“海馬”號4500米級ROV系統(tǒng)研發(fā)歷程

連 璉，馬廈飛，陶 軍

（1. 上海交通大學海洋研究院，上海 200030；2. 上海交大?？?集團)有限公司，上海 200231；3. 廣州海洋地質調查局，廣州 510075）

0 引 言

深海潛水器技術與裝備作為海洋探查和資源開發(fā)利用不可或缺的手段，同時也是制約“開拓深海和大洋”的瓶頸，在一定程度上標志著國家海洋資源勘探開發(fā)甚至海洋權益維護能力和科技水平。發(fā)展該項技術不僅對國民經濟和社會發(fā)展以及國家軍事安全有極為重大的意義，還對未來的海洋空間利用、海洋旅游業(yè)、深海打撈、救生等有著不可估量的價值和戰(zhàn)略意義。與世界先進國家相比，目前我國的海洋裝備技術水平還存在著一定的差距，尤其是面向深海的裝備技術水平差距較大，諸多關鍵技術仍為少數發(fā)達國家所壟斷，嚴重制約了我國參與國際海洋競爭的能力。為此，《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020年）》在重點任務中提出“重點支持深（遠）海環(huán)境監(jiān)測、資源勘查技術與裝備，深海運載和作業(yè)技術與裝備成果的應用”，國家863計劃海洋技術領域于2008年年底啟動了重點項目“4500米級深海作業(yè)系統(tǒng)”，其主要裝備成果是4500m無人遙控潛水器（Remotely Operated Vehicle，ROV）。2009年，科技部、國家海洋局聯合發(fā)布了《國家深海高技術發(fā)展專項規(guī)劃（2009～2020）》，深海潛水器技術與裝備作為重大項目列入其中，“4500米級深海作業(yè)系統(tǒng)”重點項目作為該重大項目的主要任務之一，與 4500m載人潛水器（Human Occupied Vehicle，HOV）、4500m自治式潛水器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）共同構成4500m水深級的裝備體系，形成我國4500m水深級的綜合探查和作業(yè)能力。

1 “海馬”號作業(yè)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)構成

4500米級深海作業(yè)系統(tǒng)的主要裝備成果是“海馬”號4500m無人遙控潛水器（ROV）。ROV為無人、有纜系統(tǒng)，不同于載人潛水器，它通過臍帶纜與水面母船連接，臍帶纜擔負著傳輸能源和信息的使命，母船上的操作人員可以通過安裝在ROV上的攝像機實時觀察到海底狀況，并通過臍帶纜遙控操縱ROV及其機械手、配套的作業(yè)工具，從而實現水下作業(yè)。由于是無人有纜系統(tǒng)，ROV具有作業(yè)能力強、作業(yè)時間不受能源限制、無人員風險等優(yōu)點。因而成為水下作業(yè)、尤其是深海作業(yè)不可缺少的裝備。

“海馬”號4500m ROV 裝備有水下攝像／照相系統(tǒng)、聲納、作業(yè)工具、多功能機械手，并有可更換的、不同功能的水下作業(yè)底盤，除了具有水下攝像／照相、定位和取樣等功能外，還具有輔助海底觀測網布放維護的功能?！昂ｑR”號是我國首臺套國產化率達到90%的深海ROV系統(tǒng)，也是目前我國自主研制的工作水深和系統(tǒng)規(guī)模最大的ROV系統(tǒng)。

“海馬”號作業(yè)系統(tǒng)的主要構成（見圖1）：① 作業(yè)母船（海洋六號船）；②、③ “海馬”號ROV水面控制系統(tǒng)；④ 甲板吊放回收系統(tǒng)，包括移動絞車、臍帶纜和升沉補償裝置；⑤ A形架和止蕩器；⑥ “海馬”號ROV本體；⑦ 水下作業(yè)工具系列；⑧ 深海水下升降裝置。

