“奋斗者”号上的最强中国智慧

  11月28日，成功完成万米海试的“奋斗者”号全海深载人潜水器胜利返航。自2020年10月10日起，“奋斗者”号赴马里亚纳海沟开展万米海试，成功完成13次下潜，其中8次突破万米。11月10日8时12分，“奋斗者”号创造了10909米的中国载人深潜新纪录，标志着我国在大深度载人深潜领域达到世界领先水平。

  “奋斗者”号全海深载人潜水器是“十三五”国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项的核心研制任务。该专项于2016年立项，由中国船舶集团有限公司第七〇二研究所牵头总体设计和集成建造，中国科学院深海科学与工程研究所、中国科学院金属研究所等20家科研院所、13家高校、60余家企业的近千名科研人员联合研发。其中，中国科学院作为“科技国家队”，贡献了最强中国智慧。

  中国科学院深海科学与工程研究所（简称“深海所”）是本次“奋斗者”号海试任务的牵头完成单位，组织“探索一号”、“探索二号”编队，共14家单位、250人次，完成了“奋斗者”号南海和马里亚纳海沟两阶段海试，可谓是此次万米海试任务的“大管家”。

  深海所于2014年率先牵头启动实施了我国第一个瞄准世界科学技术前沿深海深渊的科技专项——中科院战略性先导科技专项（B类）“海斗深渊前沿科技问题研究与攻关”。在专项支持下，参研单位科研人员突破了深渊探测关键材料技术、深渊模拟实验技术和全海深载人/无人潜水器瓶颈技术，也积累了丰富的万米海试作业经验以及马里亚纳海沟海斗深渊区的海洋环境数据，也掌握了部分深渊区的精细地形数据。同时，也形成了丰富的海试任务管理和组织经验。

  为了完成“奋斗者”号研制及海试任务，深海所牵头建成了国际上容积与工作所承受的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，及时保障了“奋斗者”号钛合金载人舱、固体浮力材料等核心部件压力测试工作的顺利完成；还联合其他单位建成“探索一号”、“探索二号”两艘全海深载人潜水器支持保障母船，两船均具备同时携载两艘载人潜水器作业的能力，为“奋斗者”号海试提供稳定可靠的水面支持、应急保障条件。

  此外，深海所突破了全海深超高清视频的实时采集、压缩、存储技术，全海深无线光通信技术，全海深耐压透镜灯罩核心部件制造技术等，自主研制成功国际首套全海深视频直播系统。在此次海试任务中，这套系统与“奋斗者”号联合，完成了世界上首次载人潜水器与着陆器在万米海底的联合水下拍摄作业，向全世界实时发布深潜情况。

  海底压力大、情况复杂，因此，载人潜水器对于制造材料有特别的条件。中国科学院金属研究所（以下简称“金属所”）钛合金团队采用自主发明的Ti62A钛合金新材料，建造了世界最大、搭载人数最多的潜水器载人舱球壳。

  据介绍，中科院金属所牵头，联合宝钛股份有限公司、中国船舶集团公司洛阳船舶材料研究所、中航工业制造技术研究院和中科院深海所，组建全海深钛合金载人舱研制“国家队”，历时3年全面完成了研制工作，解决了若干钛合金基础科学问题，攻克了载人舱材料、成形、焊接等一系列关键技术瓶颈，成功建造世界最大、可搭载3人的全海深载人舱。

  全海深载人舱研制极大带动了我国钛合金工业能力提升和装备制造技术进步。例如，高强高韧钛合金铸锭尺寸、板材幅宽与厚度、钛合金半球厚度、锻件截面与单重、钛合金电子束焊缝厚度等技术指标均打破国内原有纪录，逼近设备的极限能力；超大厚度高强钛合金电子束焊接和热处理技术实现了技术跨越。这些新技术可推广应用于其它钛合金，促进钛合金的更大规模的产业化应用，将明显提升我国船舶、海洋工程和石油化学工业领域的钛合金应用水平。

  中国科学院沈阳自动化研究所（简称“沈阳自动化所”）负责“奋斗者”号载人潜水器重要系统——控制管理系统的研制工作。该所自主研制的智能化控制管理系统、电动观测云台以及主从伺服液压机械手等全海深技术装备，有力支撑了“奋斗者”号实现高精度航行控制、全景科学观测、高精准作业取样等功能。

  针对深渊复杂环境下大惯量载体多自由度航行操控、系统安全可靠运行等技术难题，“奋斗者”号控制管理系统实现了基于数据与模型预测的在线智能故障诊断、基于在线控制分配的容错控制以及海底自主避碰等功能，提高了潜水器的智能程度和安全性；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，其中，水平面和垂直面航行控制性能指标，达到国际先进水平。

  由该所研制的“奋斗者”号的两套主从伺服液压机械手具有7个关节，可实现6自由度运动控制，持重能力超过60公斤，能够覆盖采样篮及前部作业区域，具有强大的作业能力。这项技术突破了超高压密封技术及超高压油液环境驱动与控制等技术，填补了我国应用全海深液压机械手开展万米作业的空白。

  中国科学院声学研究所（简称“声学所”）完成了“奋斗者”号声学系统中全海深水声通信机、地形地貌探测声纳、多波束前视声纳、多普勒测速仪、避碰声纳的自主研发以及定位声纳和惯性导航设备的系统集成。

  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。其中，水声通信是“奋斗者”号与母船“探索一号”之间沟通的唯一桥梁，实现了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。而由声学多普勒测速仪和定位声纳及惯性导航等设备相集成的组合导航系统为“奋斗者”号的巡航作业提供了高精度的水下定位导航。在11月16日的下潜作业中，借助组合导航系统和声纳设备，“奋斗者”号潜航员仅用了半小时便成功取回了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”，并通过水声通信机将取样画面回传至母船。

  除了这四家研究所，中国科学院力学研究所、中国科学院理化技术研究所等多家中国科学院下属研究机构参与了“奋斗者”号的研制，科学家们兢兢业业地付出，才成就了我国深海科技探索道路上的重要里程碑。这样的成功，也是“集中力量办大事”的最生动注释。有这样的制度优势，有这样敢于创新、勇挑重担的科学家，中国深海科技未来可期！

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