五次探采取“寶”，上海交通大學(xué)“開拓二號”創(chuàng)我國深海采礦多項紀錄

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　　著底4102.8米，成功取回深海多金屬結(jié)殼與結(jié)核，近日，由上海交通大學(xué)自主研制的深海重載作業(yè)采礦車工程樣機“開拓二號”，在成功完成深海試驗航次后，搭乘“向陽紅03”號科考船順利返回廈門，海試取得圓滿成功。此次海試，“開拓二號”5次探采，創(chuàng)下了我國深海采礦領(lǐng)域的6項紀錄，技術(shù)性能達到國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進水平。這是上海交通大學(xué)服務(wù)國家海洋強國戰(zhàn)略和上海科創(chuàng)中心、現(xiàn)代海洋城市建設(shè)，通過上海長興海洋實驗室新型研發(fā)機構(gòu)，以高端海洋裝備研發(fā)為核心，有組織開展深海重載作業(yè)裝備關(guān)鍵技術(shù)的一次重大突破。

　　五次探采，國內(nèi)深海重載作業(yè)采礦車海試水深首次突破4000米

　　大洋海底蘊藏著豐富的多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和多金屬硫化物等礦產(chǎn)資源，富含銅、鈷、鎳、錳等重要關(guān)鍵材料，應(yīng)用價值極高。深海礦產(chǎn)資源開發(fā)是典型海洋高科技產(chǎn)業(yè)，集深海工程科技、海洋科學(xué)探索、海洋資源綠色開發(fā)利用于一體，將帶動海洋諸多產(chǎn)業(yè)的前沿與顛覆性技術(shù)研究，形成新興產(chǎn)業(yè)增長點，為國民經(jīng)濟和社會發(fā)展提供新動能。

　　“海底地形崎嶇，海況條件比較復(fù)雜，海底采礦裝備不僅需要在這樣的環(huán)境中來去自如，還要具備開采和收集能力，并且能有效地回收，這其中的每一個環(huán)節(jié)，都要經(jīng)過海試的考驗。”海試首席科學(xué)家、上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院教授楊建民介紹說，長期以來，深海采礦在國際上存在三大技術(shù)難題：一是礦區(qū)海底地形異常復(fù)雜，裝備安全行進困難；二是深海礦產(chǎn)賦存形式與物理特性復(fù)雜多樣，高效開采收集困難；三是深海重載作業(yè)裝備在海上風(fēng)浪條件下，安全布放回收困難。

　　這次深海試驗，“開拓二號”在海底多金屬結(jié)殼與結(jié)核礦區(qū)，連續(xù)成功完成了5次下潛，其中4000米級深度1次，2000米級深度4次，采礦車分別達到了1802.4米、1929.9米、1955.8米、2048.5米和4102.8米等深海海底，這是國內(nèi)深海重載作業(yè)采礦車首次在4000米以深海底開展深海礦產(chǎn)資源試開采試驗。并且，“開拓二號”還展現(xiàn)出了強大的海底礦巖鉆進與采集能力，對緊密附著在堅硬礦巖上的多金屬結(jié)殼、淺埋于稀軟深海沉積物中的多金屬結(jié)核等不同類型海底礦物進行了高效開采收集，成功獲得了200多公斤的多金屬結(jié)殼、多金屬結(jié)核、海底基巖等各類深海礦產(chǎn)樣品。

　　六個“突破”，崎嶇海底行進、采礦如履平地

　　無論是坡度達30多度的陡峭、崎嶇海山，還是由高粘性稀軟沉積物堆積的海底“灘涂”，“開拓二號”都能順利行進、爬坡和原地回轉(zhuǎn)。據(jù)介紹，為了讓采礦車的行進更加自由，團隊研發(fā)了相關(guān)技術(shù)，不需要任何人工操控，可以自主感知采礦環(huán)境，四條履帶能夠根據(jù)海底實際地形實時調(diào)整方向和狀態(tài)，適應(yīng)海底復(fù)雜地形行走的需要，這在國內(nèi)也是首創(chuàng)。

　　據(jù)團隊介紹，“開拓二號”的研發(fā)，共實現(xiàn)了國內(nèi)同類研究的6個“突破”：首次實現(xiàn)深海重載作業(yè)采礦車布放作業(yè)水深突破4000米大關(guān)，達到4102.8米，并獲得了大量多金屬結(jié)殼、多金屬結(jié)核等深海礦產(chǎn)樣品；首創(chuàng)深海復(fù)雜海底地形高機動行進技術(shù)，實現(xiàn)30度以上陡峭海山、深海稀軟沉積物等各種復(fù)雜海底地形的安全、穩(wěn)定行進；首創(chuàng)深海多礦類復(fù)合鉆采技術(shù)，實現(xiàn)對多金屬結(jié)殼、多金屬結(jié)核等不同類型礦石高效開采與收集；首創(chuàng)深水重載作業(yè)智能精細控制技術(shù)，形成作業(yè)路徑智能規(guī)劃、跟蹤與避障能力，實現(xiàn)深水厘米級精準定位；首創(chuàng)非金屬纜深海重載布放回收技術(shù)，實現(xiàn)4100米水深重載裝備布放回收，安全工作負載等指標位居國內(nèi)前列；創(chuàng)新深海環(huán)境擾動監(jiān)測評估技術(shù)，采礦車還搭載了環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，對海底羽狀流生成擴散、水下作業(yè)噪聲等環(huán)境影響情況進行了全面監(jiān)測與評估，為我國深海礦產(chǎn)資源勘探與綠色環(huán)保開采提供了珍貴的一手材料和數(shù)據(jù)。

