“蛟龍”號(hào)載人潛水器關(guān)鍵技術(shù)研究與自主創(chuàng)新

崔 維 成

（702研究所，無錫 214082）

0 引 言

為了實(shí)現(xiàn)我國搶占國際海底資源的目標(biāo)、贏得“藍(lán)色圈地運(yùn)動(dòng)”的勝利，保衛(wèi)我國海洋國土、維護(hù)祖國統(tǒng)一，推動(dòng)我國前沿科學(xué)與高新技術(shù)的發(fā)展，國家科技部在“十五”期間立項(xiàng)支持了《“蛟龍”號(hào)載人潛水器》項(xiàng)目，中國大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會(huì)（COMRA）被指定為項(xiàng)目的管理協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)和該潛水器的最終用戶，中國船舶科學(xué)研究中心（CSSRC）、中科院沈陽自動(dòng)化研究所、中科院聲學(xué)研究所、中國船舶開發(fā)和設(shè)計(jì)中心被選定為該項(xiàng)目的主要參研單位，國內(nèi)100個(gè)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)也參加了該項(xiàng)目的部分研究和研制工作。為了提高研究起點(diǎn)，建造出高質(zhì)量和高性能的產(chǎn)品，還與俄羅斯、美國、英國和法國等有關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了合作。因此，該項(xiàng)目是國內(nèi)外大協(xié)作的一個(gè)成果，突現(xiàn)出當(dāng)今世界深海技術(shù)領(lǐng)域的先進(jìn)水平。

2010年7月，“蛟龍”號(hào)載人潛水器下潛到了3759m的海底，完成了海底取樣、海底微地形地貌探測等任務(wù)[1]。2011年7月，“蛟龍”號(hào)載人潛水器又在東北太平洋中國多金屬結(jié)核合同區(qū)西區(qū)成功進(jìn)行了5000米級(jí)海上試驗(yàn)與應(yīng)用，取得了一系列技術(shù)和應(yīng)用成果[2]，使中國成為世界上第五個(gè)掌握5000m以上載人深潛技術(shù)的國家，實(shí)現(xiàn)了中華民族“可下五洋捉鱉”的長久夢想。

作者從2002年起參加了“蛟龍”號(hào)載人潛水器的研制，親身經(jīng)歷了攻克載人深潛技術(shù)難關(guān)的過程[3-6]。本文重點(diǎn)闡述在研制過程中的關(guān)鍵技術(shù)以及自主創(chuàng)新情況。期望對(duì)同行的專業(yè)技術(shù)人員有一定的參考作用。

1 “蛟龍”號(hào)載人潛水器研制概況

“蛟龍”號(hào)載人潛水器的研制目標(biāo)是：根據(jù)中國大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會(huì)勘查錳結(jié)核、富鈷結(jié)殼、熱液硫化物和深海生物等資源的計(jì)劃目標(biāo)及要求，完成一臺(tái)采用多種高新技術(shù)、新材料和新工藝集成的、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 7000m載人潛水器，其總體技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，滿足我國海洋開發(fā)及大洋礦產(chǎn)資源調(diào)查的需要，使我國深海運(yùn)載技術(shù)進(jìn)入世界先進(jìn)行列。其使命是能在水深不超過 7000m以內(nèi)的海域完成以下任務(wù)：

1)運(yùn)載科學(xué)家和工程技術(shù)專家進(jìn)入深海，在海山、洋脊、盆地和熱液噴口等復(fù)雜海底地形進(jìn)行機(jī)動(dòng)、懸停、正確就位和定點(diǎn)坐坡，有效執(zhí)行海洋地質(zhì)、海洋地球物理、海洋地球化學(xué)、海洋地球環(huán)境和海洋生物等科學(xué)考察的配套任務(wù)；

2)實(shí)施對(duì)鈷結(jié)殼的勘查，測量鈷結(jié)殼礦床的覆蓋率和厚度，并能利用潛鉆進(jìn)行鉆取芯樣作業(yè)；

3)進(jìn)行熱液噴口的溫度測量，采集熱液噴口周圍的水樣，并能保真儲(chǔ)存樣本；

4)有效完成上述環(huán)境內(nèi)對(duì)沉積物、浮游生物、吸附在巖石上的生物和微生物的定點(diǎn)采樣；

5)執(zhí)行水下設(shè)備定點(diǎn)布放（包括換能器、聲信標(biāo)及采樣器等）、海底電纜和管道的檢測，完成其他深海探詢及打撈等各種高難度作業(yè)。

“蛟龍”號(hào)載人潛水器必須滿足在4級(jí)海況下進(jìn)行水下作業(yè)，在5級(jí)海況下進(jìn)行回收。 其主要技術(shù)指標(biāo)如下：

