“奮斗者”號(hào)：萬米海底，妙不可言

何為“奮斗者”號(hào)

“奮斗者”號(hào)是中國(guó)自主研發(fā)的萬米載人潛水器，由“蛟龍”號(hào)、“深海勇士”號(hào)載人潛水器的科研團(tuán)隊(duì)承擔(dān)主要的研發(fā)任務(wù)。它融合了“蛟龍”號(hào)、“深海勇士”號(hào)之前兩代深潛裝備的優(yōu)良“血統(tǒng)”，除了擁有安全穩(wěn)定、動(dòng)力強(qiáng)勁的能源系統(tǒng)，還擁有更加先進(jìn)的控制系統(tǒng)和定位系統(tǒng)，以及更加耐壓的載人球艙等。

深海環(huán)境惡劣，必須“奮斗”抵御

馬里亞納海溝是世界上最深的海溝，海溝底部有著高達(dá)1100個(gè)大氣壓的巨大水壓，相當(dāng)于2000頭非洲象踩在一個(gè)人的背上，同時(shí)完全黑暗，溫度低，可謂是地球上環(huán)境最惡劣的區(qū)域之一。不同于八年前卡梅隆使用的“皮厚餡小”型潛水器，“奮斗者”號(hào)要搭載三人下潛到地球最深處進(jìn)行科考工作。這是對(duì)“奮斗者”號(hào)設(shè)計(jì)的最全面驗(yàn)證與挑戰(zhàn)，讓我們看看“奮斗者”號(hào)如何抵御深海惡劣環(huán)境。

為了保證載客量，潛水器載人艙要足夠大；而為了減輕潛水器的負(fù)擔(dān)，球艙又不能太重。深海高壓下，除了要設(shè)計(jì)能夠撐得住的材料，還要有能避免因溫度過高引發(fā)的自燃隱患的電池系統(tǒng)?！皧^斗者”號(hào)的上百塊單體鋰電池為若干組排列，模塊之間的間隙中充滿了油。當(dāng)某個(gè)電池的溫度升高時(shí)，熱量會(huì)先傳遞給周圍的油，然后油再通過電池箱體將熱量傳遞給外部的海水，來緩解電池發(fā)熱的狀況。此外，每批鋰電池在成組前，都嚴(yán)格進(jìn)行撞擊、針刺、海水浸泡、短路、過充、過放等十幾項(xiàng)安全抽檢以及超過萬米壓力環(huán)境下的安全測(cè)試，這樣才能成為“奮斗者”號(hào)合格的能量包。

完成潛水工作后，“奮斗者”號(hào)又是如何安全返回水面的呢？這主要是浮力材料的功勞。浮力材料是成千上萬個(gè)納米級(jí)大小的玻璃微珠，它們不僅能為潛水器提供足夠的浮力，自身也非常結(jié)實(shí)，經(jīng)得起海底水壓的考驗(yàn)。

探究極限海底，越戰(zhàn)越勇

2020年6月19日，由專項(xiàng)總體專家組、業(yè)主單位、科研團(tuán)隊(duì)代表組成的評(píng)議組對(duì)征名十強(qiáng)名單評(píng)議后，潛水器的名字最終定為“奮斗者”號(hào)。

7月到11月，“奮斗者”號(hào)載人潛水器正式進(jìn)入海試，共進(jìn)行了30個(gè)潛次的試驗(yàn)，累計(jì)海底作業(yè)時(shí)間為141小時(shí)48分。

11月10日，北京時(shí)間清晨4時(shí)20分左右，在早兩個(gè)時(shí)區(qū)的馬里亞納海溝，太陽(yáng)已從太平洋上升起，“奮斗者”號(hào)載著3名潛航員，從“探索一號(hào)”母船機(jī)庫(kù)緩緩?fù)瞥?，被穩(wěn)穩(wěn)地起吊布放入水，蛙人解纜后注水下潛。艙內(nèi)，顯控面板上的深度數(shù)字逐漸增大，舷窗外的顏色從碧藍(lán)到深藍(lán)到變暗，直至一片漆黑。

8時(shí)12分，“奮斗者”號(hào)在馬里亞納海溝成功下潛到10909米，成為中國(guó)歷史上第一艘下潛到“挑戰(zhàn)者深淵”的載人潛水器。

之后，在11月13日的海試任務(wù)中，“奮斗者”號(hào)載人潛水器和“滄?！碧?hào)深海著陸器聯(lián)合作業(yè)，實(shí)現(xiàn)萬米水下全球首次高清視頻信號(hào)直播和傳輸。

