潛水機

潛水機設計是一項綜合性的複雜工程，它涉及到流體、結構、材料、生命支持、液壓、水聲、光學、計算機控制等多門學科。潛水機研製水平，往往體現了一個國家的綜合技術力量，典型的如6000m深潛機，目前僅美、法、日、俄、中等國家才能研製。二十一世紀是海洋的世紀，作為一個海洋大國，理應在深潛機研製、套用方面占據一席之地。

基本介紹

• 中文名：潛水機
• 定義：具有水下觀察和作業能力的潛水器
• 學科：流體、結構、材料、生命支持
• 研製：美、法、日、俄、中

簡介

潛水機具有水下觀察和作業能力的潛水器。現代潛水機自帶推進動力裝備和水下觀察設備，既能在水面行駛，又能在水下獨立工作。主要用於水下考察、海底勘探和開發、打撈、救生等。1932年，瑞士A.皮卡爾教授研製出第一個潛水機弗恩斯-1號，1934年美國也研製出試驗性的潛水球，這些都是用繩索吊放，無水中活動能力，也無儀器設備。1953年美國製造了第一艘帶有小型電力推進器的的里雅斯特號潛水機，於1960年在太平洋的馬里亞納海溝下潛到11000米深

處，創造了世界潛水最深紀錄。從60年代起，潛水機不斷改進和完善，普遍裝有機械手、儀器設備，擴大觀測視窗。1969年美國建造的核動力潛水機NR-1號，重達400噸，水下自持力可達45天。70年代中期，出現了無臍帶無人潛水機，並研究了無人無纜自航潛水機。潛水機的套用，對海洋基礎學科的研究和海洋開發有重大作用。 1554年義大利人塔爾奇利亞發明製造了木質球形潛水機，對後來潛機的研製產生了巨大影響。第一個有實用價值的潛水機是英國哈雷於1717 年設計的。過去人們利用潛水機大多是探尋沉船寶物，這些潛水機都是沒有動力的，它們須由管子和繩索與水面上的母船保持聯繫。20世紀50年代以後，出現了各種以科學考察為目的的自航深潛機。1948年瑞士的皮卡德製造出“弗恩斯三號”深潛機並下潛到1370米。雖然載人艙嚴重進水，但開創了人類深潛的新紀元。1951年，皮卡德和他兒子造出了著名的“的里雅斯特”號深潛機。深潛機長15.1米，寬3.5米，可載三人。1953年9月在地中海成功下潛到 3150米。1955年“的里雅斯特”號買給美國，同時皮卡德和他兒子為美國建造新型的深潛機。新的“的里雅斯特”號於1958年建成，首次試潛就達到 5600米，第二年達到7315米。1960年，美國利用新研製的

深潛機首次潛入世界大洋最深處——馬里亞納海溝，下潛深度10916米。1953年，第一艘無人遙控潛水機問世，1980年法國“逆戟鯨”號無人深潛機下潛6000米。日本“海溝”號無人潛水探測機（最大潛水深度1.1萬米），1997年3 月24日在太平洋關島附近海區，從4439噸級的“橫須”號母船上放入水中，成功地潛到10911萬米深的馬里亞納海溝底部，這是無人探測器的潛水世界最高記錄。潛水機可以完成多種科學研究及救生、修理、尋找、探查、攝影等工作。如“阿爾文”號曾找到過落入地中海的氫彈和“泰坦尼克”號沉船 深海潛水機體現一個國家的綜合技術力量，是海洋技術開發的最前沿與制高點。目前世界上只有美國、日本、法國、俄羅斯擁有深海載人潛水機，最大工作深度未超過6500米。

國外潛水機的發展

人類從二十年代開始現代潛水機研製，一直到六十年代，主要是向深度挑戰。1934年，美國潛水機潛入914m深度，開始了人類第一次在深海對生物進行觀察。1960年，人類終於下潛到海洋最深處10913m，即太平洋馬里亞納海溝。這段時期研製的潛水機一般僅限於觀察，無運動、作業能力，發展也較為緩慢。

六十年代，以美國“阿爾文”號為代表的第二代潛水機得到發展。這類潛水機帶有動力，還配置了水下TV、機械手等，不僅可以觀察，還可以進行一些簡單作業和海洋資源調查等任務。“阿爾文”號以鉛酸電池作為動力，下潛深度3658m，1966年，“阿爾文”號和另一潛水機配合，在西班牙海域打撈出一顆失落的氫彈，其影響不可估量。