最大工作深度：7000m

主尺度：8.3m×3.0m×3.4m

載人艙內(nèi)徑：2.1m

空氣中重量：22t

乘員：1名駕駛員，2名科學(xué)家

生命支持時(shí)間：12h（正常），72h（應(yīng)急）

有效載荷：220kg

水下時(shí)間：12h

動(dòng)力：銀鋅蓄電池，110kW·h

速度：巡航1kn，最大2.5kn

控制：自動(dòng)定高、定向、定深，懸停，手動(dòng)

導(dǎo)航：超短基線聲納，長基線聲納，激光陀螺

作業(yè)：7功能主從式和開關(guān)式機(jī)械手各1只

觀通：6臺(tái)攝像機(jī)，1臺(tái)照相機(jī)，17盞水下燈

通信：高速水聲通信，VHF通信

中國船舶科學(xué)研究中心作為“蛟龍”號(hào)載人潛水器本體研制的技術(shù)責(zé)任單位，在接到任務(wù)后首先提出設(shè)計(jì)的總體思路，細(xì)化出需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)，然后組織國內(nèi)100家優(yōu)勢科研院所聯(lián)合攻關(guān)，先后完成了方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、加工制造、總裝聯(lián)調(diào)、水池功能性試驗(yàn)等研制階段，于 2008年初具備了出海試驗(yàn)的技術(shù)條件[3～5]。從2009年開始正式進(jìn)行海上試驗(yàn)，目前已經(jīng)完成了5000米級(jí)深度[2,6]，還剩最后的設(shè)計(jì)深度7000m的海上試驗(yàn)，計(jì)劃在2012年的6～7月份進(jìn)行。

在國際上，除美國的“阿爾文”是上世紀(jì)60年代開發(fā)的外，其他3個(gè)國家（法國、俄羅斯、日本）的大深度載人潛水器均是80年代后期的產(chǎn)品。反映當(dāng)代最先進(jìn)技術(shù)的當(dāng)數(shù)美國目前正在研制的6500米級(jí)別的“新阿爾文”號(hào)。美國在論證時(shí)對(duì)應(yīng)用科學(xué)家作了一個(gè)調(diào)研，提出了如下衡量載人潛水器技術(shù)先進(jìn)性的指標(biāo)[7]：更大的下潛深度；更大的載人球，更好的艙內(nèi)人-機(jī)-環(huán)設(shè)計(jì)；電池功率更大；在工作深度更長的工作時(shí)間；更好的觀察視野，駕駛員和科學(xué)家的觀察視野有重疊；更好的內(nèi)部電子電路；更大的科學(xué)有效負(fù)載；更好的照明和成像系統(tǒng)；更強(qiáng)的推進(jìn)馬力（更好的操縱性）；更好的數(shù)據(jù)采集和儀器接口；更好的懸停作業(yè)能力。

如果把“蛟龍”號(hào)載人潛水器與美國的“新阿爾文”號(hào)相比，在下潛深度方面，我們比他們還深500m，兩個(gè)載人球的內(nèi)徑是一樣的，配備的電池功率略大于“新阿爾文”。在水下工作時(shí)間均已達(dá)到載人潛水器的極限，能夠攜帶的科學(xué)有效負(fù)載也相當(dāng)，操縱性能和懸停作業(yè)能力相近?！膀札垺碧?hào)改進(jìn)后的照明和成像系統(tǒng)接近“新阿爾文”。在基于大量應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，“新阿爾文”在載人艙觀察窗設(shè)計(jì)、艙內(nèi)人-機(jī)-環(huán)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集和儀器接口設(shè)計(jì)方面更加優(yōu)秀?！膀札垺碧?hào)的自動(dòng)駕駛水平、水聲通信功能要略勝一籌，特別是“蛟龍”號(hào)水聲通信傳輸圖像的能力和微地形地貌的探測能力是“新阿爾文”所不具備的。

盡管“新阿爾文”目標(biāo)艇設(shè)計(jì)采用的技術(shù)在有些方面比目前的“蛟龍”號(hào)要高，但由于受到經(jīng)費(fèi)的制約，要分兩個(gè)階段才能全部實(shí)現(xiàn)。第一階段只更新載人球及艙內(nèi)設(shè)計(jì)，更新指揮控制系統(tǒng)，更新錄像系統(tǒng)，增加有效負(fù)載，其他設(shè)備均用老“阿爾文”的，因此，最大下潛深度仍只有4500m。該階段預(yù)計(jì)到2012年6月底完成。第二階段采用鋰離子電池，將新的推進(jìn)系統(tǒng)，改進(jìn)的壓載系統(tǒng)以及其他設(shè)備均升級(jí)到6500m，該階段何時(shí)實(shí)現(xiàn)還是一個(gè)未知數(shù)。因此，從總體上來說，目前的“蛟龍”號(hào)的技術(shù)水平高于第一階段的4500m級(jí)的“新阿爾文”的水平。

2 “蛟龍”號(hào)載人潛水器的關(guān)鍵技術(shù)

