吴有生院士:海洋装备技术的重点发展方向

2022-08-21 15:09:41, 吴有生



 

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来源: 前瞻科技杂志
作者:吴有生


吴有生

-研究员

-中国工程院院士

-船舶力学与船舶工程专家

-三维水弹性力学奠基人

-中国船舶集团中国船舶科学研究中心名誉所长

-工业和信息化部高技术船舶研究计划专家咨询委员会主任



文章摘要

海洋装备是支撑海洋科学研究、资源开发和安全保障事业的“脊梁骨”。文章简要分析了中国当前在海洋装备领域面临的机遇和挑战,针对船舶技术与产业、海洋资源开发装备和深海装备,概要介绍了世界海洋强国和中国的相关技术现状,择要梳理了最值得关切的前沿技术内涵和重点发展方向。


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中国是一个陆海兼备的发展中海洋大国,海洋是中国经济社会发展重要的战略空间。世界海洋平均水深约3897 m,90%是超过1000 m的深海,蕴藏着丰富的能源、矿产和生物资源。但是当前人类对深海的认识仍停留在初级阶段,大量基础科学问题和关键技术亟待研究。党的十八大提出建设海洋强国战略,2016年习近平总书记明确指出,“深海蕴藏着地球上远未认知和开发的宝藏,但要得到这些宝藏,就必须在深海进入、深海探测、深海开发方面掌握关键技术”,为中国海洋装备技术发展指明了重点方向。


1、中国海洋装备面临的机遇和挑战


       



中国虽为邻海大国,但人均海域面积只居世界第122位,近海与外海的渔业可捕量仅占世界海洋渔业总可捕量的1.16%~1.75%。中国的资源并不丰富,已探明的人均石油储量为世界平均水平的1/9,人均天然气储量为世界平均水平的1/20。经过数十年稳定发展,中国已深度融入全球经济一体化,2020年进口石油5.42亿t,铁矿石11.7亿t,粮食约1.3亿t,是全球最大的资源、原材料进口国,也是全球最大的工业加工品输出国。

这种外向型经济带动了中国船舶与海洋装备技术与制造业的高速发展。2003年以来中国船舶产业规模和综合实力迅猛扩大,研发能力显著增强。根据英国克拉克森研究公司的数据,2014年以来,中国船舶设计机构参与设计船舶的份额约占全世界的30%~35%,日本约占20%~25%,韩国约占10%~20%,欧洲约占10%~15%。中国船舶海工装备领域研究试验设施的齐全程度超过美国和俄罗斯,数量超过欧洲的总和。

中国经济运行对外依存度高,需要不断寻找新的资源来源,也对海洋装备尤其是深海装备技术和产业的发展不断提出新的需求。海洋是远未充分开发的资源宝库,人类对海洋资源开发利用不足5%。海底稀土储量约是陆地800倍;深海富钴结壳矿的钴、镍、铅、铂储量约为210亿t。地球上约40%有远景的油气盆在水深3000 m以下的海底;有机碳的总储能是陆上煤、石油、天然气总储能的2倍;中国仅南海油气储量就达350亿t油当量,占全国海域油当量50%;天然气水合物资源量为680亿t油当量,约为陆上与近海油气总资源量的1/2。海洋风能、波浪能、温差能储量巨大。仅南海海域,温差能理论装机容量即为3.67×108 kW,占中国海域海洋能资源潜在量的52%,其中技术可开发装机容量为2.57×107 kW。南海还有丰富的渔业资源。研究表明,南海深水养殖环境条件优越,美济礁泻湖内网箱养鱼生长速度与质量均远高于近海养殖。因此,有效地开发利用海洋是支撑中国经济社会可持续发展的重要保障。

历史经验表明,海权竞争的激烈程度与各大国的综合实力和发展态势相关。因此,当前形势下,如何保证海域和海上交通线安全,如何加快海洋资源开发利用,如何深化海洋尤其是深海的前沿科学研究,是中国在海洋方面面临的3大挑战。为应对这3大挑战,中国必须提高海洋安全保障、资源开发、科学研究3个方面的能力,海洋装备技术及产业是支撑这3个方面能力的“脊梁骨”。


2、船舶技术与产业发展方向


       



2.1  中国船舶技术与产业发展现状

中国船舶行业快速发展,与21世纪初相比生产能力大幅提升。2001年以来,英国克拉克森研究公司发布的中国、日本、韩国按载重吨计算的造船完工量见表1,20年以后中国已成为世界第一造船大国。近年中国持续在全球造船业的造船完工量、新接订单、手持订单3大指标的排序中保持世界第一。中国研发能力显著增强,形成了涵盖船舶基础科学、船舶设计、新型动力与船用配套设备研发等全链条科研技术能力;具备建造几乎所有船型的能力,散货船、集装箱船、油轮3大主流船型实现了系列化、批量化建造,大型液化天然气(LNG)船、双燃料推进超大型集装箱船、大型邮轮、极地考察破冰船、汽车滚装船、各类科考船等高技术船舶的设计建造在国际上形成了显著的优势;智能航行操控、能源动力智能管理、辅机运行智能监控、洁净新能源和减阻节能等新技术装备研发应用取得显著进展,2018年中国船级社给文冲船厂建造的38800 t散货船授出了全球第一个智能船标志;中国形成了较为完整的船舶装备技术链与产业链,中国船舶集团有限公司已是世界第一大造船企业。

