《深海载人潜水器发展现状及技术进展》由会员分享，可在线阅读，更多相关《深海载人潜水器发展现状及技术进展（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、深海载人潜水器发展现状及技术进展摘 要本文对国内外深海载人潜水器装备的发展现状进行了综述，介绍了我国“蛟龙”号载人潜水器研制的基本情况。在此基础上，对国内外深海载人潜水器装备的特点进行了总结，并讨论了深海潜水器装备的最新技术进展。关 键 词：深海；载人潜水器；无人潜水器；技术进展The Current Status and Technical Developm ent of Deep Sea Manned SubmersibleAbstractThe current status of manned submersible in China and abroad is described in
2、 the paperAnd the basic information of“Jiao Long”deep manned submersible is presentedBased on these, the characteristics of deep sea manned submersible are summarizedFinally,the new technical developments of deep sea submersible are elaboratedKey words：deep sea；manned submersible；unmanned submersibl
3、e；technical development0 引 言海洋和人类生活息息相关。进入二十一世纪以来，世界各国都在大力开展探索海洋、开发海洋资源的活动。深海潜水器是进入深海的不可或缺的重要运载作业装备。目前，深海潜水器主要分为载人深潜器（HOV）和无人深潜器（UUV） 。其中，无人潜水器（UUV）又分为缆控无人深潜器（ROV ）和无缆自治深潜器（AUV ） 。载人潜水器（简称 HOV） ，可以携带海洋科学家进入海洋深处，在海底现场直接观察、分析和评估，还可操作机械手实现高效作业。无人缆控深潜器（简称 ROV） ，可以由甲板控制人员通过遥控机械手和电视，进行长时间、大功率的水下作业。无人无缆自治深
4、潜器，又称自治水下机器人（简称 AUV） ，可以水下预编程航行，特别适用于区域性详细勘查 1。根据目前的技术水平，三种不同的潜水器各有使命，互为补充。AUV 可实施长距离、大范围的搜索和探测，不受海面风浪的影响；ROV 可将人的眼睛和手“延伸”到 ROV 所到之处，信息传输实时、可以长时间在水下定点作业；HOV 可以使人亲临现场进行观察和作业。在无人潜水器迅猛发展的今日，载人潜水器的发展仍然受到发达国家的高度重视，被称为“海洋学研究领域的重要基石”23。1 国外载人潜水器发展概况对海洋世界的好奇心促使人类很早就开始研制潜水器。大约公元前四世纪， 亚里斯多德（Aristotle）曾记载过一种供潜
5、水员采集海绵的小型 “潜水钟” 。该装置犹如倒置的茶杯，潜水员不必露出水面，只需将头伸到潜水钟内部即可换气。由于技术水平的限制，该潜水器仅可供潜水员在 230300m 范围进行采集活动4。第一艘真正意义的载人深海潜水器为“曲斯特 1”号。1960 年 1 月 23 日，美国人唐华尔什和深潜器发明者的儿子丁皮卡特乘坐“曲斯特 1”号，在太平洋马里亚纳海沟下潜达到深度为 10 916m（海沟最深点为 11 034m） ，创造了人类下潜最深海沟的历史5。但由于该潜水器无航行和作业能力，极大限制了它的使用性能，而且潜器采用汽油作为浮力舱，体积较大，其建造与运输均不方便。因此，此类深潜器后续未得到进一步