“蛟龍”號(hào)載人潛水器立項(xiàng)之前，我國曾經(jīng)研制過的最深載人潛水器只有數(shù)百米，從數(shù)百米一步跨到7000m，是一個(gè)非常大的技術(shù)跨越。因此，“蛟龍”號(hào)載人潛水器研制過程中需要解決的技術(shù)難點(diǎn)相當(dāng)多，有些在陸上相當(dāng)成熟的技術(shù)，如電機(jī)、泵、閥之類，到了水下要求體積小、重量輕、耐海水高壓和腐蝕，技術(shù)難度變得很高。

就技術(shù)面而論，最為核心的是總體設(shè)計(jì)和集成，潛水器配備的部件，這些部件采用什么形式和布置才能成為一個(gè)功能協(xié)調(diào)的潛水器，潛水器在航行和作業(yè)時(shí)的性能又是如何。還有，這些設(shè)備的加工制造，如載人球、浮力材料、動(dòng)力源、電機(jī)、泵、閥等。總之，與總體設(shè)計(jì)相關(guān)的一些關(guān)鍵技術(shù)包括：

1)大深度載人潛水器的總體優(yōu)化設(shè)計(jì)和集成技術(shù)；

2)大型復(fù)雜系統(tǒng)的安全可靠性技術(shù)；

3)高能量密度的深海動(dòng)力技術(shù)；

4)以人為中心的信息與自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)；

5)高速水聲通信技術(shù)和高分辨率測深側(cè)掃聲納技術(shù)；

6)大深度載人潛水器的生命支持技術(shù)；

為了方便設(shè)計(jì)，將潛水器分解成了12個(gè)分系統(tǒng)，另外，為了驗(yàn)證潛水器的設(shè)計(jì)性能和故障處理功能，還開發(fā)了一個(gè)仿真模擬器，在文獻(xiàn)[4]中，闡述了每個(gè)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)中遇到的問題及解決方法。

3 “蛟龍”號(hào)載人潛水器的自主創(chuàng)新

3.1 大深度載人潛水器的總體設(shè)計(jì)與集成技術(shù)

經(jīng)過對(duì)任務(wù)使命和總體技術(shù)指標(biāo)的深化歸納，提出了“蛟龍”號(hào)載人潛水器必須具備的5個(gè)重大關(guān)鍵性能：

1)載人潛水器最大的工作深度7000m；

2)針對(duì)作業(yè)目標(biāo)的穩(wěn)定懸停就位能力；

3)實(shí)時(shí)高速傳輸圖像和語音及探測海底小目標(biāo)的能力；

4)配備多種高性能作業(yè)工具，包括潛鉆取芯器、沉積物取樣器和具有保壓能力的熱液取樣器；

5)安全可靠性能。

前4個(gè)性能是“蛟龍”號(hào)載人潛水器的標(biāo)志性成果，而安全可靠性能是實(shí)現(xiàn)標(biāo)志性成果的基礎(chǔ)和保障。

對(duì)5個(gè)重大關(guān)鍵性能細(xì)化分析后，確定了“蛟龍”號(hào)載人潛水器研制過程中需要突破的重點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合總體技術(shù)指標(biāo)，擴(kuò)展分解為12個(gè)分系統(tǒng)，通過四要素法[8]明確了相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)。在設(shè)計(jì)過程中始終遵循以下4項(xiàng)基本準(zhǔn)則，即：

1)載體性能與作業(yè)要求一體化準(zhǔn)則——以獲得產(chǎn)品實(shí)用性；

2)技術(shù)先進(jìn)性和工程實(shí)用性統(tǒng)一化準(zhǔn)則——以獲得產(chǎn)品先進(jìn)性；

3)技術(shù)要素規(guī)范化準(zhǔn)則——以中國船級(jí)社1996頒發(fā)的“潛水系統(tǒng)和潛水器入級(jí)與建造規(guī)范”為基本依據(jù)，獲得產(chǎn)品可靠性；

4)結(jié)構(gòu)分塊化、功能模塊化準(zhǔn)則——以獲得產(chǎn)品可維性。

針對(duì)載人潛水器的線型及水動(dòng)力布局綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，首先收集了國內(nèi)外載人潛水器的相關(guān)資料，分析了其外形及水動(dòng)力性能特點(diǎn)，提出了載人潛水器操縱性評(píng)估指標(biāo)，建立了載人潛水器水動(dòng)力性能（包括快速性和操縱性）的理論與試驗(yàn)預(yù)報(bào)方法。其次明確了載人潛水器水動(dòng)力性能的主要設(shè)計(jì)變量，確定了綜合水動(dòng)力性能的主要評(píng)判屬性，提出了約束條件下載人潛水器水動(dòng)力性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。在進(jìn)行復(fù)雜非線性深海環(huán)境下深海載人潛水器空間運(yùn)動(dòng)水動(dòng)力特性研究時(shí)，通過風(fēng)洞、旋臂水池及拖曳水池模型試驗(yàn)以及深入地研究分析，得到了載人潛水器六自由度空間運(yùn)動(dòng)水動(dòng)力特性，建立了載人潛水器六自由度空間運(yùn)動(dòng)方程并確定了相應(yīng)的水動(dòng)力系數(shù)及數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)載人潛水器空間運(yùn)動(dòng)操縱性能進(jìn)行了全面的預(yù)報(bào)分析[9]。

