总性能世界领先，国产化率超过90%的深海潜水器，它叫啥？︱走近科学 - 深海探测潜望器

本栏目由  “世界科学” 和 “赛先生”联合出品

本文围绕2017年度上海市科技进步奖一等奖项目“4500米ROV本体和关键配套设备”展开,该奖项由上海交通大学马厦飞领衔的团队获得。

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广袤无垠的海洋，占地球总表面积的70%以上，海洋生物量占地球上已知生物总量的30%。在近海地区，平均每一立方厘米海水中就有1亿个微生物；大陆坡下面的“天然气水合物”含碳量相当于人类所知全部矿物燃料的两倍，可能成为未来的能源；海洋中蕴藏有3万亿吨富含锰、铜、钴、镍等的多金属结核矿，还有许多新的矿藏不断被发现，海洋矿物总量超过陆地1000多倍；深海微生物群占地球上总生物量的1/10，是尚待开发的巨大基因宝库……

海洋对人类生存意义巨大，但漫长的岁月里，海平面1000米以下的大洋深层区漆黑的视野、刺骨的严寒、巨大的压力、奇形怪状的海床地形和让地心引力变得无足轻重的生存条件，都曾使渴望了解、开发海洋资源的人类对深海望而却步。深海潜水器技术与装备是海洋探查和资源开发利用不可或缺的手段，也是制约我国开拓深海大洋的瓶颈。

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实现我国大深度无人遥控潜水器自主研发“零的突破”

2014年2月20日至4月22日，由我国自主研制的首台4500米级深海遥控无人潜水器作业系统——“海马”号遥控潜水器（ROV）搭乘广州海洋地质调查局“海洋六号”综合科学考察船，分3个航段在南海进行海试成功。这标志着我国全面掌握了大深度无人遥控潜水器的各项关键技术，并在关键技术国产化方面取得实质性进展。

“海马”号ROV与我国的“海龙”号、“蛟龙”号、“奋斗者”号等其他深海作业装备共同构成3500米、4500米、7000米和10000米4个级别的水下运载和作业装备系列，使我国初步具备了深水运载和作业能力。

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“海马”号参加70周年国庆阅兵巡展

南海4500米的深海里，“海马”号悄悄“举起”相机，给自己拍了张“自拍照”。这只是它的设计功能之一。

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“海马”号的装备除了水下高清摄像机、照相机，还包括声呐、定位系统、两套多功能机械手等多种作业工具和可更换的不同功能水下作业底盘，具有自动定向、定深、定高航行和航迹定位功能，可通过机械手和多种作业工具开展深海钻探、水下岩石切割、生物取样、水下设备救捞、海底观测网布缆等高强度水下连续作业，总体性能指标处于世界同类产品领先水平，相关技术和装备国产化率超过90%，是迄今为止我国自主研制的下潜深度最大、国产化率最高的大型无人遥控潜水器作业系统。

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为了实现我国在大深度无人遥控潜水器自主研发领域“零的突破”，科研人员进行了整整6年的攻关，突破了本体结构、浮力材料、液压动力和推进、作业机械手和工具、观通导航、控制软硬件、升沉补偿装置等关键技术，先后完成了总装联调、水池试验等工作，并针对试验中暴露出的问题和故障进行了技术改进。

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这一由上海交通大学和上海交大海洋水下工程科学研究院有限公司为主承担的项目成果——“4500米ROV本体和关键配套设备”获得2017年度上海市科技进步奖一等奖。

适合高强度水下作业

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与近海作业通常由潜水员以常压潜水或饱和潜水的方式直接下潜至水中不同，深海的巨大水压（水面以下每深入约10米即增加1个大气压）使纯人工的勘探和作业不再可能。

目前世界上已有的深海运载和作业系统一般包括载人潜水器和无人潜水器两大类，后者又包括遥控潜水器、水下自治机器人（AUV）和 自主遥控混合式水下机器人（ARV）。

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其中，如我国的“蛟龙”号、美国的“阿尔文”号、法国的“鹦鹉螺”号、俄罗斯的“和平”号、日本的“深海6500”这样的载人潜水器依靠电池供电，下潜时为了节约能源，一般靠重块将潜水器往下压，到了水下抛载；在达到零浮力时，由潜航员在潜水器里操纵机械手开始作业；要上浮时，再抛掉一些载荷重量。由于人有生理和能源限制，水下作业时间有限。

