揭秘|破纪录的“奋斗者”号潜水器,动力哪来的?

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揭秘|破纪录的“奋斗者”号潜水器,动力哪来的?

2024-01-29 20:31| 来源: 网络整理| 查看: 265

  

  前几天,不少小伙伴都看到了《新闻联播》中反复播放的这组数字:9997、9998、9999、10000、10001、10002......这是什么?这在哪里?这是如何做到的?本期,播报君就来为您介绍这位“奋斗者”的故事~

  

  这个设备叫做“奋斗者”号潜水器,它是由中国自主研发的万米载人潜水器。它于2016年立项,由前代“蛟龙”号、“深海勇士”号载人潜水器的研发科研团队设计制造。2020年6月19日,中国万米载人潜水器被正式命名为“奋斗者”号。2020年10月27日,“奋斗者”号潜水器在马里亚纳海沟成功下潜突破1万米达到10058米,创造了中国载人深潜的新纪录。2020年11月10日8点12分,“奋斗者”号潜水器在马里亚纳海沟成功坐底(在综合考虑潜水器速度、姿态和海底地质情况下,让潜水器人为地在海底着陆),坐底深度为10909米,刷新了中国载人深潜的新纪录。

  

  “奋斗者”号潜水器为国人所熟知,是因为它在11月10日至11月19日不到10天的时间内,连续4次进行深海万米深潜。要知道,6000米以下的深海区是解决生命起源、地球演化等重大科学问题的前沿领域。“奋斗者”号潜水器下潜至万米海底,将助力我国在大深度海底深渊科研方面做出原创性、奠基性贡献。11月10日,“奋斗者”号潜水器在马里亚纳海沟成功下潜到10909米,成为中国历史上第一艘下潜到“挑战者深渊”的载人潜水器。11月13日,“奋斗者”号潜水器和“沧海”号深海着陆器联合作业,实现万米水下全球首次高清视频信号直播和传输。11月16日,“奋斗者”号潜水器仅用半小时左右的时间就找回了此前放在海底的3个取样器,作业难度堪比大海捞针。这项操作对深海科考特别是未来实现深海科研的原位培养、长期监测意义重大。11月19日,“奋斗者”号潜水器下潜是此轮万米海试的“交卷”关,它承担着复核深海洋底科考作业功能的任务。

  

  此次“奋斗者”号潜水器深潜所在地为著名的马里亚纳海沟,那里是全球最深的海沟,像一座在海底倒立的山峰。海沟最深处的“挑战者深渊”测得最大深度为11034米,相当于珠穆朗玛峰顶叠加一座西岳华山的海拔高度,是已知海洋最深处。“奋斗者”号潜水器此次下潜的位置,几乎到达了世界海洋的最深处。海沟最深处的水压超过了110兆帕,压力相当于2000头非洲大象踩在一个人的背上!在这样的空间多次停留,“奋斗者”号潜水器真可谓是不折不扣的一枚资深“水货”!

  

  “奋斗者”号潜水器能在极端的深海环境中出色地完成各项科考任务,这与其配备的先进科技设备是分不开的!由此可见,这个“水货”非但不水,还是货真价实、独一无二的“高科技·中国造”!

  

  “奋斗者”号潜水器想要成功下潜万米,需要极其精密的制造、冷弯、焊接技术,保证球舱的可靠性。研发团队改进焊接方式,从焊缝多、工期长的传统“瓜瓣焊接”改为焊缝少、可靠性高的“半球焊接”。“奋斗者”号潜水器钛合金载人球舱直径达2米,为世界最大。这标志着我国钛合金材料技术和焊接加工技术已经达到国际领先水平。除了解决水压问题,“奋斗者”号潜水器还需要解决操控、供氧、电池、照明、影像、自动巡航、水声通信等一系列问题,还要搭载相关人员、一系列科学设施等在水中完成科考作业,这进一步加大了制造难度。在“蛟龙”号、“深海勇士”号载人潜水器研制与应用的基础上,“奋斗者”号潜水器研发团队历经多年艰苦攻关,在耐压结构设计及安全性评估、钛合金材料制备及焊接、浮力材料研制与加工、声学通信定位等方面实现技术突破,顺利完成了潜水器的设计、总装建造、陆上联调、水池试验和海试验收,具备了全海深进入、探测和作业能力,并转入试验性应用阶段。

  

  说到“奋斗者”号潜水器,就不能不追忆“蛟龙”号潜水器。“蛟龙”号载人潜水器是我国首台自主设计、自主集成研制的作业型深海载人潜水器。它使中国成为继美、法、俄、日之后,世界上第五个掌握大深度载人潜水技术的国家。

