本報記者 過國忠 王祝華
目前，我國已擁有“蛟龍”號、“深海勇士”號、“奮鬥者 ”號三臺深海載人潛水器，還有“海鬥”“潛龍”“海燕”“海翼”和“海龍”號等系列無人潛水器，已經初步建立全海深潛水器譜系，並不斷實現了深海裝備技術發展的新突破和重大新跨越。
2020年11月10日上午8時12分，中國載人潛水器“奮鬥者”號，在西太平洋馬裡亞納海溝成功下潛突破1萬米，達到10909米，再創中國載人深潛的新紀錄，並帶回了海溝底部的岩石、海水、生物等珍貴樣品。
馬裡亞納海溝挑戰者深淵被稱為“地球第四極”，也是地球上環境最惡劣的區域之一，水壓高、溫度低、沒有陽光、地震頻發……
用“奮鬥者”號副總設計師胡震的話來說，“我們挑戰的是全球最深處。特別是狹窄的球形載人艙能夠載三人下潛到萬米深，這在國際上都是非常了不起的”！
科技日報記者瞭解到，目前，我國已擁有“蛟龍”號、“深海勇士”號、“奮鬥者 ”號三臺深海載人潛水器，還有“海鬥”“潛龍”“海燕”“海翼”和“海龍”號等系列無人潛水器，已經初步建立全海深潛水器譜系，並不斷實現了深海裝備技術發展的新突破和重大新跨越。
“奮鬥者”號的研製成功標誌著我國在大深度載人深潛領域已經達到世界領先水平，也讓人類探索萬米深淵從此擁有了一個強大的新平臺。
我國載人潛水器發展後來居上
“近20年來，我國載人深潛事業迅猛發展。2012年，自主整合的‘蛟龍’號下潛7062米，是中國人邁出作業型載人深潛征程的第一步。”中國船舶集團第七〇二研究所副所長、“奮鬥者”號總設計師葉聰說，從2017年到現在，全部關鍵部件實現國產化的“深海勇士”號，已開展了300餘次下潛，國產部件經受住了考驗。
應該說，我國在深海載人潛水器研究上，起步相對較晚，但發展很快。1986年，中國第一艘載人潛水器——7103救生艇研製成功。當時，雖然它只能下潛300米，但在那個年代，是屬於較先進的救援型載人潛水器。
進入新世紀，在863計劃支援下，開始了自主深海載人潛水器研發。特別是在海試的4年中，“蛟龍”號科研團隊，不斷完善與改進潛水器，解決了海試中碰到的問題和發現的不足，使“蛟龍”號不但擁有世界先進的懸停和自動駕駛功能，還可以進行數字化的水聲通訊和定位，更能穩穩地“定”在海底開展複雜的作業任務。
這些年來，科研人員積極踐行深海戰略，矢志不渝推進載人作業潛水器譜系化。在海南省深海技術實驗室副主任、中科院深海所科技處處長向長生看來，與10年立項、10年研製的“蛟龍”號不同，我國第二代4500米載人潛水器——“深海勇士”號，從研製立項到海試交付只用了短短8年，且國產化率達到95%，實用性更強。
截至2021年6月7日，“深海勇士”號已完成近400次下潛任務，作業頻次、作業成本、作業能力均居於世界先進水平，成績突出。值得一提的是，早在2016年“深海勇士”號尚未下水的情況下，萬米級載人潛水器就開始同步研製，也就是“奮鬥者”號全海深載人潛水器。這是 “十三五”國家重點研發計劃“深海關鍵技術與裝備”重點專項的核心任務。
我國之前已有萬米級無人潛水器，為什麼還要研製萬米級載人潛水器？“該專案主要利用‘蛟龍’號深海潛水器和深海探測裝置的技術基礎，向全球海洋最深處進軍，目的是在馬裡亞納海溝進行科學考察與試驗，建立和發展我國海鬥深淵生物學、海鬥深淵生態學、海鬥深淵地學等多個學科體系，並以此為引導，進一步攻克全海深探測裝備關鍵技術，推動我國深海科學和深海裝備技術的跨越發展。”葉聰說。
集結近千名科研人員攻克難關
“在研製‘奮鬥者’號全海深載人潛水器上，我們集結了中國船舶集團第七〇二研究所、中國科學院深海科學與工程研究所等20家科研院所、13家高校、60餘家企業等近千名科研人員，是在‘蛟龍’號、‘深海勇士’號載人潛水器研製與應用的良好基礎上，組織開展關鍵技術攻關。”葉聰說。
記者瞭解到，該專案2016年正式立項，圍繞全海深載人潛水器攻關的總體目標，科技部設立19個專案、投入中央財政經費7。67億元。其中，由中國船舶集團第七〇二研究所牽頭負責“奮鬥者”號的總體設計和整合建造，中國科學院深海科學與工程研究所作為業主單位牽頭開展海試。
聯合研發團隊歷經近5年時間，在耐壓結構設計及安全性評估、鈦合金材料製備及焊接、浮力材料研製與加工、聲學通訊定位、智慧控制技術、鋰離子電池、海水泵、作業機械手等方面實現多項重大技術突破。
相關專家透露，“奮鬥者”號融合了之前兩代深潛裝備的“優良血統”，不僅採用了安全穩定、動力強勁的能源系統，還擁有更加先進的控制系統和定位系統，以及更加耐壓的載人球艙和浮力材料。
“我們憑著‘嚴謹求實、團結協作、拼搏奉獻、勇攀高峰’的中國載人深潛精神， 透過學科交叉融合，先後順利完成了潛水器的設計、總裝建造、陸上聯調、水池試驗和海試驗收，具備了全海深進入、探測和作業能力，正式轉入試驗性應用階段。”葉聰說。
挑戰全球海洋最深處，首先要攻克的難關就是巨大的水壓。馬裡亞納海溝，是地球上環境最惡劣的區域之一。海溝1萬米深處，水壓超過1100個大氣壓，相當於2000頭非洲象踩在一個人的背上。
