深海之尖端科技一览

2016-12-28 09:27:49
作者：王元
来源：《腐蚀防护之友》

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海洋是生命的摇篮、资源的宝库、交通的要道甚至是兵戎相见的战场，人类从未停止过对海洋的探索。但海洋环境复杂多变、海底压力巨大，千百年来深海对于人类来说依然是神秘的。深海世界的那些尖端科技也是令人叹为观止的。

01中国核潜艇最深能潜多少米？

中国核潜艇到底最深能潜多少米呢？这个问题长期以来一直困扰着西方军事观察者，由于核潜艇的最大潜深能力直接关系到潜艇的作战性能，世界各国包括中国在内都对自己核潜艇的潜深数据进行了保密措施，这些措施包括故意模糊具体数值、甚至包括释放虚假信息来迷惑对手。不过，由于潜艇潜深由该国特种钢技术的强度水平来决定，因此西方媒体常常通过研究中国特种钢材来确定中国核潜艇的潜深能力。2013 年，中国新闻媒体开始曝光中国早期核潜艇部队，其中一篇关于中国核潜艇深潜试验遇漏水险情的报道引人关注。据该报道称，1988 年 4 月，中国某型核潜艇开始执行极为危险的最大潜深试验。

【鹰眼图说军事海外评中国栏目第 235 期】文章称，某型核潜艇带着130 多名艇员和 50 多名军地参试人员开始向深海潜航，“100 米、150 米、200 米……一切正常。当潜艇到 230 米时，艇内陆续发出响声和出现漏水，个别支撑角钢弯曲”。最后，当核潜艇最终下潜到 300 米时，艇体不再发出响声，漏水亦未加剧。指挥人员在确认各舱水密情况良好后，才下令上浮。据中国媒体报道称，由于承载着巨大压力的核潜艇在大角度艉倾调整时，会因引力作用下沉约两米深度再加速上浮，所以中国核潜艇也因此成功创造 302 米的下潜纪录。

据悉，为满足大潜深潜艇主船体的建造要求，俄、美、日等国已采用了屈服强度为 900MPa 至 1080MPa 级超高强度潜艇耐压壳体用钢。美国研制的 HY100 钢、HY130 钢和 HSLA100钢等应用于舰艇制造的高强度低合金钢，最高强度达到 950MPa 左右，这种钢材被美国政府作为战略物资，不允许擅自出口。日本上世纪 90 年代开发的 NS110 钢屈服强度已达到了惊人的1080MPa 级，俄罗斯研发的 АБ 系列钢最高强度甚至则达到 1175MPa 级。

目前，美俄核潜艇的最大潜深在600 米左右，作战潜深在 450 至 550米之间，前苏联甚至制造出可以潜深1000 米的核潜艇。在高强度钢材技术上独步全球的日本，拥有世界上潜深能力最强的常规动力潜艇，采用日本NS110 钢材的苍龙级潜艇最大潜深可达500 米左右。西方媒体认为，这个数据显然是比较接近中国第一代核潜艇实际能力，西方媒体估计，中国的第一代核潜艇最大极限潜深为 300 米左右，而战斗潜深为 200 至 220 米之间。由于上世纪 70 年代，中国的特种钢材技术十分落后，所以中国核潜艇潜深能力明显弱于美俄两国的核潜艇。

军事专家雷泽先生称，中国在上世纪 90 年代开始在高强度低合金钢上投入大量人力物力进行攻关研究，一般认为潜深超过 300 米的潜艇可以称之为大潜深潜艇，而潜深超过 450米的潜艇则可称之为超大潜深潜艇。西方媒体认为，为了建造超大潜深潜艇，中国的高强度潜艇用钢生产企业——鞍山钢铁公司和宝山钢铁在国家“超大深度耐压壳体用钢”课题先后研发出 785MPa 高强钢和 980MPa 高强钢（简称 980 钢）。

据悉，前者已经广泛应用于 093和 094 系列的中国第二代核潜艇和093B 第三代核潜艇上，其衍生产品已经装备中国辽宁号航母和首艘国产航母上。而后者则是中国第四代核潜艇——095 的主要钢材料。西方媒体评估认为，目前，中国第二代和第三代核潜艇的最大作战潜深在 300 至 350 米之间，而 095 达到450 至 500 米之间的水平，基本上赶上了美俄现役核潜艇的平均水平，在实战中并不吃亏。

02中国新型万米深潜器用特殊材料超蛟龙号一代

2015 年初，由上海海洋大学深渊科学技术研究中心采用“民间资金 + 国家支持”新模式推动的 11000 米全海深载人深潜器“彩虹鱼”号研制项目，进展十分顺利，已经取得了显著的成效。

