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深潛器,具有水下觀察和作業能力的活動深潛水裝置。主要用來執行水下考察、海底勘探、海底開發和打撈、救生等任務,並可以作為潛水員活動的水下作業基地。

1研究背景

浩瀚的海洋佔住了地球表面積的71%,深底豐富的石油蘊藏、堆積著無數的錳團以及其他資源吸引著一些工業發達國家競相進行海洋開發事業。深潛技術是進行海洋開發的必要手段,它是由深潛器、工作母船(水面支援船)和陸上基地所組成的一個完整的系統,深潛器是其關鍵部份。此外,為了對深海失事潛艇實施營救,對深海沉船進行打撈以及深海考察,深潛偵察等都需要具備深潛器。深潛器的建造難度較大,其電氣化、自動化的程度較高。
深潛器
每年都有數千名水手搭乘各型軍用潛艇在海面下穿行;數千名商業潛水員在建設或維修海底輸油管道、通信電纜和石油鑽塔;數千名潛水愛好者以探尋海底奧秘為樂;數百名科研人員潛入深海進行科學研究。另外,還有許多海底機器人在人類無法承受的深度進行探險活動。美國政府每一年在太空研究方面的投入高達數十億美元,而在深海研究方面則要少的多。其實深海探險和太空探險之間既存在著許多的相同點,同時也有一些明顯的不同。人類探尋深海至少比探尋太空早一倍的時間,而且發展思路也大不相同。但是這些差別正逐漸變小,深海研究者和太空研究者彼此越來越相像。更加重要的,深海探險現在能夠對太空探險產生巨大影響。

2歷史沿革

1928年,一位美國人,奧蒂斯巴頓發明並建造了第一艘球形深海探測裝置。該裝置通身都用鋼鐵建造,它可以從一艘水面船舶上通過連接的電纜下潛到海面之下。1930年,巴頓和另一名博物學家威廉.彼博一起乘坐這個球形裝置下潛到了距海面245米(803英尺)的深度;1932年,他們又下潛到了923米(3028英尺)的深度——這一紀錄直到15年之後才被打破。後來彼博寫了一本書《1/2英里之下》,他在書中詳細描繪了所見到的奇異的海底生物。這些生物聽起來就像是從外星來的,因此很多人懷疑彼博是在撒謊。不過,他並沒有撒謊,海底世界對於人類來說就是一個完全不同的另類世界。
接下來在深海探測技術方面的重要進步就是由瑞士探險家奧古斯特.皮卡德發明的深海潛水器。該潛水器在巴頓的球形深海探測裝置上加裝了升力和推進裝置,看起來比較像一艘粗笨的深海潛艇。如果把巴頓的球形深海探測裝置比作水星太空船——功能和機動性非常有限,那麼皮卡德的深海潛水器就是雙子星太空船。皮卡德在對部分設計進行了一些改進之後,建造了第二艘潛水器並命名為「迪里亞斯特」號。1957年,美國海軍購買了「迪里亞斯特」號。1960年,皮卡德的兒子雅科斯和美國海軍上尉唐.沃爾什搭乘「迪里亞斯特」號下潛到了馬里亞納海溝的深處,距海面10916米(35813英尺)。之後的二十年中,改進型深海潛水器「迪里亞斯特II」號一直在美國海軍中服役。它承擔了許多深海探險任務,包括搜尋美國海軍失事的「天蠍」號核潛艇的殘骸和打撈墜入海底的航天器裝置。
不過最著名的深潛器還是「艾爾文」號,1964年專門為美國海軍建造,並由伍茲.霍爾海洋科學研究機構管理使用。「艾爾文」號可以搭乘3名研究人員,並且能夠下潛到4500米(14764英尺)的深度。在將近40年的服役生涯中,「艾爾文」號一共有4000多次深潛經歷。它找到了美軍丟失的氫彈,勘測過海底火山口。另外,它還是第一艘到訪過泰坦尼克號沉船的載人潛水器。不過「艾爾文」號曾經發生過一次事故而沉入了海底,幸好沒有人員傷亡。過了整整一年之後,它才被打撈上來。

