1802.4米、1929.9米、1955.8米、2048.5米、4102.8米……漆黑的深海，复杂的海况，崎岖的海底地形，5次探采，最终着底4102.8米，并成功取回深海多金属结壳与结核——近日，中国深海重载作业采矿车首次实现了在4000米深海底开展深海矿产资源试开采的试验，这也标志着中国深海重载作业装备创新研发取得重要的突破性进展。
由上海交通大学自主研制的深海重载作业采矿车工程样机“开拓二号”。? 本文图均为上海交通大学 供图
近日，由上海交通大学自主研制的深海重载作业采矿车工程样机“开拓二号”，在成功完成深海试验航次后，搭乘“向阳红03”号科考船顺利返回厦门，海试取得圆满成功。此次海试，“开拓二号”5次探采，创下了中国深海采矿领域的6项纪录，技术性能达到国内领先、国际先进水平。
近日，“开拓二号”在成功完成深海试验航次后，搭乘“向阳红03”号科考船顺利返回厦门。
探底四千余米，海底矿岩钻进与采集能力强大
大洋海底蕴藏着丰富的多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物等矿产资源，富含铜、钴、镍、锰等重要关键材料，应用价值极高。比如，金属钴是航空发动机的重要材料之一，但目前在这款材料上，中国还比较依赖国外进口。
“深海采矿，对一些重要的材料，实现自主采掘、储备是很重要的。”海试首席科学家、上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院教授杨建民说。
杨建民。
杨建民介绍，长期以来，深海采矿在国际上存在三大技术难题:一是矿区海底地形异常复杂，装备安全行进困难；二是深海矿产赋存形式与物理特性复杂多样，高效开采收集困难；三是深海重载作业装备在海上风浪条件下，安全布放回收困难。
“海底地形崎岖，海况条件比较复杂，海底采矿装备不仅需要在这样的环境中来去自如，还要具备开采和收集能力，并且能有效地回收。其中的每一个环节，都要经过海试的考验。”杨建民说。深海矿产资源开发是典型的海洋高科技产业，需集深海工程科技、海洋科学探索、海洋资源绿色开发利用于一体。
6月19日启航，6月28日返航，全程历时10天。这次深海试验，“开拓二号”在海底多金属结壳与结核矿区，连续成功完成了5次下潜，其中4000米级深度1次，2000米级深度4次，采矿车分别达到了1802.4米、1929.9米、1955.8米、2048.5米和4102.8米等深海海底，这是国内深海重载作业采矿车首次在4000米以下的海底开展深海矿产资源试开采试验。“我国深海矿产资源从勘探向开发，‘开拓二号‘将作出重要贡献。”杨建民介绍。
“开拓二号”采集到的深海矿产样品。
“开拓二号”还展现出了强大的海底矿岩钻进与采集能力，对紧密附着在坚硬矿岩上的多金属结壳、浅埋于稀软深海沉积物中的多金属结核等不同类型海底矿物进行了高效开采收集，成功获得了200多公斤的多金属结壳、多金属结核、海底基岩等各类深海矿产样品。
无论是坡度达30多度的陡峭、崎岖海山，还是由高粘性稀软沉积物堆积的海底“滩涂”，“开拓二号”都能顺利行进、爬坡和原地回转。为了让采矿车的行进更加自由，团队研发了相关技术，不需要任何人工操控，可以自主感知采矿环境，四条履带能够根据海底实际地形实时调整方向和状态，适应海底复杂地形行走的需要，这在国内也是首创。
深海重载作业采矿车技术性能国内外对比。澎湃新闻记者 邹佳雯 图
杨建民介绍此次海试成功的五项重要意义。澎湃新闻记者 邹佳雯 图
六个“突破”，崎岖海底行进、采矿如履平地
据团队介绍，“开拓二号”的研发，共实现了国内同类研究的6个“突破”。
一是首次实现了深海重载作业采矿车布放作业水深突破4000米大关，达到4102.8米，并获得了大量多金属结壳、多金属结核等深海矿产样品；
二是首创深海复杂海底地形高机动行进技术，实现了30度以上陡峭海山、深海稀软沉积物等各种复杂海底地形的安全、稳定行进；
三是首创深海多矿类复合钻采技术，实现了对多金属结壳、多金属结核等不同类型矿石的高效开采与收集；
四是首创深水重载作业智能精细控制技术，形成了作业路径智能规划、跟踪与避障能力，实现了深水厘米级精准定位；
五是首创非金属缆深海重载布放回收技术，实现了4100米水深重载装备布放回收，安全工作负载等指标位居国内前列；
六是创新深海环境扰动监测评估技术，采矿车还搭载了环境监测系统，对海底羽状流生成扩散、水下作业噪声等环境影响情况进行了全面监测与评估，为中国深海矿产资源勘探与绿色环保开采提供了珍贵的一手材料和数据。
“开拓二号”团队。
随船参加海试的青岛海洋地质研究所深海地质与矿产室副主任黄威表示，“开拓二号”具备高效、稳定地采集深海多金属结壳矿石的能力，针对附着在斜坡基岩之上的多金属结壳，它的切削能力可以把结壳和基岩快速分离开，高效地把结壳矿石吸入集矿箱。
此外，该深海采矿车的爬坡和避障能力可以让它在复杂地形环境下实现多方向进行，从而大范围覆盖结壳矿区，提升矿石采收率。而在深海采矿车的布放与回收这个技术难点上，“开拓二号”的表现也很好，可以连续5天在6级风、4级海况条件下作业，成功完成了多次、连续深海布放、海底作业与提升回收，装备安全性、可靠性得到了检验。
“深海是一个非常复杂的环境，未来除了采矿以外，我们或许还可以基于目前积累到的技术储备，挑战更多的海底作业。”杨建民说。
在重大科创成果的背后，从最初的一个设想，到蔚蓝大海的海试，“开拓”系列深海采矿车首席科学家杨建民一干就是十年。“2013年，国外深海采矿装备研发早已经达到了一定水平，但是在国内相关研发还没有完全起步，当时我就觉得在深海探采这方面，中国需要填补空白。”杨建民说。
其间，他带着团队主动对接国家重大战略需求，先后成功研制了深海重载作业采矿车“开拓一号”与“开拓二号”。其中，深海采矿车“开拓一号”2021年成功实现了1305米深海试验。新一代深海重载作业采矿车“开拓二号”，主要由深海采矿车主体、大承载光电复合脐带缆和重载布放回收绞车等多型装备组成，长6.0米，宽3.0米，高2.5米，重量约14.0吨，设计作业水深6000米，具备深海多金属结壳、多金属结核与深海硫化物等多类型矿产综合开采能力，技术性能达到国内领先、国际一流水平。
上海作为海洋工程装备科技创新重镇，也是全国唯一集船舶海工研发、制造、验证试验和港机建造的城市，产业链较为完整、产业基础优势突出，拥有一批致力于深海资源开采的科研创新资源，研发优势突出。上海市发改委也在近年来布局一批重大科研项目，支持优势研发单位开展深海资源开采关键核心技术攻关，将加快形成具有自主知识产权的创新成果，抢占未来经济和科技发展制高点，使上海在国家海洋强国重大战略中发挥更大作用。
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