極地環(huán)境載人潛水器發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)分析

宋德勇，劉 浩，楊申申

(中國船舶科學(xué)研究中心，無錫 214082)

0 引 言

21 世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，而極地地區(qū)在地緣戰(zhàn)略、自然資源、航運(yùn)及科研方面的價(jià)值日益凸顯，作為目前國際上的研究和關(guān)注熱點(diǎn)，越來越成為國際爭奪的戰(zhàn)略要地[1-2]，且國際間急劇升溫的南、北極戰(zhàn)略利益的博弈，與我國的戰(zhàn)略利益和長遠(yuǎn)發(fā)展密切相關(guān)[3]。隨著極地科考規(guī)模的發(fā)展和目標(biāo)的提升，在科考手段中引入高技術(shù)裝備，為更深層次的極地科考尋找新的突破點(diǎn)已經(jīng)成為迫切需求。目前國際上用于極地研究的裝備以無人為主，而我國尚未成熟開展專用于極地環(huán)境的深海裝備，其中載人潛水器作為能攜帶科學(xué)家到達(dá)海底的潛水器[4]，對于研究和開發(fā)極地這一特殊區(qū)域有重要作用。

目前有多個(gè)國家都擁有1 臺或多臺大深度載人潛水器，主要包括俄羅斯、美國、法國、日本、中國等，但已知的載人潛水器在北極的下潛只有1 次。2007 年8 月，俄羅斯“和平1”號和“和平2”號載人潛水器在2 m 厚的冰層條件下實(shí)施了下潛，支持母船為Arktika 級核動(dòng)力破冰船Rossiya 號，下潛時(shí)通過尋找5 0×5 0 m 的冰窟窿進(jìn)行布放，最終下潛深度4302 m，水下時(shí)長9 h，主要進(jìn)行了取土樣和海底動(dòng)物，并在海底插俄羅斯國旗，回收時(shí)由于有冰下回流的影響具有較大的困難，最終通過導(dǎo)航等方法成功回收。

可見，對于海洋包圍陸地的南極洲和陸地包圍海洋的北冰洋，其共同存在低溫、高緯度[5]、大范圍冰蓋和復(fù)雜水聲環(huán)境[6]等特點(diǎn)，在極地開展科考作業(yè)具有高風(fēng)險(xiǎn)性和局限性[7]，研制載人潛水器有較大難度，需要結(jié)合環(huán)境特點(diǎn)和其系統(tǒng)組成設(shè)備進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)研究。

1 載人潛水器系統(tǒng)組成

對于深海載人潛水器，以“蛟龍”號為例（見圖1），整體按功能可劃分為多個(gè)子系統(tǒng)，包括水動(dòng)力性能和總體布置、結(jié)構(gòu)、電力和配電、控制、壓載和平衡、導(dǎo)航和通信、液壓和取樣、生命支持、應(yīng)急拋載、操縱模擬器[8]。

圖1 載人潛水器系統(tǒng)組成及關(guān)鍵技術(shù)Fig. 1 System composition and key technology of manned submersible

水動(dòng)力性能和總體布置主要進(jìn)行總體優(yōu)化設(shè)計(jì)和集成、水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)和優(yōu)化、模塊化和分塊化總布置、無動(dòng)力下潛上浮和系統(tǒng)安全可靠性技術(shù)，結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)包括大深度載人鈦合金球殼和低密度耐高壓浮力材料技術(shù)，電力和配電包括高能量密度深海動(dòng)力和高功率密度水下電機(jī)技術(shù)，控制子系統(tǒng)包括穩(wěn)定懸停定位、故障診斷與容錯(cuò)和良好的人機(jī)交互技術(shù)，壓載和平衡主要涉及深海高壓海水泵閥技術(shù)，導(dǎo)航和通信導(dǎo)航包括高速水聲通信和高分辨率測深側(cè)掃聲吶技術(shù)，液壓和取樣子系統(tǒng)主要是大深度載人潛水器作業(yè)工具技術(shù)，生命支持子系統(tǒng)主要是大深度載人潛水器生命支持技術(shù)，應(yīng)急拋載子系統(tǒng)包括大深度載人潛水器應(yīng)急安全和在母船的布放回收技術(shù)[9]。

