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6000米无人无缆潜水有什么功能(无人潜水器最大潜深达一万零七六七米)

admin2023-02-21科技生活70

关于潜龙一号物理知识

“潜龙一号”是中国国际海域资源调查与开发“十二五”规划重点项目之一,是中国自主研发、研制的服务于深海资源勘察的实用化深海装备。该项目于2011年11月正式启动,2013年3月完成湖上试验及湖试验收。[1]

“潜龙一号”长4.6米、直径0.8米、重1500公斤,最大工作水深6000米,巡航速度2节,最大续航能力24小时,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、底质判断、海底水文参数测量和海底多金属结核丰度测定等任务。 [1]

1简介

潜龙一号,是中国国际海域资源调查与开发“十二五”(2011-2015年)规划重点项目之一,是中国自主研发、研制的服务于深海资源勘查的实用化深海装备。该项目于2011年11月正式启动,2013年3月完成湖上试验及湖试验收,5月搭乘“海洋六号”船在南海进行首次海上试验,累计完成7次下潜,最大下潜深度4159米,获得了海底地形地貌等一批探测数据,设备布放与回收成功率100%。[2]

2技术参数

潜龙一号,外形是一个长4.6米、直径0.8米、重1500公斤的回转体,最大工作水深6000米,巡航速度2节,最大续航能力24小时,配有浅地层剖面仪等探测设备。“潜龙一号”可完成海底微地形地貌精细探测、底质判断、海底水文参数测量和海底多金属结核丰度测定等任务。

3意义

中国6000米无人无缆潜器(AUV)实用化改造项目“潜龙一号”完成在南海进行的首次海上试验,总体达到海试目的,下一步将开展海上试验性应用。此举标志着中国深海资源勘查装备实用化改造领域实现重要进步,将为深海资源勘查提供保障。

4下潜试验

当地时间2013年10月6日18时30分,在东太平洋5000多米深的水下

无人深潜器潜龙一号[2]

工作近10个小时后,我国自主研制的首个6000米水下无人无缆潜器“潜龙一号”浮出水面。至此,“潜龙一号”成功迈出了试验性应用的第一步,取得了初步成功,也创下了我国自主研制水下无人无缆潜器深海作业的新纪录。[1]

6000米水下无人无缆潜器的试验性应用是中国大洋29航次科考第三航段的重头戏。当地时间2013年9月30日,“海洋六号”抵达东太平洋作业区,工作人员为“潜龙一号”的试验性应用做好了各项准备,并在2013年10月2日~3日两次实施潜器下水,对潜器的各项功能进行了综合性验证。[1]

2013年10月6日,“潜龙一号”第三次下水,首次执行应用任务。早晨6时,工作人员开始进行潜器下水前的技术检查和使命程序下载,7时30分开始布放,7时55分布放成功。1个多小时后,潜器无动力下潜至5080米的深度,开始在距海底50米的高度沿规划路线作业。

17时19分,“潜龙一号”在水下作业8小时5分钟后,向水面监控系统发出了上浮信息,并于19时30分成功被回收至甲板。在作业期间,工作人员通过潜器传回的数据信息,实时监测潜器工作状态。数据显示,潜器水下航行姿态稳定,准确按规划线路航行作业。

在大洋29航次科考第三航段,6000米水下无人无缆潜器试验性应用的工作时间为10天。接下来,“潜龙一号”还将继续潜入大洋深处,在预定的中国大洋协会多金属结核合同区内进行调查。同时,研制人员也将通过这次试验性应用,为“潜龙一号”的进一步完善提供技术依据。[1]

潜龙二号有何过人之处?

正在执行中国大洋49航次业务化调查任务的“向阳红10号”带上了一件探海利器——潜龙二号。它是我国自主研发的4500米级深海资源自主勘查系统,也是目前国内最先进的自主水下机器人。

潜龙二号长啥样?它有何过人之处?未来又将如何应用?

