深潛器

深潛器

潛水器
深潛器,具有水下觀察和作業能力的活動深潛水裝置。主要用來執行水下考察、海底勘探、海底開發和打撈、救生等任務,并可以作為潛水員活動的水下作業基地。
    中文名:深潛器 外文名:Bathyscaphs 用途: 推進裝置:軸推進方式 性能特點:民用和軍用兩類

浩瀚的海洋占住了地球表面積的71%,深底豐富的石油蘊藏、堆積着無數的錳團以及其他資源吸引着一些工業發達國家競相進行海洋開發事業。深潛技術是進行海洋開發的必要手段,它是由深潛器、工作母船(水面支援船)和陸上基地所組成的一個完整的系統,深潛器是其關鍵部份。此外,為了對深海失事潛艇實施營救,對深海沉船進行打撈以及深海考察,深潛偵察等都需要具備深潛器。深潛器的建造難度較大,其電氣化、自動化的程度較高。

每年都有數千名水手搭乘各型軍用潛艇在海面下穿行;數千名商業潛水員在建設或維修海底輸油管道、通信電纜和石油鑽塔;數千名潛水愛好者以探尋海底奧秘為樂;數百名科研人員潛入深海進行科學研究。另外,還有許多海底機器人在人類無法承受的深度進行探險活動。美國政府每一年在太空研究方面的投入高達數十億美元,而在深海研究方面則要少的多。其實深海探險和太空探險之間既存在着許多的相同點,同時也有一些明顯的不同。人類探尋深海至少比探尋太空早一倍的時間,而且發展思路也大不相同。但是這些差别正逐漸變小,深海研究者和太空研究者彼此越來越相像。更加重要的,深海探險現在能夠對太空探險産生巨大影響。

曆史沿革

1928年,一位美國人,奧蒂斯巴頓發明并建造了第一艘球形深海探測裝置。該裝置通身都用鋼鐵建造,它可以從一艘水面船舶上通過連接的電纜下潛到海面之下。1930年,巴頓和另一名博物學家威廉.彼博一起乘坐這個球形裝置下潛到了距海面245米(803英尺)的深度;1932年,他們又下潛到了923米(3028英尺)的深度——這一紀錄直到15年之後才被打破。後來彼博寫了一本書《1/2英裡之下》,他在書中詳細描繪了所見到的奇異的海底生物。這些生物聽起來就像是從外星來的,因此很多人懷疑彼博是在撒謊。不過,他并沒有撒謊,海底世界對于人類來說就是一個完全不同的另類世界。

接下來在深海探測技術方面的重要進步就是由瑞士探險家奧古斯特.皮卡德發明的深海潛水器。該潛水器在巴頓的球形深海探測裝置上加裝了升力和推進裝置,看起來比較像一艘粗笨的深海潛艇。如果把巴頓的球形深海探測裝置比作水星太空船——功能和機動性非常有限,那麼皮卡德的深海潛水器就是雙子星太空船。皮卡德在對部分設計進行了一些改進之後,建造了第二艘潛水器并命名為“迪裡亞斯特”号。1957年,美國海軍購買了“迪裡亞斯特”号。1960年,皮卡德的兒子雅科斯和美國海軍上尉唐.沃爾什搭乘“迪裡亞斯特”号下潛到了馬裡亞納海溝的深處,距海面10916米(35813英尺)。之後的二十年中,改進型深海潛水器“迪裡亞斯特II”号一直在美國海軍中服役。它承擔了許多深海探險任務,包括搜尋美國海軍失事的“天蠍”号核潛艇的殘骸和打撈墜入海底的航天器裝置。