“海馬”號ROV本體的基本構成如圖2所示，基本配置如表1所示。

圖1 “海馬”號作業(yè)系統(tǒng)的主要構成

圖2 “海馬”號ROV本體的基本構成

表1 “海馬”號ROV本體主要配置

1.2 “海馬”號研發(fā)及海試情況

為加強裝備開發(fā)的實用性，科技部創(chuàng)新了項目管理模式，實行業(yè)主制管理機制，由國土資源部作為項目組織實施部門，其所屬的廣州海洋地質調查局作為業(yè)主單位牽頭，上海交通大學作為項目的技術負責單位，聯合浙江大學、青島海洋化工研究院、同濟大學和哈爾濱工程大學等國內業(yè)界優(yōu)勢研發(fā)力量，組成了優(yōu)秀的協(xié)同創(chuàng)新研發(fā)團隊開展研發(fā)工作。經過6a的不懈努力，突破了核心技術受控國外、國內技術產業(yè)配套能力弱等不利因素，堅持潛心攻關、勇于探索、敢于創(chuàng)新的團隊精神，全面掌握了大深度無人遙控潛水器設計和研制、系統(tǒng)集成和聯調、深海無人遙控潛水器控制和監(jiān)測、遠程高壓電力傳輸與分配、長距離信息傳輸、在線絕緣檢測、大深度水下液壓動力源、推進與控制、大深度浮力材料制造、多功能作業(yè)機械手設計制造、大負荷升沉補償和大深度潛水器考核試驗等多項核心技術，實現了項目總體目標，使“海馬”號ROV整套裝備的國產化率達到90%，為我國無人遙控潛水器的國產化和產業(yè)化奠定了堅定基礎。

按照863計劃海上試驗有關規(guī)定和要求，“海馬”號ROV研發(fā)之初就明確研發(fā)完成的裝備不再按照以往科研項目以試驗樣機或原理樣機為驗收目標，而是在研發(fā)成果交付使用之前，整體研發(fā)系統(tǒng)必須經過一系列嚴格的海上試驗。為此，依托中國地質調查局海洋六號調查船，研發(fā)團隊在2014年2月和3月期間安排兩個海上考核試驗航段、4月安排一個海試驗收航段，圓滿完成了“海馬”號ROV所有91個技術考核項目的海上試驗和驗證，先后完成了17次海上試驗下潛任務，3次到達南海中央海盆最深處4502m水深的海底進行作業(yè)試驗。

按照海試大綱要求，廣州海洋地質調查局于4月15～22日安排“海馬”號ROV搭載海洋六號進行海上驗收試驗。4月17日，海洋六號航行到達“海馬”號ROV進行海上試驗的地點，距離廣州市623n mile，水深4502m，這里地處南海中央海盆盆地，之前廣州海洋地質調查局已對該區(qū)域開展了多波束海底測量，覆蓋面積100(km)2，平均水深4490m左右。按照項目合同書要求，符合“海馬”號ROV海上試驗的水深要求。這次試驗的主要任務是在4500m深海區(qū)對“海馬”號ROV與升降裝置進行聯合作業(yè)試驗，重點檢驗“海馬”號ROV 與升降裝置的最大作業(yè)水深，以及ROV在4500m水深下的定向、定高、定深航行能力，高精度水聲定位能力、觀測、通訊能力、海底作業(yè)能力、浮力材料性能等。

按照海試大綱，首先將搭載著海底取樣器、海底熱流探針、擴展纜模擬纜鼓和永久標志物等各項設備的升降裝置，通過船上的塔吊提前布放到測試的海底。升降裝置下潛到4502m海底。

4月18日，“海馬”號ROV第16次下潛，到達海底后按照水下定位給出的定位指示，依次進行了定向、定高、定深航行測試。通過聲納和水下攝像機尋找并靠近已布放于海底的升降裝置后“海馬”號ROV坐底。操作“海馬”號ROV上的7功能機械手穿插進行以下作業(yè)：1) 從采樣籃上取出熱流探針并兩次插到海底進行探測，作業(yè)完成后回收至采樣籃；2) 從采樣籃上取出海底地震儀進行海底布放，并回收海底地震儀至升降裝置；3) 從采樣籃上取出海底沉積物取樣器在海底進行取樣后并回收到采樣籃中；4) 從升降裝置上取出永久性標志物并布放到海底；5) 從升降裝置上將模擬的“黑匣子”裝置取回至采樣籃。操作“海馬”號ROV上的5功能機械手進行了模擬的纜鼓布放作業(yè)。作業(yè)任務完成后又對“海馬”號ROV進行了定高和定深測試，開展了海底攝像等作業(yè)，所有測試工作均正常。

試驗完成了“海馬”號ROV聯合作業(yè)試驗任務，下潛最大水深4502m，在海底進行了大量的機械手作業(yè)，取得了沉積物樣品，獲得了測試點的海底地熱數據。“海馬”號ROV 返回甲板后經潛后檢查表明：1) 浮力材料性能良好；2) 深度計、高度計、羅盤、聲吶、水下定位系統(tǒng)、溫鹽深測量系統(tǒng)及各耐壓結構完好，功能正常；3) 水下控制系統(tǒng)、“海馬”號ROV控制軟件、水面集中控制系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)正常；4) 母船支持系統(tǒng)、升沉補償裝置工作正常。海試結果表明“海馬”號ROV具有優(yōu)良的深海作業(yè)能力，達到了在4500米級深海海底作業(yè)的各項技術性能設計要求，通過了863計劃海洋技術領域辦公室組織的海上驗收，這標志著“海馬”號ROV海上試驗取得了圓滿成功。

