“奋斗者”号:从国产到“国创”

2021年1月26日00:18:36来源:中国科学报“奋斗者”号:从国产到“国创”已关闭评论812 views 3053字阅读10分10秒

■本报记者 陈欢欢

◎开栏语

“十四五”规划建议明确提出,强化国家战略科技力量,打好关键核心技术攻坚战,提高创新链整体效能。

从深空到深海,从能源到交通,从通信到制药……长期以来,中国科学院在前瞻部署和牵头组织完成国家重大科技任务的同时,还积极发挥科技和人才优势,围绕国家重大工程、重大基础设施和重要行业的迫切需求,以“功成不必在我,功成必定有我”的奉献和担当精神,攻克了一系列关键核心技术难题,发挥了不可替代的战略支撑作用。

本报今起开设“国之重器中的中科院力量”栏目,从若干国家科技重大专项、重大工程项目切入,展现中国科学院在国之重器中发挥的重要作用和担当精神。

10909米!11日10日,“奋斗者”号潜水器在马里亚纳海沟成功坐底,创造了中国载人深潜新纪录,也使我国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。”中国科学院金属研究所(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”号这个国之重器全身上下都是打破纪录的“国创”技术。

向“无人区”进军

万米载人深潜计划启动时,最大的限定因素就是载人球舱。要想搭载3名潜航员,球形载人舱的体积就必须加大,对材料强度和韧性的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年无人突破的材料,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。实际上,开发新型金属材料正是金属所的强项,从1953年成立至今,他们已经为国家若干重大工程提供了关键材料。

“奋斗者”号载人潜水器是“十三五”国家重点研发计划“深海关键技术与装备”专项支持的重大科技装备,于2016年立项。早在2014年,金属所就在中科院战略性先导科技专项支持下,开始了关键技术预研。

基于在钛合金方面长期的研究经验,他们发明了新型钛合金Ti62A,在韧性和可焊性与Ti64相当的前提下大幅度提升了强度,解决了载人舱球壳的材料难题。之后,这支由金属所牵头、多家企业和研究机构组建的“国家队”,又接连攻克成形和焊接两大“拦路虎”,逾越了许多过去认为“不可能”的障碍。

起步早、基础好、团队作战,成就了钛合金载人球舱提前5年完成的佳绩。

载人舱保证“奋斗者”号“下得去”,固体浮力材料则使其“上得来”。2012年我国第一台载人深潜器“蛟龙”号下海时,固体浮力材料全部来自进口。中国科学院理化技术研究所研究员张敬杰在心中埋下梦想:将来一定要用国产材料取而代之。

2017年“深海勇士”号出征时,首次实现了4500米级全国产固体浮力材料的应用,其技术正是来源于张敬杰团队。而这一次,他们要挑战10000米。

“这就要求浮力材料更轻更强,但是万米深度没有可借鉴的文献资料和使用经验,有些材料甚至达到极限。”虽然压力很大,但张敬杰深知浮力材料的性能事关生命安全,决不能退缩。

最终,张敬杰团队采用具有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,进而制备出了安全可靠的万米级固体浮力材料。

为了确保万米环境下的安全稳妥,几千块块状浮力材料逐一进行了压力测试。

在三亚,有一台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,要下水的设备和材料,都必须进行充分的先期测试。这一工作由“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)牵头完成。

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,深海所付出了巨大努力。

有勇有谋的“奋斗者”

马里亚纳海沟是海洋的最深渊,一片漆黑、地形复杂,“奋斗者”号却多次在这里完成深潜作业,获取了大量生物、地质等深渊海底样品,还能同万米之遥的母船通信,并实现电视直播。

这一切都离不开科技的力量。

针对深渊复杂环境下的航行操控、可靠运行等技术难题,中国科学院沈阳自动化研究所(以下简称沈阳自动化所)为“奋斗者”号设计了智能控制系统,实现基于数据与模型预测的在线智能故障诊断、容错控制和自主避碰,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,使得潜水器在万米深渊也“如履平地”。

机械手同样是沈阳自动化所的杰作。这也是我国首次应用于万米作业的全海深液压机械手,具有7个关节,可实现六自由度运动控制,持重能力超过60公斤。

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”号潜航员仅用半小时便取回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”。

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告诉《中国科学报》,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。

其中,水声通信是“奋斗者”号与母船之间沟通的唯一桥梁,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。

“从4500米到万米,技术难度加大很多,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。

据悉,此次中国科学院所属10余家单位全面参与了“奋斗者”号研制和海试工作,是研制任务的核心单位。

“只有岗位、没有单位”

“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’的画面向大家展示万米的海底。”11月10日,“奋斗者”号坐底马里亚纳海沟时,3位潜航员通过电视直播向全国观众分享海底画面。

为了让全国观众见证这一盛况,深海所联合中国科学院西安光学精密机械研究所、长春光学精密机械与物理研究所、中国科学技术大学、上海硅酸盐研究所等单位自主研制了“沧海”号着陆器和全海深视频直播系统,带动我国水下高清视频采集、传输及处理技术发展。

全海深载人深潜作为一项复杂的系统工程,涉及多家单位近千名科技人员共同参与,其顺畅实施离不开业主方深海所的努力。

在中科院战略性先导科技专项支持之下,从2014年起,深海所联合众多单位组织完成了3个深渊综合科考航次、2个载人深潜科考航次和49次万米无人深渊探测,积累了丰富的作业经验和精细的地形数据。通过一系列深渊航次,我国开启了万米深渊科考新时代,也逐渐建立起海斗深渊科学研究体系。

同时,深海所打造了一支由15名潜航员组成的载人深潜运维队伍,形成了“一名独立主驾+两名科学家”的人员组合和夜潜常态化作业模式。自2017年8月以来,“深海勇士”号已累计下潜超过300次,运维水平进入国际先进行列。

要完成这些壮举,离不开一套高效的组织体系,为了团结和协调多方力量,深海所提出“只有岗位、没有单位”的口号。如今,这一理念已经深入人心,在项目内形成了跨系统、跨单位、跨部门团结协作的氛围。

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

《中国科学报》 (2020-11-30 第1版 要闻)
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