深海载人潜水器发展现状及技术进展

本文对国内外深海载人潜水器装备的发展现状进行了综述,介绍了我国"蛟龙"号载人潜水器研制的基本情况。在此基础上,对国内外深海载人潜水器装备的特点进行了总结,并讨论了深海潜水器装备的最新技术进展。     

在深海载人潜水器上应用的锌银电池

锌银电池以其比能量高、放电电压平稳、高安全等特点,在深海载人潜水器上得到广泛应用。本文从承压性能、析气量、绝缘性能三个方面论述应用于"蛟龙号"载人潜水器锌银电池关键技术的解决。通用"蛟龙号"潜水器的应用表明该电池在7000m水下环境中工作时安全可靠。     

深海潜水器装备体系现状及发展分析

针对海洋科学研究、海洋资源开发、海洋权益维护等重大需求,我国启动了系列化深海潜水器关键技术与装备研究,经过二十余年的跨越式发展,已经构建了装备类型、作用深度、应用领域三个维度的深海潜水器装备谱系化框架雏形。本文从发展历程、在役情况、现状分析三个角度对国内外深海潜水器进行梳理,形成时间轴、里程碑、量化图表总览,为我国深海潜水器领域的技术发展和决策提供支撑。     

基于载人潜水器的深海敷缆运动仿真

提出了基于载人潜水器搭载海底敷缆装置的深海敷缆作业方式,建立了载人潜水器深海敷缆运动的二维稳态模型,仿真分析了余量敷缆时不同航行速度和放缆速度组合、潜水器相对海流速度、敷设余量、航行高度和海缆重量等参数对敷缆运动的影响。分析发现海缆张力随着敷设速度、潜水器相对海流速度、海缆重量的增大而增大,随着敷设余量的增大而减小;海缆水中位形曲线随着敷设速度、潜水器相对海流速度增大而趋于平缓,随着海缆重量的增大而更加陡峭,放缆速度的变化则对海缆位形曲线无影响;潜水器航行高度的变化对缆形和张力分布都没有影响,只是随着高度的增加,缆形和张力在原来的高度基础上有一定的延伸。     

深海载人潜水器多约束先验图像增强方法

针对深海载人潜水器人造光源照射造成深海图像颜色失真、散射模糊以及光照不均匀等图像降质问题,提出一种基于多约束先验的贝叶斯Retinex深海载人潜水器图像增强方法。该方法首先通过一种基于统计的颜色校正方法对图像进行色彩校正处理,然后对光照图先后进行平滑、结构和不均匀光照高亮区域3种先验,并将3种先验条件结合到贝叶斯模型当中,并选取Lab颜色空间中L分量作为初始光照图来进行光照图估计的最优化求解。最后,通过伽马校正的方法对光照图和反射图进行处理,获得增强后的深海图像。实验结果表明,所提出的方法平均运行时间4.39 s,具有较低的复杂度,更加适合深海恶劣环境下的图像增强,处理得到的深海图像具有更好的观测效果。     

深海载人潜水器载人球备选钛合金的断裂韧性试验结果分析

为提高结构的可靠性,深海载人潜水器载人球的设计标准越来越重视材料的综合性能,因此钛合金成为广泛应用于潜水器耐压球壳的理想材料。基于断裂韧性指标的损伤容限设计原则将在未来的结构优化方案中得到体现,其中断裂韧性是重要的材料损伤容限特性之一。为研制4500m载人潜水器,文中对两种备选钛合金的多组非标试样断裂韧性试验结果进行了分析,重点考察了相同韧带尺寸下试件厚度的效应,对非标试样KQ和P_max/P_Q随着厚度的变化趋势进行了解释,为修改现行断裂韧性试验标准提供了建议。     

深海载人潜水器载体框架结构设计与强度分析

载体框架是用于安装固定载人舱、蓄电池、可弃压载、可调压载水舱、高压气罐和浮力块等深海载人潜水器设备的空间桁架结构,也是深海载人潜水器布放、回收和甲板系固的主要承力结构。因此,载体框架的设计应便于设备、仪器、浮力块和轻外壳的安装、拆卸与维护;并有足够的强度和刚度,以保证载人潜水器的布放和回收,以及在母船甲板上系固。在上述条件下,还应使其重量尽可能小。总结和介绍了我国正在建造的深海载人潜水器载体框架的材料选择、计算工况及设计载荷与许用应力的确定、结构型式的确定、构件的连接方式、节点的优化处理,以及结构强度的分析方法,给出了载体框架在单点回收和甲板系固两种工况下的强度分析结果,为今后研制同类型产品提供参考。     

