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1、海 洋 工 程 基 础论 文 潜水器机电学院 船舶131班二零一五年四月十日1.潜水器发展简史 概念 潜水器是具有水下观察和作业能力的活动深潜水装置，主要用来执行水下考察、海底勘探、海底开发和打捞、救生等任务，并可以作为潜水员活动的水下作业基地。又称深潜器、可潜器。研究背景 浩瀚的海洋占住了地球表面积的71%，深底丰富的石油蕴藏、堆积着无数的锰团以及其他资源吸引着一些工业发达国家竞相进行海洋开发事业。深潜技术是进行海洋开发的必要手段，它是由深潜器、工作母船(水面支援船)和陆上基地所组成的一个完整的系统，深潜器是其关键部份。此外，为了对深海失事潜艇实施营救，对深海沉船进行打捞以及深海考察，深潜侦
2、察等都需要具备深潜器。深潜器的建造难度较大，其电气化、自动化的程度较高。 每年都有数千名水手搭乘各型军用潜艇在海面下穿行；数千名商业潜水员在建设或维修海底输油管道、通信电缆和石油钻塔；数千名潜水爱好者以探寻海底奥秘为乐；数千名科研人员潜入深海进行科学研究，这一切活动都离不开潜水器。另外，还有许多海底机器人在人类无法承受的深度进行探险活动。美国政府每一年在太空研究方面的投入高达数十亿美元，而在深海研究方面则要少的多。其实深海探险和太空探险之间既存在着许多的相同点，同时也有一些明显的不同。人类探寻深海至少比探寻太空早一倍的时间，而且发展思路也大不相同。但是这些差别正逐渐变小，深海研究者和太空研究者
3、彼此越来越相像。更加重要的，深海探险现在能够对太空探险产生巨大影响。历史沿革 1928年，一位美国人，奥蒂斯巴顿发明并建造了第一艘球形深海探测装置。该装置通身都用钢铁建造，它可以从一艘水面船舶上通过连接的电缆下潜到海面之下。 1930年，巴顿和另一名博物学家威廉.彼博一起乘坐这个球形装置下潜到了距海面245米的深度；1932年，他们又下潜到了923米的深度这一纪录直到15年之后才被打破。后来彼博写了一本书1/2英里之下，他在书中详细描绘了所见到的奇异的海底生物。这些生物听起来就像是从外星来的，因此很多人怀疑彼博是在撒谎。 1945年瑞士探险家奥古斯特.皮卡德发明了深海潜水器。该潜水器在巴顿的球
4、形深海探测装置上加装了升力和推进装置，看起来比较像一艘粗笨的深海潜艇。皮卡德在对部分设计进行了一些改进之后，建造了第二艘潜水器并命名为“迪里亚斯特”号。 1960年，皮卡德的儿子雅科斯和美国海军上尉唐.沃尔什搭乘“迪里亚斯特”号下潜到了马里亚纳海沟的深处，距海面10916米（35813英尺）。 1964年深潜器“艾尔文”号搭乘3名研究人员，下潜到水下4500米（14764英尺）的深度。在将近40年的服役生涯中，“艾尔文”号一共有4000多次深潜经历。它找到了美军丢失的氢弹，勘测过海底火山口。另外，它还是第一艘到访过泰坦尼克号沉船的载人潜水器。1968年美国建造了6000米潜深的载人潜水器“海涯
5、”号，重26吨。 法国在1985年研制成工作水深为6000米的“鹦鹉螺”号载人潜水器，重量为18.5吨，可载3人，水下作业时间为5小时。 1989年日本建了潜深为6500米的“深海6500”载人潜水器，重量为26吨。 苏联和芬兰于1987年联合研制了两艘6000米载人潜水器“和平1”和“和平2”号。2007年8月2日由两艘和平号载人潜水器联合完成的俄罗斯“北极一2007”海洋科学考察，使得这两艘载人潜水器再次引起世人瞩目，并由此正式引发了国际社会在北极的利益之争。 蛟龙号载人潜水器是一艘由我国自行设计、自主集成研制的载人潜水器，2002年开始研制，2009年研制成功，2012年6月27日，下潜
