视讯！中国深潜技术（五）：借鉴中的自主创新

2022-11-14 18:10:06 来源：科普中国

从一个对深海几乎一无所知的深海探索弱国，到最终征服地球海洋的深度极限，中国深潜人在不到20年间就一跃成长为世界顶级的深海探索强国。如今，“奋斗者”号深潜器仍然保持着三人同时抵达马里亚纳海沟底部的世界纪录。通过模仿其他国家的深潜器，学习他们的先进之处，再加上科研工作者们的努力创新，中国科学家们亲眼看深海的梦想终于成真。和所有的高科技领域一样，中国的深潜事业也在学习与创新中不断前进。深海探索的脚步从不停止，中国的深潜事业一定会取得更多更大的成就！

第五节借鉴中的自主创新

(相关资料图)

总设计师徐芑南说：“载人潜水器研制和试验是一项复杂的系统工程，‘蛟龙’号上有12个分系统，每个分系统都有自己的难关，每个问题都必须要解决，不能有短板。”所以“蛟龙”号研制团队从一开始就确定了“丰富继承、重点突破、集成创新、整体跨越”的设计思想和“自主设计、自主集成、独立完成海上试验”的研制道路。之前很多年，我们一直不在世界深潜先进国家行列，因此通过模仿借鉴的方式来尽可能高效地提升研发水平，就是必然选择了。而且我们也并非永远停留在模仿借鉴阶段，具备一定的基础实力后，创新自然也是水到渠成。中国载人深潜事业的发展过程中，下面的这些自主创新就是非常值得回顾的亮点。

蓄电池是载人深潜器的主要动力来源，一般有铅酸电池、银锌电池及锂离子电池等几种。这几种电池发展于不同的年代，在很多方面互有优劣，各国深潜器上都能找到它们的影子。比如美国的“阿尔文”号采用了铅酸电池，它虽然在成本上存在优势，但电流能量密度不够，性能上限瓶颈明显。锂离子电池虽然能量密度相对更高，也被日本的“深海6500”号等所采用，但安全性是锂离子电池一直以来为人所诟病之处，一旦在海底这样的极限环境下发生破损，很可能立马变成一发不可收拾的火灾。银锌电池之前在俄罗斯的“和平号”上有所应用，这也是一种拥有非常大能量密度的电池种类。而且它的稳定性较高，大电流工况下亦可实现可靠供电，对深潜器的安全性能提升不小。虽然性能层面好处颇多，但银锌电池的缺点也很明显，它的造价相对高昂。最后，综合考虑各种因素后，科研人员采用了大容量银锌电池的方案，但作为“蛟龙”号的“心脏”，它的研发过程却是百转千回。

大容量银锌电池在深海中使用时有释放氢气的可能，且这种倾向随着深度加大压力升高而逐渐上升。深海中的压力大到可以将钢板轻松扭断，因此释放出的氢气也会极大地威胁整个深潜器的航行安全。河南科隆集团高级工程师田伟龙带领团队接手深潜器用大容量银锌电池研发的课题后，为了有效解决氢气释放带来的安全性问题，简直到了废寝忘食的地步。

最开始，在模拟深潜实验中，球壳常常发生爆炸，这都是没能控制好电池工作中产生的副反应气体而造成。无数次的失败并没有让田伟龙气馁，反而越挫越勇，加倍努力不断尝试。既然气体的产生是破坏电池内部压力平衡的关键，那么减少这些副反应气体的生成或者把产生的气体及时导出电池外进行收集，不就能够平衡电池的压力了吗？为了实现这个科研目标，田伟龙茶饭不思，日夜操劳。据他回忆，甚至做梦的时候，他都在想着如何才能让电池压力平衡。当时田伟龙就下定决心，“决不能让一丝侥幸带到海里！”中国的深潜器，就是要实现彻彻底底的安全。

