我国发展现状
1.载人潜水器HOV
我国在“八五”和“九五”期间开始了载人潜水器装备的研究、开发与应用,集中在援潜救生潜水器方面,包括200米级单人常压潜水装具、600米级深潜救生艇、200米级救生钟等。
2000年以来,我国载人潜水器装备发展迅速。2012年,研制成功7 000米级作业型载人潜水器“蛟龙”号,在马里亚纳海沟最大下潜深度达7 062米。2015年,研制成功500米级作业型、仿人形的单人常压潜水器装具(ADS);研制成功2台“寰岛蛟龙”型全通透载客潜水器,工作深度40米,载员12人,商用载客运行获得国家批准试点。2017年,研制成功4 500米级作业型载人潜水器“深海勇士”号,国产化率达95%。2018年,世界首台大坝深水检测载人潜水器通过中期检查,工作深度为300米。2020年6月,研制成功全海深(11 000米)载人潜水器“奋斗者”号。2020年11月,“奋斗者”号在马里亚纳海沟成功坐底,坐底深度为10 909米,创造中国载人深潜的新纪录。此外,研制了多型移动型救生钟和机动型救生钟,为海军援潜救生提供了国产化装备。
经过近20年的跨越式发展,我国已建成完整的技术体系、测试体系、应用体系、维保体系和培训体系,载人深潜技术总体上已处于国际前沿。
载人潜水器装备的主要关键核心技术如下:
(1)载人潜水器优化设计、安全性评估及应用技术,具体包括载人潜水器型线、总体布局、载人舱布局、功能特性等的优化设计技术,载人潜水器服役期间各种设备的安全性、可靠性设计与评估技术,载人舱内人因工程设计评估技术,载人潜水器应用模式及相关体系设计技术等。
(2)载人舱设计、建造及评估技术,具体包括金属及非金属材料载人舱的设计技术,球形、柱形及其他形状载人舱设计技术,各种材料及形状的载人舱建造技术,建造完成后载人舱的检测及其使用安全性的评估技术等。
(3)高能量密度动力技术,具体包括充油锂电池设计、建造及管理技术,水下燃料电池设计、建造及管理技术,水下能源安全性评估技术,水下能源补充技术,新型能源深海应用技术等。
(4)水声技术,具体包括各种声学设备在潜水器上的集成设计技术,船载高速水声通信系统设计及其装备制造技术等。
(5)导航定位技术,具体包括高精度、高可靠性的水声定位技术,水下复杂环境下连续高精度导航技术,水下作业目标搜索及作业点重返技术等。
(6)浮力材料技术,具体包括大深度低密度浮力材料的设计、制备、成型技术,浮力材料的测试与安全性评估技术等。
(7)载人潜水器安全体系技术,具体包括载人潜水器技术安全体系设计技术,潜水器状态检测与安全性评估技术,各种抛载机构可靠性设计、评价技术等。
(8)载人潜水器控制技术,具体包括载人潜水器在复杂海底环境下的航行控制技术,可视化的综合信息显控技术,载人潜水器控制仿真技术等。
载人潜水器装备发展过程中,深海水密连接器、高精度水下传感器等零部件存在“卡脖子”风险。
2.无缆自主潜水器
国内从20世纪90年代开展了水下机器人技术的预先研究,2000年以后,又开展了微小型水下无人航行器研究。到“十一五”末期,已经研制了具有实用化探测能力的水下机器人试验平台。
在大深度水下无人系统方面,沈阳自动化所联合国内若干单位,通过与俄罗斯的合作,研制了能够下潜6 000米、重量为1.5吨的“CR-01”型水下无人航行器,用于对大洋的矿产资源探测。“CR-01”6 000米水下无人航行器的研制成功,使我国水下机器人的总体技术水平跻身于世界先进行列,成为世界上拥有潜深6 000米水下无人航行器的少数国家之一。在此基础上,沈阳自动化所联合上海交通大学等单位在20世纪90年代后期又成功研制了“CR-02”型水下无人航行器[11]。
“CR-01”AUV和“CR-02”型AUV均是在20世纪90年代初建造的,到“十一五” 末期,该航行器上的一些设备已经失效或老化。“CR-01”和“CR-02”型AUV的最大水下航速较小,仅为2节,不具有足够的抗流能力。此外,两型AUV所带能源系统不足,续航能力仅为10小时。故在“十二五”期间,在中国大洋矿产资源研究开发协会的支持下,沈阳自动化所对“CR-02”型AUV进行了改造与设备更新,构成了新的“潜龙一号”水下航行器,2节航速下的最大续航能力增加到24小时,并搭载了浅地层剖面仪等探测设备,可完成海底微地形地貌精细探测、底质判断、海底水文参数测量和海底多金属结核丰度测定等任务。(https://www.daowen.com)
“十二五”期间,在国家863计划支持下,中国大洋矿产资源研究开发协会组织实施,中国科学院沈阳自动化研究所为技术总体单位,与国家海洋局第二海洋研究所等单位共同研制了最大潜深为4 500米的“潜龙二号”AUV,集成热液异常探测、微地形地貌探测、海底照相和磁力探测等技术的实用化深海探测系统,主要用于多金属硫化物等深海矿产资源的勘探作业。在中国科学院战略性先导科技专项支持下,中国科学院沈阳自动化研究所研制了“探索4500”AUV。该AUV技术指标与“潜龙二号”基本相同,只是由于“探索4500”搭载了更多种类的科学探测载荷,其水下工作时间缩减到20小时。它主要用于冷泉区近海底的声光调查,也是我国首台用于冷泉科考的国产AUV。此外,科技部确定了可潜深1 000米、最大速度5节、2节速度下续航力36小时的小型海底地形地貌探测AUV研制项目;工信部确定了可潜深2 000米的海底管道探测跟踪AUV的研制项目等;某部委确定了极限水深2 000米、最大速度8节、2节速度下续航力36小时的海底特种目标探测定位的AUV研究项目和多AUV协同探测作业研究项目[11]。
“十三五”期间,在国家863计划支持下,中国天津大学和中国科学院沈阳自动化研究所分别自主研发了“海燕号”和“海翼号”新型水下滑翔机。在续航方面,“海燕号”水下滑翔机实现了在南海无故障连续运行141天,剖面数734个,续航里程达3 619.6公里。在下潜深度方面,“海燕”万米级水下滑翔机在马里亚纳海沟首次下潜至10 619米,刷新了深海水下滑翔机工作深度的世界纪录,“海翼号”水下滑翔机也实现了7 000米级的连续观测。在协作与组网应用方面,以水下滑翔机为核心装备,开展了无人移动平台组网观测与小规模海上试验应用,最大实现了12台水下滑翔机的同步操控。目前,我国“海燕”和“海翼”两型水下滑翔机实现了产品化。
在军用AUV领域,由哈尔滨工程大学、华中理工大学、中船七○二研究所和七○九研究所共同开发研制的自主式智能水下机器人“智水”系列代表了我国军用AUV的先进水平,该系列AUV可用于海域扫雷,自主巡航等。
3.缆控潜水器
国内从20世纪80年代末开始了ROV的相关研究,主要研发机构有中国科学院沈阳自动化研究所、上海交通大学以及株洲中车时代电气股份有限公司。
1985年,我国研制首台无人遥控潜水器“HR-01”(200米),这是我国科研人员完全依靠自主技术和立足于国内的配套条件开展的研究工作,是我国水下机器人发展史上的一个重要里程碑,为国际合作奠定了技术基础,也为我国机器人研发和产业化起了促进作用。1986年,沈阳自动化所与美国佩瑞公司签订了“RECON-Ⅳ”(300米)中型水下机器人技术引进合同,把引进消化吸收与攻关相结合,于1986年“海洋和水下机器人技术开发”列入国家“七五”科技攻关项目。经过3年的时间,开发出了3套水下机器人,其国产化率已达90%,并于1990年首次销往国际市场。随后,又生产了两套“RECON-Ⅳ”产品服务于海上石油开发。近年来,在中国科学院海洋先导专项支持下,沈阳自动化研究所研制了深海6 000米级“海星6000”ROV,并于2018年10月28日完成首次科考应用任务,最大下潜深度突破6 000米,创我国同类ROV的最大下潜深度纪录。
上海交通大学是国内最早从事ROV研究的机构之一,目前,上海交通大学研制的3 500米级“海龙二号”(见图10-2)、6 000米级“海龙三号”以及11 000米级“海龙11 000”,代表了我国大深度深海重作业型ROV及极限海深ROV的最高水平,“海龙”号系列ROV为我国“三龙”深海装备体系的重要组成部分[11]。

