最近幾十年，向深遠(yuǎn)海進(jìn)軍已成為發(fā)達(dá)國家海洋開發(fā)研究的重點。經(jīng)過多年的努力，我國深海技術(shù)和裝備有了突破性的進(jìn)展，但與先進(jìn)國家相比仍處于起步階段。為此，研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)、實用化的深海作業(yè)系統(tǒng)，打破少數(shù)發(fā)達(dá)國家的壟斷地位，成為我國當(dāng)前開拓深海探查的當(dāng)務(wù)之急。
一、項目簡介
國家“十一五”863計劃課題之一深海重大技術(shù)裝備“4500米級深海作業(yè)系統(tǒng)”由廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局作為項目的業(yè)主單位聯(lián)合上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、海洋化工研究院、同濟(jì)大學(xué)等合作研發(fā)，研制一套實用化的強(qiáng)作業(yè)型潛水器及其作業(yè)工具系統(tǒng)，作業(yè)范圍包括深海海底觀測網(wǎng)布放和維護(hù)、海洋調(diào)查、海底取樣和探測等。4500米水深覆蓋了我國南海98%的海域以及國際大洋海底富鈷結(jié)殼資源富集區(qū)和95%～98%的熱液硫化物富集區(qū)。研制這一級別的深海運載和作業(yè)裝備，能夠滿足我國絕大部分深海探查和作業(yè)的相關(guān)需求。項目自2008年12月底正式啟動后，經(jīng)過多年的努力，已經(jīng)突破了深海潛水器的關(guān)鍵技術(shù)，完成了關(guān)鍵設(shè)備的試驗測試，所研究的關(guān)鍵技術(shù)在500米實驗樣機(jī)上通過了試驗測試，驗證了ROV動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等技術(shù)。
二、核心技術(shù)突破
1．作業(yè)型ROV的總體技術(shù)
針對4500米級ROV作業(yè)系統(tǒng)具備多模式運動、多工具和多種作業(yè)方式以及基于海底觀測組網(wǎng)作業(yè)支持的特殊需求，開展了浮游模式下的任務(wù)和環(huán)境適應(yīng)性研究以及運動和作業(yè)技術(shù)研究，通過計算、虛擬和物理建模相結(jié)合的方法，進(jìn)行仿真和水池試驗，對總體參數(shù)進(jìn)行綜合匹配和優(yōu)化，使在浮游模式下具有滿意的浮性、穩(wěn)性、機(jī)動性和阻力特性等。綜合考慮了作業(yè)方式、運動模式、切換要求、總體性能、布放、控制、導(dǎo)航等因素，進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)和布置的綜合優(yōu)化，采用自航模技術(shù)，通過水池試驗，驗證浮游模式下的運動特性、操縱性和控制效果，ROV本體的總體關(guān)鍵技術(shù)獲得突破。
2．ROV實時監(jiān)控技術(shù)
研制了基于QNX的實時檢測控制軟件和水下電子艙內(nèi)基于微控制器的分布式控制系統(tǒng)，攻克了多通道光纖通訊技術(shù)、推進(jìn)器控制技術(shù)、信號采集與處理技術(shù)、水面操作監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)、在線監(jiān)測診斷技術(shù)、應(yīng)急處理技術(shù)、水下設(shè)備及傳感器控制與傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)難點，實現(xiàn)了ROV試驗樣機(jī)相關(guān)自動控制算法包括自動定深、定高等自動控制技術(shù)的突破，使ROV系統(tǒng)具備更強(qiáng)的監(jiān)控能力，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和可操控性。
研制了水面高壓變壓器到水下高壓電機(jī)和水下變壓器及設(shè)備的動力傳輸與控制系統(tǒng)，突破ROV系統(tǒng)的高壓動力傳輸與控制、電力分配、在線絕緣檢測等技術(shù)。
3．ROV三維軌跡跟蹤技術(shù)
為了支持海底觀測系統(tǒng)水下設(shè)備和電纜的布放、維修、檢測、回收等特種作業(yè)的需求，要求ROV具備水下三維位置保持和軌跡跟蹤能力，研究不同工況和浮重特性下運動與作業(yè)控制技術(shù)以及基于水聲和慣性導(dǎo)航相結(jié)合的組合導(dǎo)航技術(shù)和高精度軌跡控制技術(shù)，實現(xiàn)ROV三維軌跡精確控制。
4．大深度浮力材料制造技術(shù)
經(jīng)過大量實驗和分析，青島海洋化工研究院突破低密度、低吸水率和高強(qiáng)度的深海潛水器用浮力材料的關(guān)鍵工藝和技術(shù)，通過優(yōu)選高強(qiáng)度低比重的耐壓空心玻璃微珠和高強(qiáng)度的樹脂，選擇具有良好的流動性和較好的適用期的固化體系，研制出密度在0.53±0.02 g/cm3，耐全方位靜水壓強(qiáng)度56.25MPa的浮力材料。
5．高負(fù)荷升沉補(bǔ)償技術(shù)
