海洋论坛▏我国深海科考与作业装备发展概述 - 深海科考设备

葛宝淼

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深海高压无光的环境造就了顽强的深海生命体和丰富的矿产资源。对深海的研究探索，有助于提升地球生物链研究的完整性，对海洋环境保护、地震预报和海底火山预测等领域的研究有促进意义。深海矿产储量丰富，有丰富的钴、镍、铜、锰等锂电池需求的关键稀有矿物。对海底稀有矿物的开采可在一定程度上缓解陆地稀有金属的不足，有助于新能源和高科技的发展，但海底矿产开采引起的海洋环境破坏问题不容忽视。研究多种水下装备的应用，从多视角对海底环境进行全方位研究，有助于海底矿产开采过程的环境保护，有利于深海研究的推进。

世界深海资源开发技术发展的趋势是由水面转向水下海底，由水面操控转向深海直接操控。对深海的探索与作业，需要深海装备的支持。根据功能的不同，水下装备可分为科考与作业两类，科考装备主要采样水体信息、生物样本及小型水底物等。水下作业装备主要进行海底矿物采集、钻探及结构物维护。种类齐全、功能多样的水下机器人和探测器探测收集采样，可为深海作业提供先导数据。潜水器的主要类型有自主式剖面浮标（APF）、载人潜水器（HOV）、远程遥控潜水器（ROV）、自主式潜水器（AUV）和自主式水下滑翔机（AUG）等类型。各类潜水器功能互补，完成对深海的多角度探索。AUV与AUG自主运行能力强，可按照设定轨迹长时间自主运行，主要用于对指定区域的数据收集，ROV与HOV可搭载操作工具，有较好的采样与作业能力，主要用于水下样品采集。ROV与HOV主要依靠推进器驱动，工作时悬浮在水中，搭载与控制能力有限。对于大功率的水下作业，如矿产采集和水底钻探等操作，多依靠可在海底自由行走的海底行走车，海底行走车质量大，可支撑大功率装备的稳定运行。

一、深海科考采样装备

海洋科考主要依靠水下机器人对水体进行采样，通过搭载的在线或自容式传感器采样温度、盐度、深度、电导率和生物化学参数（pH、溶解氧、硝酸盐、悬浮颗粒、辐照度、叶绿素、浊度）等数据，通过搭载的高度计、多波束声呐和侧扫声呐等声学传感器收集水底地形数据，还可收集磁力及重力等地球物理信息。水下机器人种类多样，功能各有侧重，有能进行大范围水体采样的APF和AUG，也有针对小范围及定点采样的AUV、ROV和HOV。

近年来，在国家的大力支持下，我国深海机器人技术发展迅猛，成功研制了APF、AUG、AUV、ROV和HOV等各深海型号，形成了深海科考机器人的完整谱系。APF依靠1套液压系统调节浮力，从而可在水中进行浮潜运动，采集水体剖面数据，没有调节姿态的能力，随海流运动，常携带温盐深仪（CTD）和生物传感器，可采集较广泛的海洋水体数据，具有结构简单，价格低廉的优点。

中国海洋大学牵头研制的“DeepArgo”在2021年完成了4000m海深试验。AUG是在APF的基础上增加了俯仰角和航向角两自由度姿态调节机构及一对固定机翼，在水中以锯齿形轨迹运动，具有航程远的优点，功能与APF类似，可采集较大范围水体的剖面数据。中国科学院沈阳自动化所的“海翼7000”可潜深近7000m。天津大学的“海燕X”在2020年的海试中，成功下潜至10619m，覆盖了全海洋深度。

AUV形制与鱼雷相似，根据设定任务在水下自主完成任务的潜水器，通常需要潜至水底，通过搭载的传感器进行地形扫描、地质探测、海底结构扫描建模和水质信息采集等操作，沈阳自动化研究所的“潜龙四号”可潜至6000m，哈尔滨工程大学研制的“悟空号”已经实现了万米潜深。AUV需要推进器推进，并且对准确定位有较高要求，因此携带的装备能耗较高。低能耗设计、低阻力运行方式是AUV的研究前沿。沈阳自动化研究所研究的“海鲸”号AUV可以动态调节姿态与浮力，接近0攻角航行，减小运行阻力，提高运行时间。