如何讓“奮鬥者”號做到不懼高壓極端環境，在萬米海底自由行走？
在中國科學院金屬研究所研究員、全海深載人潛水器載人艙專案負責人楊銳看來，載人艙作為整個潛水器裡規格最大的一個耐壓容器，製作材料十分特殊，其成敗直接關係著整個潛水器的成敗。因此，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體保障和安全屏障，也標誌著一個國家載人潛水器的技術水平。
當時，在萬米海深的極端壓力條件下，按照“奮鬥者”號的目標尺寸和厚度要求，以往潛水器使用的材料都已不能達標，需要找到一種高強度、高韌性、可焊接的鈦合金。
然而，國際上沒有製造先例，也找不到國外廠家生產，唯一的出路就只有我們自己造。
為此，中國科學院金屬研究所聯合國內多家企業和研究所，組建起全海深鈦合金載人艙研製“國家隊”，經過一系列調研論證、研究實驗，攻克了載人艙材料、成型、焊接等一系列關鍵技術瓶頸。
“我們獨創的新型鈦合金材料，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，終於製造出由新型鈦合金材料製成寬敞而結實的載人艙。”楊銳說。
記者瞭解到，“奮鬥者”號的載人艙呈球形，能夠同時容納3名潛航員。此前，也有國外深潛器依靠球形載人艙成功挑戰了萬米重壓，但艙體空間僅能容納1—2人，無法搭載更多的人和裝置。
深海一片漆黑，地形環境高度複雜，“奮鬥者”號如何避免“觸礁”風險？
中國科學院瀋陽自動化研究所的科研人員，針對深淵複雜環境下大慣量載體多自由度航行操控、系統安全可靠執行等技術難題，進行了攻關，讓“奮鬥者”號的控制系統實現了基於資料與模型預測的線上智慧故障診斷、基於線上控制分配的容錯控制以及海底自主避碰等功能。
“我們設計的神經網路最佳化演算法，能夠讓‘奮鬥者’號在海底複雜地形巡航、定點航行以及懸停定位。”中國科學院瀋陽自動化研究所研究員、“奮鬥者”號副總設計師趙洋說。
除此之外，科研人員還給“奮鬥者”號裝上了一雙高度靈活且有力的“手”，在開展萬米作業時，具有強大的作業能力，順利完成岩石、生物抓取及沉積物取樣器操作等精準作業任務。這項技術填補了我國應用全海深液壓機械手開展萬米作業的空白。
2020年2月，“奮鬥者”號按計劃完成了總裝和陸上聯調，3月立即開展水池試驗。在水池試驗過程中，總共完成了包括全流程考核、多名潛航員承擔水池下潛培訓等25項測試任務。
未來遨遊在世界海洋的最深處
葉聰告訴記者，從2020年7月—11月，“奮鬥者”號正式進入海試，共進行了30個潛次的試驗，累計海底作業時間141小時。其中，在馬裡亞納海溝下潛8次超過萬米，最長水中時間達13小時，最大下潛深度為10909米。
記者瞭解到，“奮鬥者”號連續和重複多次的萬米級海試，不但驗證了潛水器總體效能穩定和系統工作可靠，能夠滿足大深度載人潛水器的安全規範要求；同時，透過使用我國生產的載人艙、浮力材料、鋰電池、推進器、海水泵、機械手、聲學通訊、液壓泵、水下定位、航行控制、成像聲吶等關鍵裝置和重要技術，也為國產水密接外掛提供了萬米深度的試驗機會，全面驗證了載人潛水器的全海深作業能力和實用價值，更為後續的運維應用奠定了基礎。
相關專家認為，“奮鬥者”號研製及海試的成功，顯著提升了我國載人深潛的技術裝備能力和自主創新水平，推動了潛水器向全海深譜系化、功能化發展，為探索深海科學奧秘、保護和合理利用海洋資源提供了又一利器，為引導公眾關心認識海洋、提升全民海洋意識、加快建設海洋強國作出了突出貢獻。
今年3月16日，“奮鬥者”號全海深載人潛水器交付活動在三亞舉行。當天，參與驗收的專家組人員一致認為，“奮鬥者“號在萬米級海試中以諸多的顯著優勢，如可乘載3人的艙體、海底連續6小時的作業能力、海試過程中8次抵達萬米深的海底、在多種類科考樣品的採集及多次目標搜尋布放回收作業中展示的作業能力、自動巡航以及連結水面的高速數字水聲通訊等特點，表明了“奮鬥者”號在萬米級所擁有的綜合性技術實力。“奮鬥者”號海試現場驗收得分達到99。25分。
“深海勇士”號和“奮鬥者”號載人潛水器使用者科學指導委員會委員、中國21世紀議程管理中心海洋處原處長孫清，是“蛟龍”號、“深海勇士”號和“奮鬥者”號三次交付的參研者和見證者。他說：“‘奮鬥者’號全海深載人潛水器正式向業主單位交付，是我國邁向深海科考科研高峰的第一步，也是重要一步，但後面還有很多科學考察的工作要做，不少新的難題要攻克。”
同濟大學翦知湣教授透露，今後，載人潛水器使用者科學指導委員會將搭建一個面向“深海勇士”號和“奮鬥者”號載人潛水器科學應用的溝通和交流平臺，積極推動開展載人深潛國際合作，促進學術共同體的多學科交叉融合與應用。
而在葉聰看來，在不久的將來，我國自主研製的萬米載人潛水器，將搭載著更多我國科學家自由自在遨遊在世界海洋的最深處，實現自己的科學夢想。
