深海王者——“奮斗者”號

周亞麗

這是迄今為止人類離地心最近的一次，若不是人類科技的不斷進(jìn)步，誰敢去往號稱“地球第四極”的魔鬼之境——馬里亞納海溝，這里的最深處足有11304米，把地球最高峰珠穆朗瑪峰裝進(jìn)去都綽綽有余。2020年11月10日，中國自主研制的載人深潛器“奮斗者”號代表人類抵達(dá)了海溝深處10909米的位置，創(chuàng)造了中國載人深潛的最新紀(jì)錄，標(biāo)志著中國在大深度載人深潛領(lǐng)域達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。

步步為贏

從2020年10月10日起，“奮斗者”號就開赴馬里亞納海溝展開了萬米海試，成功完成了13次下潛，其中8次下潛深度突破萬米。奇怪，為什么“奮斗者”號不一次下到最深處呢？這是出于對載人考察的安全、潛水器設(shè)計(jì)及裝備安全的考慮，畢竟一萬多米深的海溝是地球的極端高壓環(huán)境，極限下潛需要由淺到深，逐步推進(jìn)。當(dāng)“奮斗者”號下潛到2000米深度時(shí)，假如發(fā)現(xiàn)了問題，一定要把問題解決，再次下潛確認(rèn)沒問題后，接著去往4000米、5000米……一天1000米，深海超級戰(zhàn)隊(duì)就這樣不斷地驗(yàn)證“奮斗者”號的性能。事實(shí)證明，“奮斗者”號果真是個(gè)“鋼鐵戰(zhàn)士”！

“奮斗者”號究竟是憑借什么才如此勇猛無畏的呢？

打造“超能扛”

在3000米的深海里，潛水器身上一平方米需要承受相當(dāng)于3000噸重量的壓力，海水的溫度大約為3攝氏度。這就已經(jīng)夠驚人了，1萬米深海的壓力，每一平方米承受的壓力可以達(dá)到1萬噸。因?yàn)樯顫撈飨聺撔枰寖?nèi)部和外部的壓強(qiáng)達(dá)到平衡，在萬米海溝里，“奮斗者”號內(nèi)部浸滿海水，也幾乎要達(dá)到深海的超高壓狀態(tài)。怕水的電池、設(shè)備怎么辦？它們已經(jīng)提前用殼包裹住，并且在其間灌注了硅油。載人艙怎么辦？人在里面需要呼吸，可不能被海水侵占。這樣一來，載人艙的外殼需要承擔(dān)抗壓重任?！皧^斗者”號采用了球形載人艙，因?yàn)榍蛐闻撛诟鞣较蚨际芰鶆颍蝗菀壮霈F(xiàn)應(yīng)力集中，造成艙體局部損壞。

無敵鈦外衣

為了讓“奮斗者”號能安全造訪馬里亞納海溝，中國科學(xué)院金屬研究所鈦合金團(tuán)隊(duì)特別為它打造了一套“鋼鐵戰(zhàn)衣”。他們用自主研發(fā)的鈦合金新材料采用新型的合金設(shè)計(jì)方案，建造出世界最大、搭載人數(shù)最多的全海深載人艙。

此前，美國的“極限因子”于2019年5月搭載了2名深潛員實(shí)現(xiàn)了萬米下潛，而“奮斗者”號搭載了3名深潛員。多一個(gè)人，對一艘深潛器來說可不是小事。這意味著從一開始建造時(shí)，就要大幅度提高艙體材料的厚度和強(qiáng)度?？墒氢伜辖鸩牧嫌凶约旱摹捌狻薄叽绾秃穸仍酱?，它的均勻性和力學(xué)性能穩(wěn)定就越難以保證，這還怎么保護(hù)深潛員呢？

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)研究了新型的鈦合金顯微結(jié)構(gòu)，發(fā)明了鈦合金Ti62A，它有良好的熱加工成形和焊接成形性能，強(qiáng)度也有大幅提升，成功解決了深海極端高壓環(huán)境里載人艙的材料難題。還有超大厚度高強(qiáng)鈦合金電子束焊接和熱處理技術(shù)，也在建造“奮斗者”號的過程中實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)技術(shù)的跨越。

智能控制“眼明手快”