相比潜龙一号,潜龙二号更像一辆越野车,能更好地在复杂地形中作业

见过潜龙二号的人,都对它印象深刻。

与很多潜水器不同,潜龙二号看起来就像一条鱼:长3.5米,高1.5米,体重1.5吨,立扁形身体通体鲜黄,还有4只“鳍”——科学家亲切地称之为“黄胖鱼”。

潜龙二号奇特的模样在国内独树一帜。“这是国际上首次应用非回转体立扁鱼形设计,有利于减少垂直面的阻力,便于它在复杂海底地形中垂直爬升,也可以增强水面航行能力。” 潜龙二号总设计师、中科院沈阳自动化研究所研究员刘健说,“我们设计的初衷并非为了仿照鱼形,外形设计依据的是水动力优化计算的结果,没想到最后和鱼的外形类似。”

科研人员在潜龙二号上倾注了大量心血,盼望它担负起深海探测的重任。

潜龙二号是在国家863计划支持下,由我国科研人员自行设计、历时5年艰苦攻关研制的。作为一套集成热液异常探测、微地形地貌探测、海底照相和磁力探测等技术的实用化深海探测系统,它主要用于多金属硫化物等深海矿产资源的勘探作业。

浩瀚海洋中蕴藏着丰富的资源,根据国际海底管理局的相关规章,哪个国家最先探测到海底资源,并提供相应数据和资料,就能获得优先开采权。仅靠人类的潜水技术,不能到达深海的绝大部分区域,水下机器人就有了用武之地。

水下机器人通常分为三类:载人潜水器(HOV)、遥控水下机器人(ROV)和自主水下机器人(AUV)。其中,大名鼎鼎的蛟龙号是载人潜水器,海龙号是无人遥控潜水器,二者均擅长局部作业、定点精细探测,却不擅长大范围精细探测。潜龙号则不同,它是无人无缆自主潜水器,可以自由行动,在较大的区域范围内进行精细探测,可以自主导航、自主作业以及自我保护。

我国第一台实用型6000米水下机器人潜龙一号诞生于“十二五”期间,应用于海底较平坦的多金属结核区。

早就有潜龙一号了,还要“黄胖鱼”做什么?

“洋中脊多金属硫化物区的海底地形异常复杂,上下起伏达1000多米,探测难度很大。”大洋49航次第二航段首席科学家、国家海洋局第二海洋研究所研究员陶春辉说,有些任务潜龙一号胜任不了,需要升级版的潜龙二号。

相比潜龙一号,潜龙二号更像一辆越野车,能更好地在复杂地形中作业:除了探测多金属硫化物,它还能探测多金属结壳资源,获得同时间同位置的声学微地貌、温盐深、浊度、甲烷、氧化还原电位、磁力等多种数据,进而圈定矿化区。

“黄胖鱼”构造精、“智商”高,探测成绩创下我国深海自主水下机器人之最

“黄胖鱼”怎么工作?

下潜前,科研人员会在“黄胖鱼”的“大脑”中植入参数和使命配置,然后用吊车将其放到水中;之后解除吊车和潜水器之间的联系,“黄胖鱼”就能够下潜到指定区域。

“它身上安装了下沉压载铁和上浮压载铁。下水后它依靠自身重力下潜。下潜到预定深度后,它自动抛掉下沉压载铁,然后开始作业。完成作业后,它会自动抛掉上浮压载铁,实现自动上浮,工作人员再通过遥控挂钩或抛绳等方式将它回收到母船。”刘健说。

到达作业区的“黄胖鱼”非常忙碌。在“大脑”控制下,它的“眼睛”格外敏锐,背着一架“相机”灵活穿梭,“尾巴”也在同步工作。

“眼睛”是指潜龙二号的声呐。其中,前视声呐是一台避碰控制设备,可以将潜水器采集的声学数据转化为图像,用以识别障碍物和周边环境,随后通过自主转动和躲避,保障机体安全和任务正常。据介绍,这项技术也是在国内首次采用。两侧的测深侧扫声呐,会一刻不停地搜集地形地貌数据,进行实时信号处理,沿着规划好的线路在海底来回横扫。

在电池支撑下,潜龙二号最长可工作30多个小时。“黄胖鱼”的4只“鳍”,其实就是4个可旋转舵推进器。靠操控推进器和舵进行运动,潜龙二号才能灵活地前进、后退、旋转,在海底“翻山越岭”。

“相机”,就是海底照相机,每隔7秒钟就能在伸手不见五指的海底拍摄一张照片,最终形成一张完整清晰的海底照片,供科学家分析研究。

“尾巴”是安装在潜龙二号末端的磁力探测仪。“有些多金属硫化物区已经不活动,传统的羽状流探测系统难以探测。而国内首次采用、自主研发的磁力仪却能探测出它的磁异常。”陶春辉说。

“黄胖鱼”的先进不仅体现在精良的构造,更在于它高“智商”,自动性好。比如,当它发现自己“身体”出现故障,如果不影响作业,它就会坚持到底;如果感到“大事不妙”,不能再在水下了,它就会自动结束作业上浮回来。

