国际深海潜水器发展现状及趋势

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1、 1 科技发展研究科技发展研究 第 27 期 （总第 303 期） 上海科技发展研究中心 2012 年 9 月 28 日 编者按编者按：深海潜水器是人类认识深海，勘探和开发深海资源必不可少的工具，是一个国家科 技综合实力的标志。近年来，随着各国对海洋经济和权益的日益关注，深海潜水器技术正成 为全球海洋科技发展的竞争焦点。本期简报基于上海科技情报研究所课题组的研究成果1和 有关文献，重点对国际深海潜水器技术发展现状及趋势进行了总结和分析。 上海上海“十二五十二五”科技规划重点领域的国内外发展跟踪研究之十三科技规划重点领域的国内外发展跟踪研究之十三 国际深海潜水器发展现状及趋势国际深海潜水器发展现

2、状及趋势 深海潜水器深海潜水器2是运载各种电子装置、机械设备和人员快速精确地 到达各种深海复杂环境， 进行高效的勘探、 科学考察和开发作业的装 备 是运载各种电子装置、机械设备和人员快速精确地 到达各种深海复杂环境， 进行高效的勘探、 科学考察和开发作业的装 备。其研发及制造涉及液晶、材料、机械加工、船舶制造、水下定位、 水下通信、电力电子、自动控制等众多领域，具有知识密集度高、技 术溢出效应和产业带动效应强等特点。目前，深海潜水器主要包括载 人潜水器（Human Occupied Vehicle，HOV） 、无人潜水器（Unmanned 1 上海市科技发展基金软科学研究项目国内外科技创新发展

3、态势跟踪研究 （项目编号：11692106700） 。 2 本文主要讨论民用的深海潜水器。 2 Underwater Vehicle，UUV）和其他深海勘查设备（如深海拖曳测绘系 统等）三类，其中无人潜水器（又称水下机器人）包括有缆遥控潜水 器 （Remotely Operated Vehicle， ROV） 和无缆自治潜水器 （Autonomous Underwater Vehicle，AUV）两种。随着全球各国对海洋经济及其权益 的日益重视，深海潜水器在实施海洋战略中的地位和作用不断凸显。 综合分析，当前该领域的发展呈现以下态势： 一、技术发展思路和理念加快调整一、技术发展思路和理念加快调

4、整 从技术角度来说，深海潜水器最为核心的是总体设计和集成问 题，其次是设备的加工制造。近年来，深海潜水器技术的发展理念和 思路正在加快调整变化： 一是设计理念由经验性设计逐步向多学科设计转变。一是设计理念由经验性设计逐步向多学科设计转变。总体而言， 20 世纪 80 年代研制的几台载人潜水器均是基于经验设计，而当前的 技术发展趋势则是基于多学科设计优化理论进行各系统和性能之间 的平衡。 我国“蛟龙号”载人潜水器研制时也主要采用基于经验的设计 方法，但也就基于多学科设计优化理论的设计方法作了探索。此外， 该领域也逐步引入了基于风险分析的设计理念，在美国的“新阿尔文” 项目上已经开始应用。 二是发

5、展路径从关注单个品种逐步向集成应用发展。二是发展路径从关注单个品种逐步向集成应用发展。 从目前技术 水平看来，三种深海潜水器各具特色，不能相互替代，大型深海作业 往往需要多种潜水器相互配合、优势互补。如先通过 AUV 进行大范 围的目标搜索，然后通过 HOV 进行短时间、小功率的作业，或者通 过 ROV 来进行长时间、大功率的作业。深海潜水与作业平台，包括 遥控潜水器、自治潜水器、载人潜水器及其组合和配套的作业工具， 是深海潜水器系统化集成应用的主要方式， 已成为国际深海潜水与作 业技术的发展趋势。当前，各国越来越重视集成化应用作业平台的研 3 发。美国一直着力打造包括载人潜水器在内的潜水器“

6、联队”，并开展 了集成化应用实践；日本旨在建立全系列不同深度的潜水器，由单纯 的载人潜水器发展成深海空间站（集成化平台） ，把载人潜水器和无 人潜水器的协同作业统一于一体。同时，新型深海潜水和作业平台不 断涌现，功能不断完善，性能不断提高，并获得广泛应用。如美国的 “海神”号，兼具 AUV 和 ROV 两种工作模式，实现复合型双功能。 三是动力系统逐步走向三是动力系统逐步走向“两高一低两高一低”。 动力系统中， 除了动力源 （电 池）以外，水下电机、高压海水泵、一体化推力器均是重要设备。对 于水下电机来说，发展方向是提高功率提高功率；而高压海水泵的主要发展方 向是提高流量提高流量，如果有大流量

