《为深海而生》②丨潜水器制造及总装

中国科学院深海科学与工程研究所

2021-02-13 09:50:05

时间不知不觉来到了2016年,这一年,四千五的很多关键部件研制已经接近完成。


中科院沈阳自动化研究所水下机器人研究室,工程师们正在摆弄机械手,他们看上去就像沉迷于高级玩具的大男孩儿。


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在机械手交付总装之前,这就是研制团队每天的工作,严格地说这不是玩儿,而是调试。


张奇峰和霍良青是四千五机械手的主要研制人员,别看他们年轻,他们的机械手后来证明经受得住深海的考验,这是后话。


在深海压力下,人是出不了舱的,必须靠机械手完成繁重的海底作业。


所以,他们不但在陆地上调试,还要在池子里调试。四千五是作业型载人潜水器,它的机械手在海底几个小时不停地工作,要求灵活耐用,用东北话讲就是“扛造”。


在自动化所水下机器人研究室,还有一个课题组在为四千五的人工智能,也就是控制系统呕心沥血,他们的劳动成果都附着在这些线路板里,那么,什么是控制系统呢?


再比如,控制系统可以帮助潜航员操控潜水器,潜航员只要动动操纵杆,控制系统就会给6个推进器发出不同指令,配合完成这个动作,节省了潜航员大量的精力,而操控却更加精准。


课题组把蛟龙号控制系统称为第一代,而第二代四千五的控制系统又有哪些改进呢?


蛟龙号只有经纬度位置信息,却没有海底的地形图、海山、热液区等等的地理信息,精细的海底地形图,对潜入海底工作的科学家们会有很大帮助。


很多乘潜水器下潜过的人都说,在海底,感觉时间过得飞快,因此,无论是潜航员还是搭乘潜水器的科学家都希望自己喜欢用的软件就在手边,不耽误工作。


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四千五的控制系统精致而复杂,绝不是我们看到的几样。但也不要被这一大片设备迷惑,它们主要是实验室用的台架,最终装到四千五载人潜水器里的控制系统,体积很小,与大脑和神经系统在我们身体里占的比例相似。


这些工程师们已经在设计未来第三代控制系统,现在,他们信心满满,做好准备,到无锡参加总装。


河北廊坊,一座灰色建筑内机器轰鸣。生产线上的产品,不久前还只能进口,由于知识产权的限定,中国即便是独立研发,也不能沿用国外的技术路线,必须另辟蹊径。


这位吃苦耐劳的“女工”,其实是一位科学家,叫张敬杰,她领导的课题组成功地研发出世界上只有少数国家有能力制造的这种淡黄色物质——浮力材料。



浮力材料安装在四千五的外层,它产生的浮力让潜水器可以悬浮于水中,达到“零浮力”状态。四千五能够出入深海大洋,浮力材料不可或缺。


科研人员正在摆弄的白色粉末就是密度调节剂,在显微镜下看,其实是无数直径只有几十微米大小的空心玻璃微球。球壁只有1到2微米厚,浮力材料的浮力就来自于这些小球,要做得又圆又结实,不能被海水压瘪。


课题组研制的一种特殊树脂也能产生浮力,但主要作用是将无数玻璃微球均匀地凝固成一个整体,即使长期经受海水压力、腐蚀和浸泡,也不会出现超过设计要求的吃水和变形。


强度大可能就会重,而浮力材料不能太重,那样会占据潜水器太多空间。


实验室里成功还不算完,一艘四千五就需要几十立方的浮力材料,探索开发海洋,很多地方都要用到浮力材料,大批量生产时仍旧能保持浮力材料的性能不变才算最终成功。



预见到浮力材料广阔的应用前景,工厂化生产也成了科学家们的研究课题。


我们现在听到的是水声通讯潜水器和水面人员对话的声音,这个声音在水里用耳朵就能听到,只不过没有解码。


声学在深海探索中占有重要地位,原因是电磁波在海水中衰减得很快,不到100米信号就消失了。而声波却可以在海水中传得很远,传播速度是空气中的将近5倍。


这里是中国科学院声学所的测试水池,研究员杨波领导的团队正在测试他们为四千五研发的设备,有蛟龙号声学系统研制的底子,他们十分自信。


对载人潜水器来说,母船就相当于一个浮在水面上移动的基地,和母船保持通讯联系至关重要。


这个葫芦串似的家伙是换能器阵,通俗地说,就是母船的收发天线,它可以把电能和声能相互转换。


潜水器上的天线就要小巧得多,它可以向水面的母船接收发送水声信号,工程师们正在把它放进水池里准备测试,水声通讯技术已经比较成熟,让我们来听听在海底潜水器里听到的母船呼叫。


声音十分清晰。使用水声通讯打电话的诀窍是,说话不要快,一个字一个字说清楚。


水声通讯不仅可以通话,也可以传送简单的文字和图片。声学系统不仅是载人潜水器的嘴巴和耳朵,还是眼睛。避碰声呐和我们的倒车雷达是一类东西,安装在潜器周边,可以提醒潜航员逼近的危险。