“黄胖鱼”初出茅庐,就表现不俗。2016年2月至3月,它在西南印度洋执行了中国大洋40航次第二航段试验性应用任务,这也是它的首次试验性应用。该任务总共进行了8个潜次,其中7个潜次为长航程探测任务,水下时间231.3小时,累计航程661.7公里,探测面积达到218平方公里,探测数据均完整有效。

在这次试验性应用中,潜龙二号的探测面积超过我国以往任何深海自主水下机器人的探测面积,连续4个长航程成功探测成绩也创下了我国深海自主水下机器人之最。

“黄胖鱼”的“弟弟”潜龙三号预计今年3月进行首次海试

在刘健眼里,“黄胖鱼”就像他的孩子。做父母的,最牵挂的永远是孩子的平安。每次潜龙二号下水,刘健都会“儿行千里母担忧”。

刘健盼着这个孩子成长更快。“潜龙二号是我国目前最先进的深海自主水下机器人,已达到国际先进水平。但它的技术水平和性能还需进一步提高。”刘健告诉记者,当从水面将潜龙二号顺利回收后,科学家会下载其探测的各项数据。“今后要通过技术创新缩短数据回传和下载的时间,更及时地处理数据。”

“潜龙二号是机器人的一种类型,随着人工智能技术的不断进步,也许未来在充分论证的基础上,有可能将一些最新的智能技术应用到潜水器的升级换代上。”大洋矿产资源研究开发协会办公室副主任李波说。

除了潜水器本体和探测技术的改进,专家认为还要改进管理、强化应用。

据了解,“黄胖鱼”的“弟弟”潜龙三号预计今年3月进行首次海试。“它和潜龙二号是孪生兄弟,是在其基础上进行优化升级的同类潜水器。”李波说,海洋浩瀚无际,深海探测需求日益增长,“潜龙”家族的主要目标是对深海资源进行大范围精细探测,更好为大洋资源勘查和深海科学调查服务。因此未来潜龙家族潜水器数量还会继续增加,开展集群作业、协同作业。

此外,服务于深海探测的新科考母船有望在2019年底下水。届时,它将同时搭载“蛟龙”“海龙”和“潜龙”,“三龙”将有机会携手探海。

过人之处有很多。

海底两万里是不是幻想呢?

年前法国科普作家凡尔纳幻想人能坐在船里潜行两万里,这在当时是难以想象的。可是他的这个幻想今天已经实现了。现在能够在海里潜行的船,除了在战争中攻击敌方舰船的潜艇外,兼有调查研究、工程用途的潜水器也已经发展成一个大家族了。

声波固然能从海面探测万米深渊,可是声波的波长还是太大,看不清楚海底的细微结构,更不可能从海底采集标本。人需要潜入深渊去直接观察海底,把海底的东西拿到海面上来。海水的巨大压力是人类潜入深海的主要障碍。

早在20世纪60年代,科学家就发明了潜水器。比利时人皮卡尔父子研制的”的里雅斯特“号载人潜水器,在西太平洋马里亚纳海沟中的挑战者海渊,用了4小时38分成功地潜到世界最深处,记下了10916米的深度(后来经过精确测量,这个世界最深的海沟的深度应该是11033米)。小皮卡尔和美国人沃什操纵这艘潜水器稳当地坐在挑战者海渊底部的软泥上,发现在这万米深渊里仍然有水母、鱼等生物。早年研制的一些潜水器曾屡建奇功。它们考察过大西洋陡峭的海岭,发现海岭上布满了裂谷;探查过红海深处最新的裂缝,看到了海底的热泉;用载人潜水器还找到了沉没在深海里的核潜艇,打捞上来丢失在海底的氢弹。这些潜水器有耐压壳体,像”的里雅斯特“号的载人压力舱是近乎球形的,直径2米,壁厚127毫米,用来抵御1000个大气压的水压。即使用了这么厚的壳体,潜到10000米深处时还是被压缩了1.5毫米。潜水器内有电池供电,有自航能力,载人舱里有足够的空气,装有观察窗、声呐、摄影机和简单的机械手,另有一个装有比水轻的液体的浮力舱,还有一些可以抛弃的压载重物,用来控制升降。载人潜水器由人操纵,可以载2~4人。