7、的高压海水泵，则可以把纵倾调节用的 水银取消，甚至也不需要用固定压载，载人潜水器就可以在任何深度 实现均衡。对于一体化推力器来说，发展方向则是降低噪声降低噪声，目前我 国自行研制的一体化推力器的噪声水平已经明显低于美国 Technadyne 公司的产品。 二、载人球的研制成为载人潜水器的难点技术二、载人球的研制成为载人潜水器的难点技术 载人球的设计和制造是载人潜水器研制的难点与关键。 载人球需 要解决观察窗变形协调、疲劳载荷谱的确定、疲劳寿命可靠性分析等 技术难点，进行多目标优化设计。在满足安全性的前提下，载人球设 计优劣的评价主要是观察窗的数量和它们之间视野的覆盖程度。 目前 最先进的载人球

8、设计当数美国的“新阿尔文”号， 由 5 个观察窗提供较 多的视野覆盖面。载人球的制造有 3 种思路：无焊接、半球焊接和瓜 瓣焊接。无焊接工艺是利用铸造制成 2 个半球，然后机加工成型，再 采用螺栓连接，目前采用该技术的有俄罗斯的“和平”号。半球焊接工 艺采用大规格厚板直接冲压成型半球， 再采用电子束焊接 2 个半球赤 道环缝，如日本的“深海 6500”。瓜瓣焊接是将每个半球分为 7 瓣，每 4 个球瓣分别成型后，采用窄间隙焊接将 7 个瓣组焊成半球，再焊接两 个半球的赤道环缝，如中国的“蛟龙号”。 另外， 由于载人球的技术难度和研制成本较高， 载人潜水器还未 实现批量化生产， 如何大幅度降低成

9、本是影响载人潜水器产业化应用 的又一关键因素。 另外， 由于载人球的技术难度和研制成本较高， 载人潜水器还未 实现批量化生产， 如何大幅度降低成本是影响载人潜水器产业化应用 的又一关键因素。 三、新材料和能源动力是深海潜水器未来发展的关键技术三、新材料和能源动力是深海潜水器未来发展的关键技术 随着深海潜水器向更大深度和更多功能方向的发展， 新型材料和 大容量高性能动力是影响潜水器下潜深度和功能的主要因素， 将成为 未来深海潜水器发展的关键技术。 一是潜水器制造材料技术发展迅速。一是潜水器制造材料技术发展迅速。 深海潜水器研制中的材料技 术主要有球壳材料和浮力材料。随着深海潜水器下潜深度加大，制

10、造 球壳需要更加轻型的高强度抗压材料， 而为了使潜水器在深海中实现 均衡，需要更加低密度和吸水率的浮力材料。在球壳材料方面，钛合 金成为潜深超过 3000m 的潜水器的主要材料。从各国深海潜水器制 造用材来看，经历了从高强钢向钛合金的发展过程。钛合金断裂韧性 好、比强度高，非常适合用于 3000m 以上潜水器的制造。在浮力材 料方面，目前主要有两种：一种是玻璃微珠掺杂环氧树脂制成的有机 加工型浮力材料，这种能承受 7000m 高压的浮力材料的最低密度为 481kg/m。 另一种是陶瓷球， 其密度更小， 全海深的密度只有 340kg/m， 但目前只在无人潜水器上使用过。 二是新型能源技术应用逐步

11、扩展。二是新型能源技术应用逐步扩展。 大容量高性能动力技术是提高 深海潜水器航力、 航速和负载能力的关键， 包括闭式循环柴油机系统、 热气机动力系统和大容量高性能电池的研制等。 目前的研究重点在高 密度、更高效的新型能源和小型紧凑型热气机方面。一次电池、二次 电池、燃料电池、热机及核能源是未来发展的重点。其中，能量密度 5 高、 续航能力强的燃料电池已开始应用， 如德国的“深海”C、 美国的“海 马”和“曼塔”等均采用了燃料电池，最大续航力超过 500km，续航时 间超过 100h；开发利用太阳能是深海潜水器能源动力发展的新方向， 目前美国和俄罗斯联合开发了两艘太阳能 AUV 样机，已通过试验

