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“海马”根植强国梦大洋深处显身手

来源:www.timetimetime.net 时间:2020-01-02 编辑:成功

作者:李宇资料来源:中国科学新闻发布日期:2016/5/31 8:56:337

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“海马”植根于强国梦的深海

“海马”水下机器人本体组成

“海马”水下机器人系统组成

“海马”水下机器人执行在南海中央盆地放置标记

“海马”等操作

“海马冷泉”生物群落(2016年3月拍摄)

“海马冷泉”生物化学礁样品

“海马”4500米深海无人遥控潜水器(ROV)是国家“863”计划海洋技术领域重点项目“4500米深海操作系统”的科研成果。2008年,受科技部、国土资源部委托,组织实施该项目,上级主管单位中国地质调查局广州海洋地质调查局作为“业主单位”。该项目的核心任务是自主开发我国急需的实用深海勘探设备。它是我国深海谱系深海潜水设备开发的先驱,对实现“十二五”期间形成4500米深海作业能力的“863”计划目标起着决定性作用。

经过六年的努力,研究人员突破了深海无人遥控飞行器的诸多核心技术,成功开发出了系统规模和沉没深度最大、中国迄今为止定位率最高的深海无人遥控飞行器(“海马”),定位率超过90%。2014年4月,“海马”号三次潜入南海中央盆地4502米的海底,成功完成预定潜艇作业,并通过科技部验收。海上试验证明,“海马”的可靠性、稳定性和适应性满足了实际海洋设备的要求,达到了国外同类水下机器人的技术水平。

项目组在接受海试后,迅速完成了“海马”从科研成果到深海实用勘探设备的快速转化,并于2015年3月在地质勘探应用中取得了第一次胜利。海底活动冷泉(后称“海马冷泉”)首次在南海北部大陆坡西部发现,实现了国内深海技术设备应用和地质勘探调查成果的双重收获。“海马”号填补了我国深海勘探和作业方法的空白,大大提高了我国深海技术装备的水平和作业能力,在关键技术上取得了一系列重大突破,达到了国外同类遥控潜水器的水平。这是中国自主研发深海技术设备的里程碑式成就。

在中国地质调查局广州海洋地质调查局的带领下,由上海交通大学、浙江大学、海洋化学研究所、同济大学和哈尔滨工程大学组成的精英团队,是一个将“强国梦”植根于“海马”的创新团队。在“海马”的开发和应用过程中,形成了一个多学科研发与业务应用相结合的创新团队。该团队在整体技术、机械电子、控制、材料、维护和应用等领域取得了长足的进步,积累了丰富的经验,已经处于国内同行业的领先水平。

突破许多核心技术

深海潜水设备的技术水平在一定程度上反映了国家海洋资源勘探开发的科技水平,甚至是维护海洋权益的能力。作为海洋勘探和资源开发利用不可或缺的手段,也是制约“深海和海洋勘探”的瓶颈之一。该技术的发展不仅对国家经济社会发展和国家军事安全具有重要意义,而且对未来深海打捞、救援、海洋旅游和海洋空间利用具有不可估量的价值和战略意义。然而,与世界先进国家相比,中国深海装备和技术水平仍存在较大差距,许多关键技术被少数发达国家垄断,严重制约了中国参与国际海洋竞争的能力及其进入越来越深海洋的发展进程。为此,《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》在重点任务中提出“支持应用深(远)海环境监测、资源勘探技术和设备、深海运输和作业技术和设备成果”。

深海潜水器是目前海洋调查的重要手段。它可以分为两种类型:无人潜水器和载人潜水器。其中,无人遥控潜水器具有世界上最广泛的工业应用。为了提高我国深海潜水技术和设备水平,摆脱深海设备技术受人控制的被动局面,科技部“863”计划将于2008年底优先实施“4500米深海操作系统”重点项目。该项目委托国土资源部组织实施,以中国地质调查局广州海洋地质调查局为业主单位,将汇聚上海交通大学等高校和科研院所近100名专业技术人员,共同组建优秀的协同创新研发团队,共同解决关键问题。主要任务是开发一种实用的4500米无人遥控潜水器(遥控潜水器,简称ROV)。

