總效能世界領先，國產化率超過90%的深海潛水器，它叫啥？

本欄目由“世界科學”和 “賽先生”聯合出品

本文圍繞2017年度上海市科技進步獎一等獎專案“4500米ROV本體和關鍵配套裝置”展開，該獎項由上海交通大學馬廈飛領銜的團隊獲得。

廣袤無垠的海洋，佔地球總表面積的70%以上，海洋生物量佔地球上已知生物總量的30%。在近海地區，平均每一立方厘米海水中就有1億個微生物；大陸坡下面的“天然氣水合物”含碳量相當於人類所知全部礦物燃料的兩倍，可能成為未來的能源；海洋中蘊藏有3萬億噸富含錳、銅、鈷、鎳等的多金屬結核礦，還有許多新的礦藏不斷被發現，海洋礦物總量超過陸地1000多倍；深海微生物群佔地球上總生物量的1/10，是尚待開發的巨大基因寶庫……

海洋對人類生存意義巨大，但漫長的歲月裡，海平面1000米以下的大洋深層區漆黑的視野、刺骨的嚴寒、巨大的壓力、奇形怪狀的海床地形和讓地心引力變得無足輕重的生存條件，都曾使渴望瞭解、開發海洋資源的人類對深海望而卻步。

深海潛水器技術與裝備是海洋探查和資源開發利用不可或缺的手段，也是制約我國開拓深海大洋的瓶頸。

實現我國大深度無人遙控潛水器自主研發“零的突破”

2014年2月20日至4月22日，由我國自主研製的首臺4500米級深海遙控無人潛水器作業系統——“海馬”號遙控潛水器（ROV）搭乘廣州海洋地質調查局“海洋六號”綜合科學考察船，分3個航段在南海進行海試成功。這標誌著我國全面掌握了大深度無人遙控潛水器的各項關鍵技術，並在關鍵技術國產化方面取得實質性進展。

“海馬”號ROV與我國的“海龍”號、“蛟龍”號、“奮鬥者”號等其他深海作業裝備共同構成3500米、4500米、7000米和10000米4個級別的水下運載和作業裝備系列，使我國初步具備了深水運載和作業能力。

“海馬”號參加70週年國慶閱兵巡展

南海4500米的深海里，“海馬”號悄悄“舉起”相機，給自己拍了張“自拍照”。這只是它的設計功能之一。

“海馬”號的裝備除了水下高畫質攝像機、照相機，還包括聲吶、定位系統、兩套多功能機械手等多種作業工具和可更換的不同功能水下作業底盤，具有自動定向、定深、定高航行和航跡定位功能，可透過機械手和多種作業工具開展深海鑽探、水下岩石切割、生物取樣、水下裝置救撈、海底觀測網布纜等高強度水下連續作業，總體效能指標處於世界同類產品領先水平，相關技術和裝備國產化率超過90%，是迄今為止我國自主研製的下潛深度最大、國產化率最高的大型無人遙控潛水器作業系統。

為了實現我國在大深度無人遙控潛水器自主研發領域“零的突破”，科研人員進行了整整6年的攻關，突破了本體結構、浮力材料、液壓動力和推進、作業機械手和工具、觀通導航、控制軟硬體、升沉補償裝置等關鍵技術，先後完成了總裝聯調、水池試驗等工作，並針對試驗中暴露出的問題和故障進行了技術改進。

這一由上海交通大學和上海交大海洋水下工程科學研究院有限公司為主承擔的專案成果——“4500米ROV本體和關鍵配套裝置”獲得2017年度上海市科技進步獎一等獎。

適合高強度水下作業

與近海作業通常由潛水員以常壓潛水或飽和潛水的方式直接下潛至水中不同，深海的巨大水壓（水面以下每深入約10米即增加1個大氣壓）使純人工的勘探和作業不再可能。

目前世界上已有的深海運載和作業系統一般包括載人潛水器和無人潛水器兩大類，後者又包括遙控潛水器、水下自治機器人（AUV）和自主遙控混合式水下機器人（ARV）。

其中，如我國的“蛟龍”號、美國的“阿爾文”號、法國的“鸚鵡螺”號、俄羅斯的“和平”號、日本的“深海6500”這樣的載人潛水器依靠電池供電，下潛時為了節約能源，一般靠重塊將潛水器往下壓，到了水下拋載；在達到零浮力時，由潛航員在潛水器裡操縱機械手開始作業；要上浮時，再拋掉一些載荷重量。由於人有生理和能源限制，水下作業時間有限。

