中國載人深潛—— 自立自強 挺進萬米深海

 

圖為“奮鬥者”號全海深載人潛水器。

 

習近平總書記在2016年全國科技創新大會上指出：“深海蘊藏著地球上遠未認知和開發的寶藏，但要得到這些寶藏，就必須在深海進入、深海探測和深海開發方面掌握關鍵技術。”

 

2020年是“十三五”規劃收官之年，也是中國深潛裝備研發取得豐碩成果的一年。6月8日，中國研發的作業型全海深自主遙控水下機器人“海鬥一號”，在馬裡亞納海溝創造了潛深10907米的國內新紀錄；7月16日，中國研發的無人水下滑翔機“海燕—X”號在馬裡亞納海溝創造了潛深10619米的世界紀錄；11月10日，中國研發的“奮鬥者”號全海深載人潛水器又創造了10909米的國內載人深潛新紀錄。

 

這些無人和載人深潛裝備的研製成果，標誌著中國不單能將水下機器人和探測裝置，也能將海洋科學家和工程技術人員送到世界最深的海底。中國已具備進入世界海洋最深處開展科學探索和研究的能力，這充分體現中國在海洋高科技領域的綜合實力。

 

極限挑戰，深潛裝備研發攻堅克難

 

“深海進入”“深海探測”和“深海開發”是中國深海戰略“三部曲”。“深海進入”技術即人們得以到達深海現場的技術，也就是深潛技術；“深海探測”技術是到達深海現場後進行勘查的技術；“深海開發”技術則面向資源開採，是以服務人類發展為直接目的的技術。

 

深潛是直觀的深海探索，也是實現深海資源開發的第一步。如何才能潛入深海？以深海潛水器為代表的深潛裝備，能夠運載電子裝置、機械設備以及工程技術人員、科學家等，快速精確地到達各種深海複雜環境，進行高效勘探和科學考察，是實現“深海進入”、實施深海發展戰略必不可少的一項技術手段。

 

深海潛水器主要分為無人潛水器與載人潛水器兩大類。各類潛水器有不同特點，分工明確。如水下滑翔機和自主無人潛水器機動靈活，可以開展區域性的綜合調查；帶纜遙控無人潛水器可由人員在甲板上操控，能源通過纜索從甲板上供應，是大功率作業的必需手段；載人潛水器的優勢則在於定點精細作業，人員可在海底目的物前直接觀察、直接取樣、直接測繪，以便現場發現和決策。

 

特別在複雜惡劣的深海環境裏進行觀察和作業，載人潛水器是最有效的深海取樣和測繪手段。海洋科學家在深海現場直接觀察，可憑藉專業經驗，將捕捉到的水下實際信息及時進行綜合整理分析，迅速得出處理意見，操作機械手進行有效的水下作業。

 

無論是無人的水下機器人，還是載人的深海潛水器，都面臨著深海環境極其嚴峻的挑戰。一是“深”。深海水壓巨大，壓力隨海洋深度遞增，超大潛深給潛水器帶來全系統安全性設計與集成難題，載人潛水器必須確保潛航員在任何情況下都能安全上浮。以萬米深海為例，載人艙和所有設備需承受每平方米11000噸的超大壓力，對載人艙球殼和固體浮力材料等耐壓結構的選材和設計提出巨大挑戰。

 

二是“準”。潛水器潛入深海的主要任務是實現精確定位、精準操控和精細作業。然而，深海黑暗無光、水文地形複雜多變、環境傳感數據獲取難度高，要在保證潛水器水中機動性的前提下實現針對小目標的動態精準作業，難度可想而知，這對潛水器的控制提出極高要求。

 

三是“通”。水聲通信是深海潛水器實現與水面母船溝通的唯一橋梁。然而，深海水體通透性差，電磁波衰減嚴重，聲波在傳輸過程中易發生折反射、頻移等，導致信號嚴重畸變，實現穩定可靠的高速率遠程水聲通信因而十分重要。

 

中國深潛裝備研發不斷克服困難、迎接挑戰，取得舉世矚目的突出成績。

 

集智攻關，走出載人深潛自立自強之路

 

