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驰骋在大洋深处的骏马

—— 探秘“海马”号深海遥控水下机器人

来源:中国矿业报 作者:廖静 发布时间:2019-07-16

“海马”号深海遥控水下机器人是“863”计划海洋技术领域“4500米级深海作业系统”重点项目的研制成果,也是我国“十二五”深海技术装备重大科研成果,实现了我国在大深度无人遥控潜水器自主研发领域零的突破。自2015年正式投入海洋地质调查应用以来,已连续多年顺利完成多项任务,取得了在南海北部陆坡首次发现“海马冷泉”、成功打捞大型设备等具有里程碑意义的重大成果,填补了多个调查领域的空白。

正如“海马”这个名字一样,它既像一匹踏实勤劳的骏马,驰骋于大洋深处;又像中国海洋调查事业中一匹“黑马”,带领着科研人员屡建“大功”,是科研成果迅速转化的优秀典范。

“海马”号一举成功

自然资源部中国地质调查局广州海洋局技术方法所ROV技术室副主任陈宗恒向记者介绍说,自20世纪50年代美国人把摄像机密封起来送到海底开始,世界上在无人遥控潜水器领域的研发使用已有了半个多世纪的历程,而我国才刚刚起步。为了打破这一海洋探查和资源开发关键技术装备被少数发达国家垄断的局面,国家863计划海洋技术领域于2008年启动了“4500米级深海作业系统”重点项目,主要任务就是研发实用化的作业型4500米无人遥控潜水器。

这一项目由广州海洋局牵头,联合上海交通大学、浙江大学、海洋化工研究院、同济大学和哈尔滨工程大学等单位,历经6年,最终突破了深海无人遥控潜水器核心技术。2014年,“海马”号三次下潜到南海中央海盆最深处4502米的海底,圆满完成了预定的海试作业任务,并通过了114项考核指标的现场考核和海试验收。

陈宗恒回忆起这个过程直叹不容易。当时,国内大深度作业型ROV的研发尚属空白,基本无经验可循,项目组的中青年技术力量缺乏深潜器相关研究基础,只能从零开始。ROV系统要在4500米的深海工作,每个零部件都要适应高压力和腐蚀性的工作环境,任何一个环节的缺陷都可能成为致命弱点。而在材料和工艺方面,国内的技术水平存在先天不足的缺陷,每一根电缆、每一颗螺丝都有可能影响到整个系统的运行,成千上万根电缆和螺丝都要一一挑选和测试,系统设计更不用说,一个拳头大小的耐压密封灯罩都要经过十多轮的设计和改进才能最终满足使用要求,难度可见一斑。

6年间,团队成员翻译和查阅文献超过1000篇,进行了大大小小上千次试验。作为广州海洋局主要参与“海马”号研发的工作者,陈宗恒驻扎上海交通大学项目组累计时间长达3年。最终,这套系统的国产化率超过了90%,突破了4500米作业级无人遥控潜水器控制系统、重型升沉补偿器、4500米级浮力材料、4500米级升降装置和系列化作业工具等核心技术,不仅打破了国外的垄断,还达到了国际同类产品的先进水平。

陈宗恒谈到,“海马”号具有国际上所有无人遥控潜水器的常规功能,能够应用于海洋工程、救助、打捞、考古和海洋观测、科学考察作业等众多领域。通俗来说,如果我国海域发生了类似2010年墨西哥湾海上钻井平台爆炸导致的严重海上漏油事故,“海马”号能够像当时起到关键作用的无人遥控潜水器那样潜入水下执行艰巨复杂的长时间排险作业任务,制止原油泄漏。如果要打捞某个沉到海底的飞行器,“海马”号有能力执行如1999年7月在大西洋海底打捞自由钟7号同样的任务。最值得一提的是,“海马”号能够进行清晰的海底拍摄,并通过电缆光纤实时回传高清图像。“就像在大洋深处长了一双眼睛一样,可以根据看到的内容进行高效率的作业。”

“海马”号在“海马冷泉”进行取样(上图为贻贝,下图为碳酸盐结壳)

强化深海作战力

“从立项到设计,从模型到设备,六年努力,‘海马’号一举成功,达到世界同类深海遥控潜水器的技术水平。这是我们自己研制的,驰骋在我国大洋深处的骏马。”陈宗恒动情地说。