上海海大深渊科研中心主任崔维成指出，我国自行研制的“蛟龙”号载人潜水器成功下潜至 7062 米深度并开展作业，标志着我国具备了载人到达全球99% 海底的作业能力。但中国若要在深潜方面继续保持世界领先水平，成为一个无可争议的海洋高技术强国，必须尽快研制成功万米级全海深载人潜水器。

据崔维成介绍，上海海大深渊科研中心建设的深渊科学技术流动实验室项目主要包括 3 个 11000 米的着陆器，一个11000 米的自主 / 遥控式复合型无人潜水器，一个 11000 米并可供 3 人下潜的载人潜水器以及一艘 4000 吨级的新型科考母船。

该项目于 2013 年年初正式启动，截至目前，第一台 11000 米着陆器的国内外订购设备已经全部到货，计划于2015 年春节后进入总装建造阶段，并计划在 2015 年下半年赴南海开展 3000 米级的海上试验；另外两台 11000 米作业型着陆器的研制将在2015年完成。同时，11000 米无人潜水器的设计和所有设备的订货工作也已完成。此外，科考母船的设计工作已全面展开，2015 年春节后将开工建造，计划于2016年6月底完工；11000 米载人深潜器的关键技术研究工作也在有条不紊地向前推进。

“蛟龙”号载人潜水器属于第二代潜水器。而上海海大深渊科研中心研制的 11000 米全海深载人深潜器属于第三代深潜器。两者在上浮与下潜速度和模式方面有显著的不同，后者的研发难度更大，海上试验的风险也更高。据崔维成介绍，该中心在开展 11000 米全海深载人潜水器关键技术攻关时，充分吸取“蛟龙”号直接海试的高风险教训，先研制了 3 台全海深着陆器和 1 台全海深无人潜水器，并将着陆器和无人潜水器作为全海深载人潜水器关键技术的海上验证平台，也可以作为全海深载人潜水器海试时的救援保障手段，还可作为今后海上作业的协同装备。其中，3 个着陆器的重要使命是作为无人潜水器的试验平台。无人潜水器的主要使命是作为全海深载人深渊器的试验平台，验证后续开发的全海深载人深渊器的无动力上浮下潜技术、水下控制技术、观通技术、推进技术、水下配电技术等关键技术。

该无人潜水器也是载人潜水器的试验载体，除载人舱技术、生命支持技术外，载人潜水器其他关键设备和技术都通过该平台搭载，在万米海深环境下实际运转并进行测试。

作为载人深潜器的重要组成部分，11000 米载人深潜器载人舱的材质选用是研发工作中的一大难题。崔维成介绍，“蛟龙”号的载人舱采用 TC4 钛合金全焊接制造，但如果用该牌号钛合金来制造 11000 米深潜器的载人舱，其舱壁厚度将超过 110 毫米，国内外均难以制造。

经过深入研究，并参考国外的经验，该中心决定，采用马氏体高强度镍钢制造11000 米载人深渊器的载人舱。该型号钢的强度比 TC4 钛合金高 1 倍。同时，采用完全锻铸造方式而非传统的焊接式制造载人舱。

按照上海海大深渊科研中心的计划，11000 米载人深潜器的研制将分两期完成。首期研制载人舱，二期再制造其它设备。俄罗斯和芬兰在这方面拥有较多的经验。此前，两国通过合作，采用超高强度的马氏体镍钢成功地制造了两个“和平”号深潜器载人舱。该中心在利用上海彩虹鱼海洋科技有限公司资助的资金，率先开展采用马氏体镍钢制造载人舱的设计工作的同时，积极与外方接洽联合开展设计和关键技术攻关。

此外，国产化制造马氏体镍钢载人舱的可行性研究和立项工作也正在紧锣密鼓地推进之中。崔维成表示，希望有关政府部门能助他们一臂之力，尽早制造出全海深载人潜水器。

03中国将研究建立深海空间站深探万米油气资源

国务院印发的《“十三五”国家科技创新规划》（下称《规划》）已正式发布。这是我国首次以“国家”命名科技创新规划。规划提出 12 项主要指标，多项指标在未来五年将翻番或有重大跃升。其中，国家综合创新能力世界排名从现在的 18 位提升到第 15 位，这意味着中国进入全球公认的创新型国家行列。多项创新指标将翻番或跃升《规划》

强调，坚持创新是引领发展的第一动力，以深入实施创新驱动发展战略、支撑供给侧结构性改革为主线，确保如期进入创新型国家行列，为建成世界科技强国奠定坚实基础。在规划描绘的未来五年科技创新发展蓝图中，我国科技实力和创新能力将大幅跃升。未来五年，我国全社会研发投入强度将进一步加大，目标是到 2020 年达到 2.5％。现在我国全社会研发投入约合 2000 多亿美元，美国是 4000 多亿美元。过去十年，中国全社会研发累计投入相当于美国的六分之一。