深海无人遥控飞行器(ROV)是一个无人驾驶的有线系统。它通过脐带缆与水面母船相连。脐带缆传输能量和信息。母船上的操作员通过观察海底的实时图像和设备状态参数来远程控制遥控潜水器及其操纵器。遥控潜水器主要用于两个主要领域,一个是海洋工程、救援、打捞和考古;第二是海洋观测和科学调查的相关业务。

与载人潜水器相比,无人遥控潜水器具有不可替代的优势。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,受海洋条件和海底环境影响小,推进系统和机械手功率大,覆盖海底活动链的各个环节,在海洋地质调查中具有广阔的应用前景,可以大大提高调查能力。第二,操作灵活,成本效益高,可以根据不同的潜艇操作任务进行扩展和配置。部署和收回方便,不需要母船的特殊支撑,占用甲板空间和人力资源少,建设、运行和维护成本低。第三,不存在有人操作的风险。它可以在母船上实时遥控操作,无需水面作业船的支持。第四,可以长时间停留在海底,母船可以通过脐带缆提供电能,可以无限期执行高强度、复杂的海底定点作业任务。

4500米深海操作系统项目的主要设备成果是4500米无人遥控飞行器“海马”。经过六年的不懈努力,研发团队坚持高度集中精力解决关键问题,勇于探索和创新。我们已经完全掌握了深海无人遥控飞行器的设计与开发、系统集成与联合调节、深海无人遥控飞行器的控制与监控、远程高压电力的传输与分配、远程信息传输、在线绝缘检测、深水液压动力源、推进与控制、深水浮力材料的制造、多功能操作机械手的设计与制造、重载升沉补偿和深水飞行器检测与试验等多项核心技术。项目总体目标已经实现,水下机器人成套“海马”的定位率达到90%,为无人遥控飞行器在中国的定位和产业化奠定了坚实的基础。

“海马”遥控潜水器(机身)长4米,宽2.1米,高2.6米,重5吨。整个系统包括水控制室、提升和回收系统、脐带缆、“海马”水下机器人及其机械手和作业工具。“海马”遥控潜水器由水下配电系统、水下控制系统、水下液压系统、水下推进系统、水下摄像系统、水下照明系统、水下探测系统和水下作业系统组成。

“海马”装备有水下摄像机/摄像系统、声纳、作业工具、多功能机械手和具有不同功能的可更换水下作业底盘。“海马”拥有多角度水下摄影、机械手操作、声光电探测、水下原位实验等综合操作手段。可进行海底全覆盖测绘、沉积物和生物采样、物理海洋学调查、现场地球化学分析,并扩展了海底观测网络和设备布置与回收、海底管道维护、深海打捞等作业功能。它可广泛应用于资源、环境、工程、打捞、渔业、考古、国防等诸多领域。在我们国家。

“海马”是我国迄今为止潜水规模和深度最大、定位率最高的4500米深海无人潜水器系统。该系统的定位率超过科技部的指标要求,达到90%,表明我国已经完全掌握了深海无人水下航行器的关键技术,改变了深海无人水下航行器依赖进口、受人为控制的局面。

通过4500米海试收集的4500米可覆盖中国98%的海域,大部分国际海域资源丰富。这种深度水平的实用技术和设备的发展能够满足目前我国深海勘探和作业的迫切需要。

根据“863”海上试验计划的相关规定和要求,“海马”在交付使用前必须经过一系列严格规范的海上试验。为此,“海马”号水下机器人依托中国地质调查局广州海洋地质调查局“海洋6号”调查船,于2014年2月20日至4月22日在南海从浅到深进行了三次海上试验。“海马”号已经完成了17次潜水和3次潜水,潜入南海中央盆地4502米的海底进行操作测试。它成功完成了预定的潜艇作业任务,并成功实现了与水下升降装置的联合作业。通过了114项考核指标的现场考核,其中技术指标91项。