功能模塊化和結(jié)構(gòu)分塊化有機(jī)結(jié)合是總布置優(yōu)化的準(zhǔn)則。在建立載人潛水器性能優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型時(shí)，采用功能模塊化的辦法，對(duì)潛水器所涉及的子系統(tǒng)，確定不同的布置要求，形成不同的模塊；另外，針對(duì)潛水器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分塊，不同空間位置布置特定的設(shè)備和系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中引入了多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法，選擇了合適的優(yōu)化算法[10～12]，建立較為完整的 7000m載人潛水器的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型[13,14]，并以有效負(fù)載比和作業(yè)巡航時(shí)間為設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用基于Parato的多目標(biāo)遺傳算法對(duì)載人潛水器的四個(gè)多學(xué)科分析模型進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到了有效負(fù)載比和巡航作業(yè)時(shí)間。Parato設(shè)計(jì)前沿逐漸由內(nèi)向外擴(kuò)展，巡航作業(yè)時(shí)間和有效負(fù)載比同時(shí)增大，設(shè)計(jì)向優(yōu)化方向發(fā)展，為設(shè)計(jì)者提供了非常重要的且足夠多的設(shè)計(jì)信息，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象的實(shí)際需要和自己的偏好從中選擇。

設(shè)計(jì)結(jié)果的合理與否再用1∶1的模型進(jìn)行檢驗(yàn)，確認(rèn)布置的合理性和維修保養(yǎng)的方便性后，經(jīng)過反復(fù)嘗試和不斷修改，最終設(shè)計(jì)制造出了一臺(tái)性能優(yōu)良的載人潛水器。

3.2 大型復(fù)雜系統(tǒng)的安全可靠性技術(shù)

“蛟龍”號(hào)載人潛水器既是一個(gè)大型的復(fù)雜系統(tǒng)，又是一個(gè)實(shí)用的產(chǎn)品，而且要載人進(jìn)入深海，因此，它最需要的是安全可靠性。在借鑒國外載人潛水器的成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過采用“冗余設(shè)計(jì)”的理念，設(shè)計(jì)了一套完整的應(yīng)急自救手段：

1)可棄壓載拋載機(jī)構(gòu)：可棄壓載的最大重量有1.3t，只要它能全部拋棄，潛水器就肯定變成正浮力而上浮。具有2套獨(dú)立的電磁鐵和1套液壓拋棄功能，只要3套拋棄功能中有一個(gè)完成動(dòng)作便可實(shí)現(xiàn)拋棄，而且在電源故障時(shí)會(huì)自動(dòng)將壓載拋棄。

2)主蓄電池箱拋棄機(jī)構(gòu)：主蓄電池箱的重量有1.2t，在可棄壓載拋不掉的情況下，如果能把主蓄電池箱拋掉，潛水器也會(huì)變成正浮力而上浮。主蓄電池箱拋棄機(jī)構(gòu)是由電爆螺栓實(shí)施的，為了提供冗余度，在連接桿上采用兩個(gè)電爆螺栓串聯(lián)，只要兩個(gè)之中有一個(gè)工作就能達(dá)到有效拋棄的目的。

3)縱傾調(diào)節(jié)水銀的拋棄：縱傾調(diào)節(jié)用的水銀重量有480kg，可以很方便地被拋棄。只是水銀拋棄后會(huì)對(duì)環(huán)境帶來污染，因此，一般情況下不鼓勵(lì)使用。但為了緊急逃生，也可以使用。通過拋棄水銀，可以獲得430kg的浮力，很多情況下即使其他東西拋不掉，只要拋棄水銀，潛水器已可以上浮。

4)機(jī)械手拋棄機(jī)構(gòu)：在機(jī)械手被纏繞的情況下實(shí)施，如果只有手爪被纏住，則只斷手爪；如果整個(gè)手臂被纏住，則可以拋棄整個(gè)手臂。

5)壓載水箱排水：當(dāng)潛水器已上浮到離水面只有10m的距離時(shí)，應(yīng)啟動(dòng)壓載水箱排水系統(tǒng)，可再提供最大達(dá)1.8t的浮力，確保潛水器在水面有較大的干舷。

6)應(yīng)急浮標(biāo)：當(dāng)潛水器被困于海底無法上浮時(shí)，可以通過電爆螺栓釋放應(yīng)急浮標(biāo)。應(yīng)急浮標(biāo)和潛水器相連的系索長度最長可以達(dá)到9000m，由浮標(biāo)上的頻閃燈顯示浮在水面上的位置，支持母船可直接抓取浮標(biāo)，提升潛水器至水面，再進(jìn)行掛鉤回收至甲板。

