■“海龍Ⅲ號”最大作業(yè)水深6000米。
▲“發(fā)現(xiàn)”號完成第300次下潛。
▲“問海1號”是我國首臺交付工程應(yīng)用的ARV。
▲“海燕-X”水下滑翔機(jī)首次進(jìn)入萬米深淵。
▲這是“發(fā)現(xiàn)”號ROV，從科考船甲板上可以看到需要加裝的浮球。
▲“潛龍三號”外形為立扁魚形，更有利于在復(fù)雜海底地形礦區(qū)作業(yè)。
▲“潛龍四號”外形為圓柱形，作業(yè)區(qū)域更適用于海底相對平坦的礦區(qū)。
我國無人潛水器數(shù)量倍增
AUV：以“潛龍”“探索”“悟空”系列為代表
ROV：以“海星”“海龍”“海馬”系列為代表
ARV：以“海斗”“思源”系列為代表
水下滑翔機(jī)：以“海翼”“海燕”系列為代表
從明朝鄭和七下西洋，到意大利哥倫布發(fā)現(xiàn)美洲新大陸，再到英國“挑戰(zhàn)者”號完成世界首次環(huán)球海洋科學(xué)考察……幾百年來，人類以海為媒，進(jìn)行溝通和貿(mào)易，也逐漸關(guān)注海洋本身，研究這個占地球面積最大（71%）、卻為人所知甚少的藍(lán)色世界。作為探索海洋、認(rèn)識海洋和開發(fā)海洋的重要裝備，潛水器（有時也稱為“水下機(jī)器人”）日益成為科考船的標(biāo)配，如今正迎來百花齊放的發(fā)展時期。
日前，中國科學(xué)院海洋研究所無人有纜潛水器（ROV）“發(fā)現(xiàn)”號完成下潛300次；自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所自主遙控潛水器（ARV）“問海1號”入列“海洋地質(zhì)九號”科考船……作為海洋科考重鎮(zhèn)，青島的潛水器特別是無人潛水器的發(fā)展日新月異，彰顯著我國在該領(lǐng)域進(jìn)入快速發(fā)展期。
“發(fā)現(xiàn)”號下潛300次的背后
張鑫到中科院海洋所參加工作的2009年，所里了解、使用潛水器的科學(xué)家屈指可數(shù)，而他在國外主要從事深海拉曼光譜原位探測技術(shù)（拉曼探針）研發(fā)，科研工作又需要潛水器支持?！袄结樤诤５坠ぷ麟x不開潛水器平臺支撐。在海中，它將一束激光打到深海環(huán)境中，根據(jù)激發(fā)光的后向散射信號就可以獲得被測物質(zhì)的化學(xué)成分、生理狀態(tài)，因此不會破壞海洋生物及其生存環(huán)境?！?從工作伊始至今，張鑫一直在研發(fā)拉曼探針并以此開展原位實驗。他回憶說，在參加工作后的很長一段時間里，因為國內(nèi)不具備科研條件，他每年都要花費兩三個月出國做實驗，“當(dāng)時，我越發(fā)覺得要在國內(nèi)繼續(xù)我的事業(yè)，第一要務(wù)是能有一條先進(jìn)的科考船提供科考平臺，其次科考船上要配備一個先進(jìn)的水下機(jī)器人，帶著拉曼探針進(jìn)行深海探測和實驗。”
這個機(jī)會不久就來了。2010年， 我國綜合性能最先進(jìn)的科考船“科學(xué)”號開工建造，2012年交付中科院海洋所管理運(yùn)行?！靶疫\(yùn)的是，由于當(dāng)年造船使用的鋼材價格一路走低，建造科考船的費用節(jié)省出了5000多萬元?！?張鑫說，當(dāng)時由他擔(dān)任工程技術(shù)部副主任，全權(quán)負(fù)責(zé)設(shè)計定制一個4500米級的水下機(jī)器人。該工作從2012年開始，一直持續(xù)到2014年，他帶領(lǐng)團(tuán)隊提出設(shè)計需求并進(jìn)行監(jiān)造。這個水下機(jī)器人就是如今的“發(fā)現(xiàn)”號ROV，在今年7月10日，“發(fā)現(xiàn)”號完成了第300個海洋科學(xué)考察潛次任務(wù)。
一般而言，無人潛水器分為無人無纜潛水器（AUV）和無人有纜潛水器（ROV）。AUV自帶能源，可自主航行，能夠執(zhí)行大范圍探測任務(wù)，但作業(yè)時長、數(shù)據(jù)實時性等能力有限。ROV有一條電纜與母船連接，依靠臍帶電纜提供動力，水下作業(yè)時間長，能夠?qū)崿F(xiàn)海底精確圖像數(shù)據(jù)的實時傳輸，作業(yè)能力較強(qiáng)，但作業(yè)范圍有限。近年來，我國結(jié)合AUV和ROV的優(yōu)點，還研發(fā)了自主遙控水下機(jī)器人（ARV），既可以無纜自主作業(yè)，也可以有纜遙控作業(yè)。相較而言，這些潛水器各有優(yōu)勢特點，但在海底作業(yè)的優(yōu)勢是共同的：一是可在海底進(jìn)行原位觀測，并拍攝高清海底光學(xué)影像，同時可以開展深海激光掃描作業(yè)，其空間分辨率可達(dá)到厘米級；二是可以直接在海底開展實驗，最大程度認(rèn)知深海生命過程變化，這是陸地實驗室無法比擬的。