ROV是缆控多推进器机器人，可搭载包含机械手的多种采样机械，适用于样品采集。近年来，有遥操作技术的辅助，使ROV可完成较复杂的操作。我国已经研制了不同吨位、不同用途、不同潜深的深海ROV系列，比较有代表性的是“海马”“海龙”和“海星”系列。其中，“海龙Ⅲ”与“海星6000”均完成了6000m海试。ARV是两用机器人，可以工作在ROV模式或AUV模式，提高了机器人的利用率，中国科学院沈阳自动化研究所牵头研制的“海斗”号，于2020年在马里亚纳海沟完成了潜深10907m试验，并实现了坐底和采样等操作。由上海交通大学牵头研制的“思源”号于2020年完成了8000m的海试，并完成了8h的水下连续工作验证。

HOV是载人潜水器，承载操作人员接近目标进行直接操作，相比ROV，具有操作灵活的优点。自2012年“蛟龙”号成功完成7062m潜深试验以来，我国的HOV技术已逐步走到了国际前列。除“蛟龙”号外，我国还有“深海勇士”号和“奋斗者”号等型号深潜器，其中，奋斗者号于2020年在深度10909m的马里亚纳海沟成功坐底，刷新了我国载人深潜的记录。

我国主要深海机器人见图1。

图1 我国主要深海机器人

二、深海作业装备

⒈海底采矿车

海底采矿车是一种重要的水下作业装备，是水下采矿系统的重要组成，可携带大功率的吸取传送装置采集海底矿物。美国、加拿大、德国和日本等国是较早开启水下采矿系统研究的国家。我国自20世纪90年代以来大力开展深海采矿技术研究，已经取得了丰富的成果。在采矿车方面，长沙矿山研究院有限责任公司积累了丰富的研究成果，牵头研制的“鲲龙”号具有代表意义，2019年，在2900m的水下，成功采集了150kg的富钴结壳。2021年，上海交通大学牵头研制的重载作业采矿车“开拓一号”成功进行1300m深海试验，验证了海底的基本运动控制功能。图2为我国研制的深海采矿车。

海底采矿车实质是一种海底行走车，与水中科考机器人相比，在海底行走的方式增强了运行稳定性，依靠编码器即可进行较准确的定位，也不需要考虑精准的配重问题、六自由度控制问题及海流干扰等难题，大大降低了设计难度。能在海底松软底床上行走的方式有多种，早期的采矿车有拖曳式和阿基米德式底盘，但因为适应性不强而被逐步放弃。现在的采矿车均采用履带式底盘。履带式行走车搭载相应的采样探测装置即可完成对海底的长时间全方位探索，脱离海底采矿系统，形成单独的海底自主行走车研究体系也是水下科考作业装备的发展趋势，中国科学院深海科学与工程研究所郭威团队研制的海底自主式行走车，于2023年9月在南海完成了4082m的水下行走试验，验证了运动控制与行走精度，仅依靠轮组上的编码器即获得了高精度的定位结果。表1为2020—2023年国际上进行的深海采矿车试验。

图2 海底采矿车

表1 2020—2023年深海采矿试验

⒉深海工作站

深海工作站（即深海空间站）体积大，可携带装备多，可以弥补载人潜器HOV空间小以及工作时间短的不足，满足水下长时间连续大功率作业的需求。为了支撑容纳多人的需求，需要复杂的生命维持系统。早期的深海工作站主要由潜艇改装形成，为了加强水下连续的工作能力，美国和苏联都选择在核动力潜艇的基础上进行改造，通过增加通信、操作和取样机械等设备，使水下工作站具有一定的作业能力。有代表性的是美国的“NR”型工作站与俄罗斯的“10831”型工作站。

