海洋的诱惑

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1、海洋的诱惑人类今天正面临着人口、资源和环境三大难题。随着各国经济的飞速发展和世界人口的 不断增加，人类消耗的自然资源越来越多，陆地上的资源正在日益减少。为了生存和发展， 人们开始向海洋进军，向其他星球进军，海上石油的开采正是这一大进军的前哨战。海洋占地球表面积的71，它拥有14 亿立方公里的体积。在海底及海洋中，蕴藏着极 其丰富的生物资源及6000亿亿吨的矿产资源。海底锰的藏量是陆地的68 倍，铜的藏量为 22 倍，镍为274 倍，制造核弹的铀的储藏量高达40亿吨，是陆地上的2000倍。海洋还是 一个无比巨大的能源库，全世界海洋中储存着2800亿吨石油，近140 亿立方米的天然气。 因此，洋底

2、的探测和太空探测类似，同样具有极强的吸引力、挑战性。众所周知，海底世界不仅压力非常大，而且伸手不见五指，环境非常恶劣。不论是沉船 打捞、海上救生、光缆铺设，还是资源勘探和开采，一般的设备很难完成。于是人们将目光 集中到了机器人身上，希望通过机器人来解开大海之迷，为人类开拓更广阔的生存空间。历史性突破水下6000米无缆自治机器人1997年6月，在烟波浩渺的太平洋，中国的“大洋1 号”考察船停泊在夏威夷以东1000 海里的海面上，5000 吨的考察船就像一片树叶似地，时而被海浪推上波峰，时而又抛到波 谷。考察船上的人们忍受着摄氏40 度的高温，站在摇晃的甲板上俯视着海面，正在焦急地 等待着、寻找着

3、什么。“看！上来了”，有人喊道。顺着手指的方向人们看到了一个貌似鱼雷 的家伙浮出了水面，这正是人们急切盼望的“CR01” 6000底卫星”，标志着我国自治水下机器人的研制水平已跨入世界 “探索者号”水下1000 米机器人 领先行列。世界上第一台无人潜水器Poodle诞生于1953年，迄今已有45年的历史。最初的20多年发展缓慢。70 年代，随着海上石油开采的兴起，水下机器人的发展掀起了高潮。这一 时期开发出一批能在不同深度、可进行多种作业的机器人。它们可用于石油开采、海底矿藏 调查、打捞作业、管道铺设及检查、电缆铺设及检查、海上养殖以及江河水库大坝的检查等 方面。估计目前世界上已研制成的遥控水

4、下机器人(ROV)在1000台以上。中国机器人的发展起步较晚，它能有今天的成就与蒋新 松院士的杰出贡献是分不开的。 1980年他提出“结合中国国 情，把特殊环境下工作的机器人作为中国机器人技术发展的 突破口”的设想，并提出把“智能机器人在海洋中的应用”作为 研究重点，选择“海人 1 号”作为发展水下机器人的具体目标“探索者号”入海“海人 1 号”先后于1985及 1986 年获得首航及深潜试验的成功，技术上达到80年代世界同类产品的水平。1986 年 863 计划实施之前，我国研制的都是有缆遥控水下机器人，工作深度仅为300 米。在 863计划精心组织下，经过 6 年的艰苦努力研制出两台先进的

5、无缆水下机器人。 1994 年“探索者”号研制成功，它工作深度达到1000米，甩掉了与母船间联系的电缆，实现了从 有缆向无缆的飞跃。从 1992年6月起，与俄罗斯科学院海洋技术研究所合作，以我方为主， 开始研制 6000米无缆自治水下机器人。 1995年8月， CR-01 6000米无缆自治水下机器人 研制成功，使我国机器人的总体技术水平跻身于世界先进行列，成为世界上拥有潜深6000 米自治水下机器人的少数国家之一。沉入海底。水下6000 米无缆自治机器人在高压环境下，耐高水压的动态密封结构和技术也是水下机器人的一项关键技术。机器 人上的任何一个密封的电气设备、连接线缆和插件都不能有丝毫渗漏，

6、否则会导致整个部件 甚至整个电控系统的毁灭。水下6000 米机器人下海另外，由于无线电波在水中的衰减太快，所以在水中不能使用 无线电通信、无线电导航及无线电定位，目前在水中的唯一通信手 段是水声技术。但是在水中的声速还不及光速的二十万分之一，在 水中声信号的传输率极低，加上声波在水中的散射、传输的损耗以 及回波的干扰等，使水声设备的研制更加困难。当前水声通信的距 离仅有 10 公里。如何利用新的信息处理技术研制出精度更高、误 码率更低、作用距离更大的水声设备，是水下机器人研究的又一关 键技术。随着通信距离的增大，水下机器人应用的范围也将扩大。红外照相、遥感及远距离摄影等技术在陆地和空间已成功地