表1  中国、日本、韩国造船完工量


2.2  船舶技术与产业的重点发展方向

世界船舶技术与产业的发展方向是“智能、绿色、深海、极地”。

船舶智能技术包括智能设计、智能制造和智能船舶(装备)。中国工业和信息化部发布的《智能船舶发展行动计划(2018—2020年)》明确给出了智能船舶的定义:“智能船舶是融合感知、通信、网络、控制、大数据、人工智能等先进技术,具备船舶自身、航行环境、物流状态自动感知及多等级自主决策及控制的能力,在船舶航行、管理、维护、载运或作业等方面实现智能化运行,从而比传统船舶更加安全可靠、经济高效、环保舒适的新一代船舶”。显然,智能船舶技术不等同于“无人航行”技术,它包括下列8大类技术。①感知基础器件技术(船用物理量/化学量/生物量传感器)。②智能航行操控技术(航行环境智能感知与分析、智能自动驾驶、恶劣海况智能应对安全操控、航线安全性与经济性智能优化决策)。③能源与动力系统智能管理技术(船用低/中/高速智能内燃机、发电机组—综合电力系统智能安全监控、供能储能用能智能调控管理)。④辅机安全运行智能监控技术(辅机设备运行状态智能监测、辅机设备智能控制与故障诊断)。⑤全船安全智能监控技术(全船网络安全、机电设备安全、舱室环境安全、船体结构安全、火情火灾监测与处置)。⑥绿色性能智能监控技术(能耗与排放全航程实时监控、CO2/SOx/NOx减排系统监控、三大噪声源激励状态实时监测、船舶辐射噪声实时评估与智能控制)。⑦货物与物流智能监管技术(海运物流网系统、货物状态与环境管理控制系统)。⑧船舶一体化信息系统技术(船海陆空天一体化通信与信息网络、综合智能导航与定位、信息智能化融合处理系统)。中国的薄弱环节及发展智能船舶技术的重点不是“船型和船体”,而是船舶的“大脑、神经与内脏”。必须加快感知探测控制元器件、智能船用动力系统、数控配套设备、一体化观通导航信息系统及智能软件的研究开发,改变长期以来产业结构与科研安排中“总体设计与总装建造”及“动力配套与观导信息”前重后轻的不协调现象,推动船舶产业与产品的“数字化转型、智能化升级”。

绿色船舶是“通过采用先进技术,把传统的‘使用功能和性能要求’与21世纪的‘节约资源与保护环境的要求’紧密结合,在船舶设计、制造、使用与拆解的全周期中,节省资源和能源,减少或消除环境污染,保障生产和使用者健康安全、友好舒适的新技术船舶”。中国船舶领域绿色技术发展应关注4个重点方向。①从“注重产量”转向“注重效率效益”,着力解决“高三耗”问题是发展绿色产业的根基。制造每吨位船舶的能耗、材耗、工耗直接决定了绿色技术水平与经济效益。目前中国船厂的“三耗”远高于日本和韩国。必须开发船舶设计制造一体化工业软件,加快应用人工智能、虚实结合、5G技术,进一步突破智能制造装备与工艺的关键共性技术,提升船体制造切割/成形/装配/焊接/涂装、机电设备制造、物流和仓储的智能化水平。②研发绿色动力设备是中国发展绿色船舶技术的重中之重。突破应用LNG、氢、氨、甲醇的双燃料发动机及气体发动机关键核心技术,发展智能检测、模块化设计、电控燃烧和排放、高压共轨燃油喷射、高效率涡轮增压等技术,开发高可靠、高效率、低油耗、低排放、轻量化、低噪音发动机。开发谱系化的千瓦级至百兆瓦级海洋核动力及适应极地特殊环境的绿色船用发动机。③加快开发新一代船用绿色配套设备技术是补短板及提升国产化率的必要举措。主要技术包括新型高效节能低噪声发电机组技术,各类低功耗安静型数控船用泵、阀门、风机、空调和冷冻系统技术,主动力系统余热余能利用技术,高效压载水处理系统技术,不含三丁基锡(TBT)的防污与减阻涂料和表面处理技术等等。④持续开发能效指数(船舶能效设计指数(EEDI)、船舶能效运营指数(EEOI))优异的绿色品牌船型是强化技术集成能力和竞争力的重要任务。全面采用船型多目标优化、减阻节能、增效推进、航线智能优化等各种水动力学新技术,材料与结构优化设计技术,风能、太阳能等洁净新能源辅助推进技术,双燃料与气体发动机技术,绿色智能辅机综合应用技术,牵引各项绿色与智能技术的有序发展和有效应用,开发新型绿色船舶。推动船舶“躯体”与“内脏”技术和产业的协调发展,是建设造船强国的必然要求。

3、海洋资源开发装备发展方向


       



3.1  海洋油气资源开发装备

海洋资源开发不断地走向深远海,2001年在墨西哥湾Alaminos Canyon的开采深度即已达2953 m。半潜式、立柱式、张力腿等不同系列的深水油气开发平台技术已经成熟(图1)。

图1  各类油气开发平台


中国在海上稠油高效开发、近海边际油田开发、深水海洋平台等领域达到了国际领先水平。已掌握深海水下生产系统的部分关键技术。例如,2008年开工建造的“海洋石油981”平台,是中国自主设计、建造的第六代深水半潜式钻井平台,最大作业深度3000 m;2017年中国“蓝鲸一号”海上钻井平台在南海神狐岭海区完成全球首次可燃冰试开采;美钻石油钻采系统工程(上海)有限公司、重庆前卫科技集团有限公司等已可设计、制造、测试水深1500~3000 m的水下采油树等关键设备。

