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“奮鬥者”號上的最強中國智慧
2020-11-29 08:11:20 來源: 光明日報
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  11月28日,成功完成萬米海試的“奮鬥者”號全海深載人潛水器勝利返航。自2020年10月10日起,“奮鬥者”號赴馬裏亞納海溝開展萬米海試,成功完成13次下潛,其中8次突破萬米。11月10日8時12分,“奮鬥者”號創造了10909米的中國載人深潛新紀錄,標志著我國在大深度載人深潛領域達到世界領先水平。

  “奮鬥者”號全海深載人潛水器是“十三五”國家重點研發計劃“深海關鍵技術與裝備”重點專項的核心研制任務。該專項于2016年立項,由中國船舶集團有限公司第七〇二研究所牽頭總體設計和集成建造,中國科學院深海科學與工程研究所等20家科研院所與13家高校、60余家企業的近千名科研人員聯合研發。其中,中國科學院作為“科技國家隊”,貢獻了最強中國智慧。

  中科院深海所:萬米海試“大管家”

  中國科學院深海科學與工程研究所是本次“奮鬥者”號海試任務的牽頭完成單位,組織“探索一號”“探索二號”編隊,共14家單位、250人次,完成了“奮鬥者”號南海和馬裏亞納海溝兩階段海試,可謂是此次萬米海試任務的“大管家”。

  中科院深海所于2014年率先牽頭啟動實施我國第一個瞄準世界科技前沿深海深淵的科技專項——中科院戰略性先導科技專項(B類)“海鬥深淵前沿科技問題研究與攻關”。在專項支持下,參研單位科研人員突破了深淵探測關鍵材料技術、深淵模擬實驗技術和全海深載人/無人潛水器瓶頸技術,積累了豐富的萬米海試作業經驗以及馬裏亞納海溝海鬥深淵區的海洋環境數據,掌握了部分深淵區的精細地形數據。同時,也形成了豐富的海試任務管理和組織經驗。

  為了完成“奮鬥者”號研制及海試任務,深海所牽頭建成了國際上容積與工作壓力組合技術指標最高的超大型深海超高壓模擬試驗裝置,及時保障了“奮鬥者”號鈦合金載人艙、固體浮力材料等核心部件壓力測試工作的順利完成;還聯合其他單位建成“探索一號”“探索二號”兩艘全海深載人潛水器支持保障母船,兩船均具備同時攜載兩艘載人潛水器作業的能力,為“奮鬥者”號海試提供穩定可靠的水面支持、應急保障條件。

  此外,深海所突破了全海深超高清視頻實時採集壓縮存儲技術、全海深無線光通信技術、全海深耐壓透鏡燈罩關鍵部件制造技術等,自主研制成功國際首套全海深視頻直播係統。在此次海試任務中,這套係統與“奮鬥者”號聯合,完成了世界上首次載人潛水器與著陸器在萬米海底的聯合水下拍攝作業,向全世界實時發布深潛情況。

  中科院金屬所:打造“奮鬥者”號的鈦外殼

  海底壓力大、情況復雜,因此,載人潛水器對制造材料有特殊要求。中國科學院金屬研究所鈦合金團隊採用自主研發的Ti62A鈦合金新材料,建造了世界最大、搭載人數最多的潛水器載人艙球殼。

  據介紹,中科院金屬所牽頭,聯合寶鈦股份有限公司、中國船舶重工集團公司洛陽船舶材料研究所、中航工業制造技術研究院和中科院深海所,組建全海深鈦合金載人艙研制“國家隊”,歷時3年全面完成了研制工作,解決了若幹鈦合金基礎科學問題,攻克了載人艙材料、成形、焊接等一係列關鍵技術瓶頸,成功建造出世界最大、可搭載3人的全海深載人艙。

  全海深載人艙研制極大帶動了我國鈦合金工業能力提升和裝備制造技術進步。例如,高強高韌鈦合金鑄錠尺寸、板材幅寬與厚度、鈦合金半球厚度、鍛件截面與單重、鈦合金電子束焊縫厚度等技術指標均打破國內原有紀錄,逼近設備的極限能力;超大厚度高強鈦合金電子束焊接和熱處理技術實現了技術跨越。這些新技術可推廣應用于其他鈦合金,促進鈦合金更大規模的産業化應用,將顯著提升我國船舶、海洋工程和石油化工領域的鈦合金應用水平。

  中科院沈陽自動化所:“奮鬥者”號的“控制大腦”

  中國科學院沈陽自動化研究所負責“奮鬥者”號載人潛水器控制係統的研制工作。該所自主研制的智能化控制係統、電動觀測雲臺以及主從伺服液壓機械手等全海深技術裝備,有力支撐了“奮鬥者”號實現高精度航行控制、全景科學觀測、高精準作業取樣等功能。

  針對深淵復雜環境下大慣量載體多自由度航行操控、係統安全可靠運行等技術難題,“奮鬥者”號控制係統實現了基于數據與模型預測的在線智能故障診斷、基于在線控制分配的容錯控制以及海底自主避碰等功能,提高了潛水器的智能程度和安全性;採用基于神經網絡優化的算法實現了大慣量載體貼海底自動匹配地形巡航、定點航行及懸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標,達到國際先進水平。

  由該所研制的“奮鬥者”號的兩套主從伺服液壓機械手具有7個關節,可實現6自由度運動控制,持重能力超過60公斤,能夠覆蓋採樣籃及前部作業區域,具有強大的作業能力。這項技術突破了超高壓密封技術及超高壓油液環境驅動與控制等技術,填補了我國應用全海深液壓機械手開展萬米作業的空白。

  中科院聲學所:聲學係統讓“奮鬥者”號耳聰目明

  中國科學院聲學研究所完成了“奮鬥者”號聲學係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係統集成。

  相較于前兩代的“蛟龍”號與“深海勇士”號載人潛水器,“奮鬥者”號的聲學係統實現了完全國産化。其中,水聲通信是“奮鬥者”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。而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係統為“奮鬥者”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,借助組合導航係統和聲吶設備,“奮鬥者”號潛航員僅用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”,並通過水聲通信機將取樣畫面回傳至母船。

  除了這4家研究所,中國科學院力學研究所、中國科學院理化技術研究所等多家中國科學院下屬研究機構參與了“奮鬥者”號的研制,科學家們兢兢業業地付出,才成就了我國深海科技探索道路上的重要裏程碑。這樣的成功,也是“集中力量辦大事”的最生動詮釋。有這樣的制度優勢,有這樣敢于創新、勇挑重擔的科學家們,中國深海科技未來可期!(本報記者 齊芳)

【糾錯】 責任編輯: 劉笑冬
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