(三)未来展望
1.载人潜水器
载人潜水器的技术热点主要包括载人舱设计、建造及评估技术,载人潜水器优化设计、安全性评估及应用技术。以美国为主的海洋强国在双球壳载人舱、非球型载人舱、非金属载人舱、全通透载人舱、5~11人多客位、有翼线型设计、高端旅游探险、公众科学公益、军用对接转移等方面已逐渐突破并有所应用。未来5~15年将是载人潜水器装备和技术更新换代的集中时期。
(1)非金属材料载人舱设计建造技术。以美国OceanGate公司的Titan载人潜水器为例,技术突破重点是复合材料圆柱形耐压壳体+钛合金材料前后端盖这一新型结构形式,在承载和减重方面取得很好的平衡。
(2)全透明材料应用于大视野观察窗的设计、建造技术。观光型载人潜水器已大量采用全透明材料应用于大视野观察窗的设计与建造,如美国SEAmagine公司的AURORA系列,美国Trition公司的系列产品,荷兰U-Boat Worx公司的科学探索型C-Research系列和观光旅游型Cruise-Sub系列。
(3)以水动力外形设计技术为主的高速无动力潜浮技术。美国Deep Flight公司的有翼潜水器采用了“主动上浮”设计理念,利用机翼的水动力来改变潜水器的水下运动。美国Triton公司的Triton LF潜水器则采用了高宽比较大的垂直立扁型设计,仅约2.5小时即可到达海洋最深处。
(4)多人多舱技术。常规的载人潜水器采用单个载人舱设计。日本提出的全海深载人潜水器研究计划,将为6名船员提供舒适的乘坐体验和长达两天的任务时间,设置有休息和盥洗空间,美国SEAmagine公司的AURORA系列已有双载人舱设计,荷兰U-Boat Worx公司的观光旅游型Cruise-Sub系列已有双载人舱设计。
未来,我国载人潜水器装备向着全海深、全水域(江、河、湖、海、库)的谱系化发展思路已经逐渐明朗。巩固提升全海深、江河水库、油气矿产、热液冷泉的作业能力,有效拓展搜索、打捞、考古、观光、极地、核能等新应用领域。同时,不断革新载人潜水器的操纵控制智能化、潜器本体轻量化、作业能力重载化和作业模式协同化水平,培育打造产业链条,支撑海洋强国建设。
2.无缆自主潜水器
为了满足AUV技术在军民两用领域的快速发展和军事领域应用的需求,AUV趋于多类型、智能化和协同化方向发展。
1)多类型
AUV的发展不应局限于某一类型的模式,而应该向多类型方向发展。其中,发展大型化甚至超大型化AUV,可以提升续航时间、航行速度与作业能力。美国海军正在加速发展超大型AUV,以进一步巩固水下军事优势。俄罗斯聚焦核动力能源,提出了核动力深海自主潜航器,解决长时间和远距离水下续航的问题;德国和英国重点聚焦高精度探测和高精度定位上,发展超大型AUV。此外,发展小型、廉价的AUV以满足便携、快速的应用需求。
2)智能化(https://www.daowen.com)
新一代的AUV将采用多种探测与识别方式相结合的模式来提升环境感知和目标识别能力,以更加智能的信息处理方式进行运动控制与规划决策,着重从探测信息处理方面提高其外部环境感知能力,实现对探测信息的综合理解,以此为基础促进水下无人系统的认知水平。使得AUV能够根据环境信息和自身状态的变化做出最优(较优)的决策,在保证系统安全的前提下提高系统作业的智能水平。因此,未来的AUV应具有较高的智能化水平,能够执行复杂的水下工作,并与环境发生交互作用,根据环境的变化,在一定的范围内自行调整自身的行为,完成指定的工作,成为高度智能化的深度自学习生态智能。
3)协同化
多水下无人航行器协同作业技术逐渐成为近年来世界各国研究的热点问题,美国已经支持了大量的研究项目,并且已从理论转至试验验证阶段。协同化包含几个方面:①因为单一AUV的作业效率有限,不同类型的AUV作业能力也存在差异,所以未来将从单AUV作业向多AUV集群作业发展,发挥不同AUV的作业优势,提高AUV的作业效率;②水下无人航行器不仅有AUV,还有ROV、ARV以及Glider等,可以建立一个深海多平台的协同作业系统,从不同深度、不同尺度、不同海洋参数的角度开展海洋研究,也可以从不同任务的角度开展深海立体监测与精细作业。
在2035年,我国希望能解决AUV装备领域的“卡脖子”问题,摆脱受制于人的状态,形成相应产业,面向我军民两用发展的需求,研制出便携式、轻型、重型和巨型系列化、谱系化、智能化AUV。在2050年,希望能解决单AUV向多AUV集群作业和多平台协同作业问题,建立深海多平台的协同作业系统,实现弱通信条件下的高效集群作业和多平台协同作业。
3.缆控潜水器ROV
1)重载化
深海矿产资源中富含镍、钴、铜、锰及金、银金属等,总储量分别高出陆上相应储量的几十倍到几千倍,必将成为人类21世纪的接替资源,深海矿产开发对于我国的可持续发展具有重要意义。但是,目前我国ROV主要以小型、探测型以及作业型为主,服务于海洋科考和海洋油气开发,针对深海采矿领域的重载化ROV尚属空白。由于所处深海底为超常极端环境,底质条件复杂,同时承受深海环境高压,电磁波及光波在水中迅速衰减,以及海底矿床的赋存状态特殊,使海底重载化施工对现有ROV技术提出了挑战,需要解决海底重载作业施工技术、大功率供配电和驱动技术、大型载体海底运动控制技术和布放回收技术等。同时,开发重载化ROV系统将带动相应配套部件产业化发展,形成从研究、开发、生产到服务的完整高端装备智能制造体系,打造形成能抗衡甚至超越国际同型产品的中国品牌,为我国从海洋大国走向海洋强国做出贡献。
2)智能化
由于有缆存在,现有的ROV系统是完全有人控制的水下机器人系统,导致复杂环境精细操作困难、效率低以及长时间作业过程中的人员疲劳等问题。因此,在水下作业过程中,当ROV自主学习错误或无法自主完成作业任务时,再引入人进行决策完成作业任务,这种人机共融模式将有力推动ROV向更加精细化、长期化、高效化发展。这需要实现从以人为主体的科考模式向以ROV为核心的未来科考模式的转变,需要将人工智能、水下环境感知技术、虚拟现实技术、现代控制理论和技术加以应用,使其具有一定的自主环境学习、自主作业策略决策、人机责任重分配等能力。因此,未来的ROV应具有一定的智能化水平,根据环境的变化,在一定的范围内自行调整自身的行为,实现人机共融完成复杂、高效的水下无人作业。
3)协同化
水下作业任务复杂多变,不同作业需求也不断涌现,同时针对ROV而开发的特种作业工具也将不断产生,尤其是遥控工具(remotely operated tool,ROT)。因此,ROV不仅仅是精细作业平台、精细调查平台,更是大型水下工程综合协调指挥平台的一部分。随着水下作业越来越复杂,使用的水下装备越来越多,ROV也越来越多地承担起现场协调指挥者的角色,其主要职责包括现场信息获取、水下装备操控以及将复杂的装备体系和作业工序有效地衔接。随着ROV系统的总体技术和支撑技术日趋成熟,ROV未来的技术发展重点也将向信息技术和特种作业装置的协同技术转移,尤其是面对高复杂度作业需求时,多ROV、ROV与ROT协同作业、共同完成复杂任务的情况将会产生,这对ROV协同化作业能力提出了重大挑战。