　　隨船參加海試的青島海洋地質(zhì)研究所深海地質(zhì)與礦產(chǎn)室副主任黃威表示，“開拓二號”具備高效、穩(wěn)定地采集深海多金屬結(jié)殼礦石的能力，針對附著在斜坡基巖之上的多金屬結(jié)殼，它的切削能力可以把結(jié)殼和基巖快速分離開，高效地把結(jié)殼礦石吸入集礦箱。此外，該深海采礦車的爬坡和避障能力可以讓它在復(fù)雜地形環(huán)境下實現(xiàn)多方向進行，從而大范圍覆蓋結(jié)殼礦區(qū)，提升礦石采收率。同時，深海采礦車的布放與回收是一個技術(shù)難點?！伴_拓二號”連續(xù)5天在6級風(fēng)、4級海況條件下作業(yè)，成功完成了多次、連續(xù)深海布放、海底作業(yè)與提升回收，裝備安全性、可靠性得到了檢驗。

　　從實驗室到大海，三代船海人十年“開拓”路

　　“2013年，國外深海采礦裝備研發(fā)早已經(jīng)達到了一定水平，但是在國內(nèi)相關(guān)研發(fā)還沒有完全起步，當時我就覺得在深海探采這方面，中國需要填補空白?！?從最初的一個設(shè)想，到蔚藍大海的海試，“開拓”系列深海采礦車首席科學(xué)家楊建民一干就是十年。他帶著團隊主動對接國家重大戰(zhàn)略需求，先后成功研制了深海重載作業(yè)采礦車“開拓一號”與“開拓二號”。其中，深海采礦車“開拓一號”2021年成功實現(xiàn)了1305米深海試驗。新一代深海重載作業(yè)采礦車“開拓二號”，主要由深海采礦車主體、大承載光電復(fù)合臍帶纜和重載布放回收絞車等多型裝備組成，長6.0米，寬3.0米，高2.5米，重量約14.0噸，設(shè)計作業(yè)水深6000米，具備深海多金屬結(jié)殼、多金屬結(jié)核與深海硫化物等多類型礦產(chǎn)綜合開采能力，技術(shù)性能達到國內(nèi)領(lǐng)先、國際一流水平。

　　在這十年的研發(fā)過程中，楊建民的團隊不斷地充實了許多新興力量：十年前，趙國成是上海交大船舶海洋與建筑工程學(xué)院的一名研究生，他入學(xué)時就在導(dǎo)師的影響下，把深海采礦選為自己的研究方向。這次海試趙國成是以青年骨干教師的身份參加的?！皬膶嶒炇依飵酌姿畹乃蹨y試到這次數(shù)千米水深的深海海底采礦作業(yè)，我獲得了一段十分寶貴的學(xué)習(xí)和鍛煉經(jīng)歷。海試成果讓我們很振奮，我更加篤定深海采礦將會是我未來的研究方向。”

　　“‘開拓二號’海試是系統(tǒng)級項目，考驗的不僅僅是采礦車在深海高壓環(huán)境下的性能，對重載作業(yè)布放回收系統(tǒng)也是重大挑戰(zhàn)。采礦車、光電復(fù)合纜和絞車沒有經(jīng)過實海驗證，面臨著很多不確定性。” 團隊成員、上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院副教授劉明月介紹說，在海試過程中，交大師生三代“船海人”通過多學(xué)科合作突破了一個又一個難題。

　　瞄準“大海洋”，服務(wù)上?？苿?chuàng)中心及現(xiàn)代海洋城市建設(shè)

　　近年來，上海交通大學(xué)服務(wù)國家海洋強國戰(zhàn)略和上?？苿?chuàng)中心及現(xiàn)代海洋城市建設(shè)，提出“大海洋”戰(zhàn)略，匯聚學(xué)科優(yōu)勢重點打造海洋裝備交叉創(chuàng)新研究平臺。2019年獲批建設(shè)教育部深海重載作業(yè)裝備集成攻關(guān)大平臺，在此基礎(chǔ)上于2021年獲批上海長興海洋實驗室新型研發(fā)機構(gòu)，以高端海洋裝備研發(fā)為核心，打造準工業(yè)化實驗室，重點布局“深海裝備與資源開發(fā)”等四大研究方向，有組織開展深海重載作業(yè)裝備關(guān)鍵技術(shù)等研究。

　　“開拓”系列采礦車的成功研制將有力推動上海長興海洋實驗室成為我國深海采礦技術(shù)的重要研究基地。未來，學(xué)校將繼續(xù)以“大海洋”建設(shè)為抓手，凝練關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)科研成果，穩(wěn)步推進深海采礦高端海洋裝備研制，努力向成果化、產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)移。

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