特别关注深空、深海、深地、深蓝《规划》提出，“十三五”期间，要在实施好已有国家科技重大专项的基础上，面向 2030 年再部署一批体现国家战略意图的重大科技项目。新部署的 15 个科技创新重大项目包括航空发动机及燃气轮机、深海空间站等 6 个重大科技项目，以及煤炭清洁高效利用、智能电网等 9项重大工程。其中，深海研究、深海移动、固定型空间站要建立深海空间站，开展深海探测与作业前沿共性技术及通用与专用型、移动与固定式深海空间站核心关键技术研究。研制全海深潜水器，围绕实施深海安全战略的科技需求，突破全海深（最大深度11000米）潜水器研制，形成 1000—7000 米级潜水器作业应用能力。

解读国家对颠覆性技术要有预判预警预置中国工程院院士刘德培表示，《规划》高度关注颠覆性技术和基础研究。国家对颠覆性技术要有预判、预警和预置，以此保证在未来竞争中把握主动权和拥有竞争力。科技部副部长李萌全程参与了规划的编制。她介绍，与以往国家科技规划不同，本规划首次以国家科技创新规划命名。“十三五”是全面建成小康社会和进入创新型国家行列的决胜阶段。

04征服未知海底的利器——智能水下机器人

像卫星探索宇宙空间一样，水下机器人是人类的眼睛和手臂在海底的延伸。下面小编将带您认识深水油气开发的利器——水下机器人。

中国在水下机器人研究方面起步虽晚，但通过不懈努力取得了巨大技术成果。2014 年我国自主研制的 6000 米 AUV（无缆水下机器人）“潜龙一号”在东北太平洋多金属结核合同区成功下潜作业、“蛟龙号”下水、“北极 ARV”助力科考，都彰显了我国在水下机器人领域的研发决心和科研技术成果。

未来 10 年将是中国水下机器人发展的关键期。与水下机器人最相关的三个行业是海洋油气业、海洋渔业以及海洋矿业。

一、水下机器人向深海进发

水下机器人是工作于水下的极限作业机器人，能潜入水中代替人完成某些操作，又称无人遥控潜水器。由于水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人日益成为开发海洋的重要工具。

水下机器人分类

广义上的水下机器人，也可称作潜水器（UnderwaterVehicles），是一种可在水下代替人，在充满未知的海洋环境中完成某种任务的装置。

就外形看，目前大部分水下机器人是框架式或类似于潜艇的回转细长体。随着仿生技术的不断发展，仿鱼类形态和运动方式的水下机器人，将会不断发展。

根据是否载人，可将潜水器分为载人潜水器和无人潜水器。无人潜水器按照与水面支持系统间联系方式的不同，可以分为有缆遥控水下机器人（Remotely Operated Vehicle，简称ROV）、无缆水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle，简称 AUV））两种。有缆水下机器人都是遥控式的，根据运动方式不同可分为拖曳式、（海底）移动式和浮游（自航）式三种。

无缆水下机器人一般是自治式机器人（又称智能机器人），它能够依靠本身的自主决策和控制能力，高效率地完成预定任务，在一定程度上代表了目前水下机器人的发展趋势。

载人潜水器是由人工输入信号操控各种动作，由潜水员和科学家通过观察窗直接观察外部环境。其优点是由人工亲自做出各种核心决策，便于处理各种复杂问题，但是人员面临的危险性大。由于载人潜水器需要足够的耐压空间、可靠的生命安全保障和生命维持系统，使得潜水器体积庞大、系统复杂、造价高昂、工作环境受限。

有缆水下机器人（ROV）需要由电缆从母船接受动力，且不需要人为干预。其主要由水面设备（包括操纵控制台、电缆绞车、吊放设备、供电系统等）和水下设备（包括中继器和潜水器本体）组成。潜水器本体在水下靠推进器运动，本体上装有观测设备（摄像机、照相机、照明灯等）和作业设备（机械手、切割器、清洗器等）。潜水器的水下运动和作业，是由操作员在水面母舰上控制和监视，电缆向本体提供动力和交换信息，中继器可减少电缆对本体运动的干扰。人们通过电缆对 ROV 进行遥控操作，电缆如同“脐带”一样，对 ROV 至关重要。但细长的电缆悬在海中，也成为 ROV 最脆弱部分，大大地限制了机器人的活动范围和工作效率。