“NR”水下工作站于1965年开始研制，长约45m，标准排水量365t，满载排水近400t，采用环肋柱结构，最大潜深1000m，最多可承载10～13人。底部有轮子，可适应贴海底运行的需求。配备了多种型号的声呐和光学相机等探测传感器以及多个推进器增强机动能力，还携带有机械手和专业打捞装置，有较强的水下作业能力。“NR-1”号完成了大量海底探测与打捞任务，参与F14战斗机及“挑战者”号航天飞机的残骸等的打捞任务。“NR-2”型是大型水下工作站，预计水下连续作业时间超过40天，目前正在研制中。

苏联的深海工作站项目同样在1965年启动，由孔雀石设计局主导，设计了型号为“1910”“1851”“10831”等核动力水下工作站。其中，最有代表性的是“10831”号，北约代号NORSUB-5，标准排水量1390t，满载排水量2000t，可搭载25人，设计潜深大于3000t，耐压壳体由7个串联的球状耐压舱组成，其中5个串联的球舱是生活区，另外2个串联的球舱是动力舱。搭载机械手和抓斗等作业工具。服役期间，完成多次探测任务，获取了大量北极海底岩土样本。

图3为早期美俄的核动力深海空间站。

图3 深海工作站

除美国与俄罗斯外，日本、英国、挪威、法国等国也在研究深海工作站，但目前还没有样机成功海试的消息。

我国深海工作站的发展路线与美俄不同，主要由科考驱动，在载人潜器的基础上逐步演化。技术基础是“蛟龙”号、“深海勇士”号及“奋斗者”号等一系列载人深潜器。“蛟龙”号标准排水量为22t，最大载荷为240kN。“深海勇士”号标准排水量为22t，最大载荷为220kN，“奋斗者”号标准排水量为36t，最大载荷为240kN。但以上3个潜器最多只能维持12h的水下连续工作，除去较长的下潜与上浮时间，在深海区域的工作时间十分有限。我国的深海空间站由船舶科学研究中心牵头，目前，已经完成了35t级的浅水试验，正在向大潜深、多载人的方向不断突破。图4为我国载人潜器的进化图谱。

图4 我国载人潜器图谱

⒊深海取样器

国外对深海取样器的研制较早，美、日、俄、英、法、德等国都有较完备的海底采样器。随着我国多种深潜型ROV和HOV的研制成功，配套的各类深海取样器也取得了一系列技术突破，走到了国际前沿。上海交通大学、浙江大学、哈尔滨工程大学、湖南科技大学、深圳大学、四川大学及中国科学院沈阳自动化研究所等多家科研单位都参与研究了深海采样器。深海取样器主要采集海底的水样、沉积物、岩芯、岩石和水合物等样品，是重要的水下作业工具。根据布放与操作形式的差异，可大致分为母船遥控采样、自主采样和通过潜水器操作等3种形式。母船遥控式通过母船直接操控，一般基于视觉反馈，比较笨重，主要用于大功率的海底钻探。自主采样类型采样器是根据预先设置的程序在海底自主开启采样，或通过压力触发的取样装置，一般单独使用，或搭载于着陆器使用，功能强大，使用方便。通过潜水器操作的采样器主要搭载在ROV和HOV上，相比于前2种采样器，其操作更灵活，可完成复杂且精准的采样。

在实际操作中，潜水器常通过较简单的取样器完成水底采样，如应用类似注射器的活塞式取样器采集水样和沉积物等流动性较好的样品，应用5功能或7功能机械手直接抓取水下物体，放置在采篮中带回水面。还应用生物诱捕笼获取水下生物，但诱捕笼需要在水下布放一段时间，才能起到收集游动生物体的作用。

深海海底高压、无光和低温的环境造就了独特的深海底物特征，为了较好地保持样品原位特征，发展出了能保压的原位取样器。此类采样器主要有保压和密封功能，并且通常设置压力补偿器补偿环境压力的变化。我国HOV搭载的取样器如图5所示。

