《为深海而生》①丨设计及载人球国产化

中国科学院深海科学与工程研究所

2021-02-12 09:30:46

2012年6月27号,中国第一艘载人潜水器“蛟龙号”在马里亚纳海沟下潜到7062米深度,这一记录超过当时世界上所有作业型深海载人潜水器的最大下潜深度。



就在这一年,在无锡太湖之滨,一片湿地保护区对面的楼群里,中国船舶科学研究中心的设计师们正在设计中国的第二艘作业型深海载人潜水器,它属于863国家重点工程,项目简称:四千五。顾名思义,这艘新的载人潜水器的最大设计下潜深度是4500米。


局外人或许会疑惑,为什么已经有了能下潜7062米的蛟龙号,还要再造一艘下潜深度远不及蛟龙号的载人潜水器呢?事情要从头讲起。


蛟龙号属于中国大洋矿产资源研究开发协会,而四千五,将是中国科学院拥有的第一艘深海载人潜水器。


四千五的项目书要求关键设备,95%的零部件实现国产化,四千五的总设计师胡震认为,这是在为国家长远的海洋战略做准备。


国产化,四千五关键设备中最难做的,就是潜水器乘员的座舱——载人球。


载人球壳要承受深海极端的压力,中船科研中心的徐岂南院士曾说:“球壳材料的应力,与下潜深度成正比,与球壳直径的立方成正比”。换句话说,如果用普通钢材来制造载人球,它的体积和重量会大到工程实践和成本都难以承受的地步。因此,用钛合金来制造载人球是最佳选择,而之前我们国家还从未制造过这么大的钛合金部件。


2014年,有着丰富经验和强大实力的宝鸡钛业,突破了多项技术难关,把企业的轧机用到了极限,制造出了符合设计要求的超大钛合金厚板。下一步就是做载人球了。



夏日炎炎,无锡市郊区西塘镇一个冲压车间里,宝鸡钛业的一块钛合金大型钢板,经过8个小时的高温保持,马上就要开始半球成型。


一直守候在工厂里的宝钛付总经理王韦琪,带着他的团队准时来到现场。


王韦琪虽然和锻压公司的谢爱军副总经理谈笑风生,却难掩内心的紧张。王韦琪此行一共带来四块钛合金厚板,要冲压出四个半球,最终合并成两个载人球,这四块厚板非常昂贵,容不得闪失。


前洲西塘锻压公司全力以赴,把企业的精兵强将都压了上来。


技术人员不时地测量温度,出炉后的钛合金板温度下降很快,在冲压机和高温炉之间忙碌的工人必须争分夺秒,不能有任何耽搁。


每个半球要经过3次冲压才能成型,其间还要回到炉子里,炉门关闭之后的8个小时令人煎熬,最怕接到炉温出问题的电话。


半球成型,是高起点的国产化。国际上最先进的技术采用的就是这种方法,它整体性好,焊缝少。但对材料,冲压和加工要求很高。委托俄罗斯制造的蛟龙号载人球采用的是西瓜瓣儿成型。



宝鸡钛业贾栓孝总经理和同事们看到了这个项目对提升企业层级、拓展市场的潜力,又得到科技部和专家们的首肯,下决心采取一开始不敢碰的半球成型方案,从此走上挑战自我之路。


炉门再一次打开,烧得内外通透的钛合金半球像传说中有神力的法器一样热力四射。


苛刻的温度控制,要求高温炉离冲压机越近越好。王韦琪他们找遍全国,发现这里果确实备这一条件。


最令人担心的,就是经过冲压后,钛合金材料出现内应力,或形状不规则,失去了之后机加工的余地,导致前功尽弃。


第一个半球冲压成型,尽管气氛已经稍显轻松,王韦琪却脸色凝重地打量着这个宝贝,还在担心着什么。


第一个成型的半球余温还在,宝鸡钛业团队便动手测量半球的尺寸是否在规定范围内,结果显然让王韦琪如释重负。


人们买东西,通常要上网查一下别人的评价,四千五的部件也都需要可靠的手段来检测。


四千五研制项目中,最难研制的检测装备恰恰是为载人球量身定制的。


2014年春,在二重镇江基地的机加工车间里。这座钢塔,就是能否实现载人球国产化的关键。



它是测试载人球的专用设备——9000米大海深压力筒。四千五所有的部件,都要放进压力筒里,接受模拟深海巨大压力的“打压试验”。就像古代战斗民族斯巴达的新生儿,首先要证明自己能活下来。


既然海洋探索开发需要,再难也要造出来。


四川宜宾,普什集团公司的车间里,经过加工的半球物见本色,技工们正在球壳上为观察窗打孔。


经过焊接和打孔,技工们最担心的就是载人球会变形,而四千五比蛟龙号还多两个观察窗。


这个半球上已经焊接了观察窗框。四千五有五个观察窗,有一个乘员进出的舱口,供内外设备连接的穿舱孔洞也比蛟龙号多,所以要严密检测球壳的变形量,检验员曹逃正在为半球喷一种反光颜料,并且贴上定位标志。