3推進裝置

一般的潛艇採用軸推進方式,從主推進電機(變速箱)引出一根長長的主推進軸,從耐壓艇體中穿出,帶動艇尾的螺旋槳。主軸和耐壓艇體之間的空隙需要進行密封處理,潛深幾百米的普通潛艇,密封措施一般是在主軸和艇殼之間墊一個皮碗密封圈。但對於設計潛深達7000米的深潛器,每平方米艇體要承受7100噸的水壓,此時無論是皮碗還是別的什麼密封材料都毫無意義。如果深潛器採用常規的軸推進方式,那麼在幾千米的水下哦,我們將會聽到「砰」的一聲,海水壓垮密封圈 ,從主軸和艇體之間的空隙迸射進來……由於密封裝置無法維持高達700個大氣壓的內外壓差,因此,自航式深潛器的推進艙不可能保持1個大氣壓的環境,必須做成非耐壓結構,即艙內和艙外的壓強大致均衡,都是700個大氣壓左右。深潛器的操縱人員集中呆在一個極其堅固的球形耐壓艙內,這也是全艇唯一的能在水下維持1個大氣壓環境的地方。使動力艙和外界海洋環境保持壓力均衡的方式,是在設備中充滿輕質液體,動力裝置的各種設備,包括電動機的轉子和線圈,都浸泡在這種絕緣的液體中。

4性能特點

深潛器是一種能在深海進行水下作業的潛水設備,分民用和軍用兩類,具有軍民通用性質,一般不攜載武器,噸位在20~80 噸左右,個別達300~400 噸,潛水深度一般為2000~5000 米左右,個別達 11000米。現在正在設計和使用的遙控機器人/深潛器絕大部分是依靠與艦船聯接的纜線操縱行動。使用電纜遙控操縱深潛器的優點是:
(1)能長時間提供動力;
(2)有高速率數據傳送能力;
(3)與輔助艦船之間的聯繫可靠,不會受到無線電或其他信號的干擾。
缺點是但同時又限制了深潛器的機動能力,電纜像風箏線一樣地拴住了它,而且電纜還需經常維修更換。

5用途任務

深潛器分為有人深潛器、無人深潛器和遙控深潛器等多種類型,其主要任務有三類:
一類是用于海洋調查,採集水下標本,進行水下攝影,開展潛水醫學和生理學研究,進行水聲學研究;
另一類是協助進行深海石油資源的勘探與開發,檢查及維修海底電纜管路,運送潛水員在水下執行任務,進行水下救生與打撈;
最後一類是執行軍事偵察、掃雷、布雷等任務,試驗和回收魚雷、水雷、深彈等水中兵器,營救失事潛艇的艇員,觀察武器的水下發射情況,進行水下噪音測量等。

6主要分類

無人無纜深潛器(水下智能機器人)
除各種有人深潛器之外,60 年代以後無人深潛器的發展也引人矚目。無人深潛器是一種能模仿人進行某些活動的自動機械,能夠在人難以適應的深水環境中代替人進行工作。60 年代美國就研製出了第一代水下機器人CURV 號,它具有電動推進裝置、水下電視攝像機、聲納和打撈機械手等設備,工作深度為 2100 米。目前,無人深潛器有系纜式和無系纜式兩種,前者需要水面母船傳輸動力並進行遙控,後者可以自行機動,具有一定的自主功能。當前,無人深潛器的最大下潛深度已達7600 米,它是由美國的「米達」Ⅱ號創造的。
1980年法國國家海洋開發中心建造的「逆戟鯨」號無人無纜潛水器投入使用,最大潛深為6000米,主要用於深海海床和深海礦物資源勘探、平台設置所需要的環境調查、管道鋪設的監測工作以及在海底布設固定聲納陣、進行海底觀察、監護打撈人員的安全等。「逆戟鯨」號潛水器先後進行過130多次深潛作業,完成了太平洋海底錳結核調查、海底峽谷調查、太平洋和地中海海底電纜事故調查、洋中脊調查等重大課題任務。1987年,法國國家海洋開發中心又與一家公司合作,共同建造了「埃里特」聲學遙控潛水器,用於水下鑽井機檢查、海底油井設備安裝、油管輔設、錨纜加固等複雜作業。這種聲學遙控潛水器的智能程度比「逆戟鯨」號高了許多。
水下機器人設計圖