  

  《亮报》科普版曾在2017年12月20日对“蛟龙”号潜水器进行过专题报道。虽然“蛟龙”号潜水器刷新了多项技术和深度记录,但是它在材料等关键技术上还依赖国外。“蛟龙”号潜水器所用的浮力材料,以当时国内的能力是制造不出来的,要去国外买,这也就意味着在价格和质量上要受制于人。这些年,我国的科研工作者经过艰苦奋斗、多次试验、不断研发,终于成功地在多个关键技术和重要材料领域拥有国产化核心,使“奋斗者”号潜水器的国产化率超过96.5%。“奋斗者”号潜水器正如其名,是由无数中国科研工作者通过艰苦卓绝的不懈奋斗研发的“大国重器”。“奋斗者”号潜水器能在万米洋底勇往直“潜”,得益于中国科技国力的强大支撑。“奋斗者”号潜水器的动力电池系统在“奋斗者”号潜水器上,值得细说的高科技太多。在这些高科技中,保障潜水器正常行动的动力电池系统是最关键的技术之一。

  

  其实,在“蛟龙”号潜水器上,就已经安装了具备强大能源动力可靠性的固态锂离子电源系统。这种电源系统属于国家战略资源,过去外国一直对中国严格封锁和保密,如今,中国的科研人员历经多年摸索与开拓,成功攻克了全海深、长续航动力电源关键核心技术。

  

  “蛟龙”号潜水器在作业过程中要为水下照明、仪器设备、推力器及作业工具等运转提供充足的能源保障,电源必须具备无水下排放、无水下噪声、不依赖于空气、无重心漂移等特点,同时还要面临倾斜、摇摆等恶劣条件。经过反复调研和技术论证,“蛟龙”号潜水器主动力电源、辅助动力电源、应急救生电源采用了大容量耐高压充油银锌蓄电池。此项技术由我国自主研制,为国际领先技术。电池组容量达到120千瓦时,是当时世界上容量最大的潜水器蓄电池。(日本潜水器蓄电池最大容量为86千瓦时,美国、法国的为40千瓦时~50千瓦时)到了“奋斗者”号潜水器研发时期,为了避免潜水器在深海高压条件下因电池系统温度过高引发自燃,“奋斗者”号潜水器采用了深海锂电池系统,能够在15000米深的深海压力下实现稳定供电。

  

  “奋斗者”号的上百块单体锂电池分若干组排列,每组模块之间的间隙充满了油。

  

  

  当某块电池的温度升高时,热量会先传递给周围的油,然后油再通过电池箱体将热量传递给外部的海水,以此来缓解电池发热的状况。

  

  此外,每批锂电池在成组前,都严格地进行了撞击、针刺、海水浸泡、短路、过充、过放等十几项安全抽检以及超过万米压力环境下的安全测试,这样才能成为“奋斗者”号潜水器合格的能量来源。

  

  令人自豪的是,这种全球领先的锂电池高科技技术,完全是由中国人自主研发的。科技者说长期以来,人们使用的锂电池基本都是液态锂电池。液态锂电池工艺成熟、生产效率高、传导效果好,但同时也存在易漏液着火爆炸的安全隐患,因而科研人员一直在综合性能更高的固态锂电池研究方面不断探索。中科院青岛生物能源与过程研究所组建的青岛储能产业技术研究院研发团队,在陈立泉院士和国家杰出青年科学基金获得者崔光磊的带领下,创造性地提出了“刚柔并济”聚合物电解质的设计理念,创新性地构建了复合电解质材料体系,建立了一系列综合性能优异的固态聚合物电解质体系,研发出全新的高能量密度全固态锂电池。这种全固态锂电池的能量密度达到300瓦时/千克,商业化应用价值是目前液态锂电池的2倍。通过5次穿钉实验,固态电池并未起火和爆炸,安全性能极佳,而且在拔除钉子后电压有所恢复,再一次彰显出固态电解质良好的自修复性能和安全性能。目前,全固态锂电池相关技术已申请中国发明专利29项,国际PCT专利3项。

  

  中科院青岛生物能源研究所研制的“青能-Ⅰ”型全固态锂电池。据了解,目前应用于深海的固态锂电池,同样也可以应用于太空、电动车、储能等领域。有了强劲稳定的电池系统,我国的新能源汽车、深海探测、航天航空等领域都将突破国外的技术垄断,拥有稳固的动力支撑,实现跨越式发展!“水货”不水,“奋斗”不息!这正是:可上九天揽月,可下五洋捉鳖,谈笑凯歌还。世上无难事,只要肯登攀。部分素材来源网络

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