11月16日，“奮斗者”號(hào)僅用半小時(shí)左右的時(shí)間就找回了此前布放在海底的3個(gè)取樣器，作業(yè)難度堪比“大海撈針”。這項(xiàng)操作對(duì)深?？瓶继貏e是未來實(shí)現(xiàn)深海科研的原位培養(yǎng)、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)等意義重大。

11月19日，“奮斗者”號(hào)下潛，是此輪萬米海試的“交卷”一關(guān)。它承擔(dān)著復(fù)核洋底科考作業(yè)功能的任務(wù)，坐底后開啟巡航和作業(yè)模式，進(jìn)行潛水器功能性能檢測(cè)，測(cè)試機(jī)械手，并在找到“滄海”號(hào)后與其聯(lián)合作業(yè)。

潛水器載人艙球殼“鈦”厲害

“奮斗者”號(hào)全海深載人潛水器成功完成萬米海試并于28日勝利返航。該鈦合金團(tuán)隊(duì)采用自主發(fā)明的Ti62A鈦合金新材料，為“奮斗者”號(hào)建造了世界最大、搭載人數(shù)最多的潛水器載人艙球殼。其中，中科院金屬所獨(dú)創(chuàng)的新型鈦合金材料Ti62A成功解決了載人艙材料所面臨的強(qiáng)度、韌性和可焊性等難題。

載人艙是全海深載人潛水器的核心關(guān)鍵部件，是人類進(jìn)入萬米深海的硬件保障和安全屏障，標(biāo)志一個(gè)國(guó)家載人潛水器的技術(shù)水平。此前，世界上最先進(jìn)的全海深潛水器是美國(guó)2019年5月完成萬米下潛的“極限因子”，其載人艙可搭載2人。

全海深載人潛水器是我國(guó)自主研發(fā)建造的全新一代載人潛水器，該潛水器建成后，將在世界最大深度（約11000米）的海洋完成載人下潛并進(jìn)行科考作業(yè)，是深海進(jìn)入能力的頂級(jí)體現(xiàn)。載人艙是全海深載人潛水器的核心部件，要求重量輕、強(qiáng)度高、可焊接、耐腐蝕、抗疲勞、長(zhǎng)壽命，對(duì)材料的大規(guī)格制備能力和綜合力學(xué)性能有著很高的要求。載人艙使用的鈦合金材料之前一直被廣泛適用于航空航天領(lǐng)域?？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)，鈦合金因諸多優(yōu)越性和獨(dú)特性，用于深海裝備更為理想。

在中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)支持下，中科院金屬所于2014年開始針對(duì)全海深載人潛水器用載人艙材料與制造等關(guān)鍵技術(shù)展開調(diào)研論證和預(yù)先研究。2016年國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃立項(xiàng)后，由中科院金屬所牽頭，聯(lián)合寶鈦股份、中船集團(tuán)洛陽(yáng)船舶材料研究所、中航工業(yè)制造技術(shù)研究院和中科院深?？茖W(xué)與工程研究所等單位的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，組建了全海深鈦合金載人艙研制“國(guó)家隊(duì)”，歷時(shí)3年完成了研制工作，成功建造世界最大、可搭載3人的全海深載人艙，解決了若干鈦合金基礎(chǔ)科學(xué)問題，攻克了載人艙材料、成形、焊接等一系列關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

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，按照我國(guó)載人艙的目標(biāo)尺寸和厚度要求，這種材料在強(qiáng)度、韌性等指標(biāo)上已不可能達(dá)到。金屬所首次提出一種新型的合金設(shè)計(jì)方案，并據(jù)此設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種全新的鈦合金顯微結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上發(fā)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(dāng)?shù)那疤嵯麓蠓忍嵘藦?qiáng)度，從而成功解決了載人艙球殼的材料難題。

為了解決大尺寸超厚鈦合金材料成形的均勻性和力學(xué)性能穩(wěn)定性難題，金屬所通過設(shè)計(jì)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(yīng)”，為實(shí)現(xiàn)載人球艙材料微觀組織均勻和力學(xué)性能穩(wěn)定奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