6、深度到达7062.68米。2.潜水器结构特点与分类潜水器分类（1）按照控制方式分类：ROV-Remotely Operated Vehicle遥控式潜水器（手操控制）UUV-Unmanned Underwater Vehicle无人无缆潜水器（半自主式或预编程控制）AUV-Autonomous Underwater Vehicle自主式或智能潜水器（全自主式或智能式控制）（2） 按航行方式分类自由航行式拖曳式海底爬行式（3） 按结构形式分类流线式开架式常见型号1.先进海豹输送系统先进海豹输送系统（ASDS）可以安装在一个履带式拖上在陆地上运输或者通过C-5或者C-17飞机进行空运。2003年，
7、先进海豹输送系统“ Hull 1”在夏威夷的珍珠港服役，开始至少6个月的部署。 2005年底，由于技术问题，原定接下来的测试和评估被推迟了。2005年11月，一直强调特种作战潜水器的重要需求的美国特种作战司令部，调整了先进海豚输送系统计划。调整的内容包括：取消了原定对先进海豹输送系统“Hulls 2”和“Hull 3”的资金投入，以主要财力和人力来提高先进海豹输送系统“Hulls 1”的可靠性;将计划用于未来Hulls上的改进用在先进海豹输送系统“Hull 1”上。先进海豹输送系统的可靠性小组将确定进一步的项目建议。现有的预算能够有效运作“Hull 1”型一直到2011年。排水量：60吨长度：
8、65英尺速度：超过5节航程：100海里作战深度：200英尺乘员：2名建造商：诺思罗普格鲁曼海上系统2.海豹输送艇概述：Mk8 Mod 1 海豹输送艇是一种有人操作的潜水艇用来输送海军的海豹突击队员和他们的装备到达任务区域。艇员使用水面呼吸装置维持生命、操作水中的海豹输送艇，并为其导航。这种海豹输送艇由位于佛罗里达州巴拿马城的海军水面战中心研制而成，电池驱动，装备有推进器、导航设备、通信设备和生命支援设备。它可以将几名全副武装的海豹突击队员输送至任务区域，并驻留以接回海豹队员，保持下潜的同时撤退。Mk8 Mod 1海豹输送艇在1996年交付海军特种作战部队，在航程、航速、容量和可维护性方面都在原
9、来的作战型海豹输送艇有了很大提高。对所有海豹输送艇的现代化改进于2006年9月完成，改进的项目包括改进潜水者的通信特别是卫星通信能力、减少获得全球定位系统信号的时间以及安装了一台使用Windows操作系统的计算机。3.NR-1 深潜器概述：NR-1是第一艘核动力深潜器，1969年在康涅狄格州格罗顿下水。这种海洋工程和研究潜水器，由4个糟管推力器（2个在前、2个在后），以及2个电动推进器。NR-1主要执行水下搜索和回收以及海洋研究任务，安装和维护水下装备，能够下潜超过半英里。它的特征包括： 可扩展的底部轮子，3个观察窗， 外部照明灯、电视摄像机(用于彩色图像研究), 1个目标回收手，1个与各种工
10、具相匹配的操作器，以及1个可以和操作器结合使用来在海中放置和回收物体的“工作篮” 。 水面观察是通过一个永久安装在它的上部区域的桅杆上的1台电视潜望镜来实现的。NR-1装备有先进的电子和计算机系统，可以帮助导航、通信、物体定位和识别。它可以机动、停留或接近海床或者水下山脉，在一个相当远的距离上进行探测、识别物体，并从海底运输和回收物体。NR-1可以4节航速长时间在水下潜行，航程和续航力主要受其补给的限制。它可以研究和测绘海洋底部、搜集温度、水流和其它用军事、商业和科学用途的数据。核动力推进可以使该潜水器独立于水面支援舰艇之外，具有无限的续航力。NR-1通常是由一艘伴随水面支援舰拖曳着往返于遥远