每個(gè)子系統(tǒng)其中包含相關(guān)具體的設(shè)備和相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)[10]，而各種關(guān)鍵技術(shù)支撐著相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，最終保障潛水器的可靠運(yùn)行。

載人潛水器各子系統(tǒng)主要設(shè)備如表1 所示。總體子系統(tǒng)主要包括水動(dòng)力性能設(shè)計(jì)和總體布置，結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)包括主框架、耐壓殼體、浮力塊、輕外殼、穩(wěn)定翼和結(jié)構(gòu)附體等設(shè)備，電氣子系統(tǒng)包括電池、配電板、配電箱、水密電纜、水密接插件、電機(jī)等設(shè)備，控制子系統(tǒng)主要是艙內(nèi)控制系統(tǒng)，壓載平衡子系統(tǒng)包括主壓載艙、可調(diào)壓載、縱傾調(diào)節(jié)等設(shè)備，通信導(dǎo)航子系統(tǒng)包括VHF、超短基線、多普勒、光纖陀螺儀、深度傳感器、照明等設(shè)備，液壓取樣子系統(tǒng)包括液壓源、機(jī)械手、采樣籃、作業(yè)工具等設(shè)備，生命支持子系統(tǒng)包括供氧、去除二氧化碳、應(yīng)急設(shè)備等設(shè)備，應(yīng)急拋載子系統(tǒng)主要是可釋放壓載的脫離裝置。

表1 載人潛水器主要設(shè)備Tab. 1 Main equipment of manned submersible

2 極地環(huán)境載人潛水器發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)

由于極地環(huán)境存在低溫、高緯度、大范圍冰蓋和復(fù)雜水聲環(huán)境等特點(diǎn)，同時(shí)考慮極地脆弱的環(huán)境，載人潛水器的設(shè)計(jì)亟需解決極地環(huán)境下的總體、動(dòng)力、液壓、導(dǎo)航、通信、布放回收和安全等關(guān)鍵技術(shù)。

通過結(jié)合極地特殊環(huán)境和載人潛水器系統(tǒng)組成與主要設(shè)備，詳細(xì)分析低溫對液壓、能源、可調(diào)壓載，高緯度對定位導(dǎo)航，大范圍冰蓋對航行控制、布放回收，復(fù)雜水聲環(huán)境對聲學(xué)通信、探測的影響。

2.1 極地環(huán)境載人潛水器總體設(shè)計(jì)及安全評估技術(shù)

針對極地冰蓋和低溫環(huán)境，在進(jìn)行總體概念設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮布放回收、近冰近底作業(yè)、分系統(tǒng)可靠工作等。針對極地特殊環(huán)境進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，對于所有結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行低溫設(shè)計(jì)和考核，對可調(diào)裝置等涉及到水路的裝備加裝加熱系統(tǒng)，同時(shí)需要配置更多的避碰聲吶用于海冰和冰脊的避障，又要增配用于冰面追蹤的多普勒計(jì)程儀，同時(shí)需要配置高精度的導(dǎo)航設(shè)備和有效的冰下校準(zhǔn)聲吶，以解決潛水器上浮至水面進(jìn)行位置校準(zhǔn)的問題，還需要配置引導(dǎo)聲吶，實(shí)現(xiàn)潛水器冰下的快速回收引導(dǎo)，還要能夠搭載多波束聲吶，實(shí)現(xiàn)海底地形的探測，又要能夠改變多波束聲吶安裝方向，實(shí)現(xiàn)冰貌的探測。

此外，結(jié)合極地特殊環(huán)境，需要重點(diǎn)進(jìn)行安全評估，主要包括潛水器中人員安全、潛水器本體安全、極地環(huán)境安全等，分析布放回收方式對潛水器及人員安全的影響，分析近冰層時(shí)的避碰機(jī)制和航行控制策略。

