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大深度、多功能、智能化:国际深潜器技术发展综述

供稿人:曹惠芬  供稿时间:2007-1-9

 

目前全世界有各种载人深潜器200多艘,有的最大作业深度达6000m,主要用于海洋油气开发。6000m以上的深度,显现了国际深潜器向大深度发展的技术能力。如1989年日本制造的“深海-6500”深潜器,长9.5m,重25t,可乘员3人,作业水深6500m,水下连续作业时间在6h以上。该深潜器上装备有最新的声成像声纳系统、摄影机、录像机、电视系统、机械手以及各种自动测量仪器等。发展方向是向深、向无人或混合式发展。由于无人遥控潜水器的出现,代替了不少潜水员的工作,潜水员水下出入型潜水器开发已趋减少。目前只有美国、日本、法国和俄罗斯拥有深海载人潜器。
 
上世纪七八十年代以来,适应海上油气工业潜水作业的需要,无人遥控潜水器得到飞速发展。无人遥控潜水器包括有缆和无缆两种。80年代初全世界无人遥控潜水器有400余艘,其中90%以上用于海洋石油工业,到80年代末其数量猛增到958艘,其中800艘以上为有缆遥控潜水器,并且有一半以上是直接用于海上油气开采用的。目前无人遥控潜水器全世界约有1000多艘,其中6000m级10多艘,现已发展到第三代智能深潜器。
 
另外,载人和无人混合潜水器也得到发展,已经研制出32艘,其中28艘用于工业服务。此外,90年代以来,随着微电子、高速数字计算机、人工智能技术、小型导航技术、指挥与控制硬件等技术的发展,无人自主式潜水器得到快速发展,据不完全统计,各国研制与使用的无人自主式潜水器有30多艘,其中供工业实用的有10多艘,其他的均用于军事和科学研究。
无人有缆潜水器(水下机器人)的研制与发展
1987年,日本海事科学技术中心(JMST)研究成功可下潜3300米的深海无人有缆遥控潜水器“海鲀3K”号。该装备可在载人潜水之前对预定潜水点进行调查,也可用于海底救护,在设计上有前后、上下、左右三个方向各配置两套动力装置,基本能满足深海采集样品的需要。90年代初,该技术中心配合“深海6500”号载人潜水器进行深海调查作业的需要,又成功建造了万米级无人遥控潜水器。该潜水器可较长时间进行深海调查,潜水深度达到11000米,是目前世界最高纪录。目前,日本正在实施一项包括开发先进无人遥控潜水器的大型规划。这种无人有缆潜水器系统在遥控作业、声学影像、水下遥测全向推力器、海水传动系统、陶瓷应用技术、水下航行定位和控制等方面都将有新的开拓与突破。
 
西欧国家在无人有缆潜水技术方面,也保持了明显的超前发展的优势。根据欧洲尤里卡计划,英国、意大利联合研制了能在6000米水深持续工作250小时的无人遥控潜水器。按照尤里卡EU-191计划还建造了两艘无人遥控潜水器,一艘为有缆式潜水器,主要用于水下检查维修;另一艘为无人无缆潜水器,主要用于水下测量。这项潜水工程计划是由英国、意大利、丹麦等国家的l7个机构参加完成的。英国科学家研制的“小贾森”有缆潜水器的独特技术特点是,它采用计算机控制,并通过光纤沟通潜水器与母船之间的联系。母船上装有4台专用计算机,分别用于处理海底照相机获得的资料,处理监控海洋环境变化的资料,处理海面环境变化的资料,处理由潜水器传输回来的其他有关技术资料等。母船将所有获得的资料经过整理通过微波发送到加利福尼亚太平洋格罗夫研究所的实验室,并贮存在资料库里。
无人无缆潜水器(水下智能机器人)的研制与发展
1980年法国国家海洋开发中心建造的“逆戟鲸”号无人无缆潜水器投入使用,最大潜深为6000米,主要用于深海海床和深海矿物资源勘探、平台设置所需要的环境调查、管道铺设的监测工作以及在海底布设固定声纳阵、进行海底观察、监护打捞人员的安全等。“逆戟鲸”号潜水器先后进行过130多次深潜作业,完成了太平洋海底锰结核调查、海底峡谷调查、太平洋和地中海海底电缆事故调查、洋中脊调查等重大课题任务。1987年,法国国家海洋开发中心又与一家公司合作,共同建造了“埃里特”声学遥控潜水器,用于水下钻井机检查、海底油井设备安装、油管辅设、锚缆加固等复杂作业。这种声学遥控潜水器的智能程度比“逆戟鲸”号高了许多。
 
