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我国潜水器的现状及发展前景
——以蛟龙号为例
关键词：蛟龙号 安全可靠 深海动力 水深通信 声纳 作业系统 信息自动化
摘要：潜水器是指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。本文以蛟龙号为例，阐述了我国潜水器现有的技术以及未来的发展前景。
潜水器在海洋调查研究中具有相当广泛的使用范围和能力,除了能直接进行某些水下工程、救捞作业之外,还能从事各种学科的海洋调查研究工作,如观察海中和海底生物,测绘海底地形地貌,采集海底底质和生物标本等。[1] 潜水器能最大限度地接近目标,可以获得更具体、更详尽、更精确的资料,完成水面船只无法胜任的调查研究任务。潜水器的应用还获得了一些近代海洋科学研究的重大发现。例如,美国在太平洋的加拉帕戈斯断层的2 0 00米深的海底,使用潜水器发现了从海底喷出的岩浆,并在这个海底火山口处发现了“温泉”和我们从未见过的生物。[2] 因此,近年来潜水器在海洋调查研究中的应用也在逐渐加强。
我国在这一方面也不甘落后，国家863计划重大专项之一就算蛟龙号载人潜水器得研制,其目标是建造出一台可以执行规定使命任务的产品。海上试验是载人潜水器重大专项的关键阶段,2009～2012年间分别完成了1000米、3000米、5000米7000米级的海上试验任务。内容包括海上试验的基本情况、海试取得的主要技术和应用成果、海试过程中发现的故障及处理情况。[3]
1潜水器现状
1.1.安全可靠性技术
“蛟龙”号载人潜水器最需要的是安全可靠性。在借鉴国外载人潜水器的成功经验基础上，通过采用“冗余设计”、“下得去，上得来”的设计理念，设计了一套完整的应急自救手段，包括可弃压载抛载机构、主蓄电池箱抛弃机构、纵倾调节水银的抛弃、机械手抛弃机构、压载水箱排水、应急浮标、采样篮抛弃装置等。[4]
1.2.高能量密度的深海动力技术
经过反复调研和技术论证，在 7000m载人潜水器上最终决定采用充油式银锌电池作为电源。为了减轻潜水器的重量，并且考虑到安全的因素，蛟龙号采用滤膜和气帽等创新技术，把银锌蓄电池采用充油的方式放在蓄电池箱内，通过反复的压力筒试验，使银锌蓄电池组的析气量最终小于 0.1ml/Ah，确保了蓄电池组在供电时不会产生大量氢气而导致危险，保证潜水器的安全。[5]
1.3.信息与自动化系统技术
在 7000m 载人潜水器研制过程中，蛟龙号强调了“人”即潜水器的驾驶员和乘员的因素，且在“机”的设计方面，强调了信息的综合集成和操作的自动化程度，尽量降低舱内驾驶员和乘员的工作量。同时也确保载人舱内的温度、湿度、舱压、氧浓度、二氧化碳浓度、噪声、有害气体等，载人舱外的海面、风、浪、流、深水压力、海底等环境信息的实时监测。采用了将人、机与整个客观环境联系在一起考虑的新理念，把人、机、环境看作是一个系统的 3 大要素，强调从全系统的整体性能出发，通过三者间的信息传递、加工和控制，形成一个相互关联的复杂系统，并贯穿于潜水器设计、研制、建造、使用的全过程中。[6]
1.4.高速水声通信技术
蛟龙号水声通信系统是综合性的通信系统, 采用了相干通信技术、非相干通信技术、扩频技术和单边带调制技术 4种通信制式, 支持多种类型信息的传输。[7] “蛟龙”号载人潜水器制定了处理算法。采用在混合激励线性预测算法基础上改进的算法，降低了编码后的数据率，并研究了一种鲁棒的图像压缩编码算法，对误码的敏感程度低，应用于水声通信并保证“蛟龙”号载人潜水器能够实时传输彩色电视图像和声学图像。[8]
1.5.高分辨率测深侧扫声纳技术
高分辨率测深侧扫声呐测量海底微地形地貌，避碰声呐测量各方位障碍物的距离，成像声呐探测前方的目标，声学多普勒测速仪测量潜水器的三维运动速度和下方的海流速度剖面，定位应答器确定潜水器的水下位置，实时绘制出现场的三维地图。通过良好的声学系统集成设计，整个声学系统协同工作。[9] “蛟龙号”通过对发射线形调频信号的处理、海底自动检测技术、多子阵高分辨率波束形成技术的研究，形成了一整套针对于高分辨率测深侧扫声纳的信号处理方法：多子阵海底自动检测——信号子空间的信号参数估计技术。这种处理方法能提高声纳的垂直与航迹的分辨率；使声纳能够自动判别目标数和判别海底；并且提高声纳的估计精度。[10]
1.6.大深度载人潜水器的生命支持技术
