我國深海裝備研制從“國產(chǎn)化”走向“國產(chǎn)創(chuàng)”
■本報首席記者 許琦敏
昨天上午，創(chuàng)造并連續(xù)刷新中國載人深潛紀(jì)錄的“奮斗者”號全海深載人潛水器勝利返航。過去一個多月，“奮斗者”號在馬里亞納海溝區(qū)域共開展了13次下潛，其中8次下潛突破萬米，令世界刮目相看。
接船儀式上，海試隊員與傾盡多年心血打造“奮斗者”號的科研人員激動萬分。“從‘蛟龍’號到‘奮斗者’號，我國深海裝備研制正從‘國產(chǎn)化’走向‘國產(chǎn)創(chuàng)’。”負(fù)責(zé)“奮斗者”號關(guān)鍵設(shè)備載人艙研制的中科院金屬所研究員楊銳說，“突破萬米深淵，也促使著中國前沿科技從實驗室到實際應(yīng)用尋找更迅速的突破之路。”
據(jù)透露，“奮斗者”號核心部件國產(chǎn)化率超過96.5%。當(dāng)中國走入萬米海深時代，中國深淵科學(xué)研究也將同步駛?cè)搿盁o人區(qū)”。
半小時成功 “海底撈針”，萬米海底妙不可言
“親愛的觀眾們，萬米的海底妙不可言，希望我們能夠通過‘奮斗者’的畫面向大家展示萬米的海底。”2020年11月10日8時12分，“奮斗者”號成功坐底世界最深處馬里亞納海溝的那一刻，三位潛航員第一時間通過水聲通信系統(tǒng)向全國觀眾分享了他們的心情。
作為“奮斗者”號與母船“探索一號”之間溝通的唯一橋梁，這套先進的水聲通信系統(tǒng)將萬米深淵的風(fēng)景和聲音帶到了地球表面，實現(xiàn)了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。由中科院聲學(xué)所研究員朱敏帶領(lǐng)的團隊負(fù)責(zé)完成了“奮斗者”號聲學(xué)系統(tǒng)中全海深水聲通信機、地形地貌探測聲吶、多波束前視聲吶、多普勒測速儀、避碰聲吶的自主研發(fā)以及定位聲吶和慣性導(dǎo)航設(shè)備的系統(tǒng)集成。
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(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)了完全國產(chǎn)化，突破了全海深難關(guān)，技術(shù)指標(biāo)更高，為全海深范圍內(nèi)的持續(xù)巡航作業(yè)提供了可靠的技術(shù)保障。
“這套聲學(xué)系統(tǒng)是國家‘十三五’重點研發(fā)的科研裝備，在下潛馬里亞納海溝的過程中，在通信、探測、定位、導(dǎo)航等功能上，都發(fā)揮了重要作用。”這次，中科院聲學(xué)所高級工程師劉燁瑤隨“奮斗者”號坐底馬里亞納海溝，他介紹，通過前置成像聲吶，潛航員可實現(xiàn)對海底的超視距觀測，精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)百米外的作業(yè)目標(biāo)，給安全航行帶來有力保障。
由聲學(xué)多普勒測速儀和定位聲吶及慣性導(dǎo)航等設(shè)備相集成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)為“奮斗者”號的巡航作業(yè)提供了高精度的水下定位導(dǎo)航。在11月16日的下潛作業(yè)中，借助組合導(dǎo)航系統(tǒng)和聲吶設(shè)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(xiàn)“海底撈針”，并通過水聲通信機將取樣畫面回傳至母船。
從理論突破，創(chuàng)制“世界載人潛水艙中的勞斯萊斯”
載人艙是人類進入萬米深海的硬件保障和安全屏障，也標(biāo)志著一個國家載人潛水器的技術(shù)水平。“奮斗者”號的萬米載人深潛艙，可以容納三名潛航員！這樣的寬敞程度，堪稱“世界載人潛水艙中的勞斯萊斯”。此前，日本、美國等萬米載人深潛器最多可載兩人。
多攜帶一人，就意味著載人艙球體直徑要增大許多。而萬米深海壓力高達(dá)110兆帕，相當(dāng)于2000頭非洲象踩在一個人的背上。可見球艙面積每增大一點，所承受壓力都會成倍增長，最終將球體壓垮。
聯(lián)合國內(nèi)多家企業(yè)和研究所，中科院金屬所組建起全海深鈦合金載人艙研制“國家隊”。從解決若干鈦合金基礎(chǔ)科學(xué)問題入手，團隊攻克了載人艙材料、成形、焊接等一系列關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)從“國產(chǎn)化”到“國產(chǎn)創(chuàng)”的創(chuàng)新能級躍遷。
2013年起，團隊開始苦想冥思尋找載人艙材料的突破口。2014年春節(jié)，一篇英國劍橋大學(xué)學(xué)生十幾年前發(fā)表的論文，讓楊銳豁然開朗：鈦合金材料中有害相的消除，可以使高強度的鈦合金變得韌性十足！
于是，團隊馬上開展實驗，并迅速實現(xiàn)工程化。“按照常規(guī)，可能五年也難以完成的任務(wù)，我們?nèi)甓嗑屯瓿闪恕！睏钿J回顧，整個過程中，基礎(chǔ)研究成為許多瓶頸突破的關(guān)鍵。
跑遍大半個中國，只為下得去、上得來、壓不垮
萬米深海，安全下潛難，安全返回海面更難。將深潛器帶回海面，固體浮力塊是關(guān)鍵。隨深潛器進入萬米深海，浮力塊首先要能承受住巨大的壓力。可是，為了減小體積、獲得最大浮力，浮力材料的密度越小越好。然而，既要密度低又要耐高水壓，這成了攻克固體浮力材料的核心技術(shù)問題。
由中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所牽頭，在前期多年技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，科研人員在短時間內(nèi)研制出了固體浮力材料核心原材料高強空心玻璃微球，實現(xiàn)了我國浮力材料研究的重大突破。“由于研制單位分布在北京、海南、湖北等地，材料運輸、配套工作量非常大，整個團隊幾乎跑遍了大半個中國。”中科院理化技術(shù)研究所張敬杰研究員說，因為研制時間緊張，團隊等不到打壓測試外部建筑全部建成，只能想盡辦法創(chuàng)造外部條件，以滿足測試要求，“測試廠房連門窗都沒有，太陽直射會影響浮力塊測試件性能，我們就用布將空洞封起來，又拉來很多冰塊確保測試溫度”。
采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的軟化學(xué)制備技術(shù)，利用致密填充堆積技術(shù)結(jié)合輕質(zhì)高強樹脂基材，科研團隊制備出了具有高安全系數(shù)的萬米級固體浮力材料，并進行了批量化生產(chǎn)，此后又聯(lián)合國內(nèi)優(yōu)勢科研和生產(chǎn)力量，進行了浮力材料在模擬深海高壓下的性能評估和大型構(gòu)件粘接加工。
為推動固體浮力材料的可持續(xù)發(fā)展，在基礎(chǔ)研究方面，理化所組織開展了浮力材料涉及的相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)問題研究。張敬杰說，走到這一步，已經(jīng)沒有現(xiàn)成文獻(xiàn)和經(jīng)驗可以借鑒，只能從基礎(chǔ)研究尋求突破——當(dāng)中國走入萬米海深時代，中國深淵科學(xué)研究也將同步進入深海探索“無人區(qū)”。