奋进号总设计师叶聪:中国载人深潜——深海进入、勘探和开发的先驱

导读

每年新发现的生物物种,80%以上来自海洋。“奋斗者”号总设计师叶聪在WE大会上展示了中国载人深潜从“蛟龙”号开始,自主攻坚构建起全海深潜水器谱系的历程,以及重要的科学发现。

以下是叶聪总师演讲全文:

大家好,我是叶聪,很高兴来到WE大会的现场,跟大家分享深海以及中国载人深潜的故事,向大家介绍中国载人深潜的研发历程,特别是我们刚刚投入应用的“奋斗者”号探索万米深海的秘密。

如果从太空俯瞰地球,地球的表面71%的面积是海洋,我们可以把地球也称之为水球。如果我们在陆地平视海洋,海洋和大气之间有相互作用。影响我们生存环境的气候,包括气温和降水,如果我们踏浪在海洋的表面之上,我们会发现大宗的物流,特别是重型的大量的物资运输,是靠海面的航运通道。海面上同样存在着波浪能、潮汐能、 温差能,大海和陆地之间也有相互作用,影响海岸线包括海平面的变化。

但是海洋目前对人类来说还是充满了未知,我们现在在陆地上可以得到非常精确的定位信息、地理信息系统,但是如果把这个系统转移到海洋,我们对海底的了解还特别匮乏,有超过80%的海底地貌没有得到准确的测绘。

如果统计进入过太空的人类,相比进入到深海的人类少之又少。如果我们再来比较在深海发现的生物,目前人类对地表的生物,包括动物、植物、微生物,应该说已经非常熟悉,调查得非常详尽。现在每年新发现的生物物种,有80%以上是来自于海洋。地球的表面经历过火山、冰川,表面的物种也经历过多轮次的灭绝,但是千米万米深的海洋,它保存着古老的生物的信息、地壳的信息——海底也是地壳距离地幔最近的地方。所以我们有必要去关注身边的海洋,去探索千米万米的海底。

海洋有以下几个特点:

第一 ,我们说万物生长靠太阳,但是阳光不能穿透海水200米或者300米的深度,大部分的海洋空间是没有阳光的照射的。那么我们在陆地上习以为常的光合作用在水下无法形成,这里面就有一个特殊的生态系统,不依赖阳光,不依赖空气,有一套特殊的生物机理。我们在猜想,地球没有氧气,没有空气,我们有这样的一个设想,在生物之初,它从水下走上陆地之前,它的生物原理是什么?跟现在的海洋生物有什么样紧密的关系?

第二个区别,我们现在已经很熟悉地使用4G、5G的通讯网络,包括卫星的通信网络,这实际上是电磁波在空气在大气中的传播,但是电磁波是很难在水中传播的。无论是水平距离还是垂向的距离,能够传输的数据量非常的小,速率非常的慢,也就是说我们现在在陆地上熟悉的全球定位系统、高速的数字通信系统,这些依赖于电磁波的通信手段,无法在水下发挥作用。这就要求我们采用其它的方式在水下进行通信定位。当然水和空气它们都是流体,但是区别很大,同样是发射一颗子弹,在太空中、在空气中、在水中、在土壤里它的数据是不一样的。

海水作为一种流体,带来了更大的阻力和粘性,物体在水中运动的参数和在空气中大气中运动的参数是不一样的。如何在海水的环境里面实现大范围的水平方向垂直方向的运动,这也是一个巨大的挑战。

还有一点特别的是,随着水深的增加,物体受到的压强在不断的增加,这跟我们在空气中海拔1000米、2000米、7000米、1万米所存在的压差是不一样的。水的深度每增加10米就相当于一个大气压,如果我们下潜到万米的深度,就意味着有1100个大气压的作用。

人类要探索深海,必须要克服阳光无法穿透,电磁波很难传输,液体的粘性和阻力,以及随着深度不断增大的海水压力。

人类探索深海的历史可以上溯到公元前四五百年,当时有人用一个透明的玻璃容器尝试探索水下的地形地貌。人类探索海洋也一直和最新的技术相结合,比如说发明潜水艇和发明蒸汽机轮船的是同一个发明家,深潜也经历过容器的时代,机器转动的时代,蓄电池动力的时代,以及跟医学材料声学各个学科最新的成果交融的时代,最新的技术一直跟探索深海的科学装备紧密联合在一起。