深海ROV布放回收面臨支持母船的升沉和海洋環(huán)境的嚴(yán)重影響。對于該系統(tǒng)而言，其大深度、大功率和多種運動模式等特點則更增加了布放回收及安全保障的技術(shù)難度。通過優(yōu)化張力絞車主纜受壓狀況，采用被動升沉補(bǔ)償技術(shù)減輕支持母船的升沉對ROV系統(tǒng)的影響；研究基于氣液彈簧阻尼原理的被動升沉補(bǔ)償器來補(bǔ)償母船升沉減輕影響；開發(fā)基于運動預(yù)測的輔助布放技術(shù)，輔助操作手，提高操作的安全性。
6．深海液壓動力系統(tǒng)及作業(yè)機(jī)械手開發(fā)
針對深海復(fù)雜多變的環(huán)境系統(tǒng)，通過多次試驗和液壓閥塊的改進(jìn)設(shè)計，解決了深海液壓系統(tǒng)的共振和密封問題，極大地提高了深海液壓系統(tǒng)的可靠性。開發(fā)出用常規(guī)擺線馬達(dá)替代肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)擺線馬達(dá)解決輸出功率較弱的問題，并克服了專用擺線馬達(dá)關(guān)節(jié)配油問題，進(jìn)一步提高液壓機(jī)械手的負(fù)載能力／重量比。
7．深海海底布纜與維護(hù)作業(yè)技術(shù)
針對深海海底觀測網(wǎng)布放的需求，研究出針對海底布纜時ROV的操縱、控制、搭載、導(dǎo)航等方面的技術(shù)，以及擴(kuò)展纜及設(shè)備的海底布放和回收時對放纜的路徑、長度、張力等方面的控制技術(shù)。并成功實現(xiàn)可搭載于上述樣機(jī)的深海光電纜專用布放底盤、海底設(shè)備布放和連接專用工具樣機(jī)，突破了水下工具驅(qū)動動力、工具與載體接口等關(guān)鍵技術(shù)，研制了高效、輕型的深海剪切器、清洗工具、帶纜工具等專用作業(yè)與救援工具，形成適合深海運載器搭載的水下作業(yè)與救援工具包。
三、主要成果
1．ROV樣機(jī)系統(tǒng)及4500米ROV本體
4500米級ROV開發(fā)的關(guān)鍵件通過樣機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了大量的試驗測試，取得了寶貴的經(jīng)驗和技術(shù)數(shù)據(jù)，為4500米級ROV后期的集成調(diào)試實現(xiàn)項目的目標(biāo)奠定了良好的基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上完成了4500米ROV本體的總裝。
2．ROV關(guān)鍵部件國產(chǎn)化
通過近幾年的技術(shù)攻關(guān)，逐漸形成自主研制的國產(chǎn)ROV部件，以前依賴進(jìn)口的浮力材料、深海水下燈、水下攝像機(jī)、水下作業(yè)工具和水下作業(yè)機(jī)械手等全部實現(xiàn)了國產(chǎn)化。
3．形成有效的管理機(jī)制
經(jīng)過探索和實踐，總結(jié)出一套行之有效的項目組織方式和管理機(jī)制，制定了《國家863計劃海洋技術(shù)領(lǐng)域“4500米級深海作業(yè)系統(tǒng)”重點項目管理辦法》，引入了工程化管理，聘請專業(yè)監(jiān)理機(jī)構(gòu)對項目的設(shè)計、制造、組裝、調(diào)試、陸上試驗和海上試驗各階段，采取文件見證、現(xiàn)場見證、外協(xié)單位資質(zhì)計量認(rèn)證見證和停止點見證的方式進(jìn)行監(jiān)理。
4．培養(yǎng)專業(yè)技術(shù)團(tuán)隊，提升科學(xué)技術(shù)水平
“4500米級深海作業(yè)系統(tǒng)”項目實施以來，不僅培養(yǎng)了多名相關(guān)專業(yè)的博士和碩士，而且逐漸培養(yǎng)并形成了專業(yè)的ROV技術(shù)團(tuán)隊，上海交通大學(xué)成立了上海交通大學(xué)海洋研究院深海技術(shù)實驗室，推動項目順利實施。在項目的開發(fā)研究過程中，發(fā)表了45篇學(xué)術(shù)論文，其中有9篇論文被EI、SCI和ISPT收錄，提高了該項目在學(xué)術(shù)界的影響力。
專家介紹：
陶軍，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局海洋地質(zhì)勘查技術(shù)方法所所長助理，教授級工程師，1984年畢業(yè)于山東海洋學(xué)院海洋地質(zhì)系。多年來一直從事深海探測技術(shù)研究，曾組織國內(nèi)技術(shù)力量首次研發(fā)了目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用的6000米深海彩色數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)，為我國深海多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和南海水合物礦產(chǎn)資源調(diào)查工作做出了重要貢獻(xiàn)。曾承擔(dān)多項包括863計劃項目在內(nèi)的科研工作，涉及近海海底多參量測量、海底保壓取樣技術(shù)和海底原位測量技術(shù)等研究領(lǐng)域，獲兩次國家科技成果二等獎和多項國家發(fā)明專利。
