探秘大洋深处的利器——深潜器

编者按

一、潜水器

潜水器主要用于水下工程作业、水下考察、海底勘探、海底开发和打捞、救生等任务，并可以作为潜水员活动的水下作业基地。潜水器可分为载人潜水器(HOV)和无人潜水器(UUV)；无人潜水器又包括有缆遥控潜水器(ROV)、无缆自治潜水器(AUV)、结合ROV与AUV特点的混合型潜水器（ARV/HROV），以及无动力潜水器，如水下滑翔机（UG）和拖体（DTV），等多种类型。

图1 潜水器分类谱系

无人潜水器UUV主要分为遥控潜水器（ROV）和自主潜水器（AUV）两类。ROV拖带电缆或光缆，人工控制作业；AUV自带能源，自治控制，更为灵活方便，可广泛应用于侦察/监视、情 收集、跟踪、预警、通信中继、水下攻击等方面。

表1 无人无缆潜水器与无人有缆潜水器比较

二、深潜器

深潜技术是进行海洋开发的必要手段，它是由深潜器、工作母船(水面支援船)和陆上基地组成的一个完整系统，深潜器是其关键部分。深潜器即大水深潜水器，作业水深通常大于2000米，建造难度较大，电气化、自动化的程度较高。万米深潜器是目前最大作业水深的作业型深潜科考装备，放眼全球，到访过万米深渊的全海深潜水器屈指可数。

与无人深潜器相比，以“蛟龙号”、“深海勇士号”，及此前刚刚经过 友票选命名的“奋斗者号”为代表的载人深潜器危险系数更高，制造难度和造价更大。无缆深潜器虽然作业范围更广，但从发展趋势来看，作为探测数万平方公里海底所必需的和最实用的设备， 大深度有缆深潜器仍是主流，其优点包括:(1)大水深耐压壳体等结构强度设计，适合超水深下使用；(2)长时间作业能力；(3)高速率数据传送能力；(4)与辅助舰船之间的联系可靠，不会受到无线电或其他信号的干扰。

图2 深潜器

深潜器按所承担的任务可分为三类:

一是用于海洋调查与研究，如采集水下标本、进行水下摄影、开展潜水医学和生理学研究，及水声学研究等；

二是用于水下作业，如协助进行深海石油资源的勘探与开发、检查及维修海底电缆管路、运送潜水员在水下执行任务，进行水下救生与打捞等；

三类是执行军事任务，如军事侦察、扫雷、布雷，试验和回收鱼雷、水雷、深弹等水中兵器，营救失事潜艇艇员，观察武器的水下发射情况，进行水下噪音测量等。

三、无人有缆潜水器的应用

无人有缆潜水器（ROV）是国际潜水器系列中发展最早、应用最广泛的水下作业设备之一，按照驱动方式可分为电动驱动和液压驱动模式，按用途可进一步分为作业型、轻作业型、观察型和特殊用途型。

图3 ROV分类

与无缆AUV相比，ROV具有作业深度大、作业时间长、设备支持功能强等优点，用于进行水下观察、取样、搜索定位和工程作业，技术市场和应用领域极为广阔。

图4 ROV应用领域

根据道格拉斯-韦斯特公司2019-2023年工作级ROV作业市场预测 告，国际ROV应用市场需求巨大：

图5 2019-2023年工作级ROV作业市场预测

四、无人有缆深潜器的研制

过去，我国ROV深潜器的研制明显落后于国外领先国家，应用也受到诸多限制。为了提升国产ROV研制、生产和技术保障水平，我们摸索了一套研制ROV的自有原则，形成了自有核心技术，为ROV在我国的产业化、谱系化打下良好基础。

图6 国产液压ROV（左）与电动ROV（右）实物图

ROV研发的基本原则：一是充分考虑技术的前瞻性；二是面向应用、国际标准、全球资源。

图7 ROV研发基本流程

ROV研制关键技术：

1、模块化设计技术

ROV系统模块化设计，可体现在ROV的控制系统设计、供电系统设计、设备搭载结构设计等模块化设计思路。模块化设计优点：便于更换和维修；无需重复性开发和可继承性。

2、电力驱动与推进技术

推进器动力部分采用分布式电力单元供电，与常规供电方案相比较，具有极为优越的特点：⑴占空间面积小，安装位置灵活；⑵拆卸简单，方便更换维修；⑶每个供电单元相互独立与隔离，供电系统可靠性高；⑷每个推进器的供电及保护模块相互独立，方便进行备件储备。

3、综合导航定位信息融合技术

水下ROV对导航精度的要求不断提高，而且面对水下复杂多变的工作环境，单一的导航方式在水下ROV应用中具有很大的局限性。因此，需对水下航行器组合导航系统与信息融合技术展开深入研究，基于ROV本体上搭载的定位、导航的传感器，通过信息融合技术，实现一套综合导航定位软件。其功能包括：(1) 通信控制，显示控制等人机交互信息的管理；(2) 实时接收并存储来自各设备数据；(3) 实时显示各设备的测量数据结果；(4) 实时完成各类数据的深度解算；(5) 实时对系统运行状况进行监视，并显示监视结果。

图8 综合导航定位软件逻辑图

4、实时虚拟仿真技术

ROV作业视景仿真系统是ROV水下作业仿真模拟培训系统的重要组成部分，通过可视化技术逼真模拟三维模型和海洋环境，生成ROV遥控操纵、观察、检测等训练场景，为作业评估人员提供逼真的水下作业景象，用于判定作业的可行性、有效性。软件主要功能有：真实柔性脐带缆在深海作业时的形态；真实模拟螺旋桨的水花特效；场景漫游、ROV运动可视化、声呐仿真、碰撞检测、多通道显示等模块仿真设计。

图9 实时虚拟仿真软件功能逻辑图

5、多声呐传感器的时分复用采集技术

设计水下控制端的多声呐 络转光路的模块和高清摄像机独立 络转光路模块；通过时分复用技术实现多路光纤通道的数据传输；进行相关硬件系统及软件的测试。

图10 多声呐传感器的时分复用采集技术逻辑框图

ROV展望：

一是开展大水深抗压的脐带缆设计与应用；二是结合AUV与ROV优势，研究混合型无人有缆潜水器；三是研究具有水下智能感知能力的机械手；四是推力可扩展性，以适应大流速的恶劣作业环境；五是产业化谱系化发展任重道远；六是急需不断推广应用、同时应用支持技术水平。

柯玉军，上海遨拓深水装备技术开发有限公司总工程师，从事岩土工程勘察检测和水下工程检测技术质量管理。

朱俊，上海遨拓深水装备技术开发有限公司装备中心经理，从事水下工程设备开发及应用，作业型 ROV 产品化技术研发。