|
( q. C* C- o* p1 v$ ~% u
1 f& ^ r9 V9 t: W$ i" r
在人类发展的四大战略空间（陆/海/空/天）中，海洋是第二大空间，是生物资源、能源、水资源、金属资源的开发基地，也是当前最现实和最有发展潜力的战略空间。 " ]8 K0 o% P3 J2 H( ~6 l
本文围绕载人/无人潜水器的研发，重点介绍了2020年国际和国内的研究热点和亮点工作，分析了中国海洋技术所处的国际地位，并对中国深海潜水器领域未来的发展方向提出了建议。 3 R) b* X/ Z& y( w
加快深海装备体系建设，是满足中国对深海矿产资源调查、深海科学研究、海洋资源开发和海洋权益维护等需求的前提。
& K0 C' w4 P* f8 \6 |. v 深海装备体系包括用于勘查和作业的各类潜水器，搭载潜水器进行作业的水面支持母船，进行水下勘查和作业的通用或专用深海作业工具，进行海洋环境长期观测的海底观测站，在真实深海环境条件下能进行科学研究的深海实验室，可用于深海环境观测、科学试验、深海资源开发的大型深海工作站等。
* o" ~, G( K ^ 2020年深海潜水器领域
" E2 }9 `* F# s; @ c3 x0 v7 [ 主要亮点
* B3 ?, r3 w2 V- s# p( I 载人潜水器
4 y! d& d- W3 y$ e" Y0 E 载人潜水器是最早发展起来的潜水器类型3 V0 H" q8 i3 q0 D* \0 `
* F& A( j; W- Z* ^9 q- [" R
，可运载科学家、工程技术人员、各种电子装置和特种设备，快速、精确地到达各种深海复杂环境，进行高效勘探、科学考察和开发作业。 F# J ]2 X, P% g
# @: t) B' w; O: P8 J% J* {0 ^ 
; L6 i3 S1 B8 h& y& m4 T# w/ S4 a" X0 c
深海载人潜水器示意 0 z# _# b7 y. |9 F
2020年，载人潜水器领域的主要亮点是美国的“深潜限制因子”号完成了5大洋最深处的下潜，以及中国“奋斗者”号成功到达“挑战者深渊”。
- i3 C4 E8 a: t, v3 w. I* Q 这2台作业型载人潜水器的研制成功，标志着人类在深海技术领域取得了重要突破，中国在深海技术领域也进入国际领先行列。
) B) j+ s: L+ b9 U# x, ]& M9 ^" d$ ?$ a8 J
全海深载人潜水器所涉及到的关键技术几乎涵盖了深海潜水器的所有关键技术。 " N7 W0 a7 e# C
全海深载人潜水器的研制同时带动了总体设计技术、可靠性设计技术等深海技术的发展和应用。
7 Y/ v8 @! v9 J d2 [' s, u1 e1 m 无人遥控潜水器 $ n C5 d1 N8 V' |- L) q) }
无人遥控潜水器（ROV）是潜水器中种类最多、技术最完善、应用最广泛的种类
4 i6 D/ Z1 g. h( C ; Z6 \5 h' A( G% |/ |" y, s
，也是最早得到开发和应用的无人潜水器。
" ~+ C$ f8 @" l$ c( K6 E
; L. ^ L; [4 w' g! S, A; [ ROV通过脐带缆与水面支持母船相连接，由脐带缆为其提供电力能源和信息通信功能，操作人员在水面支持母船上可观看到潜水器搭载的声学、光学等传感器实时采集的海底状况，并通过发送远程指令遥控操作潜水器本体、机械手、任务载荷和作业工具执行相应的动作。
6 s: _/ j0 W( ^) x- k 
2 h/ p3 e. v4 t8 V0 W 国内外主要深海ROV发展历程
9 c6 ]" G1 \, [/ c! j' p 日本将ROV作为深潜装备研究重点，先后研制了多型万米级ROV产品，法国、英国、德国等海洋技术强国均研制了6000米级的大深度ROV。 . G- d! R" Y; X) a$ e7 @
中国深海无人遥控潜水器技术在最近十几年才取得了长足进步，先后研制成功“海星”系列、“海马”系列、“海龙”系列无人遥控潜水器。
" w7 T* p$ g- J7 q, B9 ^ y 2018年，“海龙11000”ROV最大下潜深度5630 m，创造了中国ROV装备深潜纪录。