图5 HOV的取样器

针对特殊作业情况，还可携带专用作业取样器进行采样，在“海马”号的一次南海冷泉科考任务中，“海马”号携带了自研的甲烷礁钻机、振动取样器和液压取样器以及保压取样器和生物诱捕器等多项作业工具对冷泉区域展开全面调查。

⒋深海辅助技术探讨

深海辅助技术指除水下机器人结构强度校核、抗压材料和水动力优化等主体设计之外的一系列辅助技术，优良的水下辅助可大幅提升深海资源开发与应急救援能力，深海辅助技术包含精准定位、超远距离通信、动力和环境感知及专用作业装置等方面。对于HOV，还包含生命维持和热管理等技术。

深海定位主要包含依靠外部信源辅助定位和依靠无源传感器的推算定位。依靠外部信源的定位可提供信源坐标系中的绝对位置，是定位精度较高的一种定位方式，主要有长基线定位、短基线定位和超短基限定位等声学定位方法。此外，利用地球磁场、重力场和海底地形等地球物理信息进行定位的方式虽然也依赖外部信源，但属于被动感知的方式，定位噪声较大，需要应用滤波算法处理噪声，并融合航位推算数据，才能得到较准确的定位结果。推算定位主要依靠DVL反馈的对水速度和惯导（或电子罗盘或航姿参考仪）反馈的姿态角度进行推算，依靠无源传感器的航位推算不能消除累积误差，往往需要绝对定位信息辅助消除累积误差。在高级别的深海潜器中，常应用光纤陀螺与激光陀螺等精度高，但功耗较大的陀螺，高功耗限制了AUV一类自携能源潜器的工作时间，当前低功耗陀螺是AUV类长航程技术的研究热点。深海潜水器浮潜周期长，不便于频繁返回水面应用全球定位系统（GPS）校正位置，当前常采用声学、DVL与惯导组合的方式定位。

深海通信的距离较长，对于HOV和ROV，常采用超细光缆进行通信，并设置通信中继站增强信号，实现深海超远距离通信。近年来，我国突破了超长距离的声学定位，在中继单元的辅助下，可实现近万米的声学通信，我国“奋斗者”号和“悟空号”的深潜试验采用了自主研制的超长距离声学通信技术。此外，深海极低频电磁波、地磁超远距离信息传输技术、深海抗散射畸变高速光传输与高速通信技术也是深海通信的研究方向。多次成功的深潜控制试验表明，我国已经掌握了深海定位与通信技术。

为支撑水下载体的长时间大功率工作，需要高能量、高功率密度动力技术。对于体积较大的深海空间站，可采用核动力、柴油机无空气推进（AIP）等系统。对于小型潜器，多采用电池，电池形式多样，性能差异较大，但当前锂电池技术发展较快，在潜水器中占有的比例越来越大。主要电池的分类汇总见表2。

表2 电池性能汇总

三、结论

在国家大力支持下，我国在深潜科考与作业装备关键技术上取得了连续突破，并且完成了大部分关键装备的国产化。“奋斗者”号、“海龙”号与“悟空号”等万米级潜器的研制成功，深潜ROV和HOV的多次深潜作业，说明了我国在深潜器设计、深海辅助装备和作业装备方面的研发实力已经走到了国际前沿。在水下采矿作业方面，我国已研制成功了3500m级深海采矿试验系统，完成了不小于1000m深的海上整体联动试验和水下4000m的采矿车自主运行试验，为未来深渊级的深海矿物开采奠定了坚实基础。深海空间站建设方面，根据“三步走”的规划路线，正在稳步推进。

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【作者简介】文/钟华刚刘雁集杨勇车驰东，分别来自中国机械总院集团青岛分院有限公司、上海海事大学商船学院、中国船舶及海洋工程设计研究院、上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院海洋工程国家重点实验室。文章来自《船舶工程》（2023年增刊2期），参考文章略，版权归出版单位与作者所有，用于学习与交流，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑与整理。

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