无缆水下机器人（AUV）又称自治水下机器人、智能水下机器人，是将人工智能、探测识别、信息融合、智能控制、系统集成等多方面技术，集中应用于同一水下载体上，在没有人工实时控制的情况下，自主决策、控制完成在复杂的海洋环境中的预定任务的机器人。是从简单的遥控式向监控式发展，即由母舰计算机和潜水器本体计算机实行递阶控制，它能对观测信息进行加工，建立环境和内部状态模型。操作人员通过人机交互系统，以面向过程的抽象符号或语言下达命令，并接受经计算机加工处理的信息，对潜水器的运行和动作过程进行监视并排除故障。操作人员仅下达总任务，机器人就能根据识别和分析环境，自动规划行动、回避障碍、自主地完成指定任务。受益于近海油气开发，我国无人有缆遥控潜水器急速放量。

二、我国水下机器人不懈努力跨越鸿沟

我国对水下机器人的研究与开发起步较晚，从七十年代末才开始研究，相比欧美和日本，我国一直处于落后水平。

我国的水下机器人研究，是从立足军事需求起步的。七十年代末期，中国科学院沈阳自动化研究所和上海交通大学开始从事ROV的研究与开发，合作研制了我国第一个 “海人一号” ROV，“海人一号”是我国独立自主研发的第一台大型水下机器人。

目前 , 我国军用水下机器人已经形成系列，特别是 6000m 深水机器人的问世，表明我国在此领域已经取得了一定成绩。

CR-01型无缆自治水下机器人

CR-01 型无缆自治水下机器人是我国于 1992 年 6 月与俄罗斯科学院海洋技术研究所合作，于 1995 年 8 月研制成功的。其体长 4.37m，宽 0.8m，它在空气中的重量为 1305.15kg，它的最大潜深 6000m，最大水下航速 2 节，续航能力 10h，定位精度为10m ～ 15m，它可在 6000m 水下进行摄像、拍照、测量海底地势与剖面、海底沉物目标搜索和观察、水文物理测量和海底多金属结核丰度测量，并能自动记录各种数据及其相应的坐标位置。

“潜龙一号”AUV

2014 年 8 月 31 日，我国自主研制的 6000mAUV“潜龙一号”

在东北太平洋多金属结核合同区成功下潜作业，顺利完成了综合性能测试。“潜龙一号”长 4.6m、直径 0.8m、重量为1500kg，最大工作水深 6000m，巡航速度 2 节，最大续航能力24h，配有浅地层剖面仪等探测设备，可完成海底微地形地貌精细探测、地质判断、海底水文参数测量和海底多金属结核丰度测定等任务。

“蛟龙”号载人潜水器

2014 年 7 月，我国“蛟龙”号载人潜水器下潜作业，并对搭载的微型无人潜水器“龙珠”号进行试验。“龙珠”号重量仅有 40kg，配有 3 部电动推进器，通过一根光纤与“蛟龙”号相连，由“蛟龙”号球舱内的潜航员遥控控制，且自带摄像机，可进行水下观察和录像，与“蛟龙”号互补形成更全面的观测能力。在水下工作期间，“龙珠”号与“蛟龙”号按照预先规划的协同作业流程“分工协作”、“默契配合”，完成了相互之间互动拍摄和“龙珠”号的释放与回收等预定的工作任务，形成了两种不同类型的潜水器在水下协同作业的新模式。

“北极ARV”水下机器人

“北极 ARV”水下机器人能够在高纬度下实现对冰下海冰物理特征、水文和光学特性等的自主精确同步观测，为我国北极科考提供了一种大范围的先进、连续、实时的冰下观测技术手段。新一代北极 ARV 通过水下机器人携带光通量测量仪，可连续测量出海冰吸收的太阳辐射能的空间变化，估算出同纬度更大范围海冰对太阳辐射能的吸收，以此计算出太阳辐射对该纬度北极海冰融化的贡献。

三、水下机器人将何去何从

向远程发展

太阳能自主水下机器人能解决远程续航问题。智能水下机器人向远程发展的技术障碍有三个：能源、远程导航和实时通信。目前正在研究的各种可利用的能源系统，包括一次电池、二次电池、燃料电池、热机及核能源。太阳能自主水下机器人需要浮到水面给机载能源系统充电，而这种可利用的能源又是无限的。

向深海发展

发展优化 6000m 水深技术，成为许多国家的目标。海洋资源大多存储于深海，6000m 以上水深的海洋面积，占海洋总面积的97％。因此，许多国家把发展6000m水深技术作为目标，美国、日本、俄罗斯等国，都先后研制了 6000m 级的无人潜航器。美国伍兹霍尔海洋研究所研制的深海探测器“ABE”，可在水深 6000m 的海底停留一年；日本 1993 年研制了工作水深为 11000m 的深海无人潜水器“海沟号”；中国的“潜龙一号”也具备了 6000m 深度的作业能力。