万米级潜水器现状及发展重点

正当前,人类正在大力对深海特别是6500米以深的深渊开展科学研究。作为深渊科考的重要工具,面向全海深的作业型万米级有/无人潜水器的研制已成为深海潜水器的重要发展方向。下潜至万米水深并不是天方夜谈,人类早在几十年前就实现了万米载人下潜,只不过当时的潜水器需要携带浮力舱,不具备作业能力和航行动力,属于第一代载人潜水器。现在建造     

封面人物

正崔维成教授,是上海海洋大学深渊科学技术研究中心主任,主要负责研制11 000米全海深载人潜水器和深渊科学技术流动实验室,是上海交通大学第一批"长江学者奖励计划"特聘教授。他曾担任载人潜水器"蛟龙"号第一副总设计师,5 000米海试现场副总指挥、三位试航员之一。2013年5月17日,他作为"蛟龙"号研制和海试团队的代表,受到党和国家最高领导人接见,并获颁"深潜英雄"勋章和     

10 896 m!"悟空号"再创潜深纪录

10 896 m!哈工程科研团队研发的"悟空号"全海深AUV,于当地时间11月6日15时47分,在马里亚纳海沟"挑战者"深渊完成万米挑战最后一潜,再次刷新下潜深度纪录. 10月至11月,作为科技部国家重点研发计划项目牵头单位,哈工程"全海深无人潜水器AUV关键技术研究"项目团队携"悟空号"全海深AUV,继年初创造了7 709 m的亚洲深潜纪录后,再战马里亚纳海沟,完成4次超万米深度下潜——10 009 m、10 888 m、10 872 m和10 896 m,超过国外无人无缆潜水器AUV于2020年5月创造的10 028 m的AUV潜深世界纪录,并顺利完成海试验收.     

盘点我国深海潜水器演变历程

深海是国际海洋科学技术的热点领域,也是人类解决资源短缺、拓展生存发展空间的战略必争之地。无论是探索深海科学奥秘,还是开发海洋战略资源,都离不开海洋高技术的支撑。近几年,在国家海洋局的组织安排下,中国大洋协会、上海海洋大学深渊科技中心等科研机构联合完成了多项深海潜水器的开发与研制。7 000米级载人深潜器"蛟龙号"2002年,中国科技部将深海载人潜水器研制列为国家高技术研究发展     

全海深载人潜水器下潜运动型线优化

以某全海深载人潜水器为研究对象,以其下潜运动为例开展阻力数值模拟和试验验证。通过计算域和网格敏感性分析,采用不同湍流模型进行对比研究,并与模型拖曳试验结果进行比较,获得该潜水器的下潜运动计算模型。在确定了数值计算方法后,采用试验设计、近似模型和全局优化算法等方法对潜水器艉部型线进行优化,结果表明该方法可有效降低潜水器的下潜阻力,从而达到缩短潜浮运动时间的目的,研究成果对于该潜水器及类似潜水器的工程研制具有一定指导意义。     

蛟龙号载人潜水器无动力潜浮运动分析系统开发

在“蛟龙”号载人潜水器5 000米级海试中,D44潜次首次实现了全程无动力上浮下潜运动,为改进载人潜器无动力上浮下潜运动模型提供了宝贵的数据.文章对D44潜次的数据进行了分析,在此基础上引入可变体积收缩率的概念来改进潜器无动力上浮下潜运动模型,开发出了更为可靠的“蛟龙”号载人潜水器的无动力潜浮运动分析系统,为7 000米级海试以及今后的应用提供可靠的手段.     

载人潜水器潜浮运动的模拟

为了预报中国正在研发的深海载人潜水器的潜浮性能,三自由度的动力学模型被用于仿真它在垂直面内的潜浮运动.作用于潜水器上的水动力系攻角的非线性函数,可用拖曳水池试验加以测定.利用这些试验值,GRNN神经网络方法可以辨识出大攻角范围内的水动力函数.本文通过数值计算结果揭示了其实际的应用.     