2.2 低溫環(huán)境下的高效能源動(dòng)力技術(shù)

目前應(yīng)用在載人潛水器上的動(dòng)力源主要使用鋅銀電池、鋰離子電池等，以逐漸技術(shù)成熟且大范圍采用的鋰離子電池為例，作為極地環(huán)境下潛水器水下工作的唯一動(dòng)力來源，低溫是其在極地使用的正常工況。

不同類型鋰離子電池低溫性能參數(shù)雖不同，但整體均表現(xiàn)為隨環(huán)境溫度的降低鋰電池各項(xiàng)性能出現(xiàn)不同程度的衰減，且溫度越低對鋰電池傷害越大[11-13]。通過開發(fā)新的鋰離子電池負(fù)極材料、電解質(zhì)等需要較長一段時(shí)間，現(xiàn)階段要解決鋰離子電池低溫適應(yīng)性能，需設(shè)計(jì)適用于極地低溫環(huán)境的充油鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，構(gòu)筑與環(huán)境溫度對應(yīng)的實(shí)時(shí)溫度管理策略，顯著提高鋰電池低溫放電能力，改善電池外部工作環(huán)境，使載人潛水器在極地環(huán)境具有高效的能源動(dòng)力。

2.3 極地高精度冰下定位導(dǎo)航技術(shù)

導(dǎo)航定位系統(tǒng)的核心技術(shù)在于給水下機(jī)器人提供實(shí)時(shí)的三維定位信息、速度信息、加速度信息、航向姿態(tài)信息，如果沒有這些導(dǎo)航信息潛水器幾乎不可能完成高精度作業(yè)及安全返航。極區(qū)導(dǎo)航難題主要包括3 點(diǎn)：難以使用GPS 進(jìn)行校正、隨著緯度升高根據(jù)自身內(nèi)部設(shè)備測得航向或根據(jù)外部條件測得航向的航向傳感器精度大幅度降低、極點(diǎn)附近難以確定航向[5]。

針對極地環(huán)境下水面母船無法尾隨跟蹤、水底無法布設(shè)定位系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)問題，需要研究基于冰上聲學(xué)定位系統(tǒng)的聲學(xué)定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)載人潛水器的高精度冰下定位。針對常規(guī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)無法導(dǎo)航計(jì)算的現(xiàn)實(shí)問題，需要研究基于適用于極地高緯度的導(dǎo)航技術(shù)，同時(shí)組合對冰/對底定位導(dǎo)航方法，實(shí)現(xiàn)載人潛水器的高精度組合導(dǎo)航。針對水面回收母船位置與載人潛水器作業(yè)區(qū)域之間的大范圍冰蓋阻隔，需要研究適用于冰下的遠(yuǎn)距離引導(dǎo)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)載人潛水器的安全回收。

2.4 大范圍冰蓋環(huán)境載人潛水器布放回收技術(shù)

極地被廣闊的冰覆蓋，在布放潛水器的時(shí)候需要在冰面開一定尺寸的冰孔，所以回收時(shí)潛水器需要精確回到冰孔的位置，還要求效率高，盡量少地消耗能源，同時(shí)還需要母船具有相應(yīng)的特殊布放回收裝置，并具有破冰能力。

經(jīng)過“蛟龍”號和“深海勇士”號的技術(shù)積累，我國在載人潛水器布放回收方面也有了豐富的設(shè)計(jì)及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，但極區(qū)特殊的大范圍冰蓋環(huán)境對于體積重量較大的載人潛水器的布放回收還是有非常大的難度，甚至傳統(tǒng)的無動(dòng)力上浮也不適用于極地。其主要難點(diǎn)在于布放位置大范圍冰蓋的開孔，從母船長期冰站的位置移動(dòng)載人潛水器到布放點(diǎn)并進(jìn)行安全準(zhǔn)確布放，載人潛水器精確上浮到布放位置，將載人潛水器從水中回收到冰蓋及母船上，同時(shí)精確回收也對導(dǎo)航定位提出了非常高的要求。

2.5 極地環(huán)境液壓裝置零泄漏技術(shù)