中国的载人深潜应该是从21世纪开始起步,在此之前中国的潜水器曾经探索过6000米的深度,中国的载人装备下潜纪录不超过600米。2002年中国的第一台大深度载人潜水器“蛟龙”号正式立项,“蛟龙”号的目标指向水面以下7000米 ,这是一个巨大的跨越。

经过了几十年的改革开放和技术的发展,中国的科研人员已经具备研发大深度载人潜水器的能力,我们各个学科的发展能够满足潜水器自主设计的要求,强大起来的中国对海洋的探索,人类对海洋的利用承担起了大国的责任担当。

“蛟龙”号面向国际海底矿产资源的勘探开发以及环境保护。经过10年的不懈的奋斗,我们攻克了一系列潜水器相关的总体结构和机械电气,包括它的管理运维相关的技术。

2012年“蛟龙”号完成了海上试验,最大的下潜深度达到了7062米。这意味着中国是继美、俄、日、法4个国家以后,掌握大深度载人深潜技术的国家,而且一举将全世界载人深潜作业的最大深度推进到了7000米。这些年“蛟龙”号已经累计下潜超过220次,为我国大洋海底的矿产资源开发和保护做出了大量的工作,也培养了中国的第一批潜水器的管理、运行、驾驶、维护人员,让中国的科学家不再依靠国外的潜水器、国外的样本和数据开展深海的工作。

中国的第二台大深度载人潜水器名叫“深海勇士”号,它的最大作业深度是4500米。我们团队在研发“蛟龙”号的时候,就意识到了潜水器的关键技术必须掌握在自己手上,这样才能奠定深海装备、深海科学发展的坚实的基础。经过8年的努力,我们解决了潜水器的95%以上的部件,在国内生产制造、在国内开展测试和检验。通过深海勇士号,我们完善了载人潜水器这样一个完整的技术链条和产业链条。

2017年深海勇士号完成海试后,立即投入了使用,它以优秀的性能,每年下潜超过100次的频率,让更多的人参与了深潜的工作。我们开展了多样的深海作业,包括深海的考古救捞,包括对海底鲸落冷水珊瑚热液,这些特殊的海底自然现象的探测和调查。深海勇士号以良好的经济性的操作性能,运行维护性能以及高效的使用的频率,向大家提供了一个很方便的平台。

特别是同济大学的汪品先院士在2018年三次乘坐深海勇士号,在中国的南海开展深海的下潜科学调查。他极大地鼓舞了中国的科学技术界更多地关注载人深潜这样的装备和活动,让更多的海洋科学工作者能够亲临深海现场,开展他们关心的关注的科学任务。

2016年,我承担了我们国家的第一台万米载人潜水器,也就是“奋斗者号”的研制工作。5年里我和我的团队针对地球海洋最深处万米的极端环境,开展了多个学科复杂的、综合的极致设计,利用国内的极限的制造检测能力,实现了万米的极端作业功能。

这里我想给大家介绍奋斗者号的几项过人之处:

首先,它也是一台载人潜水器,有人下潜那就意味着系统比较复杂安全要求更高,能够发挥人在海底现场,面对陌生的环境快速的判断精细的作业,而且能够有一个全方位的理解这样的能力。载人也带给了我们在设计安全性、可靠性、作业的便利性一系列的挑战。三个人12~15个小时待在一个内径1米8这样的一个圆球舱里,面对狭小舱室的人机设计有着严格的要求。

第二点,刚才提到我们要下潜到万米的深度,运载器在水下的运动和在空气中的运动是完全不同的。为了把有限的能源用在海底的作业,潜水器从水面下潜到万米的深度要求在3个小时内完成。相比“蛟龙”号3个小时下潜到7000米,“奋斗者”号要求更快的速度,更稳定的可控的轨迹。同时在水下我们面临的是海沟深渊,复杂的水下海底的峡谷环境,它要求潜水器有灵活的操纵性能,能够满足十几二十公里的搜索巡航。我们花了大量的精力来解决垂向的快速稳定,和水平面内的灵活机动这两个水动力难题。