全海深载人潜水器用浮力材料的初步研究

目前我国有两台全海深载人潜水器和几台全海深无人潜水器和着陆器正在研制。在所有的这些深海装备中,全海深载人潜水器代表着深海技术的制高点。要设计一台全海深载人潜水器,如何来选择浮力材料就是其中的关键问题之一。文章针对全海深载人潜水器浮力材料选择过程中所涉及的各种问题开展初步研究。通过研究,获得的主要结论是,满足规范要求的1.5倍安全系数的浮力材料目前还没有。如果要降低安全系数,根据有限的试验数据的经验外插,可以把安全系数降至1.4,但需要对满足1.4倍安全系数的浮力材料开展深入的吸水率特性研究。同时,针对现有浮力材料密度过大的问题,文中提出了一种在大型浮力块中添加陶瓷球的思路,可以把密度从0.7 g/cm~3下降至0.64 g/cm~3。该文的研究可为全海深载人潜水器浮力材料的选择提供一定的理论基础。     

全海深自变形水下机器人高效运动实现机理研究

与常规水下机器人不同,全海深水下机器人面临万米的垂直剖面水深,当前全海深水下机器人的潜浮过程占据了其入水后的大部分时间,导致全海深水下机器人运动效率不高。本文通过对潜浮运动模式及低阻构形方式的分析,结合变形—变结构水下机器人的设计思想,构建了一种适应于水下水平面与垂直面的高效运动模式,提出一种面向全海深高效运动的自变形水下机器人的实现方法。在对自变形水下机器人潜浮阶段与海底直航阶段运动进行模型分析的基础上,提出基于有效工作时间的运动效率评价方法。最后结合流体仿真软件Fluent对阻力系数的辨识,对自变形水下机器人的运动效率进行评估,验证了该自变形的构形方式相较于传统回转外形构形方式在面向全海深工作环境的高效性。     

马氏体镍钢用于制造全海深载人舱的可行性初探

为进一步探索深渊海沟,需要研制全海深载人潜水器。在给定设计深度下,潜水器的成功研制取决于对载人舱选材的合理性。合理选材使得载人舱的重量较小,同时,材料具备良好的综合性能使其能够承受非常高的外部压力及适应严峻的环境条件。在全海深载人舱设计过程中,马氏体时效钢以其较高的强度、良好的韧性、较好的可加工性能及热处理性能而备受关注。其中,18Ni系马氏体时效钢因具备较好的综合性能而作为全海深载人舱的备选材料,因此在载人舱设计之前需要对备选材料的综合性能进行合理的评估。该文对载人舱材料选择标准进行了探讨,以此为基础,针对18Ni系马氏体镍钢的重要性能指标进行了分析,分析结果将为后续的材料试验研究和载人舱初步设计提供理论指导。     

马氏体镍钢用于制造全海深载人舱的可行性初探（英文）

为进一步探索深渊海沟,需要研制全海深载人潜水器。在给定设计深度下,潜水器的成功研制取决于对载人舱选材的合理性。合理选材使得载人舱的重量较小,同时,材料具备良好的综合性能使其能够承受非常高的外部压力及适应严峻的环境条件。在全海深载人舱设计过程中,马氏体时效钢以其较高的强度、良好的韧性、较好的可加工性能及热处理性能而备受关注。其中,18Ni系马氏体时效钢因具备较好的综合性能而作为全海深载人舱的备选材料,因此在载人舱设计之前需要对备选材料的综合性能进行合理的评估。该文对载人舱材料选择标准进行了探讨,以此为基础,针对18Ni系马氏体镍钢的重要性能指标进行了分析,分析结果将为后续的材料试验研究和载人舱初步设计提供理论指导。     

氧烛在全海深载人潜水器中应用的适用性分析

在全海深载人潜水器中考虑使用氧烛作为应急状态下的供氧手段。从安全性、使用性和舒适性等角度出发,对在全海深载人潜水器密闭舱室内使用氧烛供氧的可行性进行分析,并与民航客机、潜艇等用氧烛的应用场合进行比较,证实氧烛作为潜水器的应急氧源是可行的。根据分析结果,提出了适用于全海深载人潜水器应急供氧的氧烛的技术指标。     

我国又一“探海神器”交付——“深海勇士”有何过人之处

中方将成为世界上第一个研制出超过万米的全海深作业型载人探测潜水器的国家。11月30日,继"蛟龙"号之后,我国第二台深海载人潜水器"深海勇士"号顺利完成结构探伤检测,正式验收交付。     