6、发展。如果说“曲斯特 I”号的出现仅仅是破了一个记录， “阿尔文（Alvin） ”号则真正开创了人类探测海洋资源的历史。 “阿尔文”号为美国 1964 年建造，其工作深度为 1 829m。1974年经过改装后，工作深度达到 4 500m，可搭载三名人员，水下工作时间为 68h6 。作为国际上使用效率最高的载人潜水器， “阿尔文”号进行过很多颇具影响的作业。如 1966 年初， “阿尔文”号和另一台遥控潜水器一起打捞起掉落在地中海的一颗氢弹；1977 年， “阿尔文”号在将近 2500m 深处的加拉帕戈斯（Galapagos）断裂带首次发现海底热液和其中的生物群落。两年后， “阿尔文”号在东太平
7、洋洋中脊发现第一个高温黑烟囱。20 世纪 80 年代， “阿尔文”号又成功地参与了对泰坦尼克号沉船的搜寻和考察。至今“阿尔文”号已累计完成 5 000 次以上的下潜作业，为深海研究工作作出了巨大贡献。除美国外，世界其他国家在载人潜水器方面也有大的发展。法国 1985 年研制成的“鹦鹉螺（Nautile ） ”号潜水器最大下潜深度可达 6000m，累计下潜了 1 500 多次，完成过多金属结合区域、深海海底生态等调查，以及沉船、有害废料等搜索任务7。俄罗斯是目前世界上拥有载人潜水器最多的国家，比较著名的有 1987 年建成的“和平I（MIR-I ） ”号和“和平 II（MIR-II） ”号两艘
8、6 000 米级潜水器 8。它带有 12 套检测深海环境参数和海底地貌设备。该潜器最大的特点是能源充足，可在水下停留 17-20h， 泰坦尼克电影中很多镜头就是“和平 I”号和“和平 II”号探测获得的。2011 年他们又开发了两条 6 000 米级的载人潜水器 “罗斯（RuS） ”号和“孔苏尔（CONSUL ） ”号交付俄海军使用。日本在 1989 年建成了下潜深度为 6500m 的“深海 6500（Shinkai6500） ”潜水器，水下作业时间达 8h，曾下潜到 6 527m 深的海底，创造了载人潜水器深潜的纪录9。它已对6500m 深的海洋斜坡和大断层进行了调查，并对地震、海啸等进行了
9、研究，已经下潜 1 000 多次。2“蛟龙”号载人潜水器研制基本情况2002 年 “蛟龙号载人潜水器”项目立项之初，我国载人深潜技术的基础水平仅有数百米；而此时国外深潜器技术已达到数千米。为了满足我国海洋开发及大洋矿产资源调查的需要，特别是勘查锰结核、富钴结壳、热液硫化物和深海生物等资源的计划目标及要求，使我国深海运载技术进入世界先进行列，国家科技部在“十五”期间立项支持“蛟龙”号载人潜水器项目。21 任务使命与主要技术指标“蛟龙”号载人潜水器的任务使命是能在水深不超过 7 O00m 以内的海域完成以下任务：（1 ）运载科学家和工程技术专家进入深海，在海山、洋脊、盆地和热液喷口等复杂海底地形进
10、行机动、悬停、正确就位和定点坐坡，有效执行海洋地质、海洋地球物理、海洋地球化学、海洋地球环境和海洋生物等科学考察任务。（2 ）实施对钻结壳的勘查，测量钴结壳矿床的覆盖率和厚度，并能利用潜钻进行钻取芯样作业；进行热液喷口的温度测量，采集热液喷口周围的水样，并能保真储存样本。（3 ）有效完成上述环境内对沉积物、浮游生物、吸附在岩石上的生物和微生物的定点采样。（4 ）执行水下设备定点布放（包括换能器、声信标及采样器等） 、海底电缆和管道的检测，完成其他深海探询及打捞等各种高难度作业。“蛟龙”号载人潜水器必须满足在 4 级海况下进行水下作业、在 5 级海况下进行回收的技术要求。该潜水器长 8 4m、高
11、 34m、宽 3m，用钛合金材料制成，空气质量约22t：载人球壳直径为 21m，可容纳 3 名载员，一名操作员，两名科学家1011。由于运用了当前世界上的高新技术，该潜器实现了载体性能和作业要求的一体化，并具有 7 O00m 的最大工作深度和悬停定位能力，可到达世界 998 的洋底。各国载人深潜器的技术指标与性能参数如表 1 所示。表 1 载人深潜器的技术指标与性能参数名称 Alvin Nautile Shinkai6500 Mir1/Mir2 蛟龙国家 美国 法国 日本 俄罗斯 中国研究机构 WHOI IFREMER Research LabJAMSTEC 苏联/芬兰联合研制大洋协会状态 工