图10-2 “海龙二号”
2009年10月23日,中国“大洋一号”科考船使用“海龙二号”在太平洋赤道附近洋中脊扩张中心,东太平洋海隆“鸟巢”黑烟囱区域观察到罕见的高26米、直径约4.5米的巨大“黑烟囱”,“黑烟囱”形似巨大珊瑚礁,不间断地冒出滚滚浓烟,“海龙二号”用五功能机械手准确抓获约7千克“黑烟囱”喷口的硫化物样品并顺利置放在样品框中,成功进行了取样并带回科考船进行研究。这是一个具有历史意义的时刻,是我国大洋调查最高精尖技术装备的首次现场成功使用,“黑烟囱”的发现标志着我国成为国际上极少数能使用水下机器人开展洋中脊热液调查和取样的国家之一。
2018年,上海交通大学研发了“海龙三号”勘查作业型ROV(见图10-3),“海龙三号”最大作业水深达6 000米,作业功率为170马力,具备海底自主巡线能力,与“海龙二号”相比具有更强的推力、高速和重型设备搭载能力,以支持搭载多种调查设备和重型取样工具,在中国大洋航次中发挥了重要作用,在中国大洋48、52、56航次中,“海龙三号”采集到了大量底栖生物标本和海底摄像资料,为研究深水海山间底栖生物的种群连通性和群落相似性提供了宝贵样品和数据。

图10-3 “海龙三号”
2018年9月10日,由上海交通大学研制的万米级深海无人遥控潜水器“海龙11 000”(见图10-4),在西北太平洋海山区完成6 000米级大深度试验潜次,最大下潜深度为5 630米,完成了6 000米级试验,创造了我国ROV深潜纪录。
ROV研发涉及的关键技术包括总体设计与系统集成技术、载体技术、控制技术、水下导航技术、水下定位技术、水下作业技术、大功率驱动技术、高精度传感器技术、远距离供配电技术以及布放回收技术。

图10-4 “海龙11 000”
从2000年以来,经过我国科研工作者的不懈努力,我国在上述关键技术领域取得了一系列成绩,实现了关键技术和装备上的突破,缩短了与国外先进水平的差距。但是,在整体起步晚、国外技术垄断、国内需求拉动不明显等现实因素的制约下,我国ROV科技水平、创新能力和应用水平与国际先进水平尚存在较大差距。目前相关研发仅限于零星的几种型号,基本属于单件生产,样品多于产品,由科研院所研制,主要针对海洋科学研究,尚未形成面向海洋资源开发,特别是海洋油气开发实际需要的产业化、应用型产品,实际应用经验少,远远无法满足我国海洋事业全面发展的巨大现实需求。