4500米以深作业型载人潜水器

大深度作业型载人潜水器是国际深海事业发展的重要技术手段和强力支撑。本文重点介绍了6台下潜深度超过4500米的大深度作业型载人潜水器，即美国4500米级Alvin号、法国6000米级Nautile号、俄罗斯6000米级MIR-1和MIR-2号、日本6500米级Shinkai6500号和中国7000米级蛟龙号；在此基础上，简述了世界上正在建造的3台全海深作业型载人潜水器，即日本Shinkai12000号、中国彩虹鱼号和中国万米载人潜水器。最后探讨了载人潜水器的未来。     

全海深载人舱备选材料TB19的低周保载疲劳寿命和破坏模式的试验研究

全海深载人潜水器正在研制中,其载人舱材料的合理选择是保证潜水器在严峻环境中使用安全的重要因素。高强度钛合金TB19是全海深载人舱的备选材料之一,材料在使用过程中将承受高应力水平下的蠕变疲劳载荷的作用。文章对TB19的低周保载疲劳寿命和破坏模式进行了试验研究,并与已应用于在役载人舱的Ti-6Al-4V ELI材料的性能进行了对比。该研究结果可为后续全海深载人舱的选材和载人舱初步设计提供指导。     

氧烛供氧在全海深载人潜水器的试验验证

全海深载人潜水器使用氧烛作为其载人舱内的供氧手段之一。为了验证氧烛的供氧性能,在氧烛的设计和验收过程中设置了多种试验,封闭空间内的载人密闭试验是这些试验中较为重要的一种。论文对氧烛在模拟载人密闭舱中进行的多次性能试验以及在全海深载人潜水器载人舱内进行的性能试验情况进行了介绍,对试验过程中载人舱室内的氧浓度数据进行分析和说明,解决了工程应用中尚无氧烛在载人潜水器中使用数据缺乏的问题。     

海流作用下的载人潜水器作业动力学建模与仿真研究

载人潜水器在深海复杂环境下进行作业时,常受到海流的干扰。当进行采样作业时,机械手的运动也会对潜水器主体的姿态产生干扰。为了提高载人潜水器作业水平,以某型载人潜水器为研究对象,建立了海流作用下机械手运动时的载人潜水器动力学模型,对海流作用在潜水器上的水动力进行了仿真分析,研究了海流作用下机械手作业对潜水器运动特性与姿态的影响。仿真结果表明:海流直接作用在潜水器上的水动力远远大于海流间接通过机械手作用在潜水器上的附加水动力;机械手自身运动对载人潜水器运动特性的影响不大;机械手抓取重物对载人潜水器姿态影响较大。     

“海斗一号”刷新中国潜水器最大下潜深度纪录

正历经40余天,由中国科学院沈阳自动化研究所主持研制的"海斗一号"全海深自主遥控潜水器,于2020年6月8日搭乘"探索一号"科考船载誉归来。"海斗一号"此次在马里亚纳海沟成功完成了首次万米海试与试验性应用任务,最大下潜深度10907米,刷新中国潜水器最大下潜深度纪录,同时填补了中国万米作业型无人潜水器的空白。     

CCS检验的“蛟龙”号获国家科学技术进步奖一等奖

正2018年1月8日,2017年度国家科学技术奖励大会在人民大会堂举行。2017年度国家科学技术奖共评选出271个项目和9名科学家,其中,由中船重工集团七〇二所牵头研制、中国船级社(CCS)检验的"蛟龙"号载人潜水器荣获国家科学技术进步奖一等奖。7000米载人深潜器"蛟龙"号是国家高技术研究发展计划(863计划)海洋技术领域重大专项,科技部于2002年立项,中船重工集团七〇二所负责总体实施,中国船级社根据国际通用的入级检验模式和程序要求,为"蛟龙"号提供了独立、公正     

全海深载人潜水器超高强度钢制载人球壳的极限强度分析与模型试验

载人耐压舱是保证载人潜水器安全性的最核心部件,文章主要针对上海海洋大学正在研制的万米载人潜水器开展载人球壳的极限强度理论分析和模型试验研究。该载人耐压球壳采用超高强度马氏体镍钢。有限元分析包括静应力分析和屈曲分析,获得了耐压球壳的极限强度和失效模式;在此基础上,设计了模型球进行了极限破坏试验。通过有限元分析结果和试验结果对比,获得了球壳极限破坏压力失效模式和加载过程中球壳表面应变的变化历程。试验结果和有限元结果基本一致,验证了设计方法对马氏体镍钢球壳的适用性。该研究为后续全海深耐压球壳的设计提供了可靠的试验和理论基础。