编者按：“奋斗者”号全海深载人潜水器是“十三五”国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项的核心研制任务。科技部组织中国船舶集团第七〇二研究所、中国科学院深海科学与工程研究所等20家科研院所、13家高校、60余家企业，近千名科研人员联合开展关键技术攻关。力学所与深海所成立了深海力学研究的联合实验室，共同攻关“奋斗者”的关键力学问题。这里简要讲述一下力学人取得的研究成果。

　　2020年11月28日上午8时30分，在马里亚纳海沟结束科考任务的“探索一号”科考船在三亚南山港码头靠泊下锚，成功实现10909米“坐底”纪录的“奋斗者”号也随船胜利返航。据媒体报道，自2020年10月10日起，“奋斗者”号赴马里亚纳海沟开展万米海试，成功完成了13次下潜任务，其中有8次突破了万米。特别是，11月10日8时12分，“奋斗者”号创造了10909米的中国载人深潜新纪录，标志着我国在大深度载人深潜领域达到了世界领先水平。

　　人类作为一个物种在地球上繁衍生息，同时也在探索着周围世界。就当今世界而言，人类对于未知世界的探索总体上可以分为三大类，分别是“上天、入地和下海”。其实，以此作为研究方向的还是中国科学院的力学研究所。早在1958年，钱学森领导下的力学所，就提出了“上天，入地，下海，为工农业生产服务”的四大研究方向，开始了我们中国科研工作者探索空天、陆地和海洋三个领域的征程。60年后，这朵“小花”已经在中国大地上绽放：不仅力学所在这些领域为国家做出了重要的贡献，中国在这些领域站到了世界的前列。

　　这里，我们只谈所谓的“下海”，就是探索海洋世界。大家知道，地球表面有71%的面积被海洋覆盖，海洋中有许多未知的世界，国际公认6500米以深的深渊是解决生命起源、地球演化、气候变化等重大科学问题的前沿领域。此外，海底还蕴藏着大量的资源。例如，人们已经探测到在全球大洋海底，分布着一种矿产资源，称为“深海锰结核”。这是一种铁、锰氧化物的集合体，通常含有30多种金属元素，包括锰、铜、钴、镍等。全球锰结核的储量估计在3万亿吨以上。位于菲律宾以东的马里亚纳海沟，其深度大部分在8000米以上，其中最深处在斐查兹海渊，为11034米，是地球的最深点。“奋斗者号”这次在被称为“地球第四极”的马里亚纳海沟实现坐底，又进行了6小时的作业和巡航，意味着我国的载人深潜器已经能够在世界所有深度海域实现深潜，进行科学研究，并为开发和利用海洋奠定了基础。

　　但是，“下海”可不是一件简单的事情，尤其是深度在几千米以上的海域。例如，这次“奋斗者”号海试的深度达到了万米量级，深潜器受到的压力高达1100个大气压。这么大的压力会使得绝大多数的潜艇压扁。从“蛟龙”号开始，到“深海勇士”号，再到“奋斗者”号，中国载人深潜的目标突破了！这是新型举国体制的生动实践，是跨系统、跨单位、跨部门的大团队协同合作的结果。“奋斗者”号拥有耐压的载人舱球壳，确保它能够成为当前全球同类型载人潜水器中载员人数最多、海底作业时间最长、作业能力最强的装备。

　　“奋斗者”攻关期间，力学研究所承担了“深海关键技术与装备”重点专项研究的多项任务。相关人员围绕全海深耐压结构的“疲劳破坏机制”、“寿命评估技术”以及“非定常潜浮运动快速仿真方法”开展研究，为结构和外型设计提供了理论支撑。作为研发攻关大会战的几朵花絮，这里做一个概要说明，它们涉及了流体力学和固体力学两个分支学科。