这是蛟龙号在印度洋里科考的片段,潜航员说前方13米有东西,就是靠避碰声呐发现的。


声学系统还用来导航,显示潜器的姿态、方向、位置、速度、离海底的距离。而探测、测绘海底地形靠的是测深侧扫声呐。



为测试四千五的测深侧扫声呐,研制团队带着它来到千岛湖,透过茫茫湖水,对很久以前淹没在湖底的乡间山水做了测绘。


水下测绘地形图分辨率很高,在这个领域,中科院声学所已经达到较高的水准,装在未来的4500米级载人潜水器上,一定会成为中国科学家深海探索的一大助力。


电池为四千五载人潜水器提供电力,是不可或缺的重要部件。在设计四千五时,设计师们决定不再用蛟龙号的电池,听上去是个技术选择,但实际上是设计理念的改变。


蛟龙号使用的是银锌电池,特点是爆发力强,但寿命很短,这对于四千五这种潜水器来说,使用成本太高,一些科学家可能用不起。


无锡丰盛电池厂专门为四千五研发的锂电池,虽然没有那么强的爆发力,使用寿命却是银锌电池的10倍,而且安全稳定便于日常维护。


事实上,整个四千五深海载人潜水器的设计,都体现了这种理念的转变。优秀的工程设计师,也应该是出色的策划者。


从南沙船厂的起重机手这里望下去,一条造型奇特,蓝白相间的船引人注目,很难看出来,几个月之前它还只是一条使用多年的海工船。


但它确实保留了发动机和轴系,用了30多年的老机器要恢复活力,问题堆积如山。


巡视工地是船东方船改项目总负责人唐古拉山和澄西船厂项目经理助理陈兴文的日常工作,既有争吵又必须合作是他们之间的常态。


载人潜水器工作母船属于特种船,本就十分复杂,加上老装备改造,令唐古拉山这样做大项目的老手也不轻松。眼下最令他焦虑的是工程进度滞后问题。


探索一号的驾驶室有分别朝前朝后两个驾驶台,是专为布放回收潜水器而设计的。在这里,刘祝船长也在行使着船东方的职责。


刘船长原本在中海油就是这条船的船长,又将是这条新型科考船的船长。


2016年春节前,广州迎来了几十年来最寒冷的冬天,探索一号进入船坞开始水下部分的安装。唐古拉山和未来的轮机长郭祚林在寒风中看着工人们进行水下部分的安装,按这个进度,春节大假不停工应该能按时出坞。


这时,船尾正在安装船舵,这样大的舵,操作起来比小汽车的方向盘还要轻松。


固定船舵的螺丝是经过超低温处理才拧上去的,待恢复正常温度后就会更加牢固,但仍旧要拧上螺丝帽。


进展顺利,唐古拉山和船厂的项目经理老欧已经露出欣喜之色。


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水下部分的安装今天就可以结束,工人们正在洗刷船身,今天晚上探索一号终于可以按时出坞了。


不曾想,一场能否出坞的争吵突然爆发,点燃人们火气的就是探索一号的老轨,也就是轮机长郭祚林。


他们的争论过于专业,简单地说,由于某种原因,左侧主推进器桨鼓里的油路不通,郭老轨坚持,这样出坞下水,会损坏推进器,而船厂急于出坞,认为不会有问题。船厂有企业的难处,而船东在质量问题上寸步不让。


和每一次一样,着急上火的争论之后是心平气和的商量,最终还是以保证船的安全达成共识。大年初四傍晚,船坞的闸门开启,珠江水漫进船坞。


船坞外,准备把探索一号拖到码头去舾装的拖轮已经来到江面上。


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这条麻烦不断的老船能否胜任载人潜水器母船的角色,令人既担心又期待。而现在,它被拖船带着,渐渐融入夜色中。


青岛市黄岛区,是海洋工业的聚集地。9000米大海深压力筒已经准备好,厂房还没有完工,但四千五项目的步伐不会因此而停下来,待测试的载人球已经到位。


现场呈现少见的景象,一边是厂房赶工的建筑工人,另一边是中船科研中心的工程师们在为打压试验做准备。


早上,负责压力筒运行的四千五副总设计师李艳青提前来到现场,今天载人球就要吊装进罐,做好打压试验的准备。


压力筒内正在蓄水,打压试验时,将靠强大的水泵注水增加水压。


工程师们正在准备起吊压力筒的盖子和载人球,压力筒的盖子用普通钢材制作而成,重达50吨,如此才能镇住罐中巨大的压力。


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载人球被非常小心地吊进压力筒,球体上像做心电图似地贴满了电线。


今天,人人都能感受到一种轻松自信的气氛。四千五的总设计师胡振也从无锡赶来,702所何春荣所长望着徐徐下落的抗压筒盖子大发感慨。


即便盖子已经足够厚重,仍旧要用钢块卡死,再加上万无一失的“顶门杠”。


水泵开始向压力筒内注水增压,载人球打压试验开始了。电脑上显示出载人球在模拟深海压力下的各种数据。


2015年,9000米大海深压力筒,成功完成了国产第三个载人球的打压试验,从此,通往辽阔深海的最后一道技术之门向中国打开了。


现在,还是那个问题:为什么中国的第二艘深海载人潜水器的最大下潜深度设定在4500米?


而四千五还是中国载人深潜大战略的一环。承载着决策者和工程师们的抱负。


2016年的夏天,在中船科研中心的总装车间里,到处摆满了到货的载人潜水器部件,载人球也已经到货。四千五的主框架也已经做好,之后的几个月中,在这个组装了蛟龙号的车间里,中国的第二艘深海载人潜水器即将诞生。


(来源:中国科学院深海科学与工程研究所)

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