载人潜水器必须考虑人的安全和生存问题,因而成本很高,用作探险工具还可以,在水下工程中广泛使用就不合算了。因此研制了有缆的无人潜水器,或者叫做遥控潜水器,英文简写为ROV。这种潜水器不需要人坐在里面操作,而是从船上遥控。动力装置在船上,通过脐带里的电缆从母船传下操纵的信号,供给电能,使潜水器做各种动作,潜水器看到、摸到的情况变成电信号通过脐带传上来。因为不存在人的生存问题,在潜水器中除了必需防水的仪器放在比较小的耐压壳体里以外,大部分结构、部件都暴露在海水中,水可以自由流动,内外压力平衡,这些结构和部件就不需要设计成笨重的耐压设备了。因此,这种潜水器比载人潜水器轻便、便宜得多,样子更像个雪橇,而不像船。这种潜水器已经普遍用在水下工程中。

有缆潜水器的脐带往往妨碍它的运动,使它不能离母船太远,在水下工作时还得提防脐带缠在什么东西上。用声遥控、遥测来代替脐带,潜水器就摆脱了电缆。这种无缆无人潜水器可以用声信号从母船上操纵它的升降、航行、观测、采样和操作。

随着计算机技术的进一步发展,现在已经实现了潜水器的智能化。潜水器能按预先规划好的程序升降、航行和工作,能规避偶然出现的障碍物,能根据情况作做简单的判断。这种潜水器叫做自主潜水器,也叫智能机器人。

现在发达国家已经把无人潜水器产业化,生产出各种浅海用的带有各种声学探测仪器、电视摄像机、摄影机、机械手的作业用的无人潜水器,广泛用于近海工程和海岸工程中。

美国、日本、法国、俄罗斯在最新技术的基础上又研制了6000米的深海无人潜水器和载人潜水器,带有多种探测仪器和操作设备,用来调查海底,还用来研究开采深海锰结核和钴结壳的工艺。

我国比发达国家发展潜水器的时间落后了20年。我国的第一艘载人潜水器是1986年研制的潜艇救援艇,能载4人,排水量35吨,最大下潜深度600米,能在水下与潜艇对接。我国也研制了”海人“等浅海潜水器,可以安装遥控调焦的电视摄像机和多功能的机械手,已经用来检查堤坝有没有裂纹,还可以在海洋油气开发中使用。

我国”863高技术计划“支持研制的6000米无人无缆潜水器的完成,使我国的潜水器研制技术登上了一个新台阶,它能按预先编好的程序航行和工作,自动避开障碍,会自行诊断故障,也能从海面上遥控,装有摄像设备、海洋测量仪器、声学导航设备和机械手,在太平洋C—C区参加过我国的锰结核调查。

为了研究我们所居住的地球,科学家需要了解地层的结构。由于海洋底下的地层比陆地薄,所以选择在海洋中用深海钻探船钻深孔取岩芯,来研究大洋地壳的组成、结构、成因和历史。由美国等6个发达国家提供经费,用”格洛玛·挑战者“号深海钻探船从1968年到1983年在世界各大洋钻了1092个深孔,获得96000米岩芯。这艘深海钻探船排水量1万吨,耸立在船中部的钻架高出船的吃水线61米,折叠的钻杆全长6.5千米。船的位置靠声学方法固定,在大洋底部抛下一个声信标,让它发出声脉冲,船底下有4个接收换能器组成阵,分别接收声信标发出的信号,用计算机根据这4个信号控制船相对于海底声信标的位置并保持不变。提起钻杆取出岩芯样品后,再将钻杆放下去时很难保证回到原来的井口位置。除了用声信标定位外,还在井口上套上漏斗,钻杆只要碰到漏斗,就能滑进井口的孔中。这种装置叫做重返井口装置。”格洛玛·挑战者“号获得的资料证实了板块理论,探明了地层的结构。

人们正在研发水下交通工具,什么是潜水机器人?

水下机器人也称无人遥控潜水器,是一种工作于水下的极限作业机器人。水下环境恶劣危险,人的潜水深度有限,所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。

无人遥控潜水器主要有:有缆遥控潜水器和无缆遥控潜水器两种,其中有缆遥控潜水器又分为水中自航式、拖航式和能在海底结构物上爬行式三种。

典型的遥控潜水器是由水面设备(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。靠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。新型潜水器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。开始研制智能水下机器人系统。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。

无人有缆潜水器的发展趋势有以下优点:一是水深普遍在6000米;二是操纵控制系统多采用大容量计算机,实施处理资料和进行数字控制;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。此外,还特别注意潜水器的小型化和提高其观察能力。

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