1963年，美國長尾鯊號核潛

艇失事，造成艇上官兵全部遇難的惡性事故。前蘇聯共青團號核潛艇失事，艇上官兵也有幾十人遇難。這促使了美、蘇等國研究深潛遇難潛艇的營救問題。1970年，美國深潛救生艇DSRV下水，最大下潛深度1069m，一次可營救24名人員，並配有7自由度機械手。1979年，美、英聯合進行DSRV救援演習獲得成功，這是人類歷史上第一次在水下由救生艇向另一潛艇進行人員乾轉移。同時，也把載人潛水機技術推向了頂峰。 七十年代中後期，受兩次石油危機的影響，近海石油開採迅猛發展，新一代無人遙控潛水機ROV使潛水機發展到了鼎盛時期。它突出了作業能力及商業套用，目前，已發展到500多艘，其中90%用於石油平台作業。

進入八十年代末，九十年代初，由於大陸石油資源枯竭並不如原先估計的那樣嚴重，海洋石油開採受成本、風險影響，處於修整期。潛水機發展同樣也處於停頓，甚至萎縮狀態。連一些世界上著名大公司如OSEL、AMETEK等都倒閉或被其它公司合併。

我國潛水機發展

我國從七十年代開始較大規模地開展潛水機研製工作，20多年來，廣大科技工作者付出辛勤汗水，緊跟世界先進水平，先後研製成功以援潛救生為主的7103艇(有纜有人)、Ⅰ型救生鐘(有纜有人)、QSZ單人常壓潛水器(有纜有人)、8A4水下機器人ROV(有纜無人)和軍民兩用的HR-01 ROV，RECON IV ROV及CR-01A 6000m水下機器人AUV(無人無纜)等，使我國潛水器研製達到國際先進水平。我國潛水機

研製也有幾個顯著階段特徵： 七十年代，主要研製載人援潛救生潛器。典型代表是Ⅰ型救生鐘和7103艇。Ⅰ型救生鐘是我國第一代潛水鐘，它以濕救為主，兼顧乾救，下潛深度130m，一次可救助艇員6-8人。在良好海況下，失事艇座沉海底傾角不大時，也可以與失事艇救生平台對口乾救。

7103深潛救生艇主要是吸取美、蘇潛艇失事的慘痛教訓而研製的，它下潛深度達300m，一次可救助22名艇員。7103艇和失事艇對接成功後，可以實現艇與艇人員的乾轉移。它的研製成功，使我國援潛救生水平躍居世界先進水平行崐列。

由於救生鐘無自航能力及作業能力，當失事艇處於較複雜的海況中，或救生平台有其他雜物時，便很難進行對接作業。故八十年代中，我國開始研製作業型載人潛水機，典型代表是QSZ單人常壓潛水器。

QSZ內部保持常壓，載員一名，工作深度300m。它帶有中繼站，巡航半徑50m，潛水員操作機械夾持器，可以完成簡單的水下作業任務。當深度超過300m時，由於海水壓力的存在，潛水員作業很容易疲勞。因此，它適合下潛不深、較短時間的作業任務。

三級援潛救生

作業是一項很複雜的作業任務，有剪下鋼纜，開花甲板，擰閥門等。顯然，QSZ是難以勝任的，因此，八十年代末，中國船舶工業總公司組織二所二校聯合攻關，研製8A4水下機器人。其目標是研製一台以軍用援潛救生為主，兼顧海洋油氣開發，具有局部智慧型的無人纜控作業型水下機器人-ROV。它有三個顯著的技術特徵： a：總體性能大於當時國內正在研製的各種纜控潛水機，技術層次上區別於“863”無纜水下機器人。

b：吸取引進的AMETEK 2006 ROV先進技術，按作業要求，改進其不足之處。

c：以援潛救生為主，逐步實現搶險救生作業智慧型化。

8A4水下機器人工作深度600m，設有中繼站，巡航半徑為150m，配有五功能錨定手和六功能作業手，並配有六種作業工具支持。

8A4水下機器人1993年通過海試，並成功地打開了失事潛艇模擬花甲板，在當時是國內潛水機中作業能力最強的一個。但由於經費原因，取消了中繼站，潛水器直接拖帶600m鎧裝纜下潛作業，機動性、抗流能力、作業能力大受影響，遠未發揮出其應有的功能。

同時期，我國ROV另一典型代表是RECON ⅠV水下機器人，它是瀋陽自動化所引進美國PERRY公司關鍵技術研製成功的，在南海石油平台作業中投入商業套用，並擬在海軍各救撈大隊配備使用。上海交通大學和加拿大I上海交通大學和加拿大通過政府合作方式，聯合研製成功Hysub 10及Hysub 40 ROV。其中Hysub 10功率僅10HP，主要用於教學、演示及簡單的水下觀察任務。Hysub 40則一直在上