2014年4月18日,“海马”号在南海中央盆地4502米深的海域(坐标:东经114度36分23秒,北纬13度13分01秒)进行了第16次潜水。“海马”号到达海底后,根据水下定位给出的定位指令,先后进行了定向、定高和定深导航试验。海马坐在海底,搜寻并接近通过声纳和水下摄像机放置在海底的升降装置。通过机械手的穿插操作,“海马”先后完成了海底热流探测、海底地震仪布局、海底沉积物采样、永久性标志布局、模拟“黑匣子”抓取、海底电缆卷筒布局等操作。任务完成后,“海马”号进行了固定高度和固定深度的测试,并进行水下摄像操作。所有测试都正常。返回甲板后,潜艇检查显示浮力材料、深度计、高度计、罗盘、声纳、水下定位系统、温度和盐深测量系统以及所有耐压结构状况良好,运行正常,表明“海马”具有优异的深海作业能力,满足了4500米深海作业的各项技术性能设计要求。

4月19日,在完成任务书中规定的海试任务后,“海马”号应科技部现场验收小组的要求,进行了第17次“超额”潜水,即实验性应用潜水。“海马”再次下降到4502米的海底,完成了自拍操作、五功能机械手和七功能机械手操作、热流探头检测、海底高精度导航定位等测试项目。在整个实验过程中,“海马”的整个系统状况良好,运行正常。到目前为止,“4500米深海操作系统”项目验收段的测试任务已经全部完成,并成功通过了科技部“863”计划海洋技术办公室组织的海洋验收。

“海马”海上试验证明,“海马”具有实际海洋设备应有的可靠性、稳定性和适应性。除了常规强力作业水下机器人的功能和作业能力外,它还具有扩展海底观测网络电缆敷设的功能,并能根据不同的任务要求扩展作业功能,达到国外同类水下机器人的技术水平。

“海马”是2014年中国海洋科学技术会议通过的4500米海上试验的重大科研成果。首次在海马发现“2014年中国科技进步新闻”评选活动

“海马”号具有常规无人遥控潜水器的各项功能,能应用于海洋工程、海洋观测、科学考察等多个领域。在验收后的半年内,“海马”号团队完成了将科研成果快速转化为深海实用化探查设备的任务。根据南海水合物地勘探查的实际需要,增设了三视角高清摄像、专用作业工具、海水温度和甲烷含量测量等针对性配置。2015年3月“海马”号首次在南海北部陆坡西部投入地勘应用,探查和搜寻与海底“冷泉”活动和与水合物赋存相关的微地貌特征。

“海马”号首战告捷,在我国南海北部陆坡西部海底首次发现了双壳类生物群、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(该“冷泉”被命名为“海马冷泉”),并获取了高清视频记录和实物样品,同时记录了海底低温异常和超高甲烷含量异常,这些成果都显示出该海域具有良好的天然气水合物赋存前景。

海底“冷泉”是指来自海底沉积地层的气体,以喷涌或渗漏方式注入海洋中的一种地质现象,就像荒漠海底中的一片绿洲。冷泉区生物靠甲烷、硫化氢等还原性化学物质自养,是完全不依赖光合作用的另一套生命体系。海底“冷泉”研究在生命起源及极端环境生物群落、全球气候变化和天然气水合物等研究方面都具有十分重要的意义。

