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                            美国智能制造项目东莞对接制造企业

                            时间:2021-01-17 22:47:18 :名人战32强赛将打响:柯洁对阵童梦成谢科VS周睿羊 | 浏览量:11731

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                              新闻调查丨“奋斗者”号的万米深潜之路

                              这是人类历史上第4艘

                              全海深载人潜水器“奋斗者”号

                              这一天,它将进入世界最深的海域

                              向万米洋底发起挑战

                              2020年11月10日,中国“奋斗者”号载人潜水器在马里亚纳海沟创造了10909米的中国载人深潜的新纪录,这标志着我国在大深度载人深潜领域达到了世界领先水平。

                              “奋斗者”号研制和海试成功的背后

                              都有哪些故事?

                              万米深潜第一步:克服水下强压

                              12月中旬,中科院深海所的工程实验室里,创造中国载人深潜新纪录的“奋斗者”号正在这里接受检测。

                              人类想要进入深海,水的压力是永远相伴的敌人。在万米海底,每平方米要承担11000吨左右的压力,相当于手指上放一吨重的汽车。而载人舱是在水下为潜航员提供安全屏障的核心关键部件,它也标志着一个国家载人潜水器的技术水平。

                              高强度高韧性 新材料如何带动工业进步?

                              从国际载人深潜格局来看,自上世纪90年代起,美国、法国、日本、俄罗斯等国家一直掌握着大深度载人潜水技术。近30年来,这些国家大多数深潜器的载人舱都由一种叫“钛64”的合金制造,这是用量最大、数据最全、使用经验最丰富的一种钛合金。

                              但是到了“奋斗者”号,载人舱一方面要承受万米海深的极端压力,另一方面还要满足搭载三人的更大尺寸球舱设计,在这样的条件限制下,钛64合金无法达标。

                              要想解决载人舱材料难题,研制一种更高强度的新型钛合金成了唯一出路。2014年,也就是“奋斗者”号立项的两年前,中科院实施战略先导科技专项,位于沈阳的金属研究所负责对载人舱材料与制造开展调研论证和预先研究。

                              为了研制“奋斗者”号的载人舱新材料,不同成分配比的钛合金曾在中科院金属所的这间车间里加工、实验。

                              中科院金属研究所研究员 马英杰:将海绵钛,和铝、钒等混合在一起,通过大的压力装置,压制成钛合金的电极。然后放在熔炼炉里面,经过多次真空熔炼,(可以)炼成钛合金的铸锭。

                              “奋斗者”号载人舱的钛合金材料要同时具有高强度和高韧性,这是材料科学领域的世界性难题,也是研究员马英杰长期研究的科学方向。

                              马英杰展示的这张图片,是新型钛合金材料5微米范围内的显微结构。复合片层组织的实现和其他基础科学研究的突破,让新型钛合金性能得到了全面提升。

                              中科院金属研究所 研究员 杨锐:传统钛合金,强度韧性都在中间,我们又研制了一系列合金。(我们)做一个潜水器,它带动了工业的进步,带动了材料的进步,材料又可以用到其他地方,累加效益是不可估量的。

                              在强度和韧性达标后,金属所又解决了材料可焊性的问题,从2014年到2016年,通过两年多的技术攻关,科研团队研制出一种全新的钛合金——钛62A,载人舱球壳的材料难题迎刃而解。

                              三种方案攻克世界性难题

                              新材料提供了物质基础,但距离载人舱建造成功还有很长的路。超大厚度的板材制备、半球整体冲压、电子束焊接等关键技术,需要各领域多个单位联合攻关,这也考验着国家的工业制造能力。

                              中国船舶集团七〇二所“奋斗者”号副总设计师 李艳青:两个半球,焊在一起,形成一个整球。最核心的就是这些焊缝,包括孔座焊缝,还有最核心的赤道焊缝。

                              保证焊缝位置的韧性满足要求,是焊接技术面临的世界性难题,而实现超大尺寸与厚度材料的全电子束一次焊接,更是难上加难。

                              中科院金属研究所 研究员 “奋斗者”号载人潜水器副总设计师 雷家峰:在研制之初,我们列了很多的关键技术,焊接是我们最担心的一件事,因为它最难。

                              2012年下水的“蛟龙”号载人潜水器,载人舱在国外加工制造;2018年下水的4500米级载人潜水器“深海勇士”号,载人舱实现了国产化,当时采用了三种技术方案。

                              中国船舶集团七〇二所“蛟龙”号副总设计师 中国船舶集团七〇二所“深海勇士”号总设计师 胡震:(我们用)三个工艺路线,做了三个球(载人舱),当然这三个球(载人舱)目前都是处于一个可用的状态,有一个球(载人舱)在“深海勇士”号上正在服役。

                              克服三大难点 打造世界最大载人舱

                              与“深海勇士”号类似,为制造“奋斗者”号的载人舱,中科院金属所设计了两种不同的焊接方案,计划制造两个球舱,但两种方案都有一定风险。

                              2018年12月,第一种焊接方案出现问题,载人舱球壳无法使用,只能寄希望于第二种方案,此时,时间进度已经很紧,团队人员背负着巨大压力。

                              2019年6月17日,采用第二种焊接方案的载人舱在洛阳的中国船舶集团七二五所开始焊接,工程单位一次性完成赤道缝焊接,焊缝质量和强韧性能全面达到设计要求。最终,载人舱团队采用自主发明的钛合金新材料,为“奋斗者”号建造了世界最大、搭载人数最多的潜水器载人舱。

                              中科院金属研究所 研究员 杨锐:三大难点,一个材料,一个加工成型,一个焊接,是由三家大型的国有机构分别承担的。真正实现集中力量办大事。快速地创新,快速地实现产业化,快速地做出国之重器。

                              下潜、上浮时 如何保证潜水器安全?

                              张敬杰,中科院理化技术研究所研究员,她的科研团队负责研发的浮力材料,为潜水器顺利下潜和安全上浮提供保障。

                              中科院理化技术研究所 研究员 张敬杰:我们潜器下潜到海底之后,作业完了要上来,有两种形式,一种是消耗能源,用动力把它推上来,但潜器在水下的作业时间和作业的项目就会缩短,而且活动半径会变小。所以要用一种无动力上浮技术,不消耗动力也可以把潜器带上来,就要用到固体浮力材料。

                              载人潜水器下水时要携带两组压载铁,在重力牵引下潜入海洋深处。临近海底,潜器会抛掉第一组压载铁,达到悬浮在水中的均衡状态,并在海底作业。完成作业后,潜器抛载掉第二组压载铁,使所受浮力大于自身重力,上浮返航。浮力材料的性能直接关系到潜水器与潜航员的安全。

                              据张敬杰介绍,如果没有固体浮力材料,潜器就不能下去,因为下去之后就再也上不来了,所以这个是非常关键的一个环节。

                              在高速摄像模式下拍摄的画面中,散落的白色粉末,就是浮力材料的原始状态。或许你很难想象,这些粉末每一粒都是一个空心球体。

                              这种材料的学名叫空心玻璃微球。用它制作固体浮力材料,不仅需要足够轻,还需要耐高压。长期以来,国产浮力材料普遍存在密度高和强度差的问题,这极大阻碍了我国深海科学研究进