我國與美國潛水器的發(fā)展和對比

杜志元 楊磊 陳云賽 劉坤 劉保華 王金

摘要：為加快我國潛水器的發(fā)展尤其是業(yè)務化應用，保障我國深海大洋科考工作的順利開展，文章梳理美國伍茲霍爾海洋研究所和我國主要潛水器的技術指標和應用情況，并通過對比提出我國的優(yōu)勢和不足。研究結果表明：載人潛水器方面，我國“蛟龍”號在平均下潛深度的關鍵指標上領先于美國“Alvin”號，但由于發(fā)展較晚，在下潛次數(shù)等方面遠遠落后;無人有纜式潛水器方面，我國“海龍”系列正處于作業(yè)磨合期，在最大水下航速方面與美國“Jason”號差距較大;無人自治式潛水器方面，我國“潛龍”系列與美國“Sentry”號和“REMUS”系列差距不大，但在小型潛水器協(xié)同化作業(yè)和系列化生產(chǎn)等方面存在不足;復合型潛水器方面，我國“海龍11000”號與美國“NEREUS”號和“NUI”號差距不大，但應提升載荷和冰下作業(yè)能力;水下滑翔機方面，我國“海翼”號與美國“Spray”號和“Slocum”號差距不大，且即將業(yè)務化應用;我國應通過完善海洋技術裝備運行機制和積極開展海上科考航次任務，不斷積累潛水器作業(yè)經(jīng)驗。

關鍵詞：大洋科考;載人潛水器;無人潛水器;下潛深度;海洋技術裝備

中圖分類號：P742文獻標志碼：A文章編號：1005-9857（2019）10-0055-06

The Development and Comparation of the Scientific Deepsea Submersibles between China and the United States

DU Zhiyuan1，YANG Lei1，CHEN Yunsai1，LIU Kun1，LIU Baohua1，WANG Jin2

（1National Deep Sea Center，Qingdao 266061，China;2Qingdao Teltel New Energy Technology Co.，Ltd.，Qingdao 266000，China）

Abstract：In order to speed up the development， especially the bussiness application of China′s submersibles， to ensure the development of China′s deepsea scientific research work， the current deepsea submersible of Woodshole Institute of Oceanography was taken as the research object， and the technical development and application status of deepsea research submersible in China and the United States were compared and analyzed in this paper. The research results show that：in terms of manned submersibles， China′s “Jiaolong” is ahead of the US “Alvin” in the key indicators of the average dive depth， but due to late development， it is far behind in terms of the number of dive. In terms of cable submersibles， China′s “Hailong” series are in the runningin period， and the gap of maximum underwater speed with the US “Jason” is large. In the case of unmanned autonomous submersibles， there is not much difference between China′s “Qianlong” series and the United States “REMUS” series， but there are shortcomings in the cooperative operation and serial production of small submersibles. In terms of composite submersibles， the gap between China′s “Hailong 11000” and the US “NEREUS” and “NUI” is not large， but the load and the ability to work under the ice should be improved. In terms of the water glider， the gap between China′s “Sea Wing” and the US “Spray” and “Slocum” is not large， and it will be bussiness applied soon. By the way， through the improvement of the operational mechanism of marine technology equipment and the active development of maritime scientific research voyage missions， the experience of submersible operations should be continuously accumulated.

Key words：Ocean scientific survey，Humanoccupied vehicles，Unmanned underwater vehicle，Submergence depth，Marine technical equipment

0引言

海洋為人類提供豐富的生物、天然氣、石油和礦產(chǎn)等資源。潛水器是水下科考儀器設備的重要載體，在維護國家海洋權益、開發(fā)利用海洋資源、保護海洋生態(tài)環(huán)境和謀求海洋發(fā)展空間等方面發(fā)揮十分重要的作用?？梢哉f，國家的潛水器裝備技術水平代表其在海洋領域的發(fā)展程度和綜合實力[1]。