11、的任务位置。这艘舰是潜水支援舰（SSV）Carolyn Chouest 号，它还可以和潜艇一起进行研究。排水量：400吨艇长：150 英尺机宽： 12.5 英尺作战深度：最大3000 英尺时速： 4 节动力装置：1座核反应堆，1台涡轮发电机，2台推进电动机(外部)， 2台推进器，4台糟管推力器 (2前2后， X模式)艇员：11名艇员，2名科学家武备：无建造商：康涅狄格州 格罗顿 Electric Boat公司4.深潜救生艇概述：深潜救生艇对美国海军或者外国海军的下潜的，失去行动能力的潜艇进行救援。深潜救生艇的发展源于一艘核动力潜艇的失事1963年核动力攻击潜艇“长尾鳖”号。深潜救生艇设计用来在
12、潜艇失事中快速部署，可以由卡车、飞机或者舰船运输，也可以特别配置在称之为“潜艇母艇”的攻击型潜艇中。深潜救生艇工作于失事地点，有一艘“母舰”或“母艇”伴随。深潜救生艇下潜之后，进行一个声纳搜索，将自己和失事潜艇的舱口对接上。深潜救生艇可以派出24人进行救援，并轮换操作，现在只有1艘“神秘”号在役，“阿瓦朗”号于2000年退役。排水量：40.3吨艇长：50.3 英尺机宽：8 英尺时速：4 节作战深度：最大5000 英尺动力装置：推进电机，银/锌电池，1具导管螺旋桨，15轴马力，4个助推器，7.5马力武备：无艇员：2名驾驶人员，2名救援人员，24名乘员空间建造商：加利福尼亚州桑尼维尔 洛克希德 导
13、弹&航天部极限深度记录普通人徒手潜水深度：约10米人类徒手潜水纪录：116米美国俄亥俄级核潜艇：240米人类借助水下呼吸器潜水纪录：305米俄罗斯台风级核潜艇：400米美国海狼级核潜艇：600米美国阿尔文深潜器：4500米法国鹦鹉螺深潜器、俄罗斯和平一号深潜器：6000米日本深海6500深潜器：6500米中国蛟龙号深潜器：7000米(设计最大深度)潜水器结构组成 典型的潜水器是由水面设备（包括操纵控制台、电缆绞车、吊放设备、供电系统等）和水下设备（包括中继器和潜水器本体）组成。潜水器本体在水下靠推进器运动，本体上装有观测设备（摄像机、照相机、照明灯等）和作业设备（机械手、切割器、清洗器等）。潜
14、水器的水下运动和作业，是由操作员在水面母舰上控制和监视。靠电缆向本体提供动力和交换信息。中继器可减少电缆对本体运动的干扰。新型潜水器从简单的遥控式向监控式发展，即由母舰计算机和潜水器本体计算机实行递阶控制，它能对观测信息进行加工，建立环境和内部状态模型。操作人员通过人机交互系统以面向过程的抽象符号或语言下达命令，并接受经计算机加工处理的信息，对潜水器的运行和动作过程进行监视并排除故障。近年来开始研制智能水下机器人系统。操作人员仅下达总任务，机器人就能根据识别和分析环境，自动规划行动、回避障碍、自主地完成指定任务。中国蛟龙号载人潜水器操控系统主要控制系统即中国“龙脑”，相当于“蛟龙号”的神经系统
15、，每条神经末梢都连着其他的系统，“蛟龙号”在海底的每一个动作都必须得到“大脑”的“命令”。中国“龙脑”，由中科院沈阳自动化研究所自主研制，流着纯正的“中国血统”，是颗睿智的“龙脑”，它的创造者既有院士，也有工人，既有70后，也有50后老教授。航行控制系统是中国“龙脑”的核心，具备自动定向、定深、定高以及悬停定位功能，使“蛟龙号”能全自动航行，免去潜航员长时间驾驶之累。综合显控系统相当于“仪表盘”，能够分析水面母船传来的信息，显示出“蛟龙”和母船的位置以及潜水器各系统的运行状态，实现母船与“蛟龙”间的互动。水面监控系统显示母船信息与“蛟龙”信息的集合，使指挥员能对母船的位置和“蛟龙”的位置进行正确判断，进而做出相应调整，保证“蛟龙”安全回家。数据分析平台可以对综合显控系统所采集的数据如深度、温度及报警信息等进行分析，使之自动生成图形。这一平台还可查看历次下潜的时间、地点以及潜航员的操作流程。半物理仿真平台主要用途是验证“蛟龙”控制系统设计的准确性。科研人员通过输入相关参数，模拟水下环境，测试控制系统运行状况，可以节约人力、物力，降低风险缩短研制周期
