潜水

深潜器_百度百科发布时间:2020-02-14

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  深潜器,具有水下观察和作业能力的活动深潜水装置。主要用来执行水下考察、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。

  浩瀚的海洋占住了地球表面积的71%,深底丰富的石油蕴藏、堆积着无数的锰团以及其他资源吸引着一些工业发达国家竞相进行海洋开发事业。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)和陆上基地所组成的一个完整的系统,深潜器是其关键部份。此外,为了对深海失事潜艇实施营救,对深海沉船进行打捞以及深海考察,深潜侦察等都需要具备深潜器。深潜器的建造难度较大,其电气化、自动化的程度较高。

  每年都有数千名水手搭乘各型军用潜艇在海面下穿行;数千名商业潜水员在建设或维修海底输油管道、通信电缆和石油钻塔;数千名潜水爱好者以探寻海底奥秘为乐;数百名科研人员潜入深海进行科学研究。另外,还有许多海底机器人在人类无法承受的深度进行探险活动。美国政府每一年在太空研究方面的投入高达数十亿美元,而在深海研究方面则要少的多。其实深海探险和太空探险之间既存在着许多的相同点,同时也有一些明显的不同。人类探寻深海至少比探寻太空早一倍的时间,而且发展思路也大不相同。但是这些差别正逐渐变小,深海研究者和太空研究者彼此越来越相像。更加重要的,深海探险现在能够对太空探险产生巨大影响。

  1928年,一位美国人,发明并建造了第一艘球形深海探测装置。该装置通身都用钢铁建造,它可以从一艘水面船舶上通过连接的电缆下潜到海面之下。1930年,巴顿和另一名博物学家威廉.彼博一起乘坐这个球形装置下潜到了距海面245米的深度;1932年,他们又下潜到了923米的深度——这一纪录直到15年之后才被打破。后来彼博写了一本书《1/2英里之下》,他在书中详细描绘了所见到的奇异的海底生物。这些生物听起来就像是从外星来的,因此很多人怀疑彼博是在撒谎。不过,他并没有撒谎,海底世界对于人类来说就是一个完全不同的另类世界。

  接下来在深海探测技术方面的重要进步就是由奥古斯特.皮卡德发明的深海潜水器。该潜水器在巴顿的球形深海探测装置上加装了升力和推进装置,看起来比较像一艘粗笨的深海潜艇。如果把巴顿的球形深海探测装置比作水星太空船——功能和机动性非常有限,那么皮卡德的深海潜水器就是双子星太空船。皮卡德在对部分设计进行了一些改进之后,建造了第二艘潜水器并命名为“迪里亚斯特”号。1957年,美国海军购买了“迪里亚斯特”号。1960年,皮卡德的儿子雅科斯和美国海军上尉唐.沃尔什搭乘“迪里亚斯特”号下潜到了马里亚纳海沟的深处,距海面10916米(35813英尺)。之后的二十年中,改进型深海潜水器“迪里亚斯特II”号一直在美国海军中服役。它承担了许多深海探险任务,包括搜寻美国海军失事的“天蝎”号核潜艇的残骸和打捞坠入海底的航天器装置。

  不过最著名的深潜器还是“阿尔文”号,1964年专门为美国海军建造,并由伍兹.霍尔海洋科学研究机构管理使用。“艾尔文”号可以搭乘3名研究人员,并且能够下潜到4500米(14764英尺)的深度。在将近40年的服役生涯中,“艾尔文”号一共有4000多次深潜经历。它找到了美军丢失的氢弹,勘测过海底火山口。另外,它还是第一艘到访过泰坦尼克号沉船的载人潜水器。不过“艾尔文”号曾经发生过一次事故而沉入了海底,幸好没有人员伤亡。过了整整一年之后,它才被打捞上来。

  一般的潜艇采用轴推进方式,从主推进电机(变速箱)引出一根长长的主推进轴,从耐压艇体中穿出,带动艇尾的螺旋桨。主轴和耐压艇体之间的空隙需要进行密封处理,潜深几百米的普通潜艇,密封措施一般是在主轴和艇壳之间垫一个