與常規(guī)的船載海洋裝備不同，潛水器具有水下移動能力，可搭載多種儀器設備開展水下探測和采樣，也可載人完成特定的水下作業(yè)，用途廣泛。潛水器可分為載人潛水器（HOV）和無人潛水器（UUV），其中無人潛水器又可分為無人有纜式潛水器（ROV）[2]、無人自治式潛水器（AUV）[3]和水下滑翔機[4]等。

美國伍茲霍爾海洋研究所（WHOI）成立于1930年，聚集和培養(yǎng)全球最優(yōu)秀的海洋科研和技術人員，海洋裝備技術水平全球領先，擁有種類最全和性能最好的潛水器以及較為完善和高效的潛水器運行管理制度。本研究梳理WHOI和我國主要潛水器的技術指標和應用情況，并通過對比提出我國的優(yōu)勢和不足，為我國潛水器的發(fā)展尤其是業(yè)務化應用提供參考。

1載人潛水器

11美國“Alvin”號

“Alvin”號[5]建造于1964年，是全球最早建造的載人潛水器之一。其初始設計下潛深度為1 829 m，1974年完成第一次技術升級改造后的設計下潛深度為4 500 m;可搭載2名科學家和1名潛航員，到達全球約63%的海底，每次下潛時間為6～8 h，主要應用于海洋生物采樣和地質(zhì)研究。

作為全球應用效率最高的載人潛水器，“Alvin”號完成的作業(yè)任務頗具影響、貢獻卓越：1966 年初與另一臺遙控潛水器共同在地中海海域成功打撈美國海軍掉落的1顆氫彈;1977年在深度近2 500 m的加拉帕戈斯斷裂帶首次發(fā)現(xiàn)海底熱液噴口及其周邊生物群落;1979年在東太平洋洋中脊首次發(fā)現(xiàn)高溫黑煙囪;1986年成功參與對“泰坦尼克”號沉船的搜尋和考察。

由于“Alvin”號服役時間較長，WHOI于2012年對其開展分階段的升級改造工作，主要內(nèi)容包括：使用鈦合金材料新建載人球，設計下潛深度達6 500 m，并加大載人球內(nèi)徑;改進內(nèi)艙的人-機工程學設計，觀察窗增至5個，實現(xiàn)前向觀察無死角;有效載荷增至約181 kg，并延長作業(yè)時間;改進照明、攝像和光纜數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)，并采用新型輕質(zhì)電池，續(xù)航時間提高到8～12 h。

12我國“蛟龍”號

我國載人潛水器發(fā)展較晚，在2002年國家“7 000米級載人潛水器”重大專項批準設立前，載人潛水器的最大下潛深度只有600 m[6]?！膀札垺碧柺悄壳拔覈钕冗M的載人潛水器，也是全球下潛深度最大的載人潛水器。自2013年完成7 000米級海試以來，“蛟龍”號于2013—2017年已開展4個試驗性應用航次，獲取大量生物和地質(zhì)樣品以及海底地形地貌資料。目前“蛟龍”號已完成首次大修和升級工作，主要內(nèi)容包括提升海底探測、通信和采樣等能力以及改進液壓和拋載系統(tǒng)，并將于2020年左右進入業(yè)務化運行階段。

13中美載人潛水器應用對比

截至2018年，“Alvin”號和“蛟龍”號的應用情況如表1所示。

由表1可以看出：由于我國載人深潛技術裝備發(fā)展較晚，“蛟龍”號在下潛次數(shù)、累計下潛時間和累計下潛人數(shù)方面遠遠落后于“Alvin”號;與此同時，“蛟龍”號在平均下潛深度的關鍵指標上具有優(yōu)勢，主要原因是其作業(yè)區(qū)域主要分布在印度洋洋中脊和西北太平洋馬里亞納海溝等海底深淵。

2無人潛水器

21無人有纜式潛水器

與載人潛水器相比，無人有纜式潛水器適用母船的范圍更廣，但對母船的要求更嚴格。①母船須具有動力定位系統(tǒng)：潛水器通過光電復合纜與母船連接，從而傳輸電力、信號和影像等;②母船須具有足夠的甲板空間：人員通常在甲板上的集裝箱內(nèi)遙控操作潛水器，集裝箱內(nèi)除儀器設備外還須容納總指揮員、數(shù)據(jù)記錄員、機械手操作員和作業(yè)輔助員等至少5名人員，因此體積較大。