7)采樣籃拋棄裝置：采樣籃的安裝采用電爆螺栓，在采樣籃被纏繞的情況下可以實(shí)施拋棄。

“蛟龍”號(hào)載人潛水器具有國外同類型大深度載人潛水器所具備的各種應(yīng)急手段，并且通過3個(gè)階段的海上試驗(yàn)，充分證明應(yīng)急拋棄系統(tǒng)是可靠的。因此，“蛟龍”號(hào)載人潛水器“下得去，上得來”的設(shè)計(jì)理念是成功的，具有充分的安全可靠性。

3.3 高能量密度的深海動(dòng)力技術(shù)

動(dòng)力源是潛水器的心臟，其本身必須具備無水下排放、無水下噪聲、不依賴于空氣、無重心漂移等特點(diǎn)，為水下照明、儀器設(shè)備、推力器及作業(yè)工具等提供能源保障。經(jīng)過反復(fù)調(diào)研和技術(shù)論證，在 7000m載人潛水器上最終決定采用充油式銀鋅電池作為電源。

為了減輕潛水器的重量，銀鋅蓄電池采用充油的方式放在蓄電池箱內(nèi)。但如何解決在高壓環(huán)境下銀鋅蓄電池的大容量低析氣量技術(shù)是一個(gè)關(guān)鍵。為了保險(xiǎn)起見，采用濾膜和氣帽等創(chuàng)新技術(shù)，選用2種產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，把試驗(yàn)結(jié)果返回生產(chǎn)廠家，改進(jìn)單體電池的性能。通過反復(fù)的壓力筒試驗(yàn)，使銀鋅蓄電池組的析氣量最終小于0.1ml/Ah，確保了蓄電池組在供電時(shí)不會(huì)產(chǎn)生大量氫氣而導(dǎo)致危險(xiǎn)，保證潛水器的安全。

3.4 信息與自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)

7000m載人潛水器研制時(shí)采用了將人、機(jī)與整個(gè)客觀環(huán)境聯(lián)系在一起考慮的新理念，把人、機(jī)、環(huán)境看作是一個(gè)系統(tǒng)的3大要素，強(qiáng)調(diào)從全系統(tǒng)的整體性能出發(fā)，通過三者間的信息傳遞、加工和控制，形成一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜系統(tǒng)，并貫穿于潛水器設(shè)計(jì)、研制、建造、使用的全過程中。

在7000m載人潛水器研制過程中，強(qiáng)調(diào)的“人”是指作為工作主體的人即潛水器的駕駛員和乘員；“機(jī)”是指人所控制的設(shè)備和部件即潛水器本體及所攜帶的各類部件、設(shè)備；在“機(jī)”的設(shè)計(jì)方面，也強(qiáng)調(diào)了信息的綜合集成和操作的自動(dòng)化程度，盡量降低艙內(nèi)駕駛員和乘員的工作量。“環(huán)境”是指人、機(jī)共處的特定工作條件，即載人艙內(nèi)的溫度、濕度、艙壓、氧濃度、二氧化碳濃度、噪聲、有害氣體等，載人艙外的海面、風(fēng)、浪、流、深水壓力、海底等。從“蛟龍”號(hào)載人潛水器的海試操作效果來看，以人為中心的信息與自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)高于國外的部分載人潛水器。

3.5 高速水聲通信技術(shù)和高分辨率測深側(cè)掃聲納技術(shù)

水聲通信機(jī)用于載人潛水器與水面支持母船之間建立實(shí)時(shí)通信聯(lián)系。通過它，母船向載人潛水器發(fā)出指令，載人潛水器向母船傳輸各種數(shù)據(jù)、語音和圖像。這是載人潛水器非常重要的功能，如果沒有水聲通信，潛水器就不敢下潛。同時(shí)，通信的速度和質(zhì)量也反映了技術(shù)水平。因此，“蛟龍”號(hào)載人潛水器在研制時(shí)就瞄準(zhǔn)了國際上最先進(jìn)的高速水聲通信技術(shù)，通過對(duì)相干通信和非相干通信算法的研究，制定了處理算法。采用在混合激勵(lì)線性預(yù)測算法基礎(chǔ)上改進(jìn)的算法，降低了編碼后的數(shù)據(jù)率，并研究了一種魯棒的圖像壓縮編碼算法，對(duì)誤碼的敏感程度低，應(yīng)用于水聲通信?！膀札垺碧?hào)載人潛水器能夠?qū)崟r(shí)傳輸彩色電視圖像和聲學(xué)圖像的功能是國外絕大多數(shù)潛水器所沒有的。