海打撈局使用，是國內引進的潛水機中，使用、經營較為成功的潛水機之一。 進入九十年代，我國深潛機研製取得了重大突破，其典型代表是“探索者”號1000m無人無纜遙控潛機和CR-01 A 6000m無人無纜遙控潛機AUV。它藉助了俄羅斯有關技術力量，其中後者設計深度6000m。1995年10月，在夏威夷附近海域，成功地下潛到5300m，拍攝到海底錳結核礦分布情況，海底地勢等重要圖片，收集到大量珍貴數據。同時，也使我國成為繼美、法、俄、日等國之後，能研製6000m深潛機的國家之一，為今後大洋錳核礦探測和大規模開採，創造了先決條件。

潛水機的關鍵技術

1.援潛救生作業

援潛救生是我國也是世界各國潛水機研製的首要目標，儘管我國已基本上具備了援潛救生條件，但實際套用中，由於海況的複雜性，離真正完成三級援潛救生尚有一段距離。關鍵問題有兩個：

全方位抗流能力

目前，各種自航式潛

水機多為流線型，前後方向阻力小，側向阻力大，為崐提高航速，前進方向一般布置兩個槳，同時兼顧左右轉向之用。介向一般布置一個槳，這樣潛機側向抗流能力較小，而潛器靠近失事目標時，海流是多向的，加上失事艇周圍產生較大渦流，這就要求潛器有全方位抗流能力，否則，很難靠臨目標，更談不上救生了。 另一方面，以往研究潛機抗流能力時，都是基於機械手處於收藏位置，以此為基點來研究潛機水動力特性、螺旋槳設計、布置等等。實際操作當中，特別是潛機靠臨失事目標時，機械手必須展開，抓取目標、錨定，然後才能作業。而機械手在不用伸展狀態時，海流的影響是不同的，海流作用力通過機械手傳遞到潛器本體，當海流作用力足夠大時，便會影響到潛機水動力性能。如果控制系統不能及時予以修正，潛機抗流能力便會降低。

該問題的求解要根據齊次坐標變換矩陣，建立起系統力傳遞變換矩陣，這是非線性的、多耦合系統，求出解析解相當困難。因此，只能通過數值分析理論，求出實時解，計算機實時控制。目前，該問題尚未很好解決。

潛水機作業能力

潛水機作業能力實際是和抗流能力緊密相連的，當潛器靠臨失事目標、尚未錨定，“懸浮”作業時，海流的影響使潛機很難精確定位，而作業時，機械手不同的伸展狀態、工具作業時反作用力又影響到潛機的抗流、定位能力。以往研究潛機動力定位時，多是研究潛機在海水中的“懸浮”能力，而作業條件下動力定位，則是一個尚未研究解決的關鍵技術。因此，援潛救生中，若是打開失事艇救生平台花甲板、接送氣管等，關鍵是潛機如何靠臨失事艇，如何在救生平台附近錨定。若是從魚雷發射管送食品、淡

水等，關鍵是潛機如何在動力定位下作業。一旦這些關鍵技術有所突破，三級援潛救生技術必然有一個大飛躍了。 2.石油平台支持作業

潛水機發展到今天，最成功、最廣泛的商業套用便是石油平台支持作業。石油平台支持作業目標明確，如井口水平儀觀察、更換0形圈等，作業範圍小，僅井口附近，四周有眾多樁、管可以錨定。故對於石油平台支持作業，潛器抗流能力、動力定位能力要求相對較弱。關鍵在於潛機的可靠性、可維護性、操縱方便性。

由於石油開採是巨額投資項目，一般平台出現故障時，要求潛機能立即下潛排除故障，時間不能超過24小時。一旦24小時內不能排除故障(無論是潛機本身故障不能工作，或是石油平台故障)，潛機提供方都要支付平台公司巨額賠償費用。故要求

潛機時刻處於“待命”狀態，還要有足夠的備品備件。 從我國目前已有潛器來看，一般為研製產品，極少能“複製”，故可靠性都較低，很難上平台作業。而潛機無“作業記錄”，又不能參與平台投標。因此，目前，我國石油平台作業中使用的潛機，基本上為國外引進，如上海打撈局SCOPIN Ⅳ，廣州打撈局AMETEK 2006等，尚未有一台真正全部國內研製的潛機。我們研製的潛機不能上平台使用，無法批量生產、商業套用，即使研製成功的產品，也只能封存於倉庫，時間一長，技術設備落後，只好淘汰。而國家又不能無限度投資，這又使大批中青年科技人員流失，無法將老一輩技術水平繼承和發展下去，這正是我國潛機研製處於的艱難狀態。