勇闖馬里亞納海溝，光靠勇力還不夠，在未知的深海需要有足夠機(jī)智的“大腦”。多虧中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所，給“奮斗者”號載人深潛器配備了自主研制的智能化控制系統(tǒng)，搭配上電動(dòng)觀測云臺(tái)以及主從伺服液壓機(jī)械手等全海深技術(shù)裝備，幫助“奮斗者”號實(shí)現(xiàn)了高精度航行控制、全景科學(xué)觀測、高精準(zhǔn)作業(yè)取樣等功能。

“奮斗者”號的智能控制系統(tǒng)可以進(jìn)行在線故障診斷和海底自主避碰等，大大提高了深潛器的安全性。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法，“奮斗者”號擁有了貼海底自動(dòng)匹配地形巡航、定點(diǎn)航行及懸停定位等炫酷十足的高精度控制功能。

“奮斗者”號的機(jī)械手也十分強(qiáng)大。它配備了兩套主從伺服液壓機(jī)械手，機(jī)械手具有7個(gè)關(guān)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)六自由度運(yùn)動(dòng)控制，持重能力超過60千克。為了讓機(jī)械手在超高壓環(huán)境里也能順利工作，研究團(tuán)隊(duì)也必須攻克好些技術(shù)難關(guān)，比如超高壓密封技術(shù)、超高壓油液環(huán)境驅(qū)動(dòng)與控制等，填補(bǔ)了我國相關(guān)領(lǐng)域的多個(gè)空白。

【知識(shí)鏈接】

六自由度——物體在空間具有六個(gè)自由度，即沿x、y、z三個(gè)直角坐標(biāo)軸方向的移動(dòng)自由度和繞這三個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。通過六個(gè)自由度可以完全確定物體在空間中的位置。

“認(rèn)路”有高招

你可能要問了，在黑夜一般的海溝里，“奮斗者”號是怎么知道自己的位置的？聽說，“奮斗者”號在萬米之外，也能跟母船“探索一號”進(jìn)行實(shí)時(shí)溝通，難道海底聲音傳播不會(huì)延遲嗎？這些問題可問到點(diǎn)子上了，說到這，“奮斗者”號可又要自豪一把了。它的水底通信技術(shù)可是聲學(xué)前沿科技的大集結(jié)。

中國科學(xué)院聲學(xué)研究所給“奮斗者”號配備了全海深水聲通信機(jī)、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、定位聲吶和慣性導(dǎo)航設(shè)備等。而且，這些高精尖設(shè)備全是由中國自主研發(fā)而成。

“奮斗者”號與母船“探索一號”通過水聲通信來實(shí)現(xiàn)文字、語音及圖像的實(shí)時(shí)傳輸。而聲學(xué)多普勒測速儀、定位聲吶和慣性導(dǎo)航等設(shè)備組成的導(dǎo)航系統(tǒng)，讓“奮斗者”號在進(jìn)行巡航作業(yè)時(shí)能精確地得到水下定位導(dǎo)航。

上九天、下五洋，人類征服星辰大海難道就是為了滿足征服欲望？當(dāng)然不是。像馬里亞納海溝，它是大洋板塊和陸地板塊真正的交匯處，派深潛器前去一探究竟，是為了研究海溝的形成、演變和生態(tài)，從而幫助我們了解地球板塊的演化過程、地球生命起源、生態(tài)循環(huán)、洋流變遷、深海礦產(chǎn)等。尤其是對耐高壓、耐低溫的極端環(huán)境中的生命研究，對未來人類如何適應(yīng)太空的極端環(huán)境，甚至定居也具有啟示意義。

【知識(shí)鏈接】

世界上第一個(gè)造訪馬里亞納海溝的潛水器——“的里雅斯特”號

19世紀(jì)50年代由瑞士的皮卡德父子建造。它的外形酷似飛艇，底部是載人球艙，上端用一個(gè)裝滿汽油的筒提供返航時(shí)的浮力。1960年，“的里雅斯特”號在馬里亞納海溝下潛，在抵達(dá)9000米深度時(shí)，一個(gè)觀察窗突然出現(xiàn)裂縫。在這種情況下，“的里雅斯特”號依然繼續(xù)下潛，代表人類第一次成功到達(dá)馬里亞納海溝10916米處。