【“探索一号”叩开万米深渊】揭秘探海神器

中国新闻(原创)来源：央视网 2017年07月02日 15:40 A-A+
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　　央视网消息：来关注水下万米探秘的深海探测器。今年3月，中国科学院深渊科考队完成了再探万米深渊的科考任务，实现了多项世界级的重大突破。利用深渊着陆器，科考队员对我国自主研发的浮力材、固态锂电池、保压气密取样器等一系列深海装备进行了成功试验，近日，记者得到允许独家走进这些科技神器，它们是如何克服水下的超高压环境，保障科考的顺利进行呢？我们一起来看。

　　这个11厘米高17厘米长的小盒子就是“万泉号“搭载的国产固态锂电池。海水深度每增加10米，物体在水中所承受的压力就增加一个单位的大气压强。因此要想在万米深渊为科考设备提供稳定的电力供应，电池就必须要承受巨大的压力。传统的商品锂离子电池采用液态电解液体系，在承受深海压力的情况下形变比较大，很容易短路发生爆炸，存在很大的安全隐患。而在新型的电源系统中，电池制作采用聚合物固态电解质技术，凭借聚合物电解质的高分子体系优异的机械特性，电池的耐受压能力明显增强。

　　青岛能源所分所所长 崔光磊：我们这个电源系统是采用固态电解质，它具有很好的机械强度，而且有非常高的比能量密度、安全性能和长循环寿命。这样的（电源）就更能为我们的深海科考提供一个坚实的电源保障。

　　除了采用固态电源系统，考虑到海水高盐特性带来的强烈腐蚀作用和海水导电容易带来电路短路的危害，科学家们采用硅油浸泡的方式对电池进行了进一步的保护。为了保证电源系统芯片和电路板在万米深海的正常工作，新型固态电池系统还配备了压力缓冲球，来实现深海高压的平衡。

　　青岛能源所分所所长 崔光磊：这里当海水压力不断增加的情况下，相应的压力会压到（通过）下面的缓冲球，将硅油压到相应的电源系统中去，这样的话系统上表面压力就可以得到一个缓冲（平衡），这相当于多了一个充油耐压的装置。

　　从电池开发到深海示范过程中，科学家们从刚开始的三千米、四千米、六千米一直做到了一万多米的模拟舱打压实验， 还进行了模拟万米海深环境的同步充放电试验， 来检测电池相应的电化学性能和充放电速度等具体技术参数。在“探索一号”Ts03航次科考中，新型固态电池一共实现了146个小时的工作时长，单次最长工作时间达20小时。

　　青岛能源所分所所长 崔光磊：目前这种先进电源系统技术只有日本掌握，国内并没有该种技术。这次采用全固态锂电池的技术，示范效果非常好，当然这个工作也标志着我们掌握了万米电源的核心技术，这样为我们的深海（空间站）实验奠定了一个非常坚实的工作（能源供给）基础。

　　除了保障深海设备持久的能量来源，着陆器完成试验后数据的回收也同样重要，那么，经过长时间的水下作业后，科考实验着陆器又是如何回收的呢？我国自主研发的新型浮力材料发挥了作用。

　　深海装备能够下潜到万米深渊，重新浮出到水面，需要靠特殊的材料来为整个系统提供浮力，使之能够在不借助外力的情况下自主就浮出水面，从而完成设备与实验数据的回收。在这次探索一号Ts03航次中，“万泉号”着陆器就首次搭载着全国产化的固体浮力材料进行了作业。

　　中科院理化所研究员 张敬杰：固体浮力材料中最关键最核心的是这个轻质粉体材料，我们把它叫做空心玻璃微球。纯树脂肯定起不到一个提供浮力的作用，所以我们必须加上密度调节剂。固体浮力材料主要是起一个提供浮力的作用，但是它也要满足在深海底下具有抗压的性能。这个抗压的性能主要是由树脂基材和空心小球同时提供，所以就要求树脂基材也要强，空心小球也要强。实际上最难的难点就是又要轻，又要强，这是它矛盾的一个统一。

　　搭载有固体浮力材料的设备着陆器在下潜时底部挂有压载铁，能够在重力的作用下潜到海底，并最终在海底着陆，之后根据控制开展数据收集等工作。完成预定任务后，设备着陆器便需要依靠浮力材料从万米深渊浮出水面。

　　国科大机械电子工程博士 陈俊：当执行完任务之后，我们通过发送声学的指令，执行抛载动作，我们的挂钩就脱开，压载铁就和我们着陆器的本体分离，我们的着陆器在浮力材料提供的浮力作用下就可以浮出水面。当浮出水面之后，我们着陆器搭载的水面示位的设备就可以把着陆器出水GPS坐标点发送到我们母船的接收终端上面，母船根据我们的GPS坐标就可以找到着陆器进行回收。

　　着陆器在上浮的过程中要受到海流和自身外形的影响，整个上浮的过程中会呈现螺旋形上浮的状态。目前着陆器从万米浮上水面需要4-5个小时，从实验数据来看，着陆器在万米的区域作业，上浮的出水点和布放的点偏差根据海流大小不同会偏差1-2公里。

　　前面我们介绍了全固态电源电池、新型固体浮力材料，还有一个首次带回万米深渊珍贵气密样品的全海深气密保压取样器， 这个独门利器为认识深渊底部化学环境和生命过程、探索深渊生命起源等科学目标提供有力支持。

　　浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室是国内最早开展深渊气密取样技术研究的单位之一，他们突破了超高压双向密封、样品压力维持与转移处理等深海关键技术，解决了深渊水体采样面临的样品保压困难、气体组分容易散失等难点。

　　浙江大学机械工程学院副教授 吴世军：取样器主要由三部分组成，首先是这两个气密保压取样筒，中间是一个取样阀以及它的控制部分，取样器主要的一个关键技术就是要实现超高压下的双向密封。取样器下去之前，里面是空的，不希望海里的那些杂物进来，这是要实现一个方向的密封。第二个方向密封是我们取完样之后，里面是高压的样品，然后不希望这个样品漏掉，这是另外一个方向密封。

　　 那么这个双向密封是如何实现呢？科学家告诉我们，气密取样器可根据已安装的程序进行自动取样，着陆器到达和离开海底的时间则是设置取样器阀门打关和关闭的依据。

　　浙江大学机械工程学院副教授 吴世军：取样器是需要压缩气体来保持这个样品的压力，我们在下海之前，通过计算，需要预先在气腔充一部分气体，这个气体压力大约等于海底压力的1/10，取样的时候，海水进来之后，它会进一步压缩预充的气体，然后当气体的压力，还有里面样品的压力，跟海水压力相等的时候，这个取样过程就完成了。然后将取样器拿上来的过程中，外面海水压力是不断变小的，但通过压缩气体可以维持取样器里面样品的压力等于海底的压力。