* F( _! F) p4 s$ ^ “海龙11000”ROV何时下到“挑战者深渊”将是ROV领域需要关注的。 8 R1 G' B2 Q+ _% C: f. x
无人自治潜水器
- K6 y7 {- @$ _3 B 无人自治潜水器是不带缆绳、自带电池、采用预编程模式进行水下巡航和部分特定作业的潜水器
5 _! o' E: B% W Z" V+ u+ [
. Z1 b9 t. q+ [; g9 ?* z 。
; N d0 I- k- X9 I. t
2 V9 v E6 t6 Z& O0 A 2020年的主要亮点是俄罗斯的新型无人自治潜水器“Vityaz-D”号成功下潜到马里亚纳海沟10028 m深度，并按设定程序执行了自主航行任务。 ; k' j* i. |# ]: r* i1 c
# n) ]0 c6 o0 l9 }6 E6 l3 ~ |1 _ 俄罗斯新型无人自治潜水器 . \7 r" r5 H3 h
俄罗斯在AUV方面的研究始于20世纪70年代，在20 年间开发出多款水下机器人产品。
. K* \ ] E1 K" s/ G# n 
7 _; a9 v) ]. |8 n% c: l5 H 俄罗斯典型水下无人自治机器人产品 - h) k/ s2 R a) h* `
无人复合型潜水器
' f4 V- [+ @- @, Z6 ]3 D% | 复合型无人潜水器的概念最早是在1990年
: n% k. ]' l5 m
: [" A) f3 a C2 t 提出的。 0 p/ ]: _$ g, ~. `
y: [" q) v* H2 i 2020年的最主要亮点是“海斗”号4次到达了挑战者深渊，但仍有一些故障需要再去马里亚纳海沟进行海试验证。
; t7 i ?& h+ i. C5 } “逐梦”号也去挑战者深渊进行了海试，但未能到达挑战者深渊，需要继续开展试验。
( l1 u2 Y5 h' `1 P2 Z* { 上海交通大学的复合型无人潜水器计划于2021年冲击挑战者深渊。
0 o y8 v' L7 L$ S 水下滑翔机
2 ^7 {4 a$ O' Q; Q: d( ?( X 水下滑翔机是一种依靠浮力驱动的新型潜水器，具有续航能力强、噪音小和费效比低等优势，可实现海洋环境、声学要素等观测，能为海洋大数据分析、数值预报等重要领域提供准实时测量数据。 % ~ R% S! k' V3 j' s" R8 M( O
2020年，“海燕滑翔机”下潜到10619 m，达到目前中国万米级深海水下滑翔机的最大下潜深度，并获得大量深渊同步调查资料，标志着中国在万米级水下滑翔机关键技术方面取得重大突破。
4 b8 A; W( ]. m7 ^3 s) H 水下滑翔机需要借助浮力材料物理参数改变和其自身调节实现升降，国内学者浮力材料的设计与优化也取得了一定的进展。 . r T% H- L8 z2 D
目前科学家们正在寻找一种能够让滑翔机在深海保持平稳运动的方法。
/ P2 A/ Y# u9 ^5 s 未来科研工作者应当努力攻克温差能转化技术、能量高效转化技术、能源混合供应技术难题，让温差能在未来长时间、高效驱动滑翔机运行成为现实。 7 S2 D8 `3 S; L$ U
水下着陆器 8 e* I+ \! i# z: A
水下着陆器是一种实现水下采样、检测等功能的自动化设备
2 H5 H C# F+ _9 E) c( r
7 U/ ^! F/ @% \( r# o K ，具有结构简单、系统可靠、经济性高的特点，是海洋生物学、海洋地质学研究的重要工具，也是水下深潜科学试验系统的重要组成部分。 9 w7 J4 r7 R2 C' K% x8 ^' S
% K! u& d I, {' C- f. W
水下着陆器在长时间的工作中完全自主，不影响母船的其他科考工作；着陆器可以用于诱捕海洋生物，长期监测海底板块运动、海底生物行为等，多个海底着陆器可以组成水下观测网，与其他潜水器协同完成水下作业任务。 3 T+ K# Y+ W" r/ L( R- P8 M" d& U
2020年，中国“沧海”号着陆器下潜到马里亚纳海沟底部，与“奋斗者”号载人潜水器实现联合作业，并通过搭载全海深高清相机将万米洋底的实时画面直播回传，验证了全海深视频直播系统关键技术，为万米载人深潜的电视直播提供了技术保障。 % M3 B& U9 K$ n0 N9 D
* E4 ]4 U/ b8 S8 J- ?
