水下深潜装置的关键技术

水下深潜装置的关键技术一、“蛟龙”号[1]“蛟龙号”载人深潜器是我国首台自主设计、自主集成研制的作业型深海载人潜水器，设计最大下潜深度为7000米级，也是目前世界上下潜能力最深的作业型载人潜水器。“蛟龙号”可在占世界海洋面积99.8%的广阔海域中使用，对于我国开发利用深海的资源有着重要的意义。“蛟龙”号的三大技术突破：近底自动航行和悬停定位、高速水声通信、充油银锌蓄电池容量。1、“蛟龙”号可稳稳“定住”“蛟龙”号可以完成三种自动航行：自动定向航行，驾驶员设定方向后，“蛟龙”号可以自动航行，而不用担心跑偏；自动定高航行，这一功能可以让潜水器与海底保持一定高度，尽管海底山形起伏，自动定高功能可以让“蛟龙”号轻而易举地在复杂环境中航行，避免出现碰撞；自动定深功能，可以让“蛟龙”号保持与海面固定距离。此外，“蛟龙”号还能悬停定位。一旦在海底发现目标，“蛟龙”号不需要像大部分国外深潜器那样坐底作业，而是由驾驶员行驶到相应位置，“定住”位置，与目标保持固定的距离，方便机械手进行操作。在海底洋流等导致“蛟龙”号摇摆不定，机械手运动带动整个潜水器晃动等内外干扰下，能够做到精确地“悬停”令人称道。在已公开的消息中，尚未有国外深潜器具备类似功能。2、深海通信靠“声”不靠“电磁”陆地通信主要靠电磁波，速度可以达到光速。但这一利器到了水中却没了用武之地，电磁波在海水中只能深入几米。“蛟龙”号号潜入深海数千米，如何与母船保持联系？科学家们研发了具有世界先进水平的高速水声通信技术，采用声纳通信。这一技术需要解决多项难题，比如水声传播速度只有每秒1500米左右，如果是7000米深度的话，喊一句话往来需要近10秒，声音延迟很大；声学传输的带宽也极其有限，传输速率很低；此外，声音在不均匀物体中的传播效果不理想，而海水密度大小不同，温度高低不同，海底回波条件也不同，加上母船和深潜器上的噪音，如何在复杂环境中有效提取信号难上加难。据悉，“蛟龙”号上装载的高速水声通信技术由中国科学院声学所研发，能够适时传输语音、文字和图片，这是国外绝大多数载人深潜器所没有的。3、世界深潜器最大容量电池之一“蛟龙”号深海要生存近十个小时，还要不停运动和作业，但又不能携带太重的燃料，因此能源供给是个大难题。“蛟龙”号搭载了完全由我国自主研发的大容量充油银锌蓄电池，电量超过110千瓦时，这也是目前国际潜水器上最大容量的电池之一，“蛟龙”号可以有更长的水下工作时间和更多的仪器运作。目前，日本的潜水器蓄电池为86千瓦时，法国、美国均为50多千瓦时，只有俄罗斯的深潜器可以与之媲美。国外部分载人深潜器采用银锌蓄电池，但国内尚未应用过。银锌蓄电池采用充油的方式放在蓄电池箱内，减轻了“蛟龙”号的重量。在高压环境下，大容量电池供电时可能产生一定量氢气，威胁“蛟龙”号安全。为此，“蛟龙”号同时选用了两个不同厂家进行产品试验，再进行改进，最终将析气量控制在规定范围内。二、其他深潜器1、载人深潜器关键技术深海载人深潜器涉及许多高新技术，其主要的关键技术有[2]：模块化、集成化的总体技术，包括大深度潜航器整体结构优化技术、水动力性能和控制综合优化技术及仿真技术、系统工程优化技术和作业系统与潜航器本体的集成技术等；重量/排水体积比低的高强度合金耐压壳结构建造工艺以及比强度高的复合新材料应用的可靠性技术；无动力上浮下潜系统（运动特性和运动仿真）技术；海水泵流、特殊作业工具等潜航器特种装置（推进、液压）技术；潜航器舱内小环境（温度监测、控制、空气浓度监测、供应、控制）下生命支持系统和行为科学技术；水下动力源（比能量高、比容量低的闭式循环热气机）技术；满足低阻水动力特性且耐腐蚀、比重低、易加工的深海浮力材料，包括制造工艺、无机物的高温发泡、材料的结构性能与测试等技术。除上述关键技术外，还有起吊回收、导航定位和通讯传输等支撑技术也需要深入研究开发。2、无人深潜器关键技术不同用途的无人潜航器具有的关键技术是不一样的，对于深海作业型无人潜航器，其关键技术主要有如下几项[2]：大深度技术。包括密封、电缆阻力、远距离能源传输和通讯、水下动力机械及作业机械等技术；水下定位技术。主要解决潜航器的平面位置和水下深度的位置，需要建立一个以母船为基准的坐标系，为潜航器准确定位；动力定位技术。主要解决潜航器在走航和作业时的自动定深、自动定高和动力定位问题；智能技术。包括作业目标的自动搜索与识别、自动避障、自动规划技术等，自主式无人潜航器的一些成果可以运用到遥控式无人潜航器系统上来；导航与视觉技术。这项技术对深海无人探测作业至关重要，主要包括深海水介质中的近景摄影测量装置与技术，复杂地形和景物环境的高分辨率声呐成像技术，适用于深海无人潜航器的计算机视觉理论与方法，用计算机视觉信息控制无人潜航器的技术方法，有效利用深海地形信息的导航技术等；水下作业机械手。除了要求它具有耐高压高温、耐海水腐蚀、能量消耗小、易于操作、在恶劣海况下安全作业的性能以及重量轻、体积小的特点外，深海无人潜航器及其机械手还要求具有耐热性能，水下取样器也要求能满足恒温、恒压，以使所取样品保持其原有的温度、压力等条件。3、小结深海潜水器的关键技术按技术要素基本可以分为八类，即耐压壳及结构、浮力材料、动力系统、作业及控制、运动及控制、导航定位、通信、布放及回收八大关键技术，这是载人和无人潜器共同的[3]。而其中潜水器结构技术是关系到潜水器能否承受深海高压及保证潜水器总体性能的首要关键技术。主要涉及到结构屈服强度、稳定性、局部开口强度、疲劳强度等多个方面。这也是由耐压结构在整个系统中所起的功能决定的，其主要功能是承受深水压力，保证舱室人员和各种设备的正常工作[3]。参考文献[1]南方日报.“蛟龙”号三大尖端技术：可用水下声波传输图片.2011,8,15.[2]刘淮.国外深海技术发展研究(三).船艇Ships&Yachts.2006,262.[3]潘涛.深潜器耐压结构强度分析与优化设计[D],哈尔滨工程大学,2010,硕士论文.