透過多年的攻關，我國自主研發的4500“海馬”號ROV在進行水池試驗

“海馬”號所屬的ROV是一種不載人的遙控有纜水下機器人，也是國際潛水器系列中發展最早、應用最廣泛的水下作業裝置之一。

其結構呈開放式，沒有一個集中的“艙體”概念，ROV本體上所有器件都暴露在水下，透過一條如同嬰兒連線母體的臍帶一樣的臍帶纜與水面上的母船ROV水面控制系統連線。

母船上的操作人員可以透過安裝在ROV上的攝像機及其回傳系統，實時觀察海底狀況，並遙控操縱ROV及其機械手、配套的作業工具，實現水下作業。

ROV通常根據觀察或作業的需要，配備有水下攝像機、水下照明燈、雲臺、聲吶、深度計、高度計、羅經、機械手、控制系統等裝置，其中，控制系統相當於ROV的大腦。操作人員在水面上進行操作，由一根連線到水面上、包裹光纖的長臍帶纜擔負傳輸能源和資訊的使命，實現長期供電、通訊和訊號採集。

由於是無人有纜系統，ROV具有作業能力強、維持作業的能源不受時間限制、無人員風險、能長時間相對靈活地在海底執行復雜而艱鉅的作業任務等“皮實”的優點，因而可替代水下人員進行海底極端環境下的觀察、取樣、搜尋定位等作業，也可用機械手和專用工具等執行較高強度的海洋調查和水下工程作業。特別是它功率較大、可以透過浮力塊載入別的裝備的特點，使它相對於載人潛水器，可攜帶的工具更多，功能更復雜，作業能力較其他的水下作業器械更強，能夠在水下照明、定位、感測。但由於臍帶纜的限制，ROV的運動範圍比較小，主要應用於深海科考、海洋工程和水下搶險救撈。

“海馬”號水面操作控制系統

由於全球海洋的平均深度在三四千米左右，世界範圍內絕大多數作業級ROV設計的最大下潛深度都不超過4500米。又因作業級ROV主要用於水下打撈、水下施工等苛刻應用環境，尺寸較大，帶有水下機械手、液壓切割器等作業工具，需要更大的動力、更精準的遠端控制能力和更可靠的水下定位與操作能力，系統實現難度非常高，即使是美國、英國、俄羅斯、日本等深海裝備強國，ROV在水深超過6000米的深海進行作業的成功案例也十分少見。國際上類似“海馬”號ROV或下潛深度更大的水下機器人，目前也為數不多。

傳統ROV採用金屬鎧裝臍帶纜，因受其強度/重量比限制，最大使用深度通常在6000米以內，更大下潛深度ROV使用的臍帶纜必須採用非金屬鎧裝技術，目前僅日本開展這方面技術難題研究，用於萬米級ROV——“海溝”號，2003年在馬裡亞納海溝作業時，神秘失蹤於太平洋水域。

為突破同樣制約我國全海深ROV系統研發的材料瓶頸，由中天科技海纜有限公司牽頭，聯合上海交通大學海洋水下工程科學研究院有限公司、中科院瀋陽自動化研究所、上海曉寶增強塑膠有限公司等科研院所和高新技術企業共同研究攻關的“十三五”期間國家重點研發計劃——“全海深ROV非金屬鎧裝臍帶纜關鍵技術和試驗”專案，已取得了技術突破。

AUV既不載人也無臍帶纜，由程式設計師事先根據作業需要為它編好程式，之後自主在水下運動。由於擺脫了繫纜的牽絆，AUV具有活動範圍大、機動性好、安全、智慧化等優點。隨著材料、電子、計算機、人工智慧技術、小型導航裝置等的突飛猛進和海洋研究、開發及軍事領域的迫切需求，AUV得到了大力發展，在民用領域，可用於、海底考察、資料收集等；在軍用領域，則可用於偵察、佈雷、掃雷、援潛和救生等，但在複雜環境下作業能力較弱。

與傳統的兩大類水下機器人ROV和AUV相比，透過自帶能源和長距離光纖微纜，ARV兼具AUV和ROV的功能——既可以像AUV那樣大範圍自主探測，又可以像ROV那樣遙控小範圍的精細測量。