水下着陆器实物样机
5 p* g) e8 n! U/ ?! p$ M4 |1 X4 d 智能剖面浮标 . [$ l8 ~) B% ? l- ?
深海智能剖面浮标是一种新型海洋观测平台设备
6 B# G( Y! T9 g# H1 K3 q* q
% U6 ~/ [$ o1 d ，可搭载不同类型的传感器，实现对于海洋环境要素的剖面测量，借助卫星系统将采集的数据传送到地面岸站；进行可靠性设计与实现控制系统超低功耗，提高浮标使用寿命；地面岸站对接收到的数据进行分析、处理、显示、发送控制参数，借助卫星系统实现对浮标的控制。 9 U) @' [! Y! o
/ E+ D' Q" F9 f' C# Q0 i 1998年全球海洋观测试验项目（Argo计划）推出后，大大提升了人们对于深海数据的获取能力。 ! c$ |. r. b6 z2 V# D# v( |
吴立新团队有成员参与到4000米级深海Argo浮标的研发和科学应用中，有助于将自主研发的深海Argo浮标投入到全球深海大洋，实现中国深海大洋观测研究跨越式发展，掌握全球海洋科学研究的主导权。 ! E5 ?4 F" N A
剖面浮标通过周期性上浮下潜完成目标海域海洋参数的测量工作，如何减少浮标在这一过程中消耗的能量也是目前学界所关注的问题。
[1 W E7 C8 R 提高剖面浮标柱塞泵的容积效率对于降低剖面浮标的运行能耗、提升剖面浮标的续航能力也有重要的意义。 " N4 S s) R. k8 h- h0 v4 P
此外，对于更大深度的深度控制研究具有重要的价值。 / N" U1 S9 N6 z2 ?! M; I9 y6 P
中国的深海技术发展现状 7 |8 C) x2 e) M1 B. q* ~
根据材料和制造工艺等特点把潜水器的研制划分为3代：
7 e* ~% Y6 K- ] G! f- t, ]! C 第1代完全的载人潜水器，钢质载人舱，主要依靠航空汽油提供浮力，潜水器非常笨重，几乎没有自航能力。 3 q# C& t2 Y- ~: g: Y; |) c* L
第2代无人/载人潜水器采用固体浮力材料提供浮力，采用超高强度钢、铝合金和钛合金等作耐压舱，从而实现了潜水器的小型化，提高了自航能力。
5 |4 w: n# H* w5 y& i 
" g8 E3 n' Y8 g" f2 |( I
深渊科学技术流动实验室示意 2 T3 v5 F/ M, f& u, d- ^: E# J
第3代潜水器被定义为智能仿生机器鱼型的潜水器，它的特点是用柔性大变形的软体材料替代固体的金属和浮力材料，基于3D打印的制造技术替代传统的焊接和锻铸技术，人工智能技术替代传统的控制技术，基于纳米技术设计制造的传感器替代传统的传感器。
4 V+ y4 C2 @# t5 @' M 智能机器鱼型潜水器领域的技术突破可以全面带动深海装备技术的发展，也是保持中国海洋装备领域领先优势的一个重要抓手。
Z- H: ]" }# q+ Y% i: i5 Y 
9 J8 ~8 A) l2 u) ^- z 来源：Nature 7 b z$ D9 j7 x$ h
中国到第2代中期才正式进入这个领域，初期主要集中在援潜救生潜水器的研制上，随后研制成功“海龙”号和“CR-01”号和“CR-02”号。 " k! N) Y9 J4 }: V q7 t( v
2002年，启动了“蛟龙号”的研制，先后完成了不同深度的海上试验任务，使中国的载人深潜技术实现了跨越式发展。