深海载人潜水器耐压球壳极限强度研究

对现有的潜水器耐压壳的研究主要都围绕薄壳结构,而深海载人潜水器耐压球壳,已属于厚壳的范围.国际上还没有均匀外压下厚球壳的解析解,只有美国海军泰勒水池耐压球壳设计公式及俄罗斯相应的公式可以参考.因此本文基于有限元的分析方法,对大深度载人潜水器耐压球壳极限强度进行了研究.通过对有限元参数的比较,提出了一个合理的有限元分析模型,计算结果与实验数据相符,而泰勒水池公式及俄罗斯公式的误差较大.然后计算了一系列半径厚度比下的耐压球壳的极限强度,并研究了初挠度的影响.本文认为对于深海载人潜水器耐压球壳可以直接根据有限元计算确定其极限强度,泰勒水池公式和俄罗斯公式偏于保守;耐压球壳经过精加工,初挠度对于其极限强度的影响不大.为了实用起见,本文还给出了完善耐压球壳极限强度与经典值的比值曲线,以及初挠度效应曲线.     

深海载人潜水器推力器布置与容错性能

深海载人潜水器能够搭载科学家至深海海底开展精细化取样作业,已成为人类开展深海科学研究和资源勘探开发必不可少的工具。推力器是潜水器机动的主要执行机构,其合理的布置不仅关系潜器操纵性能也直接影响其故障时容错性能。本文首先系统梳理了现役国内外6台深海载人潜水器推力器的布置形式及其参与推力分配的运动模态,基于推力器布置方案分别比较分析了推力器故障情况下的容错控制方案并和优缺点。结果发现用矢量和可回转推力器代替固定推力器可以提高系统的容错控制能力,本文研究对于后续载人潜水器推力器布置和容错控制设计可提供参考借鉴。     

深海一号载人潜水器支持母船布放回收系统设计概述及特点分析

该文简要介绍了载人潜水器支持母船深海一号的布放回收系统组成、功能和特点,归纳总结了布放回收系统的设计要点,为我国载人潜水器支持母船的进一步发展以及海洋深潜调查工作做一定的基础性工作.     

一种虚拟现实的深潜器运动仿真系统

本文提出了一种基于虚拟现实的深潜器运动仿真设计思想。文中简述了该仿真系统的硬件组成和软件体系结构、实时仿真算法以及仿真数学模型,同时也介绍了仿真系统的其它模块,如三维航迹显示模块和避碰检测模块等。文中最后给出了该系统的一些仿真结果和结论。     

载人深潜器观察窗的力学性能

载人球是深海载人潜水器最为关键的部件.在设计过程中,要准确了解观察窗在使用工况下的蠕变变形过程和强度变化过程,据此开展窗座设计.否则可能出现观察窗挤出窗座或者在蠕变过程中变形不协调使得密封失效,或者载人球整体抗压能力的降低.文章通过计算分析和试验两种手段,对深海观察窗的强度、蠕变、边界条件的影响进行了研究.观察窗与窗座之间的相对位移,文中认为由两部分构成:一部分是观察窗玻璃随时间的蠕变变形,另一部分为观察窗与窗座在海水压力作用下发生的挤压变形.文中采用有限元方法进行接触分析,了解在不同边界摩擦系数下,观察窗因海水压力产生的挤压变形.从加工出来的观察窗产品中,任意抽取了两套侧观察窗和两套主观察窗进行试验研究.对理论计算与试验结果进行了对比分析,相关结果可供工程设计参考.     

大深度潜水器稳定翼设计方法的研究

论述了大深度潜水器稳定翼外形及布置方式、材料选择及结构型式、外载荷确定方法、动载荷及安全系数的选择、应力计算方法及其强度校核标准等,为我国编制大深度载人潜水器入级和建造规范中稳定翼设计提供依据和研制同类型产品(HOV,ROV,AUV)提供参考.     

大深度载人潜水器钛合金框架试验研究

对大深度载人潜水器来说,框架是潜水器的设备载体,不仅要保证框架在各种使用工况下其强度满足要求,而且还要保证框架具有合理的刚度,保证设备、电缆液压管路的正常使用.对框架进行试验验收是检验框架安全性最为重要的环节.由于框架是空间结构,布置的大大小小上百个设备都作用在框架上,在试验过程中对这些设备进行完全载荷模拟和框架变形的测量相当困难.在此之前,我国还没有进行过类似大深度载人潜水器钛合金框架试验.本文的主要目的是介绍和总结这次框架试验.本文所涉及的内容包括载荷的模拟方法,应力、变形的测量方法、试验中可能出现的安全问题及其解决办法,试验岗位的配置,试验的后处理任务等等.同时,本文将试验结果与理论分析进行了比较,对大深度载人潜水器框架结构的安全评估等内容进行了探讨,可供以后的类似试验作为参考依据.     

