“奮斗者”號身上的“黑科技”
本報記者 陸成寬
那個在海底下潛10909米的“奮斗者”回來了。
11月28日，“奮斗者”號載人潛水器深海試驗返航儀式在海南三亞舉行。這位凱旋的“奮斗者”受到了熱烈歡迎。
“奮斗者”號怎么這么牛氣，能夠“一口氣”下潛到海底10000多米？它到底穿著什么樣的裝備，才能不懼海底高壓、高腐蝕的極端環境？在深潛地球最深處時，3位潛航員還向全國觀眾分享了他們的心情，又是怎樣做到的？
下面，我們就來扒一扒“奮斗者”號的那些“高精尖”技術裝備。
它有聰明的大腦和一雙靈活的手
說起這位“奮斗者”，就不得不談它的控制系統，也就是它的“大腦”。“奮斗者”號的“大腦”由中國科學院沈陽自動化研究所精心打造。
深海一片漆黑，地形環境高度復雜，“奮斗者”號的“大腦”必須實現高精度航行控制，不然就可能有“觸礁”風險。
為此，研究人員克服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，“奮斗者”號的“指揮中心”實現了在線智能故障診斷、基于在線控制分配的容錯控制以及海底自主避碰等功能，提高了潛水器的“智商”和安全性。
“同時，我們設計的神經網絡優化算法，能夠讓‘奮斗者’號在海底自動匹配地形巡航、定點航行以及懸停定位。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。”中國科學院沈陽自動化研究所研究員、“奮斗者”號副總設計師趙洋說。
同時，研究人員還為“奮斗者”號裝上了一雙高度靈活有力的“手”。
“潛水器使用了我們研發的兩套主從伺服液壓機械手開展萬米作業，每套手有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。”中國科學院沈陽自動化研究所水下機器人研究室副主任張奇峰說。
這雙手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，填補了我國應用全海深液壓機械手開展萬米作業的空白。
身披戰甲“鈦”厲害
這位“奮斗者”之所以能夠不懼海底高壓、高腐蝕的極端環境，是因為它的戰甲“鈦”厲害。
載人艙是全海深載人潛水器的核心關鍵部件，是人類進入萬米深海的硬件保障和安全屏障，標志著一個國家載人潛水器的技術水平。“奮斗者”號的載人艙球形外殼由中國科學院金屬研究所牽頭研制。
研究團隊解決了若干鈦合金基礎科學問題，攻克了載人艙材料、成形、焊接等一系列關鍵技術瓶頸。
“我們獨創的新型鈦合金材料Ti62A成功解決了載人艙材料所面臨的強度、韌性和可焊性等難題。”中國科學院金屬研究所研究員、全海深載人潛水器載人艙項目負責人楊銳說。
以往深潛器主要使用Ti64材料，在萬米海深的極端壓力條件下，按照載人艙的目標尺寸和厚度要求，這種材料在強度、韌性等指標上目前已不能達標。
為此，“我們首次提出一種新型的合金設計方案，并據此設計實現了一種全新的鈦合金顯微結構，在此基礎上發明了具有良好熱加工成形和焊接成形性能的鈦合金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。”楊銳說。
事實上，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的穩定性就越難保證。但這又是其應用于深海極端高壓環境必須跨越的障礙。
經過攻關，研究人員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。
直播萬米海底世界有保障
“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，3位潛航員第一時間通過水聲通信系統向全國觀眾直播了他們所看到的萬米海底世界。
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，這個系統由中國科學院聲學研究所牽頭研制。
“‘奮斗者’號的聲學系統突破了全海深難關，技術指標更高，在整個海試過程中表現優秀，為全海深范圍內的持續巡航作業提供了可靠的技術保障。”中國科學院聲學研究所高級工程師、“奮斗者”號副總建造師和主任設計師、潛航員劉燁瑤說。
水聲通信是“奮斗者”號與母船“探索一號”之間溝通的唯一橋梁，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。
此外，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，還為“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。