12、作中 工作中 工作中 工作中 开发中深度/m 4500 6000 6500 6000 7000观察员/驾驶员人数2/1 1/2 1/2 2/1 2/1总长/m 7.1 8.0 8.2 7.8 8.2总高/m 3.7 3.81 3.45 3.0 3.4宽度/m 2.6 2.7 3.6 3.8 3.0质量/t 17 18.5 25.2 18.6 22耐压壳材料 钛合金 钛合金 钛合金 镍钢 钛合金内直径/m 1.98 2.1 2.0 2.1 2.1观测窗直径/mm 1127212711202120112021201200212012002120生命支持时间/h 72 143 128 82 84最大
13、速度/kn 2 2.5 2.5 5.0 2.5有效载荷/kg 205 200 200 290 220电池/能量（kwh ）Lead-acid/57.6Lead-acid/50Silver-zinc/86.4Ni-Cd/100 Silver-zinc/110水下工作时间/h 45 45 4 1710 12作业起始年份 1964 1985 1989 1987 2008每年潜水次数 110150 100115 60 2022 系统组成“蛟龙”号是我国自行设计、自主集成研制的深海载人潜水器，具有四大功能特点：载人潜水器最大的工作深度达 7000m；针对作业目标有稳定悬停就位的能力；具有实时高速传输图像
14、和语音及探测海底小目标的能力；配备多种高性能作业工具，包括潜钻取芯器、沉积物取样器和具有保压能力的热液取样器。为了满足上述要求，将潜水器分为 12 个大系统。下面将针对其中几个主要系统进行简要介绍。（1 ）结构系统结构系统按承载方式可分为耐压结构和非耐压结构。耐压结构提供密闭常压腔体， “蛟龙”号的关键部件为乘员和仪器设备提供常压环境的载人舱。该载人舱(球) 内径为 2.1m，其壳体材料采用高强度钛合金。在“蛟龙”号上配有三个观察窗，其中，主观察窗（位于潜器艏部中心线处）透光直径为 200mm，两个侧观察窗透光直径为 120mm，材料为透明聚丙酸脂。此外，耐压结构还包括 5 只小直径耐压罐、一
15、只可调压载水舱和一只高压气罐等1214。非耐压结构由框架结构和外部结构组成。框架结构为潜水器内部各类耐压结构和仪器设备等提供安装基础，又为外部结构中的浮力块、轻外壳、稳定翼和外部设备提供支撑，而且还是潜水器吊放、回收、母船系固和坐底时的主要承载结构，是各类设备总装集成的载体。外部结构主要有浮力块、轻外壳、稳定翼等。浮力块为潜水器提供水下浮力，同时也构成潜水器的外部线型。轻外壳提供部分流线型的外形，保护内部设备免受外物碰撞。稳定翼用于提高潜水器的稳定性和水动力性能1516。（2 ）生命支持系统载人潜水器的生命支持系统通过控制载人耐压舱中的氧气浓度，吸收二氧化碳，创造一个适合乘员工作的生存环境。它
16、包括正常工作生命支持、应急状态开放式生命支持、应急状态口鼻面罩式生命支持、生命支持系统监控面板 4 个部分。 “蛟龙”号深潜器的生命支持总时问为 3 人84 小时，其中，正常开放式为 3 人12 小时，应急开放式为 3 人 x60 小时，应急口鼻面罩式为 3 人 12 小时。舱内氧浓度控制范围为 1723，正常工作状态下二氧化碳浓度控制范围0 5。（3 ）潜浮与应急抛载系统及应急安全措施潜浮与应急抛载系统为潜器在正常状态和应急状态下实现下潜和上浮的系统，即潜器“下得来，上得去”设计理念的执行者，其重要性不言而喻。在“蛟龙”号潜水器中，正常状态下的潜浮由可弃压载抛弃装置实现，而应急状态下有五大措施实现上浮。为了节省能源，大深度载人潜水器一般采用抛载固体的方式实现下潜、上浮，也就是所谓“无动力下潜、上浮运动” 。在“蛟龙”号载人潜水器中，由可弃压载装置抛载经设计计算过的压载铁来实现。考虑到安全可靠性，在装置设计中引入“冗余