钛合金半球击鼓传花一般从一家企业到另一家,随着一道道工序的递加,对所有的人来说,犯错误的代价越来越高。


2015年5月,珠江畔中船澄西公司的泊位上,停着一条中海油使用多年的海工船,沧桑的船身上,“探索一号”的船名似乎与海工无关,烟囱上是中国科学院的徽标。


这条海工船将被改造成4500米级载人潜水器的工作母船,为中国的深海探索事业焕发第二春。


一声令下,船被拆解,甲板以上,除了船尾的A架要留用外,原来的上层建筑荡然无存。


船身的前半部连船头被整体切割下来。4个月后,新造的前半部分船身开始对接安装。探索一号的工期非常紧张,它必须在四千五完工前,完成首航和海试。


几个月前,在中国船舶科学研究中心的一栋楼里,已是深夜,人们还在加班,他们就是探索一号的设计者。


载人潜水器无法独自出海,它需要一条工作母船,为它提供日常维护,做下潜准备的场所;探索一号工作母船又像一个海上科研基地,是潜航员和科学家们生活和工作的地方。


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船的中部是最平稳的地方,设计师们将科学实验室和载人潜水器库放在了这里。科学家们可以将潜水器采集的海底样品就近送进实验室。


和一般的船不同,探索一号没有前甲板,总设计师侯小军这样解释设计师们的想法。


船坞里,探索一号的改装日以继夜地进行。2000公里外,在北京,一件重要的事情正在发生。


这天,中国航空制造技术研究院忽然宾客盈门,来宾不仅有与项目相关的各路人马,还有科技部相关部门的负责人。他们要亲眼目睹四千五载人潜水器研制的关键一步——载人球的电子束焊。用电子束焊接这样大的钛合金工件,在中国还是第一次,此前没有任何经验可循。


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毛智勇和同事们已经忙碌了很长时间,对设备做了深度的改进,考虑到各种情况的应对,还做了模拟焊接试验。


为了保证焊接的质量,焊接面旋转时必须绝对平稳,不能有一丝一毫的抖动。


经过一次又一次精益求精的调整,两个半球最终精确地合拢,工程师们把载人球推进真空室。


今天,就是这个独生子决定命运的时候了,在众人关注的目光中,工程师们启动了电子束流。


电子束流轻易穿过80毫米厚的球壁,动能转换成热能,高温瞬间融化赤道两边的钛合金,让两个半球完全融合,就像生下来便是一体的。


这时,从宝鸡专程赶来北京的贾栓孝总经理,一颗悬着的心终于放了下来。


事实上,为了保证成功率,四千五研发项目采用不同的方案一共做了3个球壳,宝鸡钛业半球成型的手工焊球壳,和中国船舶725所的西瓜瓣方案手工焊球壳也都制造成功。


陕西宝鸡,当初从这里送出去的是钛合金板材,一圈转回来,已经是一个载人球了,可以清楚地看到上边5个观察窗和穿舱孔洞。宝鸡钛业正在给它“开光”,做最后的安装,之后,就要送到中国船舶科学研究中心,参加四千五载人潜水器的总装。


技术人员在对载人球做交付之前的最后检测,确保刀火过后,球体不会变形,质地均匀、内应力消除,所有尺寸符合设计要求。


而完美的“真球度”始终是最高追求。


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舱口是载人球上唯一可以让乘员进出的孔洞。按设计要求,舱盖与舱口是金属对金属的“硬密封”,要保证在巨大的海水压力下一丝水汽都不渗透进来。不可思议的是,这样精细的工作,竟是用手工打磨来完成的。


侯远斌将一种很细的颜料涂抹在舱口,再把舱盖合上,舱盖沾上颜料的地方就是需要研磨的地方,这需要技师丰富的经验、入微的手感和耐心。


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夜里,中船科研中心的高级工程师杜坤从无锡赶来,他带来了专门为载人球做的5块抗压玻璃。


和我们常见的玻璃不一样,装在载人球上的一种特殊有机玻璃足有10多厘米厚,而且加工成圆锥形,它和喇叭口形的窗口吻合,海水越压它的水密性越好。


舱盖的密封性通过了检测,载人球组装完毕,望着几年来牵肠挂肚的载人球,宝钛负责人贾栓孝却有企业家的考虑。


夜幕降临不久,青岛市黄岛区海边公路就戒严了。


9000米大海深压力筒已经成功地制造出来,几天前刚从江苏镇江海运过来。在黄岛居民进入梦乡的时候,它正隆隆驶向安装工地。


一座立交桥挡在路上,车队停下来,大件运输公司其实早就把路况查得一清二楚。这辆大件运输车居然可以放低身段,从桥下钻过去。


压力筒安装地点是一片厂房工地,由于体量过大,必须先安装好压力筒,才能开始盖厂房。


在这里,这个铁塔般的大海深压力筒隐身地下,部分原因也是出于安全考虑。毕竟,它要承受腹中最大900个大气压的膨胀力量。但是,设计师李艳青对此十分自信。


(来源:中国科学院深海科学与工程研究所)


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