全球发展态势
1.载人潜水器
载人潜水器(human occupied vehicle,HOV)是指具有水下观察和作业能力的潜水装置,主要用来执行水下考察、海底勘探、海底开发和打捞、救生等任务,并可以作为潜水人员水下活动的作业基地。
在强劲市场需求和先进技术进展的共同推动下,载人潜水器产业发展势头强劲。2018年,海洋技术协会载人潜水器委员会(MTS MUV)对320艘载人潜水器的持续跟踪显示,全球活跃数量为160艘[7],可提供1 624个载人座位;其中38艘应用于援潜救生,122艘应用于科学研究、商业作业、观光旅游等[8]。
国外从1995年起就成立了载人潜水器设计、制造和运营为主业的众多商业公司。美国、荷兰、俄罗斯等国从小型观察型载人潜水器着手,潜深从几十米到1 500米不等,但在材料、总体结构、动力、操纵性能、布放回收、生命支持与应急自救等方面为深海载人潜水器发展提供了样板。2000年以来,有关深海载人潜水器的研究重新活跃起来,特别是全海深(11 000米级)载人潜水器的研制,引发了新一轮行业技术发展。2012年3月,美国卡梅隆团队研制的载人潜水器“深海挑战者”号创造了单人下潜的深度记录(10 898米)。尽管不是一艘作业型的载人潜水器,但一些技术特点准确契合了载人潜水器技术的发展趋势,如载人舱大内径(直径为1.1米)、以高强度钢作为建造材料、潜浮速度大(速度为150米/分)、新型照明布局(LED光源,最长2.4米)等。2013年,美国“阿尔文”号载人潜水器启动了最全面的升级改造,包括全新的载人球内径更大,潜深可达6 500米;先进的数字指挥与控制、推进、高清照相/视频成像、数字科学仪器交互等子系统;全新的科学工作空间和机械手配置。2019年5月,美国Triton公司的“极限因子号”(Triton 36000/2型)创造了载人深潜的深度记录(10 928米)。该潜器长4.6米,高3.7米,载人舱厚度为90毫米,可以搭载两名乘员,水下续航时间16小时,生命支持系统可以维持96小时。
2.无缆自主潜水器
无缆自主潜水器(autonomous underwater vehicle,AUV)是水下无人航行器(unmanned underwater vehicle,UUV)的一种,也可译为“自主水下机器人”或“自主水下航行器”,有时也称为智能UUV。AUV自带能源自主航行,依靠自身的自治能力来管理和控制自己,可执行水下大范围探测任务,同时具有极佳的隐蔽性。AUV以其自主性、隐蔽性、灵活性和多用途性,被越来越广泛地应用于水下军民两用领域。(https://www.daowen.com)
AUV的研究始于20世纪50年代,自美国华盛顿大学研制世界上首台SPURV(self propelled underwater research vehicles)以来,AUV的发展经历了60多年的历史。据不完全统计,目前国外主要有十多个国家多个科研机构在从事AUV的研究开发,来源主要有以下几方面。公司类机构主要有美国的Bluefine公司、Hydroid公司、Teledyne Marine公司、Boeing公司、Lockheed Martin公司、General Dynamics公司、Northrop Grumman公司等,德国的ATLAS电子公司,法国的ECA公司,加拿大的ISE,瑞典Saab水下系统,英国的BAE水下系统,挪威的Kongsberg Maritime公司等;军方类研究机构主要为美国海军水下战中心、美国海军研究局、美国海军空间和海战系统中心、美国国防高级研究计划局、美国海军研究生院等;大学类研究机构主要有美国的华盛顿大学、宾夕法尼亚州立大学应用物理研究所、加州大学、麻省理工学院、威斯康星大学、伍兹霍尔海洋研究所及日本的海洋地球科学与技术机构、挪威科技大学等。其中,美国在水下无人系统技术领域始终处于领先地位,有包括海军、研究所、专业化公司和高等院校等几十家单位正在从事AUV的研究和开发,具有代表性的AUV主要有Boeing公司研制的Echo Voyager超大型AUV、Hydroid公司研制的Remus系列AUV、蓝鳍金枪鱼机器人公司研制的Bluefin系列AUV和伍兹霍尔海洋研究所研制的SeaBed、ABE以及Sentry系列AUV。其他国家有代表的AUV,主要有俄罗斯的MT-88、英国的Autosub、加拿大的Theseus、法国的Alister。