211美國“Jason”號

“Jason”號是由WHOI設計和建造的無人有纜式潛水器，最大下潛深度為6 500 m，具有高精度水下探測和采樣能力?！癑ason”號采用高耐壓的浮力材料，在水下作業(yè)時為中性浮力狀態(tài)，能源完全依靠船載動力裝置，并配備聲吶、影像、照明和數(shù)字采樣系統(tǒng)。自2002年以來，“Jason”號的下潛次數(shù)超過1 000次，平均下潛時間為21 h，最長下潛時間達100 h。

212我國“海龍”系列

“海龍”系列[7]由我國大洋協(xié)會主持研究，并由上海交通大學自主研制，可對深海熱液區(qū)周邊的生物和極端環(huán)境下的微生物進行采樣，其中最先進的為“海龍Ⅲ”號?！昂｝垻蟆碧栍蓾撍鞅倔w、臍帶纜、臍帶絞車、止蕩器、操作控制臺和動力站等多個系統(tǒng)組成，最大下潛深度為6 000 m，可搭載多種儀器設備，具有海底自主巡線和重型工具作業(yè)能力。

213中美無人有纜式潛水器技術參數(shù)對比

“Jason”號和“海龍”系列的技術參數(shù)如表2所示。

由表2可以看出，“海龍”系列與“Jason”號在最大水下航速方面差距較大，主要原因是“海龍”系列仍處于海試階段，與母船之間需要較長時間的作業(yè)磨合，其性能將在不斷應用中有所提升。

22無人自治式潛水器

221美國“Sentry”號和“REMUS”系列

“Sentry”號是2010年最新研制的具有6 000 m深度水下探測能力的潛水器，與其前代“ABE”號相比移動更靈活、航速更快和航程更遠，近底航行和載荷能力顯著提高?！癝entry”號對母船要求較低且適用廣泛，因此不僅可獨立水下作業(yè)，而且可與“Alvin”號或“Jason”號同船聯(lián)合作業(yè)，并為其他潛水器提供海底地形地貌和水文等的數(shù)據(jù)支持，從而提高作業(yè)效率。與載人潛水器的人員水下操作和無人有纜式潛水器的人員遙控操作不同，“Sentry”號具有完全自主的水下航行能力：通過將海底路徑下載到艇載控制單元，結合預置控制算法，潛水器可安全、及時和有效地規(guī)避水下障礙物，真正實現(xiàn)“無人駕駛”。

WHOI在美國海軍支持下研制的“REMUS”系列遠程環(huán)境監(jiān)測裝置[8]是可實現(xiàn)多任務作業(yè)的小巧型潛水器。與“Sentry”號相比，“REMUS”系列的載荷能力有所降低，但體積更小和重量更輕，因此具有更低的能耗和更長的續(xù)航時間。目前“REMUS”系列已形成下潛深度為100～6 000 m的譜系化產(chǎn)品，其中“REMUS6000”曾被應用于打撈法航失事客機的黑匣子，其在水下利用聲吶與母船互通以確定所處位置，利用高分辨率側掃雷達掃描海底地形并繪圖，利用磁力探測器探測金屬物體，利用攝像機進行光學成像，從而便于人員觀察和分析目標。

222我國“潛龍”系列

“潛龍”系列目前包括“潛龍一號”“潛龍二號”和“潛龍三號”[9]?！皾擙堃惶枴笔怯晌覈c俄羅斯共同研制的“CR01”系列改造而成的6 000米級無人自治式潛水器，采用回轉(zhuǎn)體形式，可完成海底微地形地貌精細探測、海底水文參數(shù)測量和海底多金屬結核豐度測定等任務;“潛龍二號”和“潛龍三號”是完全由我國自主研制的4 500米級無人自治式潛水器，采用魚型仿生形式，具有更好的運動靈活性和水中狀態(tài)，并集成海底熱液異常探測、海底微地形地貌探測和海底磁力探測等技術。