“以往的深海研究是將深海樣品取樣，帶回陸地實驗室進(jìn)行分析。但由于取樣擾動帶來的樣品變化，特別是深海樣品從海到陸后由于壓力、溫度等因素的驟變，其生理活動可能也發(fā)生了改變，導(dǎo)致后期的分析研究并不準(zhǔn)確。” 借助“科學(xué)”號科考船和“發(fā)現(xiàn)”號潛水器，張鑫在國外的科研工作很快在國內(nèi)“復(fù)現(xiàn)”。2015年，他首次將自主研發(fā)的國際首臺耐高溫（450℃）拉曼光譜探針安裝在“發(fā)現(xiàn)”號上進(jìn)行應(yīng)用。他說，利用潛水器上安裝的拉曼光譜探針等設(shè)備，可以直接對深海極端環(huán)境進(jìn)行化學(xué)成分分析；也可以利用潛水器在海底做實驗，實現(xiàn)將實驗室搬到海底。這種無須傳統(tǒng)取樣方式的原位探測技術(shù)和實驗，已成為國際深海研究的熱點。
正是潛水器獨具特色的裝備優(yōu)勢，使得西方國家利用潛水器快速進(jìn)入深海熱液、冷泉等極端環(huán)境，科研成果頻出，我國在無人潛水器領(lǐng)域的研發(fā)也在這個時期開始興起。除“發(fā)現(xiàn)”號ROV外，2009年，我國首臺具有3500米作業(yè)深度的無人有纜潛水器“海龍II號”ROV由上海交通大學(xué)完成研制，開始試用。時間再稍往前，中科院沈陽自動化研究所研發(fā)的CR-02，是繼CR-01之后我國第二臺6000米級AUV，于2007年通過技術(shù)驗收；中科院沈陽自動化研究所研發(fā)的北極ARV，最大潛深100米，已于2008年搭乘“雪龍”號科考船出征我國第三次北極科考。這幾個不同類型的無人潛水器，加之載人潛水器“蛟龍”號，基本就是21世紀(jì)第一個十年里我國潛水器的家底。
而“發(fā)現(xiàn)”號ROV的研發(fā)，也為我國后來的無人潛水器發(fā)展提供了技術(shù)借鑒?！耙酝臐撍魃厦嫱ǔ０惭b巨大的臍帶電纜管理系統(tǒng)（TMS），科考船通過鎧裝光電復(fù)合纜連接這個系統(tǒng)，這個系統(tǒng)中儲存的零浮力臍帶電纜再連接潛水器。這主要是借鑒了用于海洋工程的無人潛水器的做法，但海洋科考與之不同，在實際應(yīng)用中難以保持潛水器與TMS相對穩(wěn)定?！睆場握f，“發(fā)現(xiàn)”號ROV最大的不同就是不再保留這套TMS系統(tǒng)，而是直接在靠近潛水器端的最后50米鎧裝電纜上加裝浮球，使其在海底保持正浮力，這樣在科考作業(yè)時電纜在水中形成了一個接近百米的“S”形，潛水器可以自由移動，且不易與鎧裝電纜產(chǎn)生糾纏。自“發(fā)現(xiàn)”號ROV如此設(shè)計之后，我國后來研發(fā)的科考型ROV也都沿用了這種方法。
青島的無人潛水器已有近20個
走進(jìn)國家深?；亍白呦蛏詈！闭箯d，可以看到陳列其中的我國各類無人潛水器模型。最令人矚目的自然是“蛟龍”“海龍”和“潛龍”三大深潛裝備系列，它們大小、形態(tài)各異，是載人潛水器（HOV）、無人有纜潛水器（ROV）和無人無纜潛水器（AUV）中的代表。
“深海蘊(yùn)藏著豐富的資源，是地球上遠(yuǎn)未充分認(rèn)識和開發(fā)的寶藏?！?國家深?；毓芾碇行母笨偣こ處煻≈臆娬f，隨著國際海底調(diào)查研究工作的深入，我國自2001年起相繼獲得包括多金屬結(jié)核、多金屬硫化物、富鈷結(jié)殼等資源類型在內(nèi)的5個大洋海底勘探合同區(qū)，成為海底礦產(chǎn)資源種類最全、勘探合同區(qū)最多的國家之一。深海礦產(chǎn)資源勘探、開發(fā)，離不開深海探測裝備支持，利用載人潛水器抵達(dá)海底，可以對海底資源環(huán)境進(jìn)行更加詳細(xì)的實地勘查，因此，“蛟龍”號研發(fā)快速提上日程。