  水下機器人設計圖

1988年,美國國防部的國防高級研究計劃局與一家研究機構合作,投資2360萬美元研製兩艘無人無纜潛水器。1990年,無人無纜潛水器研製成功,定名為「UUV」號。這種潛水器重量為6.8噸,性能極好,最大航速10節,能在44秒內由0加速到10節,當航速大於3節時,航行深度控制在±1米,導航精度約0.2節/小時,潛水器動力採用銀鋅電池。這些技術條件有助於高水平的深海研究。另外,美國和加拿大合作於90年代初研製出了能穿過北極冰層的無人無纜潛水器。日本於1998年初研製成功對北冰洋冰層下進行觀測的無纜無人深潛器,最大潛深3000m。

7使用現狀

軍用
近年來,用于軍事用途的自主潛航器技術發展十分迅速。
美國
美海軍繼推出「海洋探險者」、「曼塔」、「奧德塞」Ⅲ、CETUSⅡ、「遠距離環境監測單元系統」(REMUS)、「戰場準備自主潛動器」(BPAUV)等自主潛航器后,還在研究以下新型自主潛航器:
主要用於特種作戰部隊的支援與攻擊、反水雷、沿海地區潛艇跟蹤以及情報、監視和偵察任務的「任務重組無人水下航行器」(MRUUV);
遠距離環境監測單元系統REMUS在執行任務

  遠距離環境監測單元系統REMUS在執行任務

主要用於測量海洋鹽度、溫度等參數,設計巡航時間為5年、航程達4000Km的「斯洛克姆滑行者」自主潛航器;
主要用於採集海洋物理、化學和生物光學數據,設計最大下潛深度為1000m、巡航6000Km的「海滑行者」自主潛航器;
主要用於執行情報、監視和偵察以及反水雷和淺水反潛等任務、排水量約5t、計劃裝備SSGN導彈潛艇、「弗吉尼亞」級攻擊核潛艇以及水面潛艇的大排水量自主潛航器;
以及「地獄判官」自主潛航器、「海馬」自主潛航器、「聲射頻相互作用勘探感測器」自主潛航器等。
德國
德國的DeepC自主潛航器,2001年開始研製,2003年末進行樣機深水試驗,2007年投入裝備。DeepC重2000kg,最大下潛深度4000m,續航時間60h,航程400Km,航速60節,可從艦艇或直升機上布放。
法國
法國的Alister自主潛航器,是一種軍民兩用長航時自主潛航器,採用鋰離子電池,於2002年開始海試,Alister設計有兩種型號,一種重600kg,能在水下300m處工作;另一種重1100kg,能在水下3000m處工作。
挪威
挪威近年先後推出HUGIN1、HUGIN1000和 HUGIN3000三種自主潛航器,它們採用電池供電,可由水面艦艇通過聲監視設備控制或利用內置控制系統與情報設備資助運行。