  。但对于设计潜深达7000米的深潜器,每平方米艇体要承受7100吨的水压,此时无论是皮碗还是别的什么密封材料都毫无意义。如果深潜器采用常规的轴推进方式,那么在几千米的水下哦,我们将会听到“砰”的一声,海水压垮密封圈 ,从主轴和艇体之间的空隙迸射进来……由于密封装置无法维持高达700个大气压的内外压差,因此,自航式深潜器的推进舱不可能保持1个大气压的环境,必须做成

  ,即舱内和舱外的压强大致均衡,都是700个大气压左右。深潜器的操纵人员集中呆在一个极其坚固的

  内,这也是全艇唯一的能在水下维持1个大气压环境的地方。使动力舱和外界海洋环境保持压力均衡的方式,是在设备中充满

  深潜器是一种能在深海进行水下作业的潜水设备,分民用和军用两类,具有军民通用性质,一般不携载武器,吨位在20~80 吨左右,个别达300~400 吨,潜水深度一般为2000~5000 米左右,个别达 11000米。现在正在设计和使用的遥控机器人/深潜器绝大部分是依靠与舰船联接的缆线操纵行动。使用电缆遥控操纵深潜器的优点是:

  缺点是但同时又限制了深潜器的机动能力,电缆像风筝线一样地拴住了它,而且电缆还需经常维修更换

  深潜器分为有人深潜器、无人深潜器和遥控深潜器等多种类型,其主要任务有三类:

  一类是用于海洋调查,采集水下标本,进行水下摄影,开展潜水医学和生理学研究,进行水声学研究;

  另一类是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;

  最后一类是执行军事侦察、扫雷布雷等任务,试验和回收鱼雷、水雷、深弹等水中兵器,营救失事潜艇的艇员,观察武器的水下发射情况,进行水下噪音测量等。

  1987年,日本海事科学技术中心(JMST)研究成功可下潜3300米的深海无人有缆遥控潜水器“海鲀3K”号。该装备可在载人潜水之前对预定潜水点进行调查,也可用于海底救护,在设计上有前后、上下、左右三个方向各配置两套动力装置,基本能满足深海采集样品的需要。90年代初,该技术中心配合 “深海6500”号载人潜水器进行深海调查作业的需要,又成功建造了万米级无人遥控潜水器。该潜水器可较长时间进行深海调查,潜水深度达到11000米,是世界最高纪录。日本正在实施一项包括开发先进无人遥控潜水器的大型规划。这种无人有缆潜水器系统在遥控作业、声学影像、水下遥测全向推力器、海水传动系统、陶瓷应用技术、水下航行定位和控制等方面都将有新的开拓与突破。

  西欧国家在无人有缆潜水技术方面,也保持了明显的超前发展的优势。根据欧洲尤里卡计划,英国意大利联合研制了能在6000米水深持续工作250小时的无人遥控潜水器。按照尤里卡EU-191计划还建造了两艘无人遥控潜水器,一艘为有缆式潜水器,主要用于水下检查维修;另一艘为无人无缆潜水器,主要用于水下测量。这项潜水工程计划是由英国、意大利、丹麦等国家的l7个机构参加完成的。英国科学家研制的“小贾森”有缆潜水器的独特技术特点是,它采用计算机控制,并通过光纤沟通潜水器与母船之间的联系。母船上装有4台专用计算机,分别用于处理海底照相机获得的资料,处理监控海洋环境变化的资料,处理海面环境变化的资料,处理由潜水器传输回来的其他有关技术资料等。母船将所有获得的资料经过整理通过微波发送到研究所的实验室,并贮存在资料库里。

  除各种有人深潜器之外,60 年代以后无人深潜器的发展也引人瞩目。无人深潜器是一种能模仿人进行某些活动的自动机械,能够在人难以适应的深水环境中代替人进行工作。60 年代美国就研制出了第一代水下机器人CURV 号,它具有电动推进装置、水下电视摄像机声纳和打捞机械手等设备,工作深度为 2100 米。无人深潜器有系缆式和无系缆式两种,前者需要水面母船传输动力并进行遥控,后者可以自行机动,具有一定的自主功能。当前,无人深潜器的最大下潜深度已达7600 米,它是由美国的“米达”Ⅱ号创造的。