高分辨率測深側(cè)掃聲納安裝在載人潛水器的兩側(cè)，用于測量海底的微地形地貌和海底、水中的目標(biāo)，實(shí)時(shí)繪制出現(xiàn)場的三維地圖。能在復(fù)雜的海底工作，給出目標(biāo)高度，因此十分適合在鈷結(jié)殼區(qū)域勘察工作和在大洋熱液場測量熱液噴口“煙囪”的幾何尺寸。這一功能也是國外載人潛水器所沒有的。在開發(fā)這一功能時(shí)，對(duì)一系列相關(guān)技術(shù)問題進(jìn)行了研究，如發(fā)射線形調(diào)頻信號(hào)的處理方法的研究，用于提高聲納的垂直與航跡的分辨率；海底自動(dòng)檢測技術(shù)的研究，使聲納能夠自動(dòng)判別目標(biāo)數(shù)和判別海底；多子陣高分辨率波束形成技術(shù)的研究，用于提高聲納的估計(jì)精度。通過這些研究，形成了一整套針對(duì)于高分辨率測深側(cè)掃聲納的信號(hào)處理方法：多子陣海底自動(dòng)檢測——信號(hào)子空間的信號(hào)參數(shù)估計(jì)技術(shù)。

3.6 大深度載人潛水器的生命支持技術(shù)

載人潛水器的生命支持系統(tǒng)通過控制載人耐壓艙中的氧氣濃度，吸收二氧化碳，創(chuàng)造一個(gè)適合乘員工作的生存環(huán)境。它包括正常工作生命支持、應(yīng)急狀態(tài)開放式生命支持、應(yīng)急狀態(tài)口鼻面罩式生命支持、生命支持系統(tǒng)監(jiān)控面板4個(gè)方面。

正常工作和應(yīng)急狀態(tài)開放式生命支持所需的氧氣可儲(chǔ)存在相應(yīng)的高壓氧氣瓶中，氧氣通過氧氣瓶閥、減壓閥、流量調(diào)節(jié)閥、電磁供氧閥、流量計(jì)及管路釋放到載人耐壓球殼空間里，供乘員呼吸之用?？匮鮾x根據(jù)氧濃度計(jì)的實(shí)測數(shù)據(jù)來控制電磁供氧閥的開關(guān)。當(dāng)載人耐壓艙內(nèi)氧濃度低于17.5% 時(shí)，供氧閥自動(dòng)打開，當(dāng)氧濃度高于22.5%時(shí)，供氧閥自動(dòng)關(guān)閉。為了提高可靠性，在電磁供氧閥的兩端并接一套手動(dòng)閥，也可通過手動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥和手動(dòng)閥來改變氧氣流量，達(dá)到控制載人耐壓艙內(nèi)氧濃度的目的。

二氧化碳吸收裝置采用箱體結(jié)構(gòu)，由風(fēng)機(jī)、內(nèi)筒、內(nèi)蓋、機(jī)箱體和機(jī)箱蓋等組成。二氧化碳吸收劑選用氫氧化鋰，按照一定的要求裝在不銹鋼罐中。平時(shí)不用時(shí)，裝有氫氧化鋰的不銹鋼罐外面有塑料密封袋，并裝在一只密封箱中。需要使用時(shí)，取出氫氧化鋰罐，去掉密封袋，將罐裝入吸收裝置的內(nèi)筒中，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，就能清除載人耐壓艙里的二氧化碳。

當(dāng)載人耐壓艙內(nèi)出現(xiàn)異常氣體，不再適合使用開放式呼吸時(shí)，乘員可戴上口鼻面罩式呼吸器。這是一種封閉式呼吸系統(tǒng)，氧氣貯存在一只容量7L的高壓氧氣瓶中，通過氧氣瓶閥、減壓閥、流量調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)跟空氣混合后經(jīng)管路送至口鼻面罩供呼吸，呼出的二氧化碳也經(jīng)管路送至吸收裝置，去除二氧化碳后的空氣在該封閉式系統(tǒng)中反復(fù)循環(huán)使用。二氧化碳吸收裝置為單獨(dú)配置，且該裝置只和口鼻面罩封閉式系統(tǒng)相連，跟載人球殼空間的空氣隔絕。

生命支持系統(tǒng)的全部監(jiān)測儀表都集中安裝在一塊監(jiān)控面板上，包括：數(shù)字式和模擬式氧濃度表各一只。其中數(shù)字式表的實(shí)測數(shù)據(jù)輸送給控氧儀和聲、光報(bào)警器，一方面作控制用，另一方面若氧濃度超標(biāo)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。同時(shí)還帶有數(shù)據(jù)接口，能實(shí)時(shí)地將氧濃度數(shù)據(jù)傳送給綜合顯控計(jì)算機(jī)。

生命支持系統(tǒng)研制需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)主要有載人耐壓艙內(nèi)大氣環(huán)境控制技術(shù)研究和重量輕、體積小、吸收率高的二氧化碳吸收劑的研制，以及特種供氧系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。