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通过多年的攻关，我国自主研发的4500“海马”号ROV在进行水池试验

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“海马”号所属的ROV是一种不载人的遥控有缆水下机器人，也是国际潜水器系列中发展最早、应用最广泛的水下作业设备之一。

其结构呈开放式，没有一个集中的“舱体”概念，ROV本体上所有器件都暴露在水下，通过一条如同婴儿连接母体的脐带一样的脐带缆与水面上的母船ROV水面控制系统连接。母船上的操作人员可以通过安装在ROV上的摄像机及其回传系统，实时观察海底状况，并遥控操纵ROV及其机械手、配套的作业工具，实现水下作业。 " W* I9 b5 f! d5 ]8 T; q

ROV通常根据观察或作业的需要，配备有水下摄像机、水下照明灯、云台、声呐、深度计、高度计、罗经、机械手、控制系统等设备，其中，控制系统相当于ROV的大脑。操作人员在水面上进行操作，由一根连接到水面上、包裹光纤的长脐带缆担负传输能源和信息的使命，实现长期供电、通信和信号采集。

由于是无人有缆系统，ROV具有作业能力强、维持作业的能源不受时间限制、无人员风险、能长时间相对灵活地在海底执行复杂而艰巨的作业任务等“皮实”的优点，因而可替代水下人员进行海底极端环境下的观察、取样、搜索定位等作业，也可用机械手和专用工具等执行较高强度的海洋调查和水下工程作业。特别是它功率较大、可以通过浮力块加载别的装备的特点，使它相对于载人潜水器，可携带的工具更多，功能更复杂，作业能力较其他的水下作业器械更强，能够在水下照明、定位、传感。但由于脐带缆的限制，ROV的运动范围比较小，主要应用于深海科考、海洋工程和水下抢险救捞。

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“海马”号水面操作控制系统

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由于全球海洋的平均深度在三四千米左右，世界范围内绝大多数作业级ROV设计的最大下潜深度都不超过4500米。又因作业级ROV主要用于水下打捞、水下施工等苛刻应用环境，尺寸较大，带有水下机械手、液压切割器等作业工具，需要更大的动力、更精准的远程控制能力和更可靠的水下定位与操作能力，系统实现难度非常高，即使是美国、英国、俄罗斯、日本等深海装备强国，ROV在水深超过6000米的深海进行作业的成功案例也十分少见。国际上类似“海马”号ROV或下潜深度更大的水下机器人，目前也为数不多。

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传统ROV采用金属铠装脐带缆，因受其强度/重量比限制，最大使用深度通常在6000米以内，更大下潜深度ROV使用的脐带缆必须采用非金属铠装技术，目前仅日本开展这方面技术难题研究，用于万米级ROV——“海沟”号，2003年在马里亚纳海沟作业时，神秘失踪于太平洋水域。

为突破同样制约我国全海深ROV系统研发的材料瓶颈，由中天科技海缆有限公司牵头，联合上海交通大学海洋水下工程科学研究院有限公司、中科院沈阳自动化研究所、上海晓宝增强塑料有限公司等科研院所和高新技术企业共同研究攻关的“十三五”期间国家重点研发计划—— “全海深ROV非金属铠装脐带缆关键技术和试验”项目，已取得了技术突破。

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AUV既不载人也无脐带缆，由程序员事先根据作业需要为它编好程序，之后自主在水下运动。由于摆脱了系缆的牵绊，AUV具有活动范围大、机动性好、安全、智能化等优点。随着材料、电子、计算机、人工智能技术、小型导航设备等的突飞猛进和海洋研究、开发及军事领域的迫切需求，AUV得到了大力发展，在民用领域，可用于、海底考察、数据收集等；在军用领域，则可用于侦察、布雷、扫雷、援潜和救生等，但在复杂环境下作业能力较弱。

与传统的两大类水下机器人ROV和AUV相比，通过自带能源和长距离光纤微缆，ARV兼具AUV和ROV的功能——既可以像AUV那样大范围自主探测，又可以像ROV那样遥控小范围的精细测量。