極地氣候的惡劣和環(huán)境的脆弱，對該地區(qū)近乎空白的船舶航行管理提出了更高要求[14]，載人潛水器作為在極地水下作業(yè)的裝備，其液壓源、電池箱、機(jī)械手中使用了液壓油，此類物質(zhì)若泄漏到極地水域?qū)τ谄洵h(huán)境是極大的影響，因此需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)避免環(huán)境污染。

目前載人潛水器上液壓裝置主要利用液壓油驅(qū)動(dòng)，針對極地環(huán)境，需要設(shè)計(jì)完備的液壓油監(jiān)測系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)泄漏立即關(guān)閉開關(guān)閥，設(shè)計(jì)適應(yīng)低溫環(huán)境的液壓密封件，設(shè)計(jì)吸附裝置吸附泄漏的液壓油，并探索水液壓和氣液壓在載人潛水器上工作的可能性。

2.6 冰下穩(wěn)健水聲通信技術(shù)

北極地區(qū)地理位置獨(dú)特、氣候寒冷，北冰洋的大部分區(qū)域終年被海冰覆蓋，形成了獨(dú)特的水聲環(huán)境，由于冰蓋的作用，很難直接利用衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行通信，造成冰下噪聲劇烈起伏以及強(qiáng)混響效應(yīng)，形成了北冰洋獨(dú)有的半波導(dǎo)聲道[15]。

因此，應(yīng)加快收集水聲數(shù)據(jù)資料，掌握北極地區(qū)海域水聲環(huán)境規(guī)律及機(jī)理，建立北極背景場、聲信道模型，利用北極海洋環(huán)境水聲效應(yīng)，開展北極水聲環(huán)境適配處理理論與方法研究，提高載人潛水器聲吶裝備環(huán)境適應(yīng)性。針對冰下移動(dòng)通信中面臨的復(fù)雜多普勒效應(yīng)等科學(xué)問題，通過通帶和基帶聯(lián)合的多普勒估計(jì)與補(bǔ)償?shù)葘?shí)現(xiàn)冰下穩(wěn)健的移動(dòng)水聲通信。

在極地環(huán)境下，載人潛水器組成設(shè)備及關(guān)鍵技術(shù)需進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，圖2 為極地環(huán)境特點(diǎn)與載人潛水器關(guān)鍵技術(shù)及主要設(shè)備的對應(yīng)關(guān)系。

極地低溫環(huán)境影響潛水器電池低溫放電性能、液壓密封件性能和可調(diào)壓載等設(shè)備水結(jié)冰，極地高緯度環(huán)境影響潛水器的冰下高精度導(dǎo)航定位，極地大范圍冰蓋環(huán)境影響載人潛水器的高效布放回收和冰下定位導(dǎo)航，極地冰下復(fù)雜水聲環(huán)境影響潛水器的穩(wěn)健水聲通信，極地相關(guān)準(zhǔn)則要求潛水器本身對極地污染較小，極地多重環(huán)境因素要求對潛水器進(jìn)行特殊的總體設(shè)計(jì)與安全評估。

圖2 極地環(huán)境下載人潛水器關(guān)鍵技術(shù)和主要設(shè)備Fig. 2 Key technology and main equipment of manned submersible under polar environment

3 結(jié) 語

我國目前在極地水下裝備的研發(fā)水平與國外有較大差距，為了發(fā)展極地載人潛水器，需重點(diǎn)關(guān)注極地低溫、高緯度、大范圍冰蓋和復(fù)雜水聲環(huán)境的特殊性，針對每個(gè)因素溯源到對應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，并定位到具體設(shè)備，開展極地環(huán)境載人潛水器總體設(shè)計(jì)及安全評估技術(shù)，低溫環(huán)境下的高效能源動(dòng)力技術(shù)，極地高精度冰下定位導(dǎo)航技術(shù)，大范圍冰蓋環(huán)境載人潛水器布放回收技術(shù)，極地環(huán)境液壓裝置零泄漏技術(shù)和冰下穩(wěn)健水聲通信技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研究。