一个不期而遇的事件，却为整个研发过程带来了的转机。某天凌晨，田伟龙和同事们整晚奋战，此时一位同事起身去打水，田伟龙的灵感被瞬间激发了出来。他看到每当有水流出，饮水机的储水罐里就会从下向上冒出气泡。这本来不过是生活中最普通的一个瞬间，却让他的灵感如同触电般被激发。水桶中的水减少，为了平衡压力中气体自然会占据原先水的空间，让大家想破头而不得解的妙招，就存在于这个不起眼的细节。电池压力平衡难题，终于迎来了转机。

田伟龙的灵感为大家指出了一条终南大道，他们很快设计出一种包含了管道系统的新电池。这个看似平凡的设计，却在实际使用中实实在在地改变了电池抗压能力差的情况。在后来的实验中发现使用这种设计的电池不光能够实现气体量减少，而且还可以增加电池的电量，可谓是神来之笔。在田伟龙等人的不懈坚持下，属于中国深潜器项目的高可靠性大容量银锌电池终于问世了。

田伟龙对此骄傲地说道：“这是我们地地道道的自主创新。”蛟龙号的“心脏”从此变得更加有利而强健，面对未知的深海，它早已迫不及待地等待出发。而这一切都要感谢背后用于打破常规，积极创新的研发人员们。

科研人员的努力绝不会仅仅停留于此，蛟龙号项目在此后又诞生了诸多的创新成果，这其中真正将中国创新精神发扬到极致的，还是上文提到的耐压载人舱球壳。虽然最早委托俄罗斯方面制造而遭人轻视，但在蛟龙号之后的“深海勇士”号上，部件的国产化率达到90%以上，其中就包括了耐压载人舱球壳。

作为我国第一台4500米载人潜水器，“深海勇士”号从“蛟龙”号吸取了若干经验。它的耐压球壳所使用材料是Ti80钛合金。它由美国Ti6211钛合金发展而来，系我国于1985年研制成功。该型号钛合金具有近α型钛合金结构，其强度和韧性能够满足载人深潜器球壳近似苛刻的要求。此外，Ti80钛合金易焊接、耐腐蚀，综合性能优异。材料创新成为了国产载人舱的坚实基础。

焊接是载人舱制造过程中的重要步骤，只有通过焊接，我们才能获得所需的中空球形结构。焊接载人舱的方式是一种被称为“瓜瓣焊接”的特殊技术。这并非我国首创，而是各国载人舱都普遍利用的焊接工艺。瓜瓣焊接，好比是把切好的瓜瓣重新组装成完整西瓜的过程。它的具体工序为，首先把钛合金板通过冲压成型的方式加工成像瓜皮一样的若干小瓣。之后，再通过焊接的方式把几个瓜瓣组合在一起，形成完整的球壳。球壳的焊接质量将通过探伤检测和外形检测等方式予以评估，如果成功通过，再用各种机械加工的方式将球壳打磨成外观光滑的形态。

瓜瓣焊接虽然能够很好地形成球形，但由于需要采用若干次焊接工序，很可能在焊缝处发生焊接缺陷。于是，我们在万米载人深潜器上创造性地采用了“半球焊接”技术。虽然听上去比“瓜瓣焊接”简单不少，只需要把两个半球对到一起即可。但它的工艺其实更加复杂，要求更加严苛。经过若干试验后，半球焊接技术也在团队的共同努力下成熟起来。由于极大地减少了焊缝数，载人舱的结构可靠性大幅提高，从而能够满足万米深度的要求。

王鼎春是负责万米载人深潜器球舱的主要人员之一，他认为就球舱技术单项来看，“蛟龙”号和“深海勇士”号，是向国外先进水平进行取经，从跟跑再到并跑。但万米球壳的成功研制，则标志着我国在该类技术方面已经达到了世界顶级水平。

从模仿到创新，中国载人深潜器技术在借鉴基础上不断成长提升。不知不觉中走到了世界领先的地位。在所有科研人员的辛勤努力下，逐渐赶上了其他国家的步伐，造就了载人深潜的成功。

关键词：能量密度锂离子电池压力平衡