12、运 行。 四、技术应用领域不断拓展四、技术应用领域不断拓展 当前，美国、日本、俄罗斯、法国、中国和印度等国均先后开展 了深海潜水器技术研发与制造，“阿尔文号”、“和平 1 号、和平 2 号”、 “鹦鹉螺号”、“蛟龙号”等产品相继问世，深海潜水器技术应用领域日 益广泛，在深海监测、海洋资源勘探与开发、海上救援和军事等方面 发挥越来越重要的作用。 一是无人潜水器实现产业化应用，需求稳步提高。一是无人潜水器实现产业化应用，需求稳步提高。 （1）有缆遥控 潜水器的开发和产业化应用最为广泛。ROV 的研制始于 20 世纪 50 年代，并在 70-80 年代开始产业化进程。在产品方面，目前全球 ROV 的

13、型号在 270 种以上，主要生产厂家有 100 多家，潜深超过 5000m 的 ROV 有 9 艘3，大于 3000m 的超过 30 艘，俄罗斯、挪威、新加坡、 巴西、 中国也都拥有 3000m 以上 ROV。 在应用方面， 目前有大约 1000 多个作业型 ROV 正在运行，在海洋救助与打捞、海洋石油开采、水 下施工、 海洋科研、 海底矿藏勘探、 远洋作业等方面发挥着重要作用。 （2）无缆自治潜水器（AUV）优势突出，需求稳步提高。AUV 是一 种适合于海底搜索、调查、识别和打捞的工具，具有安全（无人） 、 结构简单、尺寸小和成本低、活动范围大、潜水深、不怕缠绕、可进 入复杂结构中等优点。据

14、道格拉斯-韦斯特伍德公司统计，2010 年全 球 AUV 市场规模将超过 23 亿美元，其中成本较高的大型 AUV 是主 3 包括美国的“NEREUS” 、 “ATV” 、 “JASON” ，日本的“UROV 7K”和“KAIKO” （下潜深度超过 11000 米） ，加拿大的“ROPOS” ，法国的“Victor 6000” ，英国的“ISIS” ，德国的“KIEL” 。 6 导市场，小型 AUV 的销售潜力巨大。在市场需求的拉动下，AUV 成 为当前研究和投资的热点，技术水平发展迅速。 二是载人潜水器（二是载人潜水器（HOV）产品发展迅速。）产品发展迅速。由于在复杂恶劣的深 海环境里需要科

15、学家在现场的直接观察和操作， 因此载人潜水器是最 有效的深海勘测平台，被称为“海洋学研究领域的重要基石”。在无人 潜水器技术逐步成熟的背景下，HOV 成为深海潜水器研制的热点， 美国、法国、俄罗斯、日本和中国等纷纷研制成功能够深潜作业的 HOV 产品。其中，美国正积极开发下潜深度 6500m 的“新阿尔文号”； 法国的“鹦鹉螺号”作业水深达 6000m，已下潜 1700 次；俄罗斯研制 的“和平 1 号”、“和平 2 号”是世界上唯一一对可配合作业的载人潜水 器；日本“深海 6500”已调查水深达 6500m 的海洋斜坡及大断层；中 国船舶重工 702 所研制的 7000m “蛟龙号”， 是目

16、前世界下潜目标最深 的载人潜水器（表一） 。此外，印度于 2008 年提出由印度国家海洋研 究所牵头研制 4500m 载人潜水器。 表一表一 全球全球4500米以上载人潜水器（米以上载人潜水器（HOV）的对比情况）的对比情况 载人潜水器型号 （国家） 阿尔文号 （美国） 新阿尔文 号 （美国） 鹦鹉螺号 （法国） 和平1号、2号 （俄罗斯） 深海6500 （日本） 蛟龙号 （中国） 最大工作深度（m） 4500 6500 6000 6000 6500 7000 海洋覆盖范围 62% 99%以上98% 98% 99% 99.8% 平均每年下潜次数 180 - 100-115 20 60 - 可容纳观察员/驾驶员 2/1 2/1 1/2 2/1 1/2 3 水下作业时间（h） 4-5 约12 5 10-15 5 约12 有效载荷（kg） 205 205 200 25