我國深海裝備研制從“國產化”走向“國產創”
■本報首席記者 許琦敏
昨天上午，創造并連續刷新中國載人深潛紀錄的“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‘國產化’走向‘國產創’。”負責“奮斗者”號關鍵設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用尋找更迅速的突破之路。”
據透露，“奮斗者”號核心部件國產化率超過96.5%。當中國走入萬米海深時代，中國深淵科學研究也將同步駛入“無人區”。
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將萬米深淵的風景和聲音帶到了地球表面，實現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。由中科院聲學所研究員朱敏帶領的團隊負責完成了“奮斗者”號聲學系統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以及定位聲吶和慣性導航設備的系統集成。
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，為全海深范圍內的持續巡航作業提供了可靠的技術保障。
“這套聲學系統是國家‘十三五’重點研發的科研裝備，在下潛馬里亞納海溝的過程中，在通信、探測、定位、導航等功能上，都發揮了重要作用。”這次，中科院聲學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，潛航員可實現對海底的超視距觀測，精準發現百米外的作業目標，給安全航行帶來有力保障。
由聲學多普勒測速儀和定位聲吶及慣性導航等設備相集成的組合導航系統為“奮斗者”號的巡航作業提供了高精度的水下定位導航。在11月16日的下潛作業中，借助組合導航系統和聲吶設備，“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。
從理論突破，創制“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，也標志著一個國家載人潛水器的技術水平。“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110兆帕，相當于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。
聯合國內多家企業和研究所，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科學問題入手，團隊攻克了載人艙材料、成形、焊接等一系列關鍵技術瓶頸，實現從“國產化”到“國產創”的創新能級躍遷。
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，一篇英國劍橋大學學生十幾年前發表的論文，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，并迅速實現工程化。“按照常規，可能五年也難以完成的任務，我們三年多就完成了。”楊銳回顧，整個過程中，基礎研究成為許多瓶頸突破的關鍵。
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問題。
由中國科學院理化技術研究所牽頭，在前期多年技術積累的基礎上，科研人員在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，實現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權的軟化學制備技術，利用致密填充堆積技術結合輕質高強樹脂基材，科研團隊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，此后又聯合國內優勢科研和生產力量，進行了浮力材料在模擬深海高壓下的性能評估和大型構件粘接加工。
為推動固體浮力材料的可持續發展，在基礎研究方面，理化所組織開展了浮力材料涉及的相關基礎科學問題研究。張敬杰說，走到這一步，已經沒有現成文獻和經驗可以借鑒，只能從基礎研究尋求突破——當中國走入萬米海深時代，中國深淵科學研究也將同步進入深海探索“無人區”。