因为要载人,我们需要一个大尺度的载人球舱,它用高强度的钛合金来制造。设计之初,我们调研了现有的钛合金牌号,发现它们的承载能力明显不够,如果用现有的材料,球壳将要求制造得非常的厚,厚到难以焊接。所以针对万米的需求,我们研发了一种特殊的钛合金材料,它具备很高的强度 ,而且可以利用国内的装备进行生产和检测。整个球壳的设计、制造、检测过程是非常的繁杂和严谨,我们做了材料级、模型级以及实物级别的相关的试件。

回忆载人球舱的研制过程,我可以说跟随了这个球舱诞生的全过程。从材料的研发到相关工艺的研究评定,到中国最大厚度钛合金板材的轧制,最大尺度的半球冲压的形成,到最后的真空电子束焊接的完成,以及精密的内表面外表面的精密的加工,包括我们建造了世界上尺度最大、压力最大的万米的检测装置,它可以满足这样一个载人舱在陆地上实现模拟的测试。

在设计过程中,我们不断修正调整设计方法,并且通过破坏性的试验,来检测方法的准确性。通过疲劳蠕变的试验,来确定潜水器的下潜的频次间隔寿命。通过研究观察窗玻璃和钛合金窗座之间的变形协调的技术,确保玻璃的形状满足密封的要求,又能够符合观察的需要。

在不同深度的下潜,我们要求粘弹性的玻璃、粘弹性的金属,它有不同的应力释放的时间。再比如载人舱是一个直径1米8的大球,但是毕竟钛合金是一个密度大于海水的一种材料,潜水器大量使用了钛合金这种金属,它们产生的额外的重量大于水的这些密度,需要靠浮力材料来中和。

浮力材料的关键部分是零点几个毫米直径的玻璃微珠,这个玻璃微珠中间是空心的,密度只有水的30%,它形成的浮力材料密度只有水的70%。庞大的一块浮力材料感觉很重,但是抛到水面它可以浮在水面,即使到了万米的深度,它仍然可以提供足够的浮力,来平衡钛合金载荷电池所带来的额外的重量,让潜水器在万米的海底呈现一个中性浮力的状态。以前浮力材料靠引进,现在我们解决了在国内的生产。在奋斗者号的项目研制过程中,我们攻克了玻璃微珠这样核心的技术,实现了国产化的更进一步。

万米意味着更大的压力,当然深海同样也是一个低温的环境,万米的海水的水温只有1~2摄氏度,这对我们的动力系统提高了研制的要求。我们采用的锂离子电池,它有足够的能量,而且要保证在1~2摄氏度的低温耐压环境,能够充分地发挥出它的能量,能够通过复杂的电池管理系统,来实现用电的安全。我们能够监测每一路用电设备的用电安全,能够在绝缘或者短路风险的萌芽期就发现它,及时遏制风险的扩大。

压力和温度也给我们的液压系统带来了挑战。简单来讲,水面的气温可能有30多摄氏度,水温也是30摄氏度,但是到了万米的海底,压力是112个兆帕,温度是1~2摄氏度。液压油管里面的液压介质,液压油就像我们血管里面的血液一样,难免会发生动脉的粥样硬化,这对液压驱动的设备带来了很大的挑战。我们要选择粘稠度适合的液压介质液压油,要选择特制的液压的执行机构阀件,这样才能够保证无论是在水面还是在海底,我们的作业工具以及抛载调节这些液压装置能够正常工作。

刚才给大家介绍了阳光穿透不了海水,电磁波穿透不了海水,我们就要使用水声技术来实现海洋的通信定位功能。奋斗者号能够实现在万米的海底精确的定位,斜距的误差控制在1%以内,我们现在也可以像微信一样,传递实时的语音、文字、数据甚至包括图片。当然因为水声的传送的质量,我们现在还不能够通过水声实时的把视频传送到海面。

当然我们是一个载人潜水器,它是靠人来驾驶,有一个驾驶员两名乘客。因为电磁波以及我们不带缆,所以它的控制信号无法及时充足地从水面发送到潜水器上,那么载人潜水器的潜航员就要发挥关键作用。跟飞船、飞机不一样,地面无法接管载人潜水器,整个下潜海底的作业以及上浮的过程,是靠潜航员的操作完成的。