陈宗恒介绍,深潜器是挺进深蓝最重要的技术装备手段,深海遥控潜水器是世界上数量最多、技术最成熟、应用最广泛、类型最复杂、最经济实用、功能最强大的一类潜水器。与载人潜水器相比,深海遥控潜水器具有无可替代的优势:一是适应性强、功能强大,几乎可以应用于所有海洋开发活动,受海况和海底环境影响小,推进系统和机械手功率大,覆盖海底作业链各个环节,在海洋地质调查中应用前景广阔,可大幅提升调查能力;二是作业灵活、经济高效,可根据不同的海底作业任务进行功能扩展配置,收放便捷,不需要专门支持母船,占用甲板空间和作业人力等资源少,建造、运行和维护成本低;三是无载人风险,可在母船实时遥控操作,不需水面工作艇支持;四是能够长时间驻留海底,母船通过脐带缆提供电能,可无限时地执行高强度、复杂的海底定点作业任务。

“海马”号的优势显而易见。但是,目前美、日、俄、法等国家已经拥有从先进的水面支持母船到可下潜3000至11000米的潜水器系列装备。“海马”号是不是已经落后?陈宗恒解释,海底4500米的深度可以覆盖我国98%的海域,以及绝大部分国际海域多种资源富集区。研制这一深度级别的深海作业系统,能够满足目前我国深海探查和作业的需求。

2015年3月,“海马”号随母船“海洋六号”开赴南海,对海底“冷泉”活动和与天然气水合物赋存相关的微地貌特征展开勘查。陈宗恒介绍,“海马”号第一次下潜就取得了重大发现,在南海北部陆坡西部海底首次发现了与天然气水合物相关的双壳类生物群、甲烷生物化学礁、碳酸盐结壳、菌席和气体渗漏等活动性“冷泉”标志,获取了高清视频和实物样品,同时记录了海底温度异常和超高甲烷含量异常。“海马冷泉”是在我国管辖海域内由我国自主研发的深海高科技探查装备第一个发现的海底活动性“冷泉”,这充分证明了“海马”号强大的作业能力,该“冷泉”也因此被命名为“海马冷泉”。

澳门美高梅游戏:4月底,广州海洋局“海洋六号”科考船与中国科学院深海科学与工程研究所“探索一号”科考船分别搭载“海马”号和“深海勇士”号,对南海珠江口盆地西部海域“海马冷泉”区进行联合科学考察。期间,“海马”号开展对海底“冷泉”的综合探查及取样作业;“深海勇士”号查明海底“冷泉”的分布范围、区域性特征、地形特征,并进行取样等作业。这次联合科考取得了“一加一大于二”的超预期多方面科学技术成果,为国产深海技术装备的业务化运作起到了先行示范作用。

这几年来,“海马”号马不停蹄拓展功能,强化深海作战力,“‘海马’号一次下潜可以完成结壳取样、海底钻探、生物取样、海底摄像、测流、声学测厚等多种作业,功能非常强大,海马’号的作业工具已经武装到了牙齿。”陈宗恒说。

“大海捞针”不再是难题

“海马”号不仅应用于南海的调查作业,更远赴太平洋,在太平洋海山区开展富钴结壳资源调查活动。

大洋调查与南海调查作业最大的区别是远离国门,出现故障只能自力更生解决。2015年6月11日,“海马”号第一次大洋试潜,前右垂直螺旋桨就出现了液压油渗漏的故障。作业人员顶着烈日仔细检查每一处可能的故障点,只用了不到两个小时就排除了漏油故障。然而在接下来的潜水中,“海马”号又出现了漏水的警报。检查和维修再次上演。此番征程,“海马”号利用携带的作业工具完成了对海底多金属结核样品和生物样品的抓取,获取了大量的高清晰海底视频资料。这是我国首次成功将自主研制的4500米级无人遥控潜水器应用于富钴结壳合同区调查,填补了我国在海山区资源和环境调查手段方面的一项空白。

在随后的大洋调查中,“海马”号配备了结壳钻机、强力爪、温盐传感器、富钴结壳实时在线测厚系统等调查设备,成功实现了近海底高清视频拍摄、声学在线实时测厚、定点精确岩芯取样等多项海底任务,并成功实现了中国ROV第一钻,开展了国内首创的富钴结壳声学测厚工作,创造了我国深海作业的多项新纪录。

此外,“海马”号“大海捞针”的本领同样令人刮目相看。科考人员将生物诱捕器和海流探测设备搭载至海底,进行精确布放,待海底作业任务完成后,根据布放的定位点,成功搜寻,再操纵ROV机械手通过自制的带缆挂钩轻松勾住布放设备,整个动作一气呵成。借助高精度水下定位系统和图像声呐搜索系统,以往令人望而却步的“大海捞针”不再是难题。

“海马”号经过多年的大洋矿产资源调查,以及不断的技术升级,逐步形成了基于ROV作业平台,集高清光学视像、高频声学厚度探测、强力爪和钻机等多种取样工具为一体,适用于富钴结壳精细探测的技术方法体系,大大提高了富钴结壳探测效率和精度,展现了ROV在大洋科考中强大的工程应用能力。