7 o5 U' k/ ~/ a9 j) Z- \ }, r 而“深海关键技术与装备”重点专项结束时，随着中国作业型全海深载人/无人潜水器的研制成功，中国在第2代潜水器技术竞赛中已达到国际领先水平。 $ ]$ w j& `) l1 B
中国深海技术未来发展建议 ' V+ K. H9 R0 }, |
1）应把研制的重点放在第3代仿生智能机器鱼型潜水器上。
9 u# ^* J3 H1 \. E8 D: `% k 重点解决传统的第2代潜水器中存在的能量效率问题、机动性问题、复杂流场中的运动问题、环境流场能量的利用问题、速度或加速度问题、噪声/隐蔽性问题、集群作业问题，软体机械手技术，大幅度提高潜水器的性能并降低使用成本，继续保持潜水器领域的国际领先地位。
7 K/ |2 Y; q# L- f$ Q% k0 t! z6 D" { 对于仿生潜水器的设计，最为核心的技术仍然是多学科的设计优化。
$ [: }5 w4 q+ c; o/ b; ? 2）要加大潜水器技术的成果转化和应用。 ; ?" g# C9 `6 t5 Y* I1 z
现在研制这些设备的都是科研院所或高校，他们不具备批量生产或提供长期服务的能力，一定要把这些技术转移到企业。
" B! M ^. b/ v. T* H* N8 u 可以选择某些有市场开发前景的产品如清洗机器人作为背景来实现技术转移。
8 q% e( p2 u- y& e2 G. \7 Z 3）水空两栖航行器在军事和民用领域的具有潜在广泛应用前景。
: z! u& y `, ?* c2 ] 结合仿生设计的可重构结构将是在水和空气中具有更好的运动能力并改善跨媒体过程的解决方案。 ; [ m/ E- N0 y1 z; O8 f
但是复杂的控制算法和轻量级的可重构结构等相关技术仍需要大量研究和探索。更长的续航时间和更好的传感器有效载荷之间的权衡将继续是未来的技术重点。 ; L h1 C) p, ~8 F1 K
4）中国现在采用的集中全国优势兵力攻克重大关键技术的“新型举国体制”模式对于加快研制进度，缩短与发达国家的差距具有重要的作用，但投入产出比低，成果转化困难，可以引入“国家支持+民间投入”的模式。 , q, X: F6 \4 i! `8 Y L& C6 y
本文作者：崔维成，姜哲，王芳，李维，宋长会，宋婷婷，沙金余作者简介：崔维成，西湖大学工学院、浙江省海岸带环境与资源研究重点实验室、上海深渊科学工程技术研究中心，讲席教授，研究方向为深海探测技术。 * L# B7 c! r/ W
《科技导报》创刊于1980年，中国科协学术会刊，主要刊登科学前沿和技术热点领域突破性的成果报道、权威性的科学评论、引领性的高端综述，发表促进经济社会发展、完善科技管理、优化科研环境、培育科学文化、促进科技创新和科技成果转化的决策咨询建议。常设栏目有院士卷首语、智库观点、科技评论、热点专题、综述、论文、学术聚焦、科学人文等。
5 Y& a J9 A2 \. z7 g& A 《科技导报》微信公众平台创建于2014年，主要刊登《科技导报》期刊内容要点，报道热点科技问题、科技事件、科学人物，打造与纸刊紧密联系又特色鲜明的新媒体平台。
- Y6 N4 V u5 A1 I$ Z) ?; Q: Y* r; u U, X4 Z
9 Z7 ]" f9 q. {, Y" n; X
! O+ ]( d* n1 @3 v5 u, y. y
" _% B3 t% ^9 W5 @+ |: N | 