8發展趨勢

中國「蛟龍」號吊放入水

  中國「蛟龍」號吊放入水

綜上,深潛器/遙控潛器的發展趨勢是,大深度有纜(光纜)深潛器仍是主流,這種設備是探測數萬平方公裏海底必需的和最實用的設備。一是水深普遍在6000米以上;二是操縱控制系統多採用大容量計算機,進行資料處理和數字控制;三是潛水器上的機械手採用多功能,力反饋監控系統;四是增加推進器的數量與功率,以提高其頂流作業的能力和操縱性能。
當前,民用大深度無纜潛水器尚處於研究、試用階段,還有一些關鍵技術問題有待解決。如,要使其活動範圍在250~5000公里的半徑內,就要解決能保證長時間工作的動力源,國外正在探索使用燃料電池、小核反應堆等;關於控制和信息處理系統,需採用圖像識別、人工智慧技術、大容量的知識庫系統,以及提高信息處理能力和精密的導航定位的隨感能力等,要在大深度聲音圖像傳輸技術等高技術上有突破。但長遠看它是發展方向,趨勢是向遠程化、智能化發展。
總之,國外帶纜ROV技術已發展得相當成熟,發展AUV關鍵是解決能源問題。
中國
作為國家載人航天工程姊妹篇的「7000米載人潛水器」在青島市開展下水深潛試驗。據了解,海水深度每增加100米,壓力就會增加10個大氣壓。由中國船舶重工集團公司702研究所研製成功的潛水器長8米、高3.4米、寬3米,用特殊的鈦合金材料製成,在7000米的深海能承受710噸的重量。目前,世界上只有美國、日本、法國、俄羅斯擁有深海載人潛水器,最大工作深度未超過6500米。中國研製的7000米載人潛水器,將成為世界上下潛最深的載人潛水器,可到達世界99.8%的海洋底部。這種潛水器從海面下潛至7000米深度約需5小時,整個作業時可長達12小時。中國首次公開選拔潛航員的工作也展開,選拔規格可比航天員。

9載人深潛

最多:俄羅斯
和平一號沉潛器(資料圖)

  和平一號沉潛器(資料圖)

俄羅斯是目前世界上擁有載人深潛器最多的國家,最著名的是1987年建造完成的「和平一號」、「和平二號」兩艘6000米級深潛器,電影《泰坦尼克號》里的很多鏡頭就是它們探測的片段。
「和平一號」還有一位大名鼎鼎的乘客——俄羅斯總理普京,他在2009年8月1日搭乘「和平一號」深潛至世界最深淡水湖貝加爾湖水面下大約1400米處,探查新能源「可燃冰」,在水下待了超過4小時。
最深:10916米
世界最大載人潛水深度為10916米,由美國「的里雅斯特」號深潛器保持,這個紀錄至今已保持了51年。
美國「的里雅斯特」號深潛器

  美國「的里雅斯特」號深潛器

1960年1月,科學家雅克·皮卡和唐·沃爾什乘坐「的里雅斯特」號潛入馬里亞納海溝進行科學考察。
2008年,雅克·皮爾卡去世,唐·沃爾什成了全世界唯一見過海底萬米景象的人。2010年,唐·沃爾什還曾經到過中國,參觀過「蛟龍號」。
最傳奇:「阿爾文」號
美國阿爾文號深潛器
「阿爾文」號是世界上著名的深潛器,服務於美國的伍茲霍爾海洋研究所,從1964年6月5日下水至今已工作47年。
美國阿爾文號深潛器

  美國阿爾文號深潛器

阿爾文號的主要用途是科學考察,但偶爾也會客串干點別的差事。1966年初,在西班牙東海岸,美國空軍的一架空中加油飛機在給一架轟炸機加油時,兩機相撞,墜毀在附近海岸。墜毀的轟炸機上攜帶著4顆氫彈,3顆落在西班牙本土,一顆則消失在地中海里。美國海軍不得不求助於建成不久的「阿爾文」號。一個多月後,「阿爾文」號不負眾望,在1000多米深的海底找到了這顆氫彈,一戰成名。
1986年,「阿爾文」號再建新功,它成功地參與了對泰坦尼克號沉船的搜尋和考察,因此登上了美國《時代》周刊的封面。

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