受台风、巨浪、海冰等海面恶劣条件影响,海洋油气开发装备的长远发展趋势是从水面转入水下,俄罗斯、挪威等国提出了解决水下钻探、供能、转运问题的多种技术方案。

中国油气需求及进口量庞大,需要重点解决用于天然气水合物勘探、开采、供能、控制、输运及立体安全监测的水面与海底装备体系化技术,并全面掌握与下述装备相关的关键技术:深远海特大气区多功能液化天然气装置(FLNG)、深水圆筒形浮式生产储卸油装置(FPSO)、水下生产控制系统、水下多相增压泵与湿气压缩系统、水下变压变频供电系统、水下多相集输及监测系统、水下应急维护系统、多功能深远海油气田开发与远程补给装置、极地油气开发勘探和钻井装备、极地混凝土重力式平台和天然气开采工程化设施、极地油气开发远程补给系统等。针对长远需求,尤其要发展支持深海能源开发工程施工作业、海底供能及应急救援的移动与固定式深海工作站技术。

3.2  海洋矿产资源开发装备

最受关注的深海矿产资源是4000~5500 m海底多金属结核矿、1500~3500 m海底热液硫化物矿、800~3500 m深海山坡上厚度数厘米的富钴结壳矿。深海采矿技术研究始于20世纪50年代末。针对海底矿产向水面提升的技术问题,科研人员先后提出了连续链斗式(1972年)、管道提升式(1978年),穿梭艇式(1979年)等方案,但因可靠性、经济性等因素,至今未能实现商业化应用。其中,日本、印度、韩国等采用管道提升式原理进行深海多金属结核采矿试验并取得了不同程度的经验。2014—2018年,阿联酋MAC公司为投资方,加拿大鹦鹉螺矿业公司为用户,新加坡SEATACH公司为设计方,中国马尾船厂为建造方,研制世界上第一艘深海多金属硫化物采矿船。其目的是利用位于英国的SMD公司研制成的切割、碎矿、集矿3台重型设备构成的海底采矿系统,采用管道提升方式在巴布亚新几内亚专属经济区马努斯盆地水深1600 m的Solwara 1矿区开展多金属硫化物矿的商业性勘探开发(图2)。但由于经济与生态风险等多种因素,完成船体建造后,2018年6月终止了造船合同。

图2  多金属硫化物采矿系统


中国船企、矿企、中国科学院、高校在国家科技部、自然资源部、教育部支持下,针对不同矿种、不同开采方式,开展了深海采矿关键技术的攻关。已研制成海底多金属硫化物采矿机、富钴结壳采矿机、深海扬矿中继站(图3)的样机,完成了部分海试。

图3  中国科学院研制的深海富钴结壳采矿机(a)及中国船舶集团有限公司研制的工作水深1700 m的水下管道扬矿中继站(b)


深海矿产资源开发技术正处于发展的初级阶段。需要解决下述采矿装备涉及的关键技术和前瞻技术:大型采矿船上数百吨重采矿机布放回收与止荡技术、水面支持船的矿物预处理与脱水排放技术、超大潜深大功率中压输配电技术、大功率供电与控制信息传输复合脐带缆技术、深海海底采矿机驱动与行进指控技术、强振强噪干扰环境中采矿机械高精度运动的综合水声导航定位技术、海床地表矿物高效掘削破碎技术、矿浆垂直管道输送技术、长距离垂直管道粗颗粒固液两相流输送技术、高效节能防堵粗粒浆体特殊混输泵技术、对海洋环境影响的评估与控制技术、低扰动智能化辅助作业水下机器人技术等。同时,必须加强深海采矿(海底作业搅动、触发有毒化合物排放、尾矿处理及尾水排放)对生态环境的影响研究。

3.3  海洋渔业资源开发装备

发展深水远岸海洋养殖渔业对调整中国渔业结构有重要意义。近10余年来,大型智能化网箱养殖平台及大型深远海智慧渔业养殖工船两类集约化、智能化渔业养殖装备的技术在中国快速发展,一系列大型深海渔业养殖平台已投入使用。典型的装备为:上海振华重工(集团)股份有限公司研制的养殖水体容积1.3万m3的“振渔1号”养殖平台,中国水产科学研究院南海水产研究所设计的养殖水体容积3万m3的“德海1号”平台,马尾造船厂建造的养殖水体容积15万m3的“海峡1号”平台,中国船舶集团有限公司武昌船舶重工集团有限公司承建的直径110 m、总高69 m、养殖水体容积25万m3的“海洋渔场1号”平台(图4)。2022年5月,青岛北海船厂有限责任公司建造的“国信一号”10万t级深远海智慧渔业养殖工船交付使用。其养殖水体近9万m3,可“船载舱养”,年产大黄鱼、石斑鱼、黄条鰤等高品质鱼类3700 t。

图4  “海洋渔场1号”平台

(来源:http://www.hinews.cn/news/system/2020/08/20/032405067.shtml)


中国的深远海渔业养殖装备技术虽取得显著进展,但绿色与智能化技术水平尚待提高,岸海一体工业化、集约化、信息化深远海养殖与服务保障体系尚待建设。为建设大型智能网箱养殖产业链,需进一步提升下述装备技术:台风海域的可定深全潜悬浮式大型养殖网箱及半潜漂浮式动力定位大型养殖网箱技术、深水网箱定深与姿态精确控制系泊技术、智能养殖辅助装备技术(渔网污附物智能清除系统技术、高密度鱼苗船网间高效传输系统技术、生长状态智能监测与投饵投药精益养殖技术、饵料智能投喂技术、轮缘驱动活鱼无伤吸捕高效出箱技术、声光融合感知识别死鱼吸取机器人技术、死鱼自动集处技术)、养殖网箱绿色供能技术、大型网箱集群养殖场的气象及鱼情多源信息集成智能管理技术、活成鱼运输及速冻和智能精准加工保障船技术等。养殖工船还涉及养殖水体交换、水质调控、减振降噪、养殖舱智能集控等技术。加强上述关键技术的研发,将形成工业化深远海养殖产业链与服务保障体系,为提升全民食品质量,维护国家粮食安全开创新局面。