中國在載人深潛領域起步較晚。上世紀六七十年代，中國首套深海模擬試驗設備群建成，相應的試驗檢測方法、標準和規範逐步形成，為中國深潛裝備研發提供基礎技術保障。改革開放後，在國際海洋石油開採事業的促進下，中國先後成功研製300米單人常壓潛水裝備、600米以淺的系列纜控水下機器人、1000米和6000米自治水下機器人，並形成了一支科研本領過硬的深潛技術研發團隊，為之後大深度載人潛水器的研製提供堅實技術支撐。

 

上世紀七八十年代，人們對海洋認知和深海資源開發的需求不斷增長，對國際海底資源勘探的需求也隨之增長。一些發達國家于八九十年代相繼研發出6000米級的載人潛水器，從事深海資源勘探和科學研究。

 

21世紀，人類進入大規模開發利用海洋的時期。黨的十九大報告指出：“堅持陸海統籌，加快建設海洋強國。”探索認知海洋是開發利用和保護海洋的先決條件。為加快建設海洋強國，開發利用深海資源、保護深海生態環境、維護深海權益、保障深海安全，發展相應的裝備必須先行。

 

2002年，7000米載人潛水器啟動研製工作，這就是中國首臺自行設計、自主集成研製的“蛟龍”號。2012年7月，“蛟龍”號在馬裡亞納海溝成功下潛至7062米，創造中國載人深潛紀錄，標誌著中國具備了可到達全球99.8%的海洋開展作業的能力。

 

為提高中國深潛裝備關鍵技術的自主可控能力，早在2009年“蛟龍”號尚未完成海試之時，科技部就佈局了4500米載人潛水器也就是“深海勇士”號設計與關鍵技術研究項目。歷經8年持續艱苦攻關，“深海勇士”號實現載人艙、浮力材料、鋰電池、推進器、海水泵、機械手、液壓系統、聲學通信、水下定位、控制軟體等10大關鍵部件的國産化，並於2017年10月成功完成海試，為深海載人深潛高端裝備“中國製造”探索出一條切實可行的路徑，實現了中國載人潛水器由集成創新向自主創新的歷史性跨越。

 

有了“蛟龍”號和“深海勇士”號的基礎，瞄準全球海洋最深處逐步成為可能。2016年，科技部支持“奮鬥者”號全海深載人潛水器研製項目，開啟歷時5年的集智攻關工作。2020年11月，“奮鬥者”號在馬裡亞納海溝完成8次萬米級下潛，並且實現全球首次萬米深海作業現場的高清視頻直播，標誌中國具備進入世界海洋最深處開展科學探索和研究的能力，實現在同類型載人深潛裝備方面的超越和引領。

 

“用字當頭”是大深度載人潛水器工程研發的首要宗旨。“要用”是工程立項的原動力，“頂用”是工程發揮作用的生命力，“用好”是工程壽命期實現的保障。“蛟龍”號、“深海勇士”號、“奮鬥者”號三台大深度載人潛水器研製成功後，迄今已累計完成523次下潛任務，取得豐碩成果。

 

中國載人深潛遵循嚴謹的科學發展路線，一步一個腳印走出中國特色的自立自強之路，實現了自主設計、自主製造、關鍵技術自主可控，特別是在設計計算方法、基礎材料、建造工藝、通信導航、智慧控制、能源動力等方面，實現由“中國製造”向“中國創造”的跨越。以“奮鬥者”號的核心部件載人球艙為例，其鈦合金板材由我國自主研發，強度高、韌性好、可焊性強，是國際上30年來在載人深潛技術新材料應用上取得的首次突破。

 

地球上的海洋深度是有限的，但探索深海奧秘、開發深海資源、保障深海安全的技術發展是永無止境的，中國深潛技術前進的征途仍任重而道遠。未來，以服務國家戰略和深度科技創新為使命，深潛裝備與技術將進一步面向實際應用場景進行工程化開發，實現多種類型載人及無人裝備的全海域、協同化、大型化、作業化發展，更好滿足深海勘探、礦産開發、科考作業、深海救援等需求。科研工作者將進一步踐行“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，勇攀深海科技高峰，助力海洋強國建設，為人類認識、保護、開發海洋不斷作出新的更大貢獻。

 

（作者徐芑南為中國工程院院士） 

 

製圖：張芳曼