我们的潜航员要经历严格的选拔,他要具备理工科的背景,经过两年的培训,才能够获得独立驾驶的资格。潜航员必须对潜水器充分了解,他要知道每一个部分在不同的阶段发挥什么作用,如果遇到风险会有怎样的征兆,怎么能够快速处理隔离并确保人员和设备安全,所以潜航员也是一次海底作业任务的现场最高指挥官。

虽然是一个载人潜水器,但是我们的奋斗者号也有很多贴心的智能功能,它也可以实现自动驾驶,包括自动定高、自动定深、自动定向、自动定速。在3个人的载人舱内,有的时候会听到第4个人的声音,那是我们的智能提示,它可以帮助舱内的3个人提前分析和判断可能存在的问题,以及需要注意的数据。我们的智能故障诊断系统,能够帮助潜航员更好地驾驶潜水器,更快地发现和解决存在的问题。

2020年,奋斗者号在海试过程中完成了一项全球首次的作业,我们称之为万米海底的直播互动。两艘船分别播放载人潜水器和无人的着陆器,奋斗者号下潜速度比较快,先抵达了10909米的海底,进行海底的常规科学作业。当沧海号着陆器到海底的时候,奋斗者号通过定位系统找到目标,这个时候沧海号打开它的灯光和摄像机,记录奋斗者号在海底开展科学仪器布放的过程。

现在的深海的科学研究调查,已经不是捉鱼捉虾。科学家精心设计制造的原位试验装置,依靠奋斗者号布放到合适的海底,它们可以长期地不受外界扰动地获得样品和数据,等待半年一年或者更长时间以后,奋斗者号来取回它。当舱外的作业视频直播结束以后,两台潜水器灯光关闭,摄像机关闭,它们启动了水下无线的光通信,连接载人舱内的3个工作人员的画面和语音,被实时传输到了陆地和演播室的工作人员进行实时的交互,这意味着我们掌握了即使在万米的海底也可以找到目标探测数据,实时大量数据传输的能力。

2021年奋斗者号正式投入了科考应用,这意味着万米的下潜不再是一种冒险,不再是一种探险,而是进入了一个例行的常规的科考的时代。到目前为止,奋斗者号已经实现了21次万米级的下潜任务,有27位中国的科学家和工程师,通过乘坐奋斗者号载人潜水器完成了他们的万米之旅。

中国是全球万米载人次数和人数最多的国家。科学家团队在奋斗者号的航次中也提出了马里亚纳生态研究计划,到目前为止,他们已经获得了1000多条海洋环境 生物的数据量,超过200多个TB,这应该是目前世界上最大的深渊数据库。我们很惊奇,到奋斗者号在海底取到了很多岩石样品的时候,这些岩石样品给我们很大的冲击,首先用科学家的话讲,这些新鲜的石头里面存在着细菌,这些细菌很有可能是从未被发现的种类。

经过这20年的发展,中国的载人深潜已经从600米的深度,挺进入地球海洋的最深处11000米。中国的无人潜水器同样经历了跨越式的发展,我们有有缆的遥控潜水器,无缆的自治潜水器,能够在水下远距离滑翔的水下滑翔机,有可以在海底长期驻留、获得数据、开展试验的着陆器。这20年我们也有很多新的概念产生,有不同类型的潜水器正在加入这个深海装备的谱系。

面向未来,我们的发展方向是将这些不同类型的潜水器管好用好。更多的是让这些不同类型的潜水器,在更复杂的任务中能够承担不同阶段不同位置的复杂任务,能够实现1+1>2的效果,能够让载人潜水器、无人潜水器协同作业,发挥出更大的优势。

深潜的下一步我们会迎接更复杂的海洋环境挑战,包括更浑浊的海水,更大流速的海洋,甚至包括在冰层以下的海洋环境。我们注意到,在地球以外的星体也存在着海洋的迹象,这些地外的海洋可能是在厚厚的冰层之下。

我们对海洋的探索不仅仅限于我们身边的海洋,我想我们探索的脚步更应该延伸到地球以外更多的天体。面对更复杂的环境,人类的探索不会停步,我们对海洋的探索同样不会停步。

来源:腾讯科学WE大会微信公众号

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