3.7 大深度載人潛水器部件的國產(chǎn)化與發(fā)展

為了控制整個(gè)項(xiàng)目的研制進(jìn)度，“蛟龍”號(hào)上大約有40%的部件是委托國外加工或研制的，但為了確保今后的使用不受制于人，在研制過程中也同步安排重要設(shè)備的國產(chǎn)化研究。

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)按承載方式可分為耐壓結(jié)構(gòu)和非耐壓結(jié)構(gòu)。耐壓結(jié)構(gòu)提供密閉常壓腔體，其關(guān)鍵部件是為乘員和儀器設(shè)備提供常壓空間載人球。此外，耐壓結(jié)構(gòu)還包括5只小直徑耐壓罐、一只可調(diào)壓載水艙和一只高壓氣罐等。非耐壓結(jié)構(gòu)由框架結(jié)構(gòu)和外部結(jié)構(gòu)組成。框架結(jié)構(gòu)，可分為主框架和輔助框架。它既為潛水器內(nèi)部各類耐壓結(jié)構(gòu)和儀器設(shè)備等提供安裝基礎(chǔ)，又為外部結(jié)構(gòu)中的浮力塊、輕外殼、穩(wěn)定翼和外部設(shè)備提供支撐，而且還是潛水器吊放、回收、母船系固和坐底時(shí)的主要承載結(jié)構(gòu)，是各類設(shè)備總裝集成的載體。外部結(jié)構(gòu)主要有浮力塊、輕外殼、穩(wěn)定翼、壓載水箱等。浮力塊一方面為潛水器提供水下浮力，同時(shí)也形成潛水器的外部線型。輕外殼提供部分流線型的外形，保護(hù)內(nèi)部設(shè)備免受外物碰撞；穩(wěn)定翼用于提高潛水器的穩(wěn)定性和水動(dòng)力性能。壓載水箱主要為潛水器浮出水面時(shí)提供浮力，以保證潛水器的干舷高度。

載人球的設(shè)計(jì)和建造均是難點(diǎn)。從設(shè)計(jì)來說，盡管很多船級(jí)社均有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但互相之間差別很大[15]。對(duì)于載人球極限承載能力的預(yù)報(bào)方法，船級(jí)社之間也沒有統(tǒng)一[16]，通過大量有限元分析，給出了一組新的載人球極限承載能力的預(yù)報(bào)公式[17]，它能很好地與有限元分析結(jié)果吻合。以此為基礎(chǔ)，提出了一套新的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，已提供給中國船級(jí)社作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)更新的依據(jù)[18]。在載人球設(shè)計(jì)過程中，觀察窗的變形協(xié)調(diào)[19]、疲勞載荷譜的確定[20]、疲勞壽命可靠性分析[21]、多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[22]等，都是需要解決的技術(shù)問題。在滿足安全性的前提下，載人球設(shè)計(jì)優(yōu)劣的評(píng)價(jià)主要就是觀察窗的數(shù)量和它們之間視野的覆蓋程度。最先進(jìn)的載人球設(shè)計(jì)當(dāng)數(shù)美國的“新阿爾文”號(hào)[7]。它有5個(gè)觀察窗，科學(xué)家和主駕駛員有較多的視野覆蓋面，有利于科學(xué)家指揮主駕駛員進(jìn)行作業(yè)。

載人球的制造主要有3種工藝：無焊接、半球焊接和瓜瓣焊接。無焊接工藝：采用鑄造制成兩個(gè)半球，然后機(jī)加工成型，再采用螺栓連接。俄羅斯的“和平”號(hào)兩個(gè)載人潛水器就是采用這種工藝的[23]。半球成型工藝：采用大規(guī)格厚板直接沖壓成型半球，再采用電子束焊接兩個(gè)半球赤道環(huán)縫。如日本的“深海6500”[24]和美國制造的鈦合金球殼均采用該工藝[7]。分瓣成型工藝：將每個(gè)半球分為7瓣，每個(gè)球瓣分別成型后，采用窄間隙焊接將7個(gè)瓣組焊成半球，再焊接兩個(gè)半球的赤道環(huán)縫。如俄羅斯制造的鈦合金球殼就采用該工藝，包括“俄羅斯”號(hào)、“領(lǐng)事”號(hào)和“蛟龍”號(hào)[4]。第三種工藝對(duì)于大規(guī)格鈦合金厚板軋制能力、沖壓能力的要求較低，但對(duì)焊接的要求較高。目前我國只能采用第三種工藝，能夠制造 4500m左右的載人球。如果焊接質(zhì)量過關(guān)，則載人球的安全性是一樣的。

