術，短時間內研制出了固體浮力材料核心原材料高強空心玻璃微球，進而利用致密填充堆積技術結合輕質高強樹脂基材，制備出了具有高安全系數的萬米級固體浮力材料并進行了批量化生產。

“理化所在北京，負責材料測試的深海所在三亞，粘結加工、裝配在湖北和江蘇，為了做固體浮力材料，我們跑了大半個中國。”張敬杰笑稱，正是團隊的集體努力使得固體浮力材料在時間節點內順利交付，且性能比同類產品有很大提升，不僅實現了萬米深潛，還能多次往返，質量可靠。

聲學系統“海底撈針”

“奮斗者”號坐底后與母船“探索一號”之間相距萬米，如何通信？實際上，水聲通信是溝通的唯一橋梁，可以實現潛水器從萬米海底至海面母船的文字、語音及圖像的實時傳輸。

聲學系統還實現了探測、定位、導航等功能，是“奮斗者”號的重要組成部分。中國科學院聲學研究所高級工程師、“奮斗者”號聲學系統主任設計師劉燁瑤表示，相較于前兩代的“蛟龍”號與“深海勇士”號載人潛水器，“奮斗者”號的聲學系統實現了完全國產化，突破了全海深難關，技術指標更高，為“奮斗者”號全海深范圍內的持續巡航作業提供了可靠的技術保障。

在11月16日的下潛作業中，借助組合導航系統和聲納設備，“奮斗者”號潛航員僅用了半小時便成功取回了此前布放在萬米海底的3個水下取樣器，成功實現“海底撈針”，并通過水聲通信機將取樣畫面回傳至母船。

“奮斗者”號聲學系統包括全海深水聲通信機、地形地貌探測聲納、多波束前視聲納、多普勒測速儀、避碰聲納的自主研發以及定位聲納和慣性導航設備的系統集成。

劉燁瑤先后參與并完成了多次下潛任務，他表示，從4500米到萬米，技術難度加大很多。例如，聲納設備都有換能器，其作用聲電能量轉換，也就是聲納的“天線”，它由金屬和非金屬組成，因此在高壓下耐壓設計更有難度。

“但奮斗者號水聲通信指標沒有下降，這得益于團隊多年來的研究積累和經驗傳承，核心骨干成員連續完成‘蛟龍’號、‘深海勇士’號、‘奮斗者’號聲學系統設備研發，積累了很多經驗。”劉燁瑤說。

機械手精準作業

“奮斗者”號多次在馬里亞納海溝完成深潛作業，獲取了大量生物、地質等深淵海底樣品，離不開機械手。這是中科院沈陽自動化所的杰作。

據悉，機械手具有7個關節，可實現6自由度運動控制，持重能力超過60公斤，能夠覆蓋采樣籃及前部作業區域，具有強大的作業能力。機械手還突破了超高壓密封技術及超高壓油液環境驅動與控制等技術，在深淵海底順利完成了巖石、生物抓取及沉積物取樣器操作等精準作業任務，是我國首次將全海深液壓機械手應用于萬米作業。

此外，中科院沈陽自動化所還自主研制了“奮斗者”號的智能化控制系統和電動觀測云臺。這套智能系統解決了深淵復雜環境下大慣量載體多自由度航行操控、系統安全可靠運行等技術難題，實現了在線智能故障診斷、容錯控制以及海底自主避碰等功能，提高了潛水器的智能程度和安全性，并采用基于神經網絡優化的算法實現了大慣量載體貼海底自動匹配地形巡航、定點航行及懸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標，達到國際先進水平。

“奮斗者”號萬米機械手項目負責人張奇峰表示，隨著我國深海科考進入萬米時代，對深海技術裝備提出了更高的要求，只有堅持自主創新，才能在關鍵部件研發上持續取得進展。

超高壓模擬沒“擬”不行

不管是載人艙還是聲學系統，所有這些材料和設備要實現萬米深潛萬無一失，必須進行充分的先期測試。這一重任落在了“奮斗者”號業主單位——中國科學院深海科學與工程研究所（以下簡稱深海所）身上。

在國家重點研發計劃“深海關鍵技術與裝備”重點專項支持下，深海所聯合四川航空工業川西機器有限責任公司、中船集團702所等單位，建成了國際上容積與工作壓力組合技術指標最高的超大型深海超高壓模擬試驗裝置，及時保障了“奮斗者”號鈦合金載人艙、固體浮力材料等核心部件壓力測試工作的順利完成。

楊銳表示，金屬球殼不能拆分進行壓力測試，其挑戰之大在國內史無前例的，深海所付出了巨大努力。

張敬杰亦表示，深海所團隊對幾千塊塊狀浮力材料逐一進行了壓力測試，這才確保了萬米環境下的安全穩妥。

全海深載人深潛試驗是一項復雜的系統工程，為保證海試工作流程順暢，協調高效，安全實施，深海所團結和協調多方力量，建立了安全高效的海試領導、組織、實施體系，并形成了“只有崗位、沒有單位”的跨系統、跨單位、跨部門團結協作氛圍。如今，“只有崗位、沒有單位”的理念已經深入人心。

“一旦形成隊伍，必須堅持‘只有崗位、沒有單位’的出海文化，這么我們多年合作的默契，也是最為行之有效的方法。”深海所黨委副書記、副所長陽寧告訴《中國科學報》。