由中科院瀋陽自動化研究所主持研製，2016年6月22日至8月12日在馬裡亞納海溝挑戰者深淵成功完成5次下潛、創造了我國水下機器人最大下潛深度及作業深度記錄（10767米）的全海深自主遙控無人潛水器“海鬥”號就屬於此類。它使我國成為繼日、美兩國之後第三個擁有研製萬米級無人潛水器能力的國家。

不同的潛水器各有其長短項，用途也各有側重。比如2014年馬航失聯後，人們推測它很有可能墜入了4500米深的南印度洋海底。在那種情況下，“海馬”號ROV就可以去執行打撈黑匣子任務。

“海馬”號ROV開展深海海底作業

部件種類國產化率高達93%

我國早期由於原材料和基礎技術薄弱等原因，不具備ROV這種大型水下裝備研發條件。國外的ROV大多是在各國自行開發控制系統的基礎上，透過技術整合而獲得的。別的國家即使肯賣ROV裝置給中國，控制系統也不對中國開放。

20世紀80年代，我國水下機器人技術落後，深海技術與裝備科研幾乎是“白手起家”。上海交通大學海洋水下工程科學研究院水下技術與裝備研究中心主任、“4500米ROV本體和關鍵配套裝置”專案技術負責人馬廈飛自那時起，在30多年間親歷並見證了中國技術和工業製造力的飛速發展，以及中國ROV技術的一步步積累。

馬廈飛至今還記得在那個技術落後、面臨壁壘、資訊也遠不如今天發達的年代，自己經手研製的第一個ROV下潛深度僅為100米，和今天的產品比起來，就像一個玩具。但是從100米到500米、1500米，直至4500米，馬廈飛和他的同事堅持自主創新，做了大量的材料、密封、控制等技術實驗驗證，突破無人遙控潛水器的一系列核心技術，研製出4500米級的“海馬”號、“海象-1500”號、“海馬-500”“海馬-200”“AUTO-1000”等系列ROV產品，實現了從觀測型到過載作業型水下機器人高技術裝備的國產化。

“海馬”號ROV設計的4500米下潛深度，接近我國南海中央海盆的深度，且覆蓋我國南海98%的海域、國際大洋海底100%富鈷結殼資源富集區和95%～98%熱液硫化物富集區水深，可以滿足絕大部分深海探查和作業的需求。

“海馬”號攜帶海底鑽機完成鑽探作業後出水的場景

作為我國首臺大型ROV，“海馬”號取得的突破性成果是多方面的。

其一，它首次突破了大深度大規模強作業能力ROV總體設計與建造技術，自主研發，攻克了大深度大功率作業型ROV驅動技術、功率分配技術、向量推進和控制技術、高畫質攝像與照明技術、機械手與工具作業技術等；採用模組化整合設計，創新了集深海鑽探、觀測網布纜、岩石切割、樣品採集等多功能於一體的智慧深海作業系統。除了少數密封件、高精度感測器引進自國外，“海馬”號部件種類的國產化率高達93%。

深海潛水器容易發生漏油、絕緣不好或電器通訊不好等突發問題，需要在船上及時進行現場處理。

過去進口潛水器壞了往往需要花費漫長的時間等待國外的廠商寄來。

“海馬”號從控制軟體原始碼到執行硬體，全面自主攻關，研製了遙控自動控制、伺服機械手和作業工具控制、遠端動力和訊號傳輸及絕緣、漏水和溫度檢測、姿態感測和系統狀態診斷等ROV綜合控制系統，取得了大型ROV控制軟體著作權和諸多硬體專利，攻克了大型ROV 綜合控制系統核心技術，打破了國外ROV控制系統軟體不開放、大深度水下硬體對我國禁運的封鎖和國際壟斷。因為部件自主開發，所以出現問題不必等國外寄備件，基本可以由研發團隊自己解決。

“海馬”號的團隊具有軟體、材料、流體力學、機械、液壓、控制等各個領域的優秀技術人才。

其二，由於水面以下每深入約10米即增加1個大氣壓，下潛至4500米水深處的“海馬”號ROV相當於要在450個大氣壓力下工作，對系統的材料、結構、運動執行機構和諸多裝置的密封等都提出了巨大挑戰。