3.4  海洋空间资源开发装备

超大型浮体在海洋空间利用和资源开发方面有广泛的应用前景。采用模块化拼装拓展,形成大型海上基地,可提供生活居住、商务旅游、生产制造、能源供应、船舶停靠、飞机起降、物质存储、海水淡化、医疗救助等各类海上保障。近30余年来,美国、日本、中国、挪威、韩国、新加坡等多个国家先后开展了超大型海上浮式结构物技术的研究。然而,付诸实用的甚少。为使系泊定位更加可靠,超大型浮体往往需布设在离岸线不远或近岛礁的地理环境复杂的海域中。不同于无遮蔽开阔海域中的船舶,岛礁海域浮式结构物遭遇的波浪存在时空演化不均匀的特点,受力与响应受海底地形的影响,因而设计、评估、建造、部署和运行面临诸多前沿科学问题和新技术挑战,包括:岛礁海域风浪流时空分布不均匀性的演化机理和波流相互作用理论、复杂海洋地理环境中超大型浮体流固耦合理论、海洋超大型浮体复合系泊系统动力学与抗台定位技术、超大型浮体多模块柔性连接力学机理及连接技术、超大型浮体结构极值载荷与安全可靠性评估方法、高盐/高湿/高温/高光照条件下金属结构防腐防污技术、大型浮体全系统安全状态与环境智能监测技术等。还包括各类不同功能的超大型浮体(浮式科学实验基地、浮式综合旅游岛、浮式温差能发电与深层海水利用生产基地、浮式机场与海港、浮式油气开发保障基地等)设计、建造和运行技术。

为了应对这些挑战,2012年以来,中国围绕上述问题开展了系统性研究,取得了丰硕的成果。除了理论研究、数值分析方法研究、实验室与水池的模型试验研究外,还设计并研制了双模块“永乐科考”科学试验平台。2019年以来在南海海域开展了相关技术的长期试验验证,持续积累丰富的环境与实用效果数据(图5)。

图5  “永乐科考”科学试验平台


4、深海装备发展方向


       



4.1  海底探测网络

海洋探测对象涉及物理海洋、海洋地质、地球物理学、海洋环境、海洋生物、化学海洋、大气科学、冰科学、军民船舶与海洋工程等多学科信息;探测对象具有时空演化特征。卫星与航空遥感海洋观测、船载海洋观测、岸基台站仪器与高频表面波雷达海洋观测、锚系/漂流浮标与潜标海洋观测、海底网络观测构成当今发展中的海洋立体观测系统。其中,海底长期探测(观测)网被称为继调查船和卫星之后的地球系统第3个海洋观测平台,也是军民海洋装备最受关注的部分。

举若干国外实例。美国国家科学基金会的海洋观测系统(OOI)由区域网(RSN)、近岸网(CSN)和全球网(GSN)3部分构成,包括880 km海缆连接的7个海底主节点。2013年加拿大将VENUS海底实验站和东北太平洋的NEPTUE Canada观测网合并组建了加拿大海底观测网(ONC),其包括由800 km环形主干网连接的5个海底主节点,覆盖了离岸300 km的海域。欧洲多学科海底及水体观测系统(EMSO)由13个成员国共同承担,包含了11个深海节点和4个浅海试验节点,覆盖了从北冰洋、大西洋、地中海到黑海的欧洲主要水域。日本先后建设了地震和海啸海底观测密集网络(DONET、DONET 2)和日本海沟海底地震海啸观测网(S-net)。其中,DONET系统以15~20 km的间隔布设有线连接的22个观测点;DONET 2系统由450 km光电复合缆、2个登陆站,7个科学节点和29个观测平台组成。这两个系统覆盖了从近岸到海沟的广大海域。S-net系统沿日本海沟布设,缆线总长5700 km,由6个子系统组成,每个系统包括800 km缆线和25个观测站(图6)。

图6  日本海沟海底地震海啸观测网(S-net)

(来源:https://www.seafloor.bosai.go.jp/S-net/)


近10余年来,在科技部、中国科学院、教育部等部门支持下,同济大学、中国科学院声学研究所等单位牵头组织国内力量,在东海和南海建设了海底观测网试验与示范系统。

海底固定式探测网技术源自于美国的水下反潜网络。20世纪70年代初,美国就在大西洋和太平洋(含一岛链)部署远程固定水声监视系统(SOSUS),形成探潜警戒能力,监测苏联潜艇行动。为弥补SOSUS的不足,美国又发展了固定与移动相结合的组合式探测网技术,包括广域海网(Seaweb),将固定节点、移动节点和网关节点通过水声通信链路组网;可部署自主分布系统(DADS),由14个固定节点及数个移动节点组成;近海水下持续监视网(PLUSNet),以潜艇为母节点,无人潜水器(UUV)为移动节点,以潜标、浮标、水声探测阵为固定子节点。此外,近年来美国和俄罗斯分别在原有探测网络的基础上发展了具备通信导航功能的水下GPS及水下格洛纳斯系统。