4月19日，“海馬”號ROV又進行了第17次下潛，即試驗性應用下潛，最大作業(yè)水深4502m。“海馬”號ROV 到達海底后釋放自拍裝置（攝像機及其框架）；圍繞自拍裝置進行定高、定深運動和自拍錄像；測試5功能機械手，各動作正常；操作7功能機械手完成了熱流探針探測、自拍裝置回收等作業(yè)。整個試驗過程中“海馬”號ROV本體及各設備狀態(tài)良好，功能正常。

“海馬”號ROV成功研制是我國深海高技術發(fā)展進程中具有歷史性意義的標志性成果，將對我國深?？茖W研究、深海資源探查與開發(fā)起到推進作用，對我國海洋裝備戰(zhàn)略性新興產業(yè)的發(fā)展，尤其是深海大型ROV技術的工程化和產業(yè)化起到示范和輻射帶動作用，有望迅速轉化，成為深海調查的自主常規(guī)裝備。通過“海馬”號ROV的研制和海試，我國不僅全面掌握了大深度無人遙控潛水器設計建造和試驗應用方面的各項關鍵核心技術，而且實現了90%的國產化率，打破了國外技術壟斷，帶動了相關配套產業(yè)的進步，也使我國初步具備了無人遙控潛水器的產業(yè)化基礎。

2 “海馬”號ROV研發(fā)成功的啟示

1) 有效的組織實施模式，產學研用協(xié)同創(chuàng)新。本項目以國土資源部為組織實施部門，廣州海洋地質調查局為業(yè)主單位，海洋六號綜合科學考察船為作業(yè)母船，全力支撐協(xié)調上海交通大學為技術負責單位的科研團隊研發(fā)活動，構建了產學研用協(xié)同創(chuàng)新的組織實施和管理模式。項目始終與我國基礎性、公益性、戰(zhàn)略性資源調查需求密切結合，以直接服務于深海資源探查應用為目標，充分發(fā)揮產學研用相結合的作用，調動和協(xié)調相關資源，有力地保障了項目的順利實施。

2) 立足自主研發(fā)，開展國產化技術研究，全面掌握關鍵技術，實現“零的突破”。長期以來，我國海洋技術與裝備水平和國際先進水平存在著很大的差距，尤其是深海技術與裝備水平尚處于起步階段，關鍵技術受到國外壟斷。而美、日、法、俄等海洋技術先進國家已形成了集設計、制造、加工與應用等關鍵環(huán)節(jié)的產業(yè)鏈，技術水平與應用水平均非常成熟。因此，立足自主研發(fā)，攻克海洋技術裝備相關配套水平低的難點，全面開展深海潛水器國產化技術研究，是掌握關鍵技術的必由之路?！昂ｑR”號的研制與海試成功標志著我國已具備大深度無人遙控潛水器自主設計制造的能力，有望持續(xù)推出自主知識產權的深海探測裝備產品。

3) 形成了一支多學科交叉、研發(fā)與作業(yè)應用融合的團隊。在“海馬”號ROV的研制和海試過程中，研發(fā)團隊經過6a來長期協(xié)作創(chuàng)新，以及海上的聯合試驗應用，在“海馬”號ROV的研發(fā)與試驗過程中積累了豐富的實際經驗，同時業(yè)主單位的操作應用人員從項目伊始就參加了研發(fā)工作，對“海馬”號ROV的海試成功起到了關鍵作用。通過項目的實施，培養(yǎng)出了一支集總體技術、機電、控制、材料等多學科研發(fā)團隊及技術作業(yè)隊伍。

3 結 語

國產化率達到90%的“海馬”號ROV的成功研制使我國在大深度無人遙控潛水器領域實現了自主研發(fā)裝備“零的突破”，為我國形成4500米級深海作業(yè)能力奠定了基礎，也是繼“蛟龍”號之后我國海洋技術領域的又一個標志性成果，對我國深海大型ROV技術的工程化和產業(yè)化將起到示范性和輻射帶動作用。

深海ROV系統(tǒng)有著廣闊的應用前景，不僅是海洋探查和資源開發(fā)利用不可或缺的手段，同時也是應對海底突發(fā)性事件的必備技術手段。“海馬”號ROV系統(tǒng)不僅具有海底觀測、機械手作業(yè)等功能，還能通過靈活的功能擴展和改造以適應不同海底作業(yè)任務的要求，在未來我國深海作業(yè)領域將發(fā)揮重要的作用。