不過最著名的深潛器還是“艾爾文”号,1964年專門為美國海軍建造,并由伍茲.霍爾海洋科學研究機構管理使用。“艾爾文”号可以搭乘3名研究人員,并且能夠下潛到4500米(14764英尺)的深度。在将近40年的服役生涯中,“艾爾文”号一共有4000多次深潛經曆。它找到了美軍丢失的氫彈,勘測過海底火山口。另外,它還是第一艘到訪過泰坦尼克号沉船的載人潛水器。不過“艾爾文”号曾經發生過一次事故而沉入了海底,幸好沒有人員傷亡。過了整整一年之後,它才被打撈上來。

性能特點

深潛器是一種能在深海進行水下作業的潛水設備,分民用和軍用兩類,具有軍民通用性質,一般不攜載武器,噸位在20~80 噸左右,個别達300~400 噸,潛水深度一般為2000~5000 米左右,個别達 11000米。現在正在設計和使用的遙控機器人/深潛器絕大部分是依靠與艦船聯接的纜線操縱行動。使用電纜遙控操縱深潛器的優點是:

(1)能長時間提供動力;

(2)有高速率數據傳送能力;

(3)與輔助艦船之間的聯系可靠,不會受到無線電或其他信号的幹擾。

缺點是但同時又限制了深潛器的機動能力,電纜像風筝線一樣地拴住了它,而且電纜還需經常維修更換。

用途任務

深潛器分為有人深潛器、無人深潛器和遙控深潛器等多種類型,其主要任務有三類:

一類是用于海洋調查,采集水下标本,進行水下攝影,開展潛水醫學和生理學研究,進行水聲學研究;

另一類是協助進行深海石油資源的勘探與開發,檢查及維修海底電纜管路,運送潛水員在水下執行任務,進行水下救生與打撈;

最後一類是執行軍事偵察、掃雷、布雷等任務,試驗和回收魚雷、水雷、深彈等水中兵器,營救失事潛艇的艇員,觀察武器的水下發射情況,進行水下噪音測量等。

主要分類

無人有纜深潛器(水下機器人)

1987年,日本海事科學技術中心(JMST)研究成功可下潛3300米的深海無人有纜遙控潛水器“海鲀3K”号。該裝備可在載人潛水之前對預定潛水點進行調查,也可用于海底救護,在設計上有前後、上下、左右三個方向各配置兩套動力裝置,基本能滿足深海采集樣品的需要。90年代初,該技術中心配合 “深海6500”号載人潛水器進行深海調查作業的需要,又成功建造了萬米級無人遙控潛水器。該潛水器可較長時間進行深海調查,潛水深度達到11000米,是目前世界最高紀錄。目前,日本正在實施一項包括開發先進無人遙控潛水器的大型規劃。這種無人有纜潛水器系統在遙控作業、聲學影像、水下遙測全向推力器、海水傳動系統、陶瓷應用技術、水下航行定位和控制等方面都将有新的開拓與突破。

西歐國家在無人有纜潛水技術方面,也保持了明顯的超前發展的優勢。根據歐洲尤裡卡計劃,英國、意大利聯合研制了能在6000米水深持續工作250小時的無人遙控潛水器。按照尤裡卡EU-191計劃還建造了兩艘無人遙控潛水器,一艘為有纜式潛水器,主要用于水下檢查維修;另一艘為無人無纜潛水器,主要用于水下測量。這項潛水工程計劃是由英國、意大利、丹麥等國家的l7個機構參加完成的。英國科學家研制的“小賈森”有纜潛水器的獨特技術特點是,它采用計算機控制,并通過光纖溝通潛水器與母船之間的聯系。母船上裝有4台專用計算機,分别用于處理海底照相機獲得的資料,處理監控海洋環境變化的資料,處理海面環境變化的資料,處理由潛水器傳輸回來的其他有關技術資料等。母船将所有獲得的資料經過整理通過微波發送到加利福尼亞太平洋格羅夫研究所的實驗室,并貯存在資料庫裡。

無人無纜深潛器(水下智能機器人)