“蛟龍”號如此，“海龍”號、“潛龍”號亦是如此。以“潛龍”號為例，為了滿足我國已申請的國際海底礦區(qū)勘查和新礦區(qū)圈定的迫切需要，中科院沈陽自動化研究所聯(lián)合國內(nèi)多家機(jī)構(gòu)于2012年12月成功研制“潛龍一號”，這是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的首臺實用型6000米AUV，具有微地形地貌測量、海底照相、磁力探測等功能，可在水下6000米處自主巡航，連續(xù)工作24小時。此后，中科院沈陽自動化研究所相繼研發(fā)出“潛龍二號”“潛龍三號”和“潛龍四號”，性能參數(shù)皆有變化。值得一提的是，“潛龍一號”和“潛龍四號”為6000米級，外形為圓柱形，作業(yè)區(qū)域更適用于海底相對平坦的礦區(qū)；而“潛龍二號”和“潛龍三號”為4500米級，外形為立扁魚形，因此更有利于在復(fù)雜海底地形礦區(qū)作業(yè)?！皾擙垺毕盗袧撍鞯难兄?，為我國深海資源精細(xì)勘查提供了有力手段，填補(bǔ)了我國深海資源自主勘查的空白。
“進(jìn)入21世紀(jì)第二個十年，即從‘十二五’開始，我國在研發(fā)載人潛水器的同時，無人潛水器也快速發(fā)展，可謂日新月異。”丁忠軍說，“潛龍三號”由中科院沈陽自動化所移交深海中心，“海龍Ⅲ號”ROV移交工作正穩(wěn)步推進(jìn)。目前，深海中心管理運(yùn)行的“蛟龍”“海龍”和“潛龍”三大深潛裝備已有10余個。此外，還有深海鉆探的“深龍”號、深海開發(fā)的“鯤龍”號、海洋數(shù)據(jù)云計算的“云龍”號以及作為立體深?？瓶贾纹脚_的“龍宮”等，深海潛水器重大裝備體系不斷完善。
除了AUV、ROV之外，我國ARV也不斷發(fā)展，自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所6000米級“問海1號”ARV就是典型代表。據(jù)了解，“問海1號”是我國首臺交付工程應(yīng)用的自主遙控?zé)o人潛水器，具備自主、遙控、混合三種工作模式，可搭載高分辨率測深側(cè)掃、淺剖、重力儀、磁力儀、高清攝像機(jī)及機(jī)械手等進(jìn)行大范圍近海底自主航行探測和坐底定點精細(xì)取樣作業(yè)。在今年的海試測試中，“問海1號”整體性能得到驗證，在無纜模式下最大航程可達(dá)45公里，在光纖微纜模式下最大航程可達(dá)21公里。目前，“問海1號”已列裝“海洋地質(zhì)九號”船，將服務(wù)于海洋環(huán)境調(diào)查、生物多樣性調(diào)查、海底特定目標(biāo)物探查、深海極端環(huán)境原位探測和深海礦產(chǎn)資源調(diào)查等深海科考工作。
此外，水下滑翔機(jī)作為一種靠浮力驅(qū)動的新型無人無纜水下自主航行器，因具有長時間、大范圍海洋環(huán)境觀測能力，也發(fā)展迅速。在青島，最具代表性的是青島海洋科研院所聯(lián)合天津大學(xué)研發(fā)的“海燕”水下滑翔機(jī)。據(jù)介紹，2015年之前，國際上僅有一型工作深度超過4000米的水下滑翔機(jī)產(chǎn)品。而“海燕-X”水下滑翔機(jī)在2020年最大下潛深度達(dá)到10619米，這是國際上滑翔機(jī)首次進(jìn)入萬米深淵，標(biāo)志我國在萬米級水下滑翔機(jī)關(guān)鍵技術(shù)方面取得重大突破。
總體來看，目前我國不同類型的無人潛水器已形成系列化、譜系化，數(shù)量倍增。以“潛龍”“探索”“悟空”系列為代表的AUV，以“海星”“海龍”“海馬”系列為代表的ROV，以“海斗”“思源”系列為代表的ARV，以“海翼”“海燕”系列為代表的水下滑翔機(jī)，代表10多年來我國無人潛水器日益強(qiáng)大的家底。據(jù)統(tǒng)計，青島管理運(yùn)行的無人潛水器已有近20個。
“我國無人潛水器發(fā)展成績顯著，但也面臨著一些挑戰(zhàn)?！倍≈臆姳硎?，我國潛水器一般都是單臺套作業(yè)，雖然潛水器組網(wǎng)觀測也在發(fā)展中，但與國外相比，還存在一定差距，需要進(jìn)一步布局。此外，我國無人潛水器產(chǎn)業(yè)也需進(jìn)一步完善，應(yīng)在材料、能源、傳感器等領(lǐng)域形成體系，推動人工智能、仿生學(xué)等新技術(shù)與潛水器研發(fā)融合。相信在不久的未來，國產(chǎn)化、智能化、業(yè)務(wù)化水平更高的無人潛水器會不斷產(chǎn)出，推進(jìn)我國“深海進(jìn)入”“深海探測”“深海開發(fā)”，加快向海洋強(qiáng)國邁進(jìn)。
來源：青島日報/觀海新聞 記者 李勛祥