框架，可分為主框架和輔助框架。它既為潛水器內(nèi)部各類耐壓結(jié)構(gòu)和儀器設(shè)備等提供安裝基礎(chǔ)，又為外部結(jié)構(gòu)中的浮力塊、輕外殼、穩(wěn)定翼和外部設(shè)備提供支撐，而且還是潛水器吊放、回收、母船系固和坐底時(shí)的主要承載結(jié)構(gòu)，是各類設(shè)備總裝集成的載體。無論設(shè)計(jì)還是加工，框架結(jié)構(gòu)沒有難度，但設(shè)計(jì)得好，對(duì)潛水器的可維性以及使用安全性均有十分重要的作用。在“蛟龍”號(hào)載人潛水器研制過程中，對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[25]，并進(jìn)行了2倍自重載荷下的應(yīng)變測量試驗(yàn)，用于評(píng)估框架結(jié)構(gòu)的安全性[26]。

為了使載人潛水器在海水中實(shí)現(xiàn)均衡，需要使用浮力材料。浮力材料的先進(jìn)性是用給定承壓能力的條件下它的密度和吸水率來表示的，密度和吸水率越低越好。目前在潛水器上使用的浮力材料有兩種類型，一種是玻璃微珠摻雜環(huán)氧樹脂制成的可機(jī)加工型浮力材料，這種能承受 7000m高壓的浮力材料的最先進(jìn)水平的密度為 481kg/m3，但美國允許出口我國的浮力材料的密度是 561kg/m3。另一種是陶瓷球[27,28]，這種浮力材料的比重更輕，全海深的密度只有340kg/m3，但它只在無人潛水器上使用過。為了減輕“蛟龍”號(hào)載人潛水器的重量，浮力塊不僅為潛水器提供水下浮力，同時(shí)也形成潛水器的外部線型。這樣，對(duì)浮力塊的設(shè)計(jì)和加工提出了更高的要求，這些技術(shù)難點(diǎn)我國已經(jīng)解決了[29]。輕外殼提供部分流線型的外形，保護(hù)內(nèi)部設(shè)備免受外物碰撞[30]；穩(wěn)定翼用于提高潛水器的穩(wěn)定性和水動(dòng)力性能。壓載水箱主要用于潛水器浮出水面時(shí)提供浮力。為了節(jié)省能源，載人潛水器一般采用無動(dòng)力上浮下潛的方式，與國外的螺旋形軌跡不同，“蛟龍”號(hào)載人潛水器是直上直下的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)[31]。如何分析潛水器在坐底時(shí)的受力狀況，設(shè)計(jì)出合適的坐底支架是一個(gè)實(shí)用性的問題，文獻(xiàn)[32]對(duì)此問題也有研究。

動(dòng)力源對(duì)載人潛水器來說是十分重要的，早期用鉛酸電池，后來改用能量密度更高的銀鋅電池，未來的發(fā)展趨勢是鋰離子電池[33]，我國也已在4500m載人潛水器研制項(xiàng)目中安排研究。

水下電機(jī)、高壓海水泵、一體化推力器是幾個(gè)重要的設(shè)備。目前這3種設(shè)備的國產(chǎn)化基本實(shí)現(xiàn)，對(duì)于水下電機(jī)來說，發(fā)展方向是提高功率；對(duì)于高壓海水泵的主要發(fā)展方向是提高流量，如果有大流量的高壓海水泵，則可以把縱傾調(diào)節(jié)用的水銀取消，甚至也不需要用固定壓載，載人潛水器可以在任何深度實(shí)現(xiàn)均衡。對(duì)于一體化推力器來說，發(fā)展方向是降低噪聲，目前我國自行研制的一體化推力器的噪聲水平已經(jīng)明顯低于美國Technadyne公司的產(chǎn)品。

潛水器的水動(dòng)力特性和自動(dòng)控制相結(jié)合構(gòu)成了載人潛水器的控制系統(tǒng)，在“蛟龍”號(hào)載人潛水器上，馬嶺等人[34,35]探索了多種不同的控制方法。對(duì)于載人潛水器的導(dǎo)航與定位能力來說，比較先進(jìn)的是同時(shí)具備超短基線和長基線2種功能，對(duì)于水聲通信來說，最先進(jìn)的是能同時(shí)傳輸語音、文字、圖像，目前“蛟龍”號(hào)載人潛水器上的水聲通信和定位能力已處于國際先進(jìn)水平。

應(yīng)急拋載和生命支持系統(tǒng)從技術(shù)上來說，沒有特別的困難，但必須要求非常可靠。從應(yīng)用角度來說，觀察、照明和攝像的質(zhì)量非常關(guān)鍵，也是衡量一個(gè)載人潛水器作業(yè)能力的重要方面，目前美國的“新阿爾文”和俄羅斯的“和平”號(hào)處于比較領(lǐng)先的水平，“蛟龍”號(hào)載人潛水器也在努力朝這個(gè)方向改進(jìn)。

4 結(jié) 語

在“蛟龍”號(hào)載人潛水器的研制過程中，正在不斷地攻克一個(gè)又一個(gè)難關(guān)，掌握了一個(gè)又一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新的過程，才取得了這項(xiàng)自主創(chuàng)新的偉大成果。

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