除各種有人深潛器之外,60 年代以後無人深潛器的發展也引人矚目。無人深潛器是一種能模仿人進行某些活動的自動機械,能夠在人難以适應的深水環境中代替人進行工作。60 年代美國就研制出了第一代水下機器人CURV 号,它具有電動推進裝置、水下電視攝像機、聲納和打撈機械手等設備,工作深度為 2100 米。目前,無人深潛器有系纜式和無系纜式兩種,前者需要水面母船傳輸動力并進行遙控,後者可以自行機動,具有一定的自主功能。當前,無人深潛器的最大下潛深度已達7600 米,它是由美國的“米達”Ⅱ号創造的。

1980年法國國家海洋開發中心建造的“逆戟鲸”号無人無纜潛水器投入使用,最大潛深為6000米,主要用于深海海床和深海礦物資源勘探、平台設置所需要的環境調查、管道鋪設的監測工作以及在海底布設固定聲納陣、進行海底觀察、監護打撈人員的安全等。“逆戟鲸”号潛水器先後進行過130多次深潛作業,完成了太平洋海底錳結核調查、海底峽谷調查、太平洋和地中海海底電纜事故調查、洋中脊調查等重大課題任務。1987年,法國國家海洋開發中心又與一家公司合作,共同建造了“埃裡特”聲學遙控潛水器,用于水下鑽井機檢查、海底油井設備安裝、油管輔設、錨纜加固等複雜作業。這種聲學遙控潛水器的智能程度比“逆戟鲸”号高了許多。

1988年,美國國防部的國防高級研究計劃局與一家研究機構合作,投資2360萬美元研制兩艘無人無纜潛水器。1990年,無人無纜潛水器研制成功,定名為“UUV”号。這種潛水器重量為6.8噸,性能極好,最大航速10節,能在44秒内由0加速到10節,當航速大于3節時,航行深度控制在±1米,導航精度約0.2節/小時,潛水器動力采用銀鋅電池。這些技術條件有助于高水平的深海研究。另外,美國和加拿大合作于90年代初研制出了能穿過北極冰層的無人無纜潛水器。日本于1998年初研制成功對北冰洋冰層下進行觀測的無纜無人深潛器,最大潛深3000m。

使用現狀

民用

目前全世界有各種載人深潛器200多艘,有的最大作業深度達6000m,主要用于海洋油氣開發。6000m以上的深度,顯現了國際深潛器向大深度發展的技術能力。如1989年日本制造的“深海-6500”深潛器,長9.5m,重25t,可乘員3人,作業水深6500m,水下連續作業時間在6h以上。該深潛器上裝備有最新的聲成像聲納系統、攝影機、錄像機、電視系統、機械手以及各種自動測量儀器等。發展方向是向深、向無人或混合式發展。由于無人遙控潛水器的出現,代替了不少潛水員的工作,潛水員水下出入型潛水器開發已趨減少。目前隻有美國、日本、法國和俄羅斯擁有深海載人潛器。

上世紀七八十年代以來,适應海上油氣工業潛水作業的需要,無人遙控潛水器得到飛速發展。無人遙控潛水器包括有纜和無纜兩種。80年代初全世界無人遙控潛水器有400餘艘,其中90%以上用于海洋石油工業,到80年代末其數量猛增到958艘,其中800艘以上為有纜遙控潛水器,并且有一半以上是直接用于海上油氣開采用的。目前無人遙控潛水器全世界約有1000多艘,其中6000m級10多艘,現已發展到第三代智能深潛器。

另外,載人和無人混合潛水器也得到發展,已經研制出32艘,其中28艘用于工業服務。此外,90年代以來,随着微電子、高速數字計算機、人工智能技術、小型導航技術、指揮與控制硬件等技術的發展,無人自主式潛水器得到快速發展,據不完全統計,各國研制與使用的無人自主式潛水器有30多艘,其中供工業實用的有10多艘,其他的均用于軍事和科學研究。