223中美無人自治式潛水器技術參數(shù)對比

“Sentry”號、“REMUS”系列和“潛龍”系列的技術參數(shù)如表3所示。

由表3可以看出，“潛龍”系列與“Sentry”號和“REMUS”系列差距不大。近年來美國在該領域的研制重點為“REMUS”系列，并積極發(fā)展?jié)撍骷夯鳂I(yè);我國天津大學、中國科學院沈陽自動化研究所和哈爾濱工程大學等也在研制小型無人自治式潛水器，但在潛水器協(xié)同化作業(yè)和系列化生產(chǎn)等方面還有不足。

23復合型潛水器

無人有纜式潛水器作業(yè)能力強，但受纜繩制約，作業(yè)范圍小;無人自治式潛水器不受纜繩制約，作業(yè)范圍大，但作業(yè)能力有限。因此，復合型潛水器（HROV）應運而生[10]，其作業(yè)范圍大且作業(yè)能力強，可滿足海洋科考需求。

231美國“NEREUS”號和“NUI”號

“NEREUS”號是具有自治和有纜2種工作模式的復合型潛水器，可與無人自治式潛水器一樣在海底自由航行和掃描，也可通過加裝設備而具有無人有纜式潛水器的作業(yè)功能，并通過直徑約為人類發(fā)絲3倍的微細光纖與母船之間高速傳輸影像數(shù)據(jù)和控制信號?！癗EREUS”號的耐壓艙采用輕質(zhì)陶瓷材料，在保護電子元件的同時提供浮力，并通過可充電的鋰電池組獲得能源。

“NUI”號是為冰下作業(yè)而專門研制的復合型潛水器，額定下潛深度為2 000 m，可在冰下航行超過40 km，同樣采用微細光纖和電池能量包，此外配置聲學、化學和生物傳感器以及1臺7功能液壓機械手。2014年“NUI”號首次成功完成北極冰下科考，母船為“Polarstern”號極地破冰船。

232我國“海龍11000”號

“海龍11000”號是由上海交通大學自主研制的萬米級深海復合型潛水器，設計最大下潛深度為11 000 m，其系統(tǒng)方案、總體方案和控制方案大量采用創(chuàng)新技術，其中可加工浮力材料和多芯貫穿件等均為我國自主創(chuàng)新成果。2018年在執(zhí)行我國大洋第48航次科考任務的“大洋一號”船上，“海龍11000”號開展全面的系統(tǒng)檢查和功能測試，并在西北太平洋海山區(qū)完成6 000米級大深度試驗潛次，最大下潛深度達5 630 m，下潛時間達13 h，開展 4 h 的近底高清探測，完成5次共320 m的母船-潛水器聯(lián)動移位。

233中美復合型潛水器技術參數(shù)對比

“NEREUS”號、“NUI”號和“海龍11000”號的技術參數(shù)如表4所示。

由表4可以看出，“海龍11000”號與“NEREUS”號和“NUI”號差距不大。我國應重點研制高載荷和可在冰下作業(yè)的復合型潛水器。

24水下滑翔機

水下滑翔機是新型潛水器，利用微型泵移動電池組和油液，通過調(diào)整自身姿態(tài)和浮力獲得推進力，能耗極小，續(xù)航時間更長，并可搭載多種傳感器，非常適合在廣闊海域開展水下作業(yè)。水下滑翔機可集群編隊和晝夜不停地探測和記錄水下時空特征，在浮出水面時與母船進行數(shù)據(jù)和指令傳輸，與傳統(tǒng)潛水器相比節(jié)約巨大成本。然而由于以浮力為動力，水下滑翔機僅能以鋸齒狀前進和螺旋狀回轉(zhuǎn)的形式航行，航速較慢，且易受波浪的影響。目前WHOI擁有“Spray”號[11]和“Slocum”號[12]2種水下滑翔機。