  1980年法国国家海洋开发中心建造的“逆戟鲸”号无人无缆潜水器投入使用,最大潜深为6000米,主要用于深海海床和深海矿物资源勘探、平台设置所需要的环境调查、管道铺设的监测工作以及在海底布设固定声纳阵、进行海底观察、监护打捞人员的安全等。“逆戟鲸”号潜水器先后进行过130多次深潜作业,完成了太平洋海底锰结核调查、海底峡谷调查、太平洋和地中海海底电缆事故调查、洋中脊调查等重大课题任务。1987年,法国国家海洋开发中心又与一家公司合作,共同建造了“埃里特”声学遥控潜水器,用于水下钻井机检查、海底油井设备安装、油管辅设、锚缆加固等复杂作业。这种声学遥控潜水器的智能程度比“逆戟鲸”号高了许多。

  1988年,美国国防部的国防高级研究计划局与一家研究机构合作,投资2360万美元研制两艘无人无缆潜水器。1990年,无人无缆潜水器研制成功,定名为“UUV”号。这种潜水器重量为6.8吨,性能极好,最大航速10节,能在44秒内由0加速到10节,当航速大于3节时,航行深度控制在±1米,导航精度约0.2节/小时,潜水器动力采用银锌电池。这些技术条件有助于高水平的深海研究。另外,美国和加拿大合作于90年代初研制出了能穿过北极冰层的无人无缆潜水器。日本于1998年初研制成功对北冰洋冰层下进行观测的无缆无人深潜器,最大潜深3000m。

  全世界有各种载人深潜器200多艘,有的最大作业深度达6000m,主要用于海洋油气开发。6000m以上的深度,显现了国际深潜器向大深度发展的技术能力。如1989年日本制造的“深海-6500”深潜器,长9.5m,重25t,可乘员3人,作业水深6500m,水下连续作业时间在6h以上。该深潜器上装备有最新的声成像声纳系统摄影机录像机、电视系统、机械手以及各种自动测量仪器等。发展方向是向深、向无人或混合式发展。由于无人遥控潜水器的出现,代替了不少潜水员的工作,潜水员水下出入型潜水器开发已趋减少。只有美国、日本、法国和俄罗斯拥有深海载人潜器。

  上世纪七八十年代以来,适应海上油气工业潜水作业的需要,无人遥控潜水器得到飞速发展。无人遥控潜水器包括有缆和无缆两种。80年代初全世界无人遥控潜水器有400余艘,其中90%以上用于海洋石油工业,到80年代末其数量猛增到958艘,其中800艘以上为有缆遥控潜水器,并且有一半以上是直接用于海上油气开采用的。无人遥控潜水器全世界约有1000多艘,其中6000m级10多艘,现已发展到第三代智能深潜器。

  另外,载人和无人混合潜水器也得到发展,已经研制出32艘,其中28艘用于工业服务。此外,90年代以来,随着微电子、高速数字计算机、人工智能技术、小型导航技术、指挥与控制硬件等技术的发展,无人自主式潜水器得到快速发展,据不完全统计,各国研制与使用的无人自主式潜水器有30多艘,其中供工业实用的有10多艘,其他的均用于军事和科学研究。

  美海军继推出“海洋探险者”、“曼塔”、“奥德塞”Ⅲ、CETUSⅡ、“远距离环境监测单元系统”(REMUS)、“战场准备自主潜动器”(BPAUV)等自主潜航器后,还在研究以下新型自主潜航器:

  主要用于特种作战部队的支援与攻击、反水雷、沿海地区潜艇跟踪以及情报、监视和侦察任务的“任务重组无人水下航行器”(MRUUV);

  主要用于测量海洋盐度、温度等参数,设计巡航时间为5年、航程达4000Km的“斯洛克姆滑行者”自主潜航器;

  主要用于采集海洋物理、化学和生物光学数据,设计最大下潜深度为1000m、巡航6000Km的“海滑行者”自主潜航器;

  主要用于执行情报、监视和侦察以及反水雷和浅水反潜等任务、排水量约5t、计划装备SSGN导弹潜艇、“弗吉尼亚”级攻击核潜艇以及水面潜艇的大排水量自主潜航器;

  以及“地狱判官”自主潜航器、“海马”自主潜航器、“声射频相互作用勘探传感器”自主潜航器等。

  德国的DeepC自主潜航器,2001年开始研制,2003年末进行样机深水试验,2007年投入装备。DeepC重2000kg,最大下潜深度4000m,续航时间60h,航程400Km,航速60节,可从舰艇或直升机上布放。