　　咱们先来看看流体力学方面的工作。为了增加潜水器在海底的作业时间，需要求尽可能缩短上浮和下潜过程的时间，因此需要研究快速潜浮技术。如何快速评估潜水器的水动力性能？这是提高设计效率的关键问题。力学所研究团队建立了基于动网格的非定常潜浮运动计算方法，以及潜水器的非定常潜浮过程快速分析方法。此外，还针对各个设计阶段的潜水器外形设计方案，进行了一系列压载、抛载重量下的潜浮非定常运动的准确预报，为潜水器外型设计优化提供了理论支撑。

　　大家知道，潜水器上浮和下潜的距离为万米量级，整个历程的时间很长且位移很大，因此利用计算流体力学（CFD）软件对整个完整的过程进行模拟是不现实的。这样，研究团队根据潜浮过程的速度，将下潜和上浮的过程分为三个阶段：加速运动、稳定运动、减速运动，对这几个阶段分开进行数值模拟计算。由于潜水器运动位移很大，CFD计算中移动边界的处理需要采用局部网格重构。这里不拟详细说明网格重构的工作，只是介绍所求得的潜水器的运动轨迹和姿态。

　　懂得刚体运动力学知识的人都会知道，航行体的运动轨迹和姿态可以通过刚体的质心位置、3个欧拉角共计6个变量来确定。研究团队考虑了潜水器初步设计和详细设计等两个模型，通过所建立的CFD模型，对它们的加速下潜过程进行了仿真分析。从图4中给出的计算结果，可以看出经过100秒之后下潜的速度和姿态趋于稳定，稳定的下潜速度约为1.5m/s，横向速度约为0.6m/s，俯仰角约22°，其中俯仰角振荡幅度约为4°左右。潜器下潜的时间可以根据稳定的下潜速度来估计，根据仿真结果，万米的下潜时间约为1.8小时。

　　从上述仿真结果可以发现，潜水器在下潜过程中俯仰运动的振荡较大，这是为什么呢？研究团队通过仿真分析，给出了答案。因为潜水器的下潜过程类似于钝体绕流，就是说，它是以其“底部”作为运动的前沿向海水的深部移动。图5给出了在不同攻角下，潜水器周围的流线结构图。可以看到，在潜水器背部存在较大的涡结构。由于背部涡结构随时间的演化，导致了潜水器在运动过程中所受的俯仰力矩无法达到稳定，从而引起潜器下潜过程中的俯仰角振荡。

　　利用CFD方法可以很快的获得潜器的水动力性能及流场细节，但是由于潜浮运动的深度非常大，尽管采用分段的计算方法能够降低计算量，但是仍然需要消耗大量的资源。为了进一步提高计算速度，研究团队利用CFD模拟获得的潜水器的水动力参数（包括粘性力流体参数和附加质量参数），结合刚体六自由度运动方程，建立了潜水器运动的数学模型。由于从CFD的计算结果可以得知，潜水器在侧向运动、滚转运动和偏航转动这三个自由度上的运动，相比于其他自由度的运动来说可以忽略，因此在这个数学模型中就主要考虑水平、垂直方向的平动以及俯仰转动这三个自由度。通过将CFD仿真获得相应的水动力参数代入数学模型当中，就可以通过求解方程组来快速获得潜水器的运动轨迹。

　　图6给出了求解上述数学模型所得到的加速下潜过程中，潜水器的下潜速度、横向运动速度和俯仰角变化。研究团队还利用典型工况下潜浮运动CFD数值模拟结果，对所建立的简化数学模型进行了校核，图6中示出了两种计算结果的对比。

　　从图6中结果的比较可以看出，运动数学模型给出的最终稳定的运动速度、俯仰角和达到稳定所需时间与CFD给出的结果很接近，下潜稳定速度的相对误差小于15%。这表明该研究团队提出的数学模型能够较好地模拟潜器加速下潜的过程。更重要的是，它可以提高潜水器非定常潜浮过程运动模拟的计算速度。相对于CFD仿真需要5天时间计算一个工况（120核并行），而该数学模型在半分钟内就能给出结果，大大提高了计算效率，并可以满足工程设计需求，从而有效支撑了工程设计。

（未完待续）