1988年,美国国防部的国防高级研究计划局与一家研究机构合作,投资2360万美元研制两艘无人无缆潜水器。1990年,无人无缆潜水器研制成功,定名为“UUV”号。这种潜水器重量为6.8吨,性能极好,最大航速10节,能在44秒内由0加速到10节,当航速大于3节时,航行深度控制在±1米,导航精度约0.2节/小时,潜水器动力采用银锌电池。这些技术条件有助于高水平的深海研究。另外,美国和加拿大合作于90年代初研制出了能穿过北极冰层的无人无缆潜水器。日本于1998年初研制成功对北冰洋冰层下进行观测的无缆无人深潜器,最大潜深3000m。
 
近年来,用于军事用途的自主潜航器技术发展十分迅速。
 
美海军继推出“海洋探险者”、“曼塔”、“奥德塞”Ⅲ、CETUSⅡ、“远距离环境监测单元系统”(REMUS)、“战场准备自主潜动器”(BPAUV)等自主潜航器后,还在研究以下新型自主潜航器:
 
主要用于特种作战部队的支援与攻击、反水雷、沿海地区潜艇跟踪以及情报、监视和侦察任务的“任务重组无人水下航行器”(MRUUV);
 
主要用于测量海洋盐度、温度等参数,设计巡航时间为5年、航程达4000Km的“斯洛克姆滑行者”自主潜航器;
 
主要用于采集海洋物理、化学和生物光学数据,设计最大下潜深度为1000m、巡航6000Km的“海滑行者”自主潜航器;
 
主要用于执行情报、监视和侦察以及反水雷和浅水反潜等任务、排水量约5t、计划装备SSGN导弹潜艇、“弗吉尼亚”级攻击核潜艇以及水面潜艇的大排水量自主潜航器;
 
以及“地狱判官”自主潜航器、“海马”自主潜航器、“声射频相互作用勘探传感器”自主潜航器等。
 
德国的DeepC自主潜航器,2001年开始研制,2003年末进行样机深水试验,2007年投入装备。DeepC重2000kg,最大下潜深度4000m,续航时间60h,航程400Km,航速60节,可从舰艇或直升机上布放。
 
法国的Alister自主潜航器,是一种军民两用长航时自主潜航器,采用锂离子电池,于2002年开始海试,Alister设计有两种型号,一种重600kg,能在水下300m处工作;另一种重1100kg,能在水下3000m处工作。
 
挪威近年先后推出HUGIN1、HUGIN1000和 HUGIN3000三种自主潜航器,它们采用电池供电,可由水面舰艇通过声监视设备控制或利用内置控制系统与情报设备资助运行。
 
综上,遥控潜器的发展趋势是,大深度有缆(光缆)深潜器仍是主流,这种设备是探测数万平方公里海底必需的和最实用的设备。一是水深普遍在6000米以上;二是操纵控制系统多采用大容量计算机,进行资料处理和数字控制;三是潜水器上的机械手采用多功能,力反馈监控系统;四是增加推进器的数量与功率,以提高其顶流作业的能力和操纵性能。
 
当前,民用大深度无缆潜水器尚处于研究、试用阶段,还有一些关键技术问题有待解决。如,要使其活动范围在250~5000公里的半径内,就要解决能保证长时间工作的动力源,国外正在探索使用燃料电池、小核反应堆等;关于控制和信息处理系统,需采用图像识别、人工智能技术、大容量的知识库系统,以及提高信息处理能力和精密的导航定位的随感能力等,要在大深度声音图像传输技术等高技术上有突破。但长远看它是发展方向,趋势是向远程化、智能化发展。
 
总之,国外带缆ROV技术已发展得相当成熟,发展AUV关键是解决能源问题。
 
作者简介
曹惠芬,上海情报服务平台兼职情报分析员,中国船舶工业经济研究中心研究员
 
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