“海马冷泉”是在我国管辖海域内,第一个由国产深海高科技探查装备发现的海底活动性“冷泉”,是我国南海天然气水合物资源探查的一个重大突破性进展,同时也是开展地球生命起源和冷泉生态环境等前沿科学研究的重要窗口。2016年2月27日~3月23日,“海马”号再赴“海马冷泉”,执行以水合物资源详查和冷泉生态环境调查研究为目的的海底作业任务,来自国内多个单位的冷泉研究专家参加了这次调查,对“海马冷泉”的分布范围、地形地貌特征、发育历史、生物属种、碳酸盐岩和流体活动进行了探查,取得丰硕成果。

“海马”号在冷泉区地勘应用中总体运行状态良好,取得了国产化深海技术设备应用和地勘调查成果双丰收,为开展天然气水合物有利区详查、圈定勘探目标区、评价天然气水合物资源潜力提供了宝贵的调查资料,也为后续的天然气水合物钻探奠定了坚实的基础。“海马”号在“冷泉”探查作业中的首战告捷,成为国产先进技术装备促进深海矿产资源探查研究的一个成功范例。

大洋矿产调查实现质的飞跃

2015年6月15日至18日,“海马”号在大洋第36航次应用中,通过高清视频观察、机械手作业和各种搭载传感器测量,圆满完成了在采薇海山区复杂陡坡的地形环境中的6个站位富钴结壳资源探查作业任务,拍摄和记录了近百分钟海底高清视频,利用机械手抓取了数十公斤结壳样品和钙质沉积物样品,获取了全程物理海洋测量数据和海底原位水样,首次对自主研制的小型钻机和切割机进行了实际应用试验,达到了预期的科学目标。

海山结壳区的作业实践考验了“海马”号在复杂而危险的海山陡坡环境中的操控性能和作业的能力。“海马”号及其技术团队经受住了考验,在充满障碍物的海底艰难地选择着陆作业点,规避了各种危险因素,出色地完成了作业任务。

“海马”号在采薇海山的成功作业,是我国自1997年起,在开展了近20年海山区结壳资源调查工作中的一个质的飞跃,填补了我国在该领域技术手段的一项空白。

本次结壳海山区的作业实践不仅考验了“海马”号针对结壳资源调查任务的作业功能,而且考验了“海马”号的航行动力性能及其技术团队,在复杂而危险的海山陡坡环境中的操控和作业的能力。“海马”号及其技术团队经受住了考验,“海马”号以出色的表现圆满完成了任务。这也意味着“海马”号的应用环境已经由安全性较高的平坦泥质海底,拓展到危险性较高的复杂海山环境;由较为简单、无须考虑海底障碍物的定向/定高航行与任选着陆点进行定点的作业运行方式,改变为需要时刻注意规避危险因素并需要在险峻的海山地形中谨慎选择着陆作业点的运行方式。

“海马”号无人遥控潜水器(ROV)从科研成果到实用化深海调查装备的快速转化,是我国高科技科研成果在地勘投入实际应用并取得突破性成果的成功范例,以国产化装备完善了对天然气水合物资源进行探查作业的深海技术装备体系,填补了我国深海探查作业手段的一项空白,是一个质的飞跃。

结语

“海马”号实现了从科研成果到实用化深海调查装备的快速转化,以国产化装备填补了我国深海探查作业手段的一项空白,使我国深海探查技术水平实现了一个质的飞跃,是我国高科技科研成果在地勘投入实际应用并取得突破性成果的成功范例。

“海马”号于2015年3月、6月和2016年3月先后三次执行了南海北部陆坡水合物资源调查、大洋第36航次、水合物资源详查和冷泉生态环境调查工作,共计作业下潜24次,水下作业时间累积超过180小时。“海马”号分别在南海中央海盆、南海北部陆坡和西太平洋采薇海山结壳资源分布区进行了海底作业,布设了科技部、国土资源部等永久性标志物,这是中华人民共和国国产深海探查装备在深海海底留下的足迹,并将永远在大洋深处闪耀着中国智慧,彰显着中国力量。“海马”号将继续在深海潜行,奋战在我国海洋科学事业的征途上。

《中国科学报》 (2016-05-31 第8版 聚焦)

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