在萬米級(jí)擁有綜合性技術(shù)實(shí)力

2014年4月，中國(guó)科學(xué)院正式啟動(dòng)了“海斗深淵前沿科技問題研究與攻關(guān)”先導(dǎo)專項(xiàng)（B類）項(xiàng)目。緊接著，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點(diǎn)專項(xiàng)中，支持開展全海深載人潛水器總體設(shè)計(jì)、集成與海試項(xiàng)目，也就是研制“奮斗者”號(hào)載人潛水器。其中，中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七〇二研究所牽頭負(fù)責(zé)“奮斗者”號(hào)的總體設(shè)計(jì)和集成建造，中科院深海所是“奮斗者”號(hào)的業(yè)主單位及海試任務(wù)牽頭單位。

七〇二研究所副所長(zhǎng)葉聰介紹：“該項(xiàng)目主要利用‘蛟龍’號(hào)深海潛水器和深海探測(cè)設(shè)備在馬里亞納海溝進(jìn)行科學(xué)考察與試驗(yàn)，建立和發(fā)展我國(guó)海斗深淵生物學(xué)、海斗深淵生態(tài)學(xué)、海斗深淵地學(xué)等多個(gè)學(xué)科體系，并以此為引導(dǎo)，進(jìn)一步攻克全海深潛水器關(guān)鍵技術(shù)及全海深探測(cè)裝備關(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)我國(guó)深?？茖W(xué)和深海裝備技術(shù)向最深的海洋區(qū)域進(jìn)軍。”

作為人類歷史上第4艘全海深載人潛水器，為實(shí)現(xiàn)萬米海底作業(yè)目標(biāo)，“奮斗者”號(hào)研發(fā)團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)5年艱苦攻關(guān)，在耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安全性評(píng)估、鈦合金材料制備及焊接、浮力材料研制與加工、聲學(xué)通信定位、智能控制技術(shù)、鋰離子電池、海水泵、作業(yè)機(jī)械手等方面，實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)重大技術(shù)突破，核心部件國(guó)產(chǎn)化率超過96.5%。

葉聰告訴記者，從2020年7月到11月，“奮斗者”號(hào)載人潛水器正式進(jìn)入海試，共進(jìn)行了30個(gè)潛次的試驗(yàn)，累計(jì)海底作業(yè)時(shí)間141小時(shí)48分。其中，在馬里亞納海溝下潛13次，11人24人次參與了8個(gè)超過萬米的深海試驗(yàn)。在挑戰(zhàn)者深淵最深區(qū)域進(jìn)行了6個(gè)潛次，單潛次海底作業(yè)時(shí)間超過6小時(shí)，最長(zhǎng)水中時(shí)間達(dá)13小時(shí)，最大下潛深度為10909米。

3月16日，參與驗(yàn)收專家組人員一致認(rèn)為，“奮斗者”號(hào)在萬米級(jí)海試中顯示的優(yōu)勢(shì)，諸如，可乘載3人的艙體，海底連續(xù)6小時(shí)的作業(yè)能力、海試過程中8從次抵達(dá)萬米以深的海底，在多種類科考樣品的采集及多次目標(biāo)搜尋布放回收作業(yè)中展示的作業(yè)能力、自動(dòng)巡航以及鏈接水面的高速數(shù)字水聲通信等特點(diǎn)，表明了“奮斗者”號(hào)在萬米級(jí)所擁有的綜合性技術(shù)實(shí)力?！皧^斗者”號(hào)海試現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收得分達(dá)到99.25分。

“奮斗者”號(hào)研發(fā)和海試的成功是我國(guó)深海高科技的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展。這一成功同時(shí)也標(biāo)志了人類在經(jīng)歷了六十多年持續(xù)不懈的努力后，萬米級(jí)載人深潛開始從簡(jiǎn)單的極限挑戰(zhàn)和探險(xiǎn)階段邁入了可在海洋極限深度進(jìn)行常規(guī)科考作業(yè)的時(shí)代，這一進(jìn)步將極大地更新人類對(duì)深海尤其是海斗深淵的理解和認(rèn)識(shí)。

“奮斗者”號(hào)研制及海試的成功，顯著提升了我國(guó)載人深潛的技術(shù)裝備能力和自主創(chuàng)新水平，推動(dòng)了潛水器向全海深譜系化、功能化發(fā)展，為探索深?？茖W(xué)奧秘、保護(hù)和合理利用海洋資源提供了又一利器，為引導(dǎo)公眾關(guān)心認(rèn)識(shí)海洋、提升全民海洋意識(shí)、加快建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)作出了突出貢獻(xiàn)。

（來源：科普中國(guó)數(shù)說科學(xué)、人民網(wǎng)、科技日?qǐng)?bào)）