7、应用了，但由于光波在水中 的散射、损耗和吸收，它的传播距离大大缩短。目前最好的微光摄像机在最佳的水质中的视 距也不过十几米。怎样把水下机器人的“近视眼”变成“千里眼”，还有待水声设备及光学技术 的进一步发展。水的密度和粘滞度比空气高得多，海面的风浪涌变幻莫测，海底又是千山万 壑、暗流纵横的黑暗世界，机器人在这样复杂的环境中工作真是危机四伏。这使得机器人的 航行控制、自我保护、环境识别和建模比航天器更困难。水下机器人的回收至今仍是一个没有完全解决的问题，尤其是在深海区的回收更加艰 难。水的粘度比空气高，使得水下机器人能耗很大。特别是自治水下机器人（AUV），它既 不能采用太阳能电池，也没有脐带缆

8、不断地供电，只能靠自带的蓄电池，从而限制了它在水 下的工作时间。因此开发应用比能率高的新的能源，将是AUV向远程、大范围作业发展的 关键。CR-01水下机器人的本体长4.374 米,宽0.8 米,高0.93 米,它在空气中的重量为1305.15 公斤，它的最大潜深6000米，最大水下航速2节，续航能力10小时，定位精度1015米。 它是一套能按预订航线航行的无人无缆水下机器人系统，它可以在6000米水下进行摄像、 拍照、海底地势与剖面测量、海底沉物目标搜索和观察、水文物理测量和海底多金属结核丰 度测量，并能自动记录各种数据及其相应的坐标位置。CR-01 主要由载体系统、控制系统、水声系统及收放

9、系统四大部分组成。由于它艏部装 有垂直推进器和侧移推进器，因而机动性强，自动定向定深快、准、精，为声光探测系统在 深水中的稳定性和准确性创造了极其有利的条件。机器人装有长基线声学定位系统和GPS（卫星定位系统），因此系统本体在深水中的运动轨迹清晰，并可通过长基线定位系统对本 体实施8 道控制命令。系统本体所载传感器和探测系统齐全，可实时记录下温度、盐分、深 度等参数。机器人具有多CPU、多级递阶控制结构，能方便地修改及编入程序，可预编程 序航行，还可自动记录各种运动和功能及图像参数（黑匣子）。发生局部故障或丧失自航能 力时，它能自动抛载上浮至水面，且自动抛起应急无线电发射天线和亮起急救闪光灯。

10、机器 人还有独特的回收和释放本体的收放系统。CR-01 系统的研制成功，使我国具有了对除海沟以外海域进行详细探测的能力。 1991 年，中国大洋矿产资源研究开发协会被联合国批准为第五个深海采矿的先驱投资者，承担 30万平方公里洋底的探测任务，并最终拥有对矿产资源最丰富的7.5万平方公里海域的优先 开采权。CR-01为此提供了强有力的技术手段。继1995年8月CR-01在太平洋完成深海功 能试验之后， 1997年5月20日到6月27日，又进行了历时39天的工程化试验，对太平洋 底的多金属结核矿进行了调查。其中6月 1 0日在水下近1 0小时，海底工作时间6小时，进 行了照相、侧扫、浅剖、温盐测量

11、，对机器人进行了遥控，获得大量调查资料，圆满完成预 定任务。试验表明， CR-01 水下机器人的长基线声呐定位系统可报告机器人的深度、高度和航向； 机器人可根据水声信道发来的遥控命令上浮、下潜、左转、右转和结束使命等，实现了自治 水下机器人从预编程型向监控型的转变。水下6000米无缆自治机器人获国家科技进步一等奖，它的主要技术负责人封锡盛 副总师1999年当选为中国工程院院士。海上打捞1963 年，在西班牙东海岸地中海的海滩上，风景秀丽，气候宜人，游人漫步在明媚的 春光中。突然，天空中轰的一声，一颗巨大的火球从天而降。原来这一天驻欧美军举行空军 训练，一架KC-125空中加油机在给B52轰炸机