軍用

近年來,用于軍事用途的自主潛航器技術發展十分迅速。

美國

美海軍繼推出“海洋探險者”、“曼塔”、“奧德塞”Ⅲ、CETUSⅡ、“遠距離環境監測單元系統”(REMUS)、“戰場準備自主潛動器”(BPAUV)等自主潛航器後,還在研究以下新型自主潛航器:

主要用于特種作戰部隊的支援與攻擊、反水雷、沿海地區潛艇跟蹤以及情報、監視和偵察任務的“任務重組無人水下航行器”(MRUUV);

主要用于測量海洋鹽度、溫度等參數,設計巡航時間為5年、航程達4000Km的“斯洛克姆滑行者”自主潛航器;

主要用于采集海洋物理、化學和生物光學數據,設計最大下潛深度為1000m、巡航6000Km的“海滑行者”自主潛航器;

主要用于執行情報、監視和偵察以及反水雷和淺水反潛等任務、排水量約5t、計劃裝備SSGN導彈潛艇、“弗吉尼亞”級攻擊核潛艇以及水面潛艇的大排水量自主潛航器;

以及“地獄判官”自主潛航器、“海馬”自主潛航器、“聲射頻相互作用勘探傳感器”自主潛航器等。

德國

德國的DeepC自主潛航器,2001年開始研制,2003年末進行樣機深水試驗,2007年投入裝備。DeepC重2000kg,最大下潛深度4000m,續航時間60h,航程400Km,航速60節,可從艦艇或直升機上布放。

法國

法國的Alister自主潛航器,是一種軍民兩用長航時自主潛航器,采用锂離子電池,于2002年開始海試,Alister設計有兩種型号,一種重600kg,能在水下300m處工作;另一種重1100kg,能在水下3000m處工作。

挪威

挪威近年先後推出HUGIN1、HUGIN1000和 HUGIN3000三種自主潛航器,它們采用電池供電,可由水面艦艇通過聲監視設備控制或利用内置控制系統與情報設備資助運行。

發展趨勢

綜上,深潛器/遙控潛器的發展趨勢是,大深度有纜(光纜)深潛器仍是主流,這種設備是探測數萬平方公裡海底必需的和最實用的設備。一是水深普遍在6000米以上;二是操縱控制系統多采用大容量計算機,進行資料處理和數字控制;三是潛水器上的機械手采用多功能,力反饋監控系統;四是增加推進器的數量與功率,以提高其頂流作業的能力和操縱性能。

當前,民用大深度無纜潛水器尚處于研究、試用階段,還有一些關鍵技術問題有待解決。如,要使其活動範圍在250~5000公裡的半徑内,就要解決能保證長時間工作的動力源,國外正在探索使用燃料電池、小核反應堆等;關于控制和信息處理系統,需采用圖像識别、人工智能技術、大容量的知識庫系統,以及提高信息處理能力和精密的導航定位的随感能力等,要在大深度聲音圖像傳輸技術等高技術上有突破。但長遠看它是發展方向,趨勢是向遠程化、智能化發展。

總之,國外帶纜ROV技術已發展得相當成熟,發展AUV關鍵是解決能源問題。

中國

作為國家載人航天工程姊妹篇的“7000米載人潛水器”在青島市開展下水深潛試驗。據了解,海水深度每增加100米,壓力就會增加10個大氣壓。由中國船舶重工集團公司702研究所研制成功的潛水器長8米、高3.4米、寬3米,用特殊的钛合金材料制成,在7000米的深海能承受710噸的重量。目前,世界上隻有美國、日本、法國、俄羅斯擁有深海載人潛水器,最大工作深度未超過6500米。中國研制的7000米載人潛水器,将成為世界上下潛最深的載人潛水器,可到達世界99.8%的海洋底部。這種潛水器從海面下潛至7000米深度約需5小時,整個作業時可長達12小時。中國首次公開選拔潛航員的工作也展開,選拔規格可比航天員。

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