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。[11]在设计过程中始终遵循载体性能与作业要求一体化准则、技术先进性和工程实用性统一化准则、技术要素规范化准则以及结构分块化、功能模块化准则。
1.7.良好的作业系统
在“蛟龙”号潜水器上配置了一套功能强、机动性好的机械手和三大专用作业工具:沉积物取样器、热液取样器和钴结壳取芯器。机械手作为作业功能的主要承担者，是作业系统重要的组成部分。在“蛟龙”号潜器正前方的左右两侧各配置一只液压机械手。其中，置于潜水器右弦的作业机械手以灵巧精细作业为主，采用主从式位置闭环控制方式；而置于左弦的定位机械手特点为力臂大，采用速度开关控制方式。在工作时，两只机械手协同作业，并可配合专用作业工具，完成钴结壳的钻探取样，热液硫化物、悬浮生物及沉积物取样等工作。[12]
2.未来发展方向
潜水器研制水平，往往体现了一个国家的综合技术力量，二十一世纪是海洋的世纪，作为一个海洋大国，我们理应在深潜器研制、应用方面占据一席之地。自2011年深海潜水器技术与装备重大项目实施以来，“蛟龙”号载人深潜器成功完成5000-7000米海试并投入试验性应用，研制成功4500米深海作业系统以及突破4500米载人球壳关键技术等一系列重要研究成果，创造了世界同类作业型潜水器的最大下潜深度纪录。但是为了控制整个项目的研制进度，“蛟龙”号上大约有 40%的部件是委托国外加工或研制的，但为了确保今后的使用不受制于人，在研制过程中也同步安排重要设备的国产化研究，做到真正的自给自足！而且随着科技的发展，无缆水下机器人的设想已经逐渐形成，它可以在海洋科学考察和海洋工程项目支持保障方面发挥非常重要的作用，可以用于完成深海建模任务,即对全球范围海洋活动进行更广泛的三维观测，[13]我们可以朝着这个方向继续探索那片神秘的蓝色海洋！此外，为了节省能源，载人潜水器一般采用无动力上浮下潜的方式，与国外的螺旋形轨迹不同，“蛟龙”号载人潜水器是直上直下的稳定运动 [14]。如何分析潜水器在坐底时的受力状况，设计出合适的坐底支架是一个实用性的问题，对此我们也要做更深入的研究！[15]
参考文献：
[1]钱违。蛟龙号团队驶向深海[J]。中国新闻周刊，2011年，第4期：56-59 [2]郑金林。潜水器现状及发展[J]。海洋通报，1984,第3卷，第5期，91-94 [3]崔维成,刘峰,胡震，朱敏,郭威,刘诚刚。蛟龙号载人潜水器的 7000 米级海上试验[J]。船舶力学，2012年，第16卷，第10期，1132-1142 [4]刘峰,崔维成,李向阳。中国首台深海载人潜水器——蛟龙号[J]。中国科学：地球科学，第12期：102-104 [5]崔维成。“蛟龙”号载人潜水器关键技术研究与自主创新[J]。海洋工程，2012，第一期：1-8 [6]崔维成。“蛟龙”号载人潜水器关键技术研究与自主创新[J]。海洋工程，2012，第一期：1-8 [7]朱敏,张同伟 ,杨波,刘烨瑶,唐嘉陵。蛟龙号载人潜水器声学系统 [J]。科学通报，2014年，第59卷，第35期：3462-3470 [8]王明华，桑恩方，乔钢。高速水声通信中正交频分复用技术试验研究[J]。海洋工程，2006年，第4期,5-8 [9]刘川，周超，张斌键，王晶。透视蛟龙号 三大控制系统让蛟龙畅游海底[J]。创新科技，2012年第7期：46-47 [10]崔维成。“蛟龙”号载人潜水器关键技术研究与自主创新[J]。海洋工程，2012，第一期：1-8 [11]刘涛，王璇，王帅，王磊。深海载人潜水器发展现状及技术进展[J]。中国造船，2012年，第53卷，第3期：238-243
[12]刘涛，王璇，王帅，王磊。深海载人潜水器发展现状及技术进展[J]。中国造船，2012年，第53卷，第3期：233-237 [13] 刘永宽。未来十年全球无人无缆自主式潜水器的发展趋势[J]。机器人，1994年，第5卷，第3期:185-192 [14] Shen Mingxue, Liu Zhengyuan, Cui Weicheng.Simulation of the decent/ascent motion of a deep manned submersible[J].Journal of Ship Mechanics, 2008, 12(6): 886-893.[15]胡 勇，沈允生，谢俊元，等.深海载人潜水器的坐底分析[J].船舶力学，2008, 12(4): 642-648.
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