12、空中加油时，因摩擦生电引燃了机上的燃料， 两架飞机同时起火，飞行员紧急跳伞，飞机坠毁在海边附近。令人震惊的是，B52轰炸机 带有5颗氢弹，它们的威力相当于100万吨TNT炸药！载人潜水器这一消息激怒了西班牙的老百姓：“氢弹爆炸整个西班牙都要完蛋啦！” “叫他们马上把氢弹弄走！”五角大楼连夜召开紧急会议，然后指示驻欧海军部队立 即出动，千方百计找回丢失的氢弹。海军派出部队和各种舰 艇及蛙人进行搜索，费了九牛二虎之力，在一个村子附近的 海边找到了3 颗，在一片海滩中找到了第四颗，但就是找不 到第 5 颗。于是，人们议论纷纷：“苏联间谍穿了潜水服把它捞走啦！”“国际恐怖组织派蛙人偷走了！”“氢弹正在

13、嗒嗒响，随时都可能爆炸！”在万般无奈下，海军只好求助于刚刚制成的阿尔文号载人潜水器。阿尔文号看上去像艘微型潜水艇，但它前面装有一个长长的机械臂，并装备有各种传感器。阿尔文号慢慢地沉入漆黑的海底，它头部的探照灯照亮了前方几十米处的海水，由于潜 水器和探照灯都靠电池供电，它的工作时间受到限制，需要经常升出水面更换电池。经过十 几天紧张地搜索，终于在 850 米深的海底找到了最后一颗氢弹。可是氢弹降落伞的伞绳与海 底的水草紧紧缠绕在一起，无法把它解开，如果硬拉又怕引起爆炸。阿尔文号只好把氢弹周 围的情况拍摄下来，带回去研究对策。打捞指挥中心接到报告后，调来了名叫“科夫”的有缆遥控水下抢修车，这是一台

14、遥控水 下机器人，它长5 米，重1400公斤，身上装有4个浮筒，它还装备有摄像机和探照灯，以 及打捞和修理沉船用的巨大的机械手。科夫根据阿尔文号的情报找到了失落的氢弹，然后在 水面母舰的遥控下准确地测出了氢弹的位置，再用它的机械手牢牢地抓住它，稳稳地托着它 离开了海底，缓缓地升到了海面。氢弹终于被找回来了！科夫机器人立下了汗马功劳。以后， “科夫”被作了进一步的改进，制成多种用途的系列产品，用来回收鱼雷，打捞失事舰艇，安 装水声传感器等，直到80 年代末它才退役。参观“泰坦尼克号”1912年4月 15号，一场震惊世界的大惨案发生了，号称“不沉之船”的当时世界上最大 的豪华邮轮“泰坦尼克号”，在

15、其处女航中与冰山相撞，在距纽芬兰368 海里的地方沉入3797 米深的海底，1523名游客及海员遇难，705 人得救。70多年后的1985年9月1日，美国伍兹霍尔海洋研究所的罗伯特巴拉德博士和他的两 位同事来到了出事地点，希望能揭开泰坦尼克号沉没之迷。他们乘坐的阿尔文号潜水器重 13801公斤，最大潜水深度为4511米，最大下潜速度为1830米/分钟。阿尔文号带有一台 长约 0.71 米的有缆遥控机器人，名叫“小杰森”。“小杰森”装有一台高分辨率的摄像机和强大 的照明系统，他可以探测从前无法达到的大洋的最深处。这一天，阿尔文号花了两个多小时 下潜到海底，他们三人的眼睛都盯在监视器的荧光屏上。突

16、然，就像黑暗中的幽灵似的，泰 坦尼克号的一只巨大的锅炉出现在他们的眼前，这真是激动人心的发现！1986年7月，巴拉德博士的小组又回到了这个地方。7月 13日，阿尔文号用它的7盏 明亮的灯光照射着北大西洋黑暗的洋底，三位科学家在前进中搜索着，希望能找到可能就在 附近的巨大邮轮的蛛丝马迹，水母和鲨鱼不断从阿尔文号的窗口旁游过。猛然间就像做梦似的，泰坦尼克号的巨大船头隐隐呈现在黑暗之中。他们真幸运！七十 四年以来他们是首次见到这艘不幸沉船的人。巴拉德首先发现了覆盖着全船的尘迹，他们把 它叫着“锈粒”。在过去人们散步的船上走廊中，鼠尾鱼、海星及海蜇在漫游。 “小杰森”从楼 梯间折断的天窗里钻进沉船中。泰坦尼克号上的许多东西如吊灯及玻璃镶板仍然呆在原来的 位置上。 “小杰森”搜索了船头、船身、了望塔及驾驶台，它看到了由4个烟囱及玻璃拱顶留 下的大洞。当三位科学家看见船体的主要部分都覆盖着淤泥时