载人深潜器供氧技术研究

可靠稳定的供氧系统是载人潜水器研制中所必须解决的问题。比较了各种类型水下运载器如潜艇、载人深潜器等对载人密闭舱室内氧气浓度的不同要求。针对载人深潜器载人舱内的客观条件,从动力、空间大小、浓度要求等方面论证其对供氧的特殊要求。分析了常见的几种密闭环境下的供氧技术,如物理供氧、电解水、氧烛、超氧化物等技术各自的优缺点,在此基础上,开发了一种供氧技术及研制了样机。使用该样机进行封闭空间内的有人供氧试验,以验证该项技术的效果。试验结果证明了这种技术的有效性。在完成样机试验后,又将样机随蛟龙号载人潜水器进行1000m、3000m和5000m级海试。海试的成功验证了样机的有效性。     

大深度载人潜水器浮力块的结构设计

依据大深度载人潜水器浮力块的使用条件及主要技术性能指标,提出了浮力块的质量和质心坐标的计算方法、布置和分块原则、强度校核标准,并通过对浮力块密度测试和水压试验,测得了浮力块的主要物理性能参数。上述研究结果为浮力块的结构设计、编制我国大深度载人潜水器入级和建造规范中浮力块的结构设计、以及研制同类大深度水下载人/无人潜水器(HOV,ROV,AUV)提供了依据。     

载人潜水器在母船上系固时的受力计算及分析

载人潜水器在母船上系固时的安全性是7 000 m载人潜水器母船设计的关键技术之一,准确预报载人潜水器在母船上系固时受到的作用力,对于潜水器系固装置的设计及系固安全性评估至关重要。根据耐波性理论,针对潜水器搭载母船的实际线型和航行海域情况,提出了基于搭载母船耐波性预报的潜水器系固时受力的简便计算方法,该方法可以计算不同海况时的受力情况,能适应潜水器不同存放或维修工况下系固设计的需要,具有较好的工程适用价值。     

大深度载人潜水器上的复合材料轻外壳结构设计研究

论述了大深度载人潜水器复合材料轻外壳的结构设计理念及方法、加强措施、强度分析方法和强度许用标准等关键技术,并就以下七方面进行了总结:①材料的性能;②轻外壳外形、制造安装及总布置要求;③轻外壳的使用环境、危险工况下的受力状态;④可能的结构破坏形式;⑤强度安全储备的确定;⑥局部特殊要求与加强形式;⑦联结形式。可为编制大深度载人潜水器规范和研制同类型产品提供参考。     

载人深潜器HOV在海洋开发中的运用及现状——海洋考察中的HOV特征、用途、能力及作用

据统计,全世界载人深潜器HOV(Human Occupied Vehicles)共有13艘.目前11艘HOV由法国、日本、俄罗斯和美国的各个不同组织使用.HOV是经历了军事或非军事的深海潜水的光辉历程发展而来的.其具有划时代意义的历程,最早可追溯到1934年,在百慕大三角洲海峡,通过缆索放下球型容器,创下了下潜深度为923m的纪录.1960年,无索深潜器Trieste号,在西太平洋的马里亚纳海峡世界最深的海底,创下了深潜10 915m的下潜深度纪录.20世纪70年代,HOV已成为海洋考察的标准"工具",并得到了广泛的运用.目前的HOV与初期的深潜器相比,虽然其可下潜的深度被限制在6 500m,但其优异的机动性和功能则是以往的深潜器所无法比拟的.HOV所发挥出的潜在能力完全可与载人宇宙飞船相媲美.     

大深度载人潜水器浮力块的加工和安装

介绍了满足大深度载人潜水器要求的浮力块的使用条件和技术要求;根据各类浮力块的组成和工艺性能,提出了浮力块的粘接、机加工和表面处理、以及安装工艺。由于潜水器的载体框架是由钛合金焊接而成,而浮力块是由浮力材料毛坯粘接并经过数控机床加工而成,这样在载体框架和浮力块中由于加工方法的不同,造成了加工精度的不相称,从而导致浮力块安装时二者之间不匹配的矛盾。通过对载体框架和浮力块装配尺寸链的分析和计算,采用极值互换法,成功地解决了浮力块在载体框架上的安装难题,满足了潜水器的安装技术要求。所获得的经验和工艺参数将为深海水下机器人浮力块加工和安装提供依据,为编制我国大深度载人潜水器入级和建造规范提供参考。