中國科學院沈陽自動化研究所自2003年開展水下滑翔機的基礎研究工作，并于2005年成功研制我國首臺水下滑翔機原理樣機，突破多模塊控制、模塊化結構和光纖微纜應用等一系列關鍵技術，并順利完成湖試;在國家“863”計劃的支持下，與中國科學院海洋研究所共同開展水下滑翔機工程樣機的研制工作，并于2008年成功研制具有自主知識產(chǎn)權的水下滑翔機工程樣機。該樣機于2009—2011年以“科學”號科考船為母船，成功完成多次海試和回收，各項指標均正常，并獲取大量試驗數(shù)據(jù)和積累豐富作業(yè)經(jīng)驗;于2012年在我國東沙群島附近海域再次成功完成海試，進一步驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時積累復雜海流環(huán)境下作業(yè)的寶貴經(jīng)驗，為我國水下滑翔機的推廣和應用打下基礎;于2014年完成長航程試驗，續(xù)航時間長達1個月，航程長達1 000 km，創(chuàng)造我國自主研制水下滑翔機的新紀錄。2018年我國第九次北極科考成功布放我國自主研制的水下滑翔機“海翼”號[13]，其在白令海海盆和陸坡區(qū)開展為期44 d的連續(xù)和高密度水下探測，獲取229個溫度和鹽度剖面，極大提升“雪龍”號極地科考船的北極科考能力。

由表5可以看出，“海翼”號與“Spray”號和“Slocum”號差距不大。我國水下滑翔機已有一定的研制基礎，水下滑翔機的性能也逐漸提高，即將進入業(yè)務化應用階段。

3結語

目前我國在潛水器集成和制造方面與美國差距不大，某些技術指標甚至保持領先。與此同時，由于我國潛水器發(fā)展較晚，在業(yè)務化應用方面仍與美國存在較大差距。對此，我國應通過完善海洋技術裝備運行機制和積極開展海上科考航次任務，不斷積累潛水器作業(yè)經(jīng)驗，讓更多的潛水器走出實驗室、進入深海大洋。

參考文獻

[1]封錫盛，李一平，徐紅麗.下一代海洋機器人 寫在人類創(chuàng)造下潛深度世界紀錄10 912米50周年之際[J].機器人，2011，33（1）：113-118.

[2]MURASHIMA T，NAKAJOB H，YOSHIDA H.7 000 m class ROV KAIKO 7000[A].IEEEMTS Ocean Conference[C].2004.

[3]孟令帥，林揚，鄭榮，等.模塊化自主水下機器人的機械設計與實現(xiàn)[J].機器人，2016，38（4）：395-401.

[4]劉雁集，馬捷.海洋水下滑翔機浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設計與實驗[J].裝備環(huán)境工程，2018，15（12）：45-49.

[5]AMANDA N N，JOANNA D K，STEPHANIE L B.First HOV Alvin study of the pelagic environment at Hydrographer Canyon （NW Atlantic） [J].Deep Sea Research Part Ⅱ：Topical Studies in Oceanography，2018，4（150）：30-40.

[6]劉峰，李向陽.中國載人深潛“蛟龍”號研發(fā)歷程[M].北京：海洋出版社，2016.

[7]葛彤.作業(yè)型無人遙控潛水器深海應用與關鍵技術[J].工程研究：跨學科視野中的工程，2016，8（2）：192-200.

[8]EDOARDO I S，MANHAR R D.A USVbased automated launch and recovery system for AUVs[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering，2017，42（1）：37-55.

[9]楊磊，杜志元，陳云賽，等.我國三類典型深海運載裝備應用技術研究[J].海洋開發(fā)與管理，2018，35（9）：100-106.

[10]LOUIS L W，MICHAEL V J，JAMES C K.Navigation and control of the nereus hybrid underwater vehicle for global ocean science to 10 903 m depth：preliminary results[A].IEEE International Conference on Robotics and Automation[C].2010.

[11]SHERMAN J，DAVIS R E，OWENS W B.The autonomous underwater glider “Spray”[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering，2001，26（4）：437-446.

[12]WEBB D C，SIMONETTI P J，JONES C P.Slocum：an underwater glider propelled by environmental energy[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering，2001，26（4）：447-452.

[13]YU J C，ZHANG A Q，JIN W M.Development and experiments of the Seawing underwater glider[J].China Ocean Engineering，2011，25（4）：721-736.