水下固定与组合式探测网络技术的应用必无止境,下述6大领域的关键技术会与时俱进,不断发展。一是多物理场感知器件技术。必须提升高耐压/灵敏/可靠/低耗能/水密的标量与矢量水声换能器技术、红外与极低频电磁场感知器件技术,尽快自主掌控高可靠/高灵敏/低功耗的各类海洋动力环境与各类海洋生态环境监测传感器及仪器技术。二是针对水下运动目标以声为主的多源信息组网协同探测技术。重点发展低频声探测大尺度线阵与立体阵优化组阵技术、大深度阵列有效声路径向上探测技术、固定与机动结合的分布式组网探测技术、多源数据融合目标定位与区域跟踪技术、水下机动目标低频线谱声纹特征远距离声阵探测与识别技术、电化学腐蚀磁场与红外光信息中距离探测技术、基于自主学习的目标精细识别技术等。还需解决流、涡与内波作用下长缆与立体阵动响应安全性及保形技术。三是针对深海科学(海洋环境、海洋物理、地质与地球物理、地球化学、海洋微生物等)长期研究的海洋观测网监测技术。主要需发展海床基自动观测站/网管节点/观测节点技术、大深度海底海洋动力/海洋生态参数监测设备技术、接驳盒技术、自动升降剖面浮标技术(测温盐深、海流、电导率……)、信息融合控制技术等。四是水下通信链技术。非岸基连缆网必须解决固定节点间光缆或水声通信技术、固定与移动节点间水声/近距离激光/湿式接驳信息传输技术、深海节点与陆站间借助自主潜水器(AUV)与浮标的水声—电磁波跨介质中继通信技术。五是深海探测网高密度能源技术。非岸基网需解决深海电堆模块化更换技术、自主航行的有人/无人充电平台技术、接触与非接触式电能对接传输技术等。六是定点布放与维修技术。包括:探测网节点阵列与缆线布放技术(水面或水下搭载投送、准确布放、固位整形、系统联接、供电调试技术等)、无人智能巡检技术、海底原位维修技术、模块化部件更换技术等。

4.2 无人潜水器

当前无人潜水器已成为完成深海探测、作业及特定军民任务使命的重要工具。无人潜水器主要分为遥控潜水器(ROV)、自主潜水器、拖航体、海底探测器等多类,并随需求变化会不断推陈出新。

ROV由载人装备布放回收与操控,具有工作时间、供能、作业能力强的优势,已成为各类深海作业的重要装备。作业水深覆盖几十米至上万米、重量由几千克至数十吨,形成了一个有超过400家厂商提供270多种型号产品与服务的新产业。

1966年美国军方开发的“CURV Ⅱ”ROV在西班牙外海海底869 m水深处,成功打捞了一枚丢失的原子弹。1973年美国“CURV Ⅲ”在爱尔兰480 m水深处,成功救援了“双鱼座Ⅲ”号载人潜水器以及两名潜航员。日本海洋科学技术中心研制的“KAIKO 11000”ROV曾是世界上下潜最深的ROV,配置了摄像机、声呐和机械手。1994年下潜到马里亚纳海沟11022 m最深处,曾从海床沉积物中采取到微小的单细胞生物。但2003年执行海洋考察任务时因脐带缆断裂而丢失。

中国自20世纪80年代末自主研发了工作深度为600 m的“8A4”ROV以来,先后研制了工作深度从几十米到6000 m的多型作业级ROV,包括4500米级“海马4500”ROV、6000米级“海星6000”ROV(图7)以及“海龙”系列ROV。中国已具备自主设计、集成与应用大深度ROV及研制6000米级或万米级关键部件(包括多波束声呐、机械手、光电铠装缆、锂电池、浮力材料等)的技术,但尚未形成商业化优势。

图7  “海马4500”ROV(a)和“海星6000”ROV(b)

(来源:https://www.cgs.gov.cn/xwl/ddyw/201603/t20160309_299047.html;http://www.sia.cas.cn/kxcb/kpwz/201905/t20190521_5298681.html)


AUV具有自主决策和控制能力,可高效地执行各类深海环境探测、目标搜索定位、投送运载、信息传输、侦查打击等水下任务,已形成新兴产业和成熟市场。美国“海马”号、“回音”号大型AUV、伍兹霍尔海洋研究所的3体ABE AUV、Hydroid公司的Bluefin系列AUV,挪威Kongsberg公司的REMUS系列AUV,英国的泰利斯曼系列AUV,以及俄罗斯正在研制的“波塞冬”核动力UUV为有代表性的产品。美国“REMUS 6000”在2010年成功搜寻到法航447的发动机残骸。中国从20世纪90年代初开始AUV技术研究以来,已有近20家单位开发了几十种类型AUV,类型覆盖便携型、轻型、重型和巨型。中国成功研制了“CR-01”和“CR-02”号AUV、“潜龙”系列AUV、Merman 6000系列AUV、“探索”系列AUV等。其中,“探索1000”号AUV在中国第35次南极科学考察中实现了极区海洋观测的应用突破。

进入21世纪,中国、美国、瑞典、韩国等都开展了既可以自主航行与作业,又可以经由光缆远程遥控执行任务的自主遥控潜水器(ARV)研制。美国研制了“海神”号(Proteus)和“N11K”号ARV。中国于2008年研制成“北极”号ARV,用于北极科考;研制的“海斗一号”ARV于2021年下潜到10907 m深海,遥控40 kg机械手抓取了样品。水下滑翔机技术也取得了一系列成果。

虽然世界上无人潜水器技术已基本成熟,但有3个重点方向将会不断发展。一是基于高密度能源、海洋能、近水面光能、仿生水动力推进与减阻的AUV远程化技术。二是高效能、高可靠的超大潜深共性通用技术(包括高精度导航、声/磁/电/重/震传感器与测量仪器、高强低密浮力材料、水密接插件、全海深铠装缆、灵巧水下机械手、深海液压动力源、全海深电机及传动装置等)。三是支撑多使命任务的智能化、集群化技术(包括多ROV的智能辅助协同作业、AUV编队的地形/环境/物理场探测、目标物多元感知和精细识别、察打一体化AUV集群的多点高效能毁伤攻击等)。