研發團隊設計了新型的深海壓力平衡系統，開發了智慧壓力補償器，創新了線纜集束充油穿艙密封技術和充油動密封等技術，大大提高了系統高壓密封的可靠性和穩定性。

所謂“智慧壓力補償器”，是針對很多設施充油時，在不同的溫度、壓力情況下，油的體積會收縮或膨脹，自動用來補油或將一部分油收集起來以維持壓力的裝置。

線纜集束充油管可使管道內外壓力實現平衡，也方便靈活佈線——把不同功能的線集中布放到那裡面。

由於ROV是完全開放式的，所以靜密封、動密封、包括磨損、密封補償和環保等問題，都需要充分考慮。如因玻璃折射率的變化等原因，水下環境對攝像機鏡頭會造成與岸上空氣裡不一樣的光學影響，如何使鏡頭做到既透明又密封且不易碎，是一個重要的攻克目標。

在綠色環保方面，“海馬”號也堪稱深海裝備領域的一個表率——除了液壓系統用的是液壓油，許多充油系統用的都是食用級的礦物油，防止可能因洩露引起的海洋汙染。

其三，“海馬”號最突出的效能是它的定點作業能力，這是其他的水下作業器械所達不到的。它的兩側各可搭載200公斤的鑽機，由此可實現在水下打鑽、取樣。

82歲的汪品先院士曾自述跟隨“蛟龍”號到達1000多米深的海底時，恨不得從深潛艙裡伸出手去，拿個榔頭敲一下海底的岩石，現場做個地質考察，看看它到底是什麼成分。但由於載人深潛器的科學家在耐壓艙內，加上覆雜環境下的人員安全性問題，這不得不成為一個遺憾。而現場倘若有“海馬”號ROV，就可以採用各種工具獲取所需的樣品。

其四，為了解決工作母船在波浪作用下產生的升沉運動對ROV臍帶造成損壞甚至斷裂的技術難題，科研人員採用氣-液彈性技術，開發了大直徑非金屬導輪、蓄能補償、張力感測監測與控制等關鍵技術，在國內首次成功研製了移動式ROV重型被動式升沉補償系統，填補了國內空白。

其五，“海馬”號科研團隊開發研製了系列化特種深海作業裝備，包括觀測網布纜裝置、取樣裝置、剪下器、清刷器、吸附器等ROV多種配套作業工具，以及深海水下攝像機、照明燈、感測器等系列化裝置，形成了具有自主智慧財產權的新產品，併為我國萬米載人潛水器“奮鬥者”號、7000米“蛟龍”號和4500米“深海勇士”號載人潛水器提供了配套技術。這對我國深海大型ROV技術的工程化和產業化起到示範和輻射作用，也將有力推動我國深海科學研究的程序，並取得了良好的社會效益和經濟效益。

深海調查成果豐碩

“海馬”號ROV完成研製後，由科技部組織進行了嚴格的海上試驗，最大作業水深4502米，各項效能指標達到或優於任務要求。透過多年的工程應用，取得了豐碩的深海調查成果。

2015年，廣州海洋地質調查局利用“海馬”號ROV，在南海北部海域發現了與天然氣水合物有關的冷泉系統，並將其命名為“海馬冷泉”。

2017年，“海馬”號ROV在西太平洋富鈷結殼礦區的6次下潛作業中大顯身手，取得了包括海底微地形、結殼型別、水文動力學和生物多樣性等多領域探查的豐碩成果，累計獲取結殼樣品336千克，並創造了中國第一個ROV搭載鑽機作業、第一個富鈷結殼厚度線上聲學原位探測等多項新紀錄。國家重點研發計劃在2017年已將“海馬”號作為國家級深海應用平臺，開展國家科研裝置的海上試驗和科學應用。

2017年9月，“海馬”號ROV在太平洋維嘉平頂山採獲富鈷結殼樣品，抓到了重達62公斤的“鈷元寶”

水彈性力學與船舶力學專家、中國工程院吳有生院士曾經呼籲，我國海洋裝備製造產業要從“注重造軀體”向“注重造內臟與神經”轉變，以發展綠色與智慧技術和動力、配套與資訊裝備技術為著力點。這也正是馬廈飛和他的團隊努力的方向。

未來，隨著應用領域的不斷擴大，水下機器人將向相容性更強、智慧化程度更高的方向發展，多媒體技術、臨場感技術和虛擬現實技術在水下機器人中的應用，可能打破各種型別水下機器人之間的界限，產生全新概念的水下機器人，而大型水下裝備的公管共用機制和平臺對我國海洋事業發展的作用，也更加迫在眉睫。

“世界科學”聯合“賽先生”微信公號，在上海市科學技術委員會資助下，開闢“走近科學”欄目，對獲得國家及上海市科技獎勵的成果進行科普化報道。