2004年发布的《美海军无人潜航器总体规划》(第二版)根据尺寸、排水量、续航力以及有效载荷的不同,将无人水下航行器分为4个级别,分别是便携式、轻型、重型和巨型。2016年,美国发布了《2025年自主水下航行器需求》,报告对水下无人航行器的作战使命、当前作战任务、未来任务挑战、后续发展规划进行了阐述,将无人水下航行器的基本作战任务由9项演变成了13项,并提出了海床战、反AUV战等新兴作战概念,旨在通过无人航行器的系列发展,构建新型完整的水下无人作战体系。美国2017年发布《恢复美国制海权》报告,要求美海军未来装备超大、智能型UUV,据此美国海军提出研发LDUUV和超大型(XLUUV)无人航行器,俄罗斯、英国、德国、意大利也开展了大型无人航行器的研制,以提升续航时间、航行速度与作业能力。
3.缆控潜水器
缆控潜水器(remotely operated vehicle,ROV),是水下无人航行器的一种,中文可译为“有缆水下机器人”或“水下无人遥控潜水器”。ROV是一类通过脐带缆连接水面单元和水下本体,可以通过水面遥控或自动控制系统进行水下作业的无人遥控平台,是一种有缆的、由地面或母船提供能量和信号的潜水器,主要由水面控制系统和潜水器本体组成[9]。由于采用脐带缆进行远程遥控的潜水器,操作人员可在水面通过脐带缆实时了解深海环境信息,开展潜器的操纵与作业,具有强大的环境和任务适应能力,可以完成复杂环境下的水下精细作业和实时数据分析。同时,由于不需要操作人员下潜进行作业,这就保证了人员的安全,作业方式也比较成熟,是目前应用最为广泛的水下作业方式。
ROV是最早得到开发和应用的无人潜水器,其研制始于20世纪50年代。1960年美国研制成功了世界上第一台ROV-“CURV 1”。1966年它与载人潜器配合,在西班牙外海找到了一颗失落在海底的氢弹,引起了极大的轰动,从此ROV技术开始引起人们的重视。由于军事及海洋工程的需要及电子、计算机、材料等高新技术的发展,20世纪70年代和80年代,ROV的研发获得迅猛发展,ROV产业开始形成。1975年,第一台商业化的ROV-“RCV-125”问世。经过半个多世纪的发展,ROV已经形成一个新的产业——ROV工业。据不完全统计,2009年底全世界大约有461个型号近6 000台ROV在运行,有超过300家专门从事ROV研制、生产和销售的企业。潜深小于1 000米的ROV占40%左右,这是因为海洋石油资源绝大多数分布在近海,近海水下生产活动多,需求量最大;中等潜深(2 000—4 000米)的ROV数量大约占26%,主要服务于深水油气生产及大洋中脊的科学活动;潜深大于7 000米的ROV数量仅占3.1%[10]。
在过去的30年中,经过大量的兼并淘汰,国际上有少数大型ROV生产商,提供了国际海洋油气行业在用的绝大多数ROV产品。这些生产商主要包括英国的Forum公司、SMD公司,美国的Ocean Engineering公司、FMC Schilling Robotics公司,瑞典的Seaeye公司,挪威的Kystdesign公司等。但在超大潜深ROV领域,主要有日本的海洋地球科学与技术机构研制的KAIKO(潜深为11 000米,在2003年丢失)、KAIKO 7000(潜深为7 000米)和美国的伍兹霍尔海洋研究所研制的Nereus(潜深为11 000米,在2014年丢失)、Jason(潜深为6 500米)[11]。在海底油气管线和电缆埋设领域,还存在一种海底大型ROV——开沟型ROV,这类ROV功率可达M W级,重量达到数十吨,不仅可以与常规ROV一样在水中自由地运动,又可以完成海底重载施工作业。目前,在该领域的生产商主要是英国的SMD公司和Forum公司,尤其是SMD公司生产的海底重载作业装备占据了主要地位。