4.3  载人潜水器

人类为进入深海,了解未知世界,付出了巨大努力,载人深潜是这一领域最有代表性的技术。根据美国海洋技术协会载人潜水器委员会的数据,全球目前营运的载人潜水器约有160艘,其中潜深超过4500 m的现役载人潜水器见表2。这些载人潜水器的应用,充分显示了专业人员亲临深海和洋底现场进行直接观察和勘查的优越性。其中,美国的“阿尔文”号(Alvin)经历过多次改造,迄今已进行过近5000次深海科学考察,取得了首次发现海底热液区等重大发现,基于其工作发表的科学文章已接近2000篇。1966年“阿尔文”号还率先在帕里马雷斯氢弹事件中于近千米深的海底找到了丢失的氢弹。俄罗斯“和平”号(MIR-1和MIR-2)载人潜水器参与了太平洋和大西洋中的热液矿床调查,东大西洋、地中海与印度洋中部的洋底山脉研究,洋底动物群及洋底地质结构研究等。1988—1997年10年间,“和平”号(MIR)下潜约500次,基于其工作发表的论文接近200篇。“和平”号也参与了部分军事任务。

表2  现役载人潜水器

2012年著名导演詹姆斯·卡梅隆乘坐“深海挑战者”号(Deepsea Challenger)探险马里亚纳海沟。2018年美国Ocean Gate公司建造成载5人、潜深4000 m的“Titan”号载人潜水器。2019年美国Triton Submarines公司研制的全海深“极限因子”号(Limiting Factor)成功下潜马里亚纳海沟。

2012年中国研制的“蛟龙”号到达7062 m的深海,标志着中国深海装备技术的跨越发展。2017年中国自主研发的潜深4500 m的“深海勇士”号交付使用,国产化率达95%,实现了中国深海装备由集成创新向自主创新的历史性跨越。2018年“深海勇士”号在南海、西南印度洋、马里亚纳海沟等地完成下潜260次,潜水器运行时间占75%,技术水平、连续下潜次数、作业时间、下潜人数均达到了国际领先水平。2021年“深海勇士”号参与了印度尼西亚失事潜艇打捞。2020年11月10日“奋斗者”号(图8)下潜到马里亚纳海沟10909 m海底,标志着中国具有了进入世界最深处开展科学探索和研究的能力。截至2022年6月,“蛟龙”号已成功完成约216潜次;“深海勇士”号也已成功完成约460潜次;“奋斗者”号2022年开启常规科考应用,完成了两个航段任务,目前已累计完成21次万米下潜,有27位专家乘坐“奋斗者”号载人潜水器到达全球海洋最深处,万米深潜次数和人数居世界首位。

图8  “奋斗者”号载人潜水器


随着载人潜水器应用领域的拓展,需要进一步发展下述技术:可靠性/安全性/维修性/保障性/测试性/环境适应性数据模型与技术体系、智能辅助航行与姿态操控技术、系统故障智能识别与智能辅助避险技术、内波与极地等特殊环境适应性技术、新材料(如大面积视野通透材料、高强轻质耐压与浮力新材料)应用与安全性评估技术、高能量密度新能源技术、声学与视觉智能识别技术、多功能探测与作业专用工具技术等。

4.4  深海工作站与海底原位研究实验室

1)深海工作站

海底资源开采、深海长周期原位研究、深海军事设施建设必然要求突破小型载人与无人潜水器和大型军用潜艇3类装备各自的局限性,发展大型有人装备与智能无人系统相结合,在深海海底完成长时间、大功率、大负荷、大范围探测与工程作业任务的装备技术。这样的数百至数千吨级作业型载人深海装备是大型机动式深海运载与主控平台,俄罗斯和美国称之为“深海工作站”或“深海特种潜艇”,又称为“深海空间站”。

美国1965年最早开始研制“NR-1”号核动力工作站(图9)。“NR-1”号正常排水量365 t,最大潜深约1000 m,采用小型压水堆,配备了侧扫声呐、多普勒声呐、多种光学相机等探测装备及机械手。服役期间完成了大量特殊任务,包括:亚速尔群岛水下监听系统的安装与维护、侦察苏联/俄罗斯在地中海的水下监听系统、在地中海窃听利比亚海底通信电缆、打捞F-14战斗机及“挑战者”号航天飞机残骸等。“NR-1”号也承担了大量民用海洋科考任务。美国海洋地质学家布鲁斯·希森搭乘“NR-1”号,通过深海原位考察推翻了自己历时8年写成的海洋地质专著的某些论点。2008年“NR-1”号退役前,美国提出了建造新一代千吨级“NR-2”号的3种方案,排水量828~2062 t,载员13~15人,携带ROV和AUV为作业工具。受美国海军委托,兰德公司组织多方面专家调研了2015—2050年预计执行的任务及能力需求,于2002年论证提出了“NR-2”的9项民用任务需求(按优先等级排序为:海洋物理学、冰科学、地质和地球物理学、海洋生物学、海洋工程、环境科学、化学海洋学、大气科学、海洋考古学),并从17项中优选出7项军用任务需求。兰德公司的报告认为,“如果没有诸如‘NR-2’之类平台提供的能力,美国《联合展望2020》中关于海洋领域的全频谱优势的目标就无法实现”。

图9  美国“NR-1”号核动力工作站

(来源:https://man.fas.org/dod-101/sys/ship/docs/nr_1.htm)