  法国的Alister自主潜航器,是一种军民两用长航时自主潜航器,采用锂离子电池,于2002年开始海试,Alister设计有两种型号,一种重600kg,能在水下300m处工作;另一种重1100kg,能在水下3000m处工作。

  挪威近年先后推出HUGIN1、HUGIN1000和 HUGIN3000三种自主潜航器,它们采用电池供电,可由水面舰艇通过声监视设备控制或利用内置控制系统与情报设备资助运行。

  综上,深潜器/遥控潜器的发展趋势是,大深度有缆(光缆)深潜器仍是主流,这种设备是探测数万平方公里海底必需的和最实用的设备。一是水深普遍在6000米以上;二是操纵控制系统多采用大容量计算机,进行资料处理和数字控制;三是潜水器上的机械手采用多功能,力反馈监控系统;四是增加推进器的数量与功率,以提高其顶流作业的能力和操纵性能。

  当前,民用大深度无缆潜水器尚处于研究、试用阶段,还有一些关键技术问题有待解决。如,要使其活动范围在250~5000公里的半径内,就要解决能保证长时间工作的动力源,国外正在探索使用燃料电池、小核反应堆等;关于控制和信息处理系统,需采用图像识别、人工智能技术、大容量的知识库系统,以及提高信息处理能力和精密的导航定位的随感能力等,要在大深度声音图像传输技术等高技术上有突破。但长远看它是发展方向,趋势是向远程化、智能化发展。

  总之,国外带缆ROV技术已发展得相当成熟,发展AUV关键是解决能源问题。

  作为国家载人航天工程姊妹篇的“7000米载人潜水器”在青岛市开展下水深潜试验。据了解,海水深度每增加100米,压力就会增加10个大气压。由中国船舶重工集团公司702研究所研制成功的潜水器长8米、高3.4米、宽3米,用特殊的钛合金材料制成,在7000米的深海能承受710吨的重量。世界上只有美国、日本、法国、俄罗斯拥有深海载人潜水器,最大工作深度未超过6500米。中国研制的7000米载人潜水器,将成为世界上下潜最深的载人潜水器,可到达世界99.8%的海洋底部。这种潜水器从海面下潜至7000米深度约需5小时,整个作业时可长达12小时。中国首次公开选拔潜航员的工作也展开,选拔规格可比航天员。

  俄罗斯是世界上拥有载人深潜器最多的国家,最著名的是1987年建造完成的“和平一号”、“和平二号”两艘6000米级深潜器,电影《泰坦尼克号》里的很多镜头就是它们探测的片段。

  “和平一号”还有一位大名鼎鼎的乘客——,他在2009年8月1日搭乘“和平一号”深潜至世界最深水面下大约1400米处,探查新能源“可燃冰”,在水下待了超过4小时。

  世界最大载人潜水深度为10916米,由美国“的里雅斯特”号深潜器保持,这个纪录至今已保持了51年。

  1960年1月,科学家雅克·皮卡和唐·沃尔什乘坐“的里雅斯特”号潜入马里亚纳海沟进行科学考察。

  2008年,雅克·皮尔卡去世,唐·沃尔什成了全世界唯一见过海底万米景象的人。2010年,唐·沃尔什还曾经到过中国,参观过“蛟龙号”。

  “阿尔文”号是世界上著名的深潜器,服务于美国的伍兹霍尔海洋研究所,从1964年6月5日下水至今已工作47年。

  阿尔文号的主要用途是科学考察,但偶尔也会客串干点别的差事。1966年初,在西班牙东海岸,美国空军的一架空中加油飞机在给一架轰炸机加油时,两机相撞,坠毁在附近海岸。坠毁的轰炸机上携带着4颗氢弹,3颗落在西班牙本土,一颗则消失在地中海里。美国海军不得不求助于建成不久的“阿尔文”号。一个多月后,“阿尔文”号不负众望,在1000多米深的海底找到了这颗氢弹,一战成名。

  1986年,“阿尔文”号再建新功,它成功地参与了对泰坦尼克号沉船的搜寻和考察,因此登上了美国《时代》周刊的封面。

  1960年1月23日,有两名探险家驾驶深海潜艇下潜到地球上最深的深渊,并停留了20分钟,打破了载人深潜的纪录。他们是怎么做到这一点的呢?

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