苏联/俄罗斯自20世纪70年代起研究深海工作站,1986—2003年共研制了三型7艘潜深1000~3000 m、排水量950~1400 t的核动力深海工作站(表3),承担军民任务。2014—2020年全部进行了现代化改装。1910型深海工作站隶属北方舰队,1994年参加了巴伦支海的科学考察,2000年参加了“库尔斯克”号核潜艇的搜救。“小马驹”深海工作站采用串联球壳结构,排水量1600 t,最大潜深3000 m(图10),2012年在北冰洋门捷列夫大陆架采集了大量地质岩芯,为俄罗斯申诉扩展北极控制区域的海洋权益提供了依据。2019年“小马驹”在巴伦支海发生火灾,引起国际广泛关注。

表3  俄罗斯深海工作站

图10  俄罗斯10831型“小马驹”深海工作站

(来源:http://www.hisutton.com/Spy%20Sub%20-%20Project%2010831%20Losharik.html)


美国和俄罗斯的深海工作站扮演着“深海工程兵”的角色,它们力图通过建设或破坏水下信息系统,建立本国的深海信息优势。美国海军评价,“NR-1”号确立了美国对大陆架海域的统治权”;俄罗斯则声称:“谁能控制海底,就能控制海洋,俄罗斯的深海工作站是世界领先、甚至是独一无二的。”

2)海底原位研究实验室

深海前沿科学研究、可燃冰与生物资源的研究与开发方兴未艾,适应深海长期驻留、原位研究开发的需求,将实验室建到海底,利用深海环境条件开展连续观测、筛选取样与保藏、原位实验与开发,已成为海洋科学研究新手段。海底原位研究实验技术也成为国际上研究的焦点。1962年美国“Man-in-the-Sea Ⅰ”号和法国“Conshelf Ⅰ”号水下实验室首次在地中海进行试验。迄今为止,世界上已有超过65座海底原位实验室系统建成并运行。其中,相当一部分水深只有数十米,如美国“Aquarius”号、SEALAB系列。表4给出了水深超过100 m的3个实例。德国“Helgoland”号是世界上第1座为冷水区建造的水下实验室(图11),主要用于研究海底生物、生态环境、微生物和真菌、减压和潜水病。海底实验室在海洋环境、海洋酸化、全球气候变化、海洋生态(如珊瑚礁、海草、鱼类等生物和水质生态环境变化)以及人类在海底生活的各种生理状况的研究中发挥了一定的作用。

表4  国外典型水下实验室

图11  德国“Helgoland”号水下实验室

3)深海工作站和海底原位研究实验室的关键科学技术问题

目前,世界上已有的深海工作站在作业模式上基本是单体运作,作业功能手段较为单一;数控化、信息化、智能化水平不高。现有的海底原位研究实验室工作深度较浅,尚未进入500 m以深的深海领域。世界深海研究开发尚处于初级阶段。未来深远海开发的需求及世界海洋装备技术的发展趋势决定了“深海探测作业功能”需要实现由水面到水下海底、由短时到长期、由小功率到大功率、由小负荷到大负荷、从点域到大范围的5个维度的拓展;“深海装备及探测作业技术”需要实现从小型装备向大型装备、单体探测作业向集群协同作业、水面操控无人装备作业向水下有人装备与智能无人装备融合作业的3大跨越。

深海工作站和海底原位研究实验室即是适应该发展趋势的深海装备。未来的深海工作站将会携带可模块化更换的多类海底有缆或无缆无人探测与作业装备,构成水下集群探测作业系统;海底原位研究实验室也将有人与无人技术结合起来,增强深海实验研究能力。这两类深海装备体系有许多共性科学问题和关键技术,主要有下述6大类。

(1)深海大型耐压结构极端环境安全性技术。深海耐压结构材料包括以高强钢和钛合金为主的金属材料,以及纤维增强复合材料、新型陶瓷等非金属材料。它们需具备高屈服强度、高刚度、高塑韧性、高抗爆性、良好的焊接加工性能、耐海水腐蚀性能和抗低周疲劳性能。需要解决数千米深度超大潜深大型耐压结构制造工艺及深海极端环境中安全性所涉及的基础科学问题与关键技术。包括:深海大型钛合金耐压结构焊接组织性能及焊接成形工艺力学、超大潜深大型钛合金耐压壳体极限承载能力和低周疲劳性能评估与控制、大型钛合金耐压结构应力腐蚀及裂纹萌生扩展机制、钛合金承压结构常温蠕变行为与多尺度失效模式耦合的安全性评估、钛合金耐压结构服役退化过程时空演化规律等。

(2)高能量/高功率密度动力技术。数千米水深处大功率、长时间探测与作业所需的高密度动力与供能技术的复杂程度远超水面船及潜艇。需解决高容重比制氢储氢的超大潜深燃料电池动力技术,超大潜深智能控制铅铋堆等新型核动力技术,高可靠性高能量密度新型电池技术,基于热电偶、热离子、碱金属的静态电能转换技术,深海电能转接补充技术,利用温差能、地热能的未来长周期海底有效供能技术等。

(3)深海水下通信导航技术。电磁波与光波在水中衰减迅速,10 kHz电磁波水下每千米衰减4500 dB,1 Hz极低频电磁波水下每千米衰减约31 dB。声波是海洋中远距离信息传输唯一的有效载体。但水中声波传输速度仅为空气中电磁波速的1/2×105,且海洋声波传输环境复杂,因此,深海航行装备在水介质中通信、定位、导航及遥控所需信息的传输远比空天航行器及陆上运载装备困难。为克服该困难,提升深海有人—无人装备的互联互通与定位导航能力,必须围绕以下方向发展并应用新技术:克服水声信号传输经常遇到的弱联通/高时延/强干扰/频散畸变/非完整弊端的各类时空增益技术与数据处理技术(包括扩频、复杂脉冲声信号构造、全息多维编码调制等)、利用有效声信道(Effective Acoustic Path)的深海“GPS声呐星座”垂向通信导航与探测技术、利用最小声速层声道轴的水平远距离低速率信息传输技术、跨水空介质的水声—电磁信息传递技术、UUV与驻留浮标多元中继声传输技术、极低频电磁波/地波超远距离信息传输技术、近距离激光高速率信息传输技术等。除借助信息传输导航定位外,至关重要的是提高现有静电陀螺、MEMS陀螺、光纤陀螺的精度,减小功耗和尺度,发展量子惯导新技术及大地磁场/重力场/海底地形匹配等定位导航技术。

(4)超高压环境中多元异构探测作业装备及有效载荷模块化搭载与进出舱技术。为避开水面恶劣风浪环境条件的影响,提高作业安全性与效率,未来海底资源的开发与原位实验室(站)的建设,必然涉及多平台的协同作业。其中,深海大型机动式运载与主控平台(如深海工作站)模块化搭载、收放、对接与操控多类型/多功能/异构的无人装备是一项关乎作业效能和安全性的关键技术。模块化搭载一般可分为干式搭载和湿式搭载两类。其中,干式搭载是将小型有缆/无缆无人装备存放在大型运载与主控平台耐压壳体内部,便于淡水清洗与维护;湿式搭载是将它们置于透水坞舱中或外挂在舷外。此外,还需要解决超高压环境中采获的样品或特殊打捞物、各类待布放或回收的通用/专用仪器设备等有效载荷的入舱、存储与转运问题。模块化搭载与进出舱作业涉及的前沿技术主要包含:智能交汇航迹动态规划与重构方法、基于高低频多信标的近距离水声三维精确定位导引技术、基于光视觉的近体复杂视景条件下对接导引技术、多源融合导引的近壁动态对接自适应控制技术、面向移动终端的智能对接技术(罩笼式对接、锁杆式对接、坐落式对接、机械臂或ROV捕获式对接等)、声光融合引导定位进出舱技术、模块化搭载的舱内锁位与智能监控技术等。有效载荷存储与转运还需要重点解决深海高压条件下有效载荷存储干湿转换、狭小干式舱内无人装备及敏感设备的检测维保、等压湿式存储与高效转移、超大潜深有效载荷进出通道安全启闭、大型平台装载量变化与重心移位的智能化载荷代换及姿态调整等关键技术问题。

(5)深海有人—无人集群装备协调操控探测作业技术。深海有人大型机动式运载与主控平台在千米水下操控ROV、AUV、吊车、铺缆机等多型无人装备集群进行海底高效工程探测与作业,涉及整个作业链的一系列关键技术。一是作业环境(海底地形地貌、地质、水文环境)与待处置作业对象(物理、化学、生物与形态特征)的精细探测技术。包括基于水面船或无人探测潜水器编队的区域扫描探测与数据融合、深海工作站操控ROV与AUV进行的现场精细探测与分析等技术。二是深海缆接多浮体集群作业的动力学协调与运动控制技术。包括缆接无恢复力多浮体刚柔耦合系统动力学理论与运动控制仿真、大型浮体姿态自适应控制、复杂扰动下多元作业载体避干涉/避缠缆智能控制等技术。三是海底机电设施类有效载荷的布放就位技术。包括大型运载与主控平台动力定位、有效载荷吊放、ROV协助就位/展开/锚定/模块装配/管缆对接/电源接通/系统调试/状态检测等技术。四是海底设施运行过程中维修保障技术。包括操控ROV并利用相应工具与模具实施的修理作业、部件与能源更换、信息获取等技术。五是海底网线铺设技术。包括挖沟铺网机的吊放与回收、作业供能与操控等技术。六是海底设施与网线的处置技术。包括特定对象的干扰、破坏、毁伤等技术。

(6)生命支持与应急救援技术。深海长期驻留与开发作业对幽闭环境中人员的生理和心理承受力都是极大的考验。与航天空间站相比,深海环境条件更加恶劣复杂,需要在现有技术的基础上进一步探索应急救生、健康与生活保障的技术途径。涉及的新技术问题包括:平台安全监测与预警、幽闭环境中人员健康与生活保障(保障数十人在狭小密闭舱室中工作90个昼夜的身心健康)、高外压环境中人因产物无排放无害化处理、千米潜深整舱应急逃逸(紧凑型应急逃逸舱、逃逸舱与大型平台的大倾角解脱、上浮与水面姿态稳定性、波浪中回收)等。


5、结束语


       


海洋装备技术产业是建设海洋强国的支柱产业。其技术和产业能力的发展状况决定着一个临海大国未来的经济与安全前景。21世纪海洋装备技术与产业发展的方向聚焦在“智能、绿色、深海、极地”,技术内涵十分丰富。中国应利用良好的工业和技术基础,着力发展智能与绿色技术,加快推动船舶产业的“数字化转型、智能化升级”。“奋斗者”号载人潜水器的成功研制与海试,标志着中国已具备进入世界海洋最深处开展科学探索和研究的能力。然而,人类“深海探测、深海开发”的进程方兴未艾,应面向海洋科学研究、资源开发和安全保障等方面的需求,加快发展深海装备技术。同时,关注本文未涉及的极地海洋装备技术的开发,从而通过努力突破并掌握各领域的关键核心技术,体系化发展海洋装备技术和产业,加快建设海洋强国。



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