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由中科院沈阳自动化研究所主持研制，2016年6月22日至8月12日在马里亚纳海沟挑战者深渊成功完成5次下潜、创造了我国水下机器人最大下潜深度及作业深度记录（10767米）的全海深自主遥控无人潜水器“海斗”号就属于此类。它使我国成为继日、美两国之后第三个拥有研制万米级无人潜水器能力的国家。

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不同的潜水器各有其长短项，用途也各有侧重。比如2014年马航失联后，人们推测它很有可能坠入了4500米深的南印度洋海底。在那种情况下， “海马”号ROV就可以去执行打捞黑匣子任务。

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“海马”号ROV开展深海海底作业

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部件种类国产化率高达93%

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我国早期由于原材料和基础技术薄弱等原因，不具备ROV这种大型水下装备研发条件。国外的ROV大多是在各国自行开发控制系统的基础上，通过技术集成而获得的。别的国家即使肯卖ROV设备给中国，控制系统也不对中国开放。

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20世纪80年代，我国水下机器人技术落后，深海技术与装备科研几乎是“白手起家”。上海交通大学海洋水下工程科学研究院水下技术与装备研究中心主任、“4500米ROV本体和关键配套设备”项目技术负责人马厦飞自那时起，在30多年间亲历并见证了中国技术和工业制造力的飞速发展，以及中国ROV技术的一步步积累。

马厦飞至今还记得在那个技术落后、面临壁垒、信息也远不如今天发达的年代，自己经手研制的第一个ROV下潜深度仅为100米，和今天的产品比起来，就像一个玩具。但是从100米到500米、1500米，直至4500米，马厦飞和他的同事坚持自主创新，做了大量的材料、密封、控制等技术实验验证，突破无人遥控潜水器的一系列核心技术，研制出4500米级的“海马”号、“海象-1500”号、“海马-500” “海马-200” “AUTO-1000”等系列ROV产品，实现了从观测型到重载作业型水下机器人高技术装备的国产化。

“海马”号ROV设计的4500米下潜深度，接近我国南海中央海盆的深度，且覆盖我国南海98%的海域、国际大洋海底100%富钴结壳资源富集区和95%～98%热液硫化物富集区水深，可以满足绝大部分深海探查和作业的需求。

“海马”号携带海底钻机完成钻探作业后出水的场景

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作为我国首台大型ROV，“海马”号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规模强作业能力ROV总体设计与建造技术，自主研发，攻克了大深度大功率作业型ROV驱动技术、功率分配技术、矢量推进和控制技术、高清摄像与照明技术、机械手与工具作业技术等；采用模块化集成设计，创新了集深海钻探、观测网布缆、岩石切割、样品采集等多功能于一体的智能深海作业系统。除了少数密封件、高精度传感器引进自国外，“海马”号部件种类的国产化率高达93%。

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深海潜水器容易发生漏油、绝缘不好或电器通信不好等突发问题，需要在船上及时进行现场处理。

过去进口潜水器坏了往往需要花费漫长的时间等待国外的厂商寄来。

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“海马”号从控制软件源代码到执行硬件，全面自主攻关，研制了遥控自动控制、伺服机械手和作业工具控制、远程动力和信号传输及绝缘、漏水和温度检测、姿态传感和系统状态诊断等ROV综合控制系统，取得了大型ROV控制软件著作权和诸多硬件专利，攻克了大型ROV 综合控制系统核心技术，打破了国外ROV控制系统软件不开放、大深度水下硬件对我国禁运的封锁和国际垄断。因为部件自主开发，所以出现问题不必等国外寄备件，基本可以由研发团队自己解决。

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“海马”号的团队具有软件、材料、流体力学、机械、液压、控制等各个领域的优秀技术人才。

其二，由于水面以下每深入约10米即增加1个大气压，下潜至4500米水深处的“海马”号ROV相当于要在450个大气压力下工作，对系统的材料、结构、运动执行机构和诸多设备的密封等都提出了巨大挑战。

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研发团队设计了新型的深海压力平衡系统，开发了智能压力补偿器，创新了线缆集束充油穿舱密封技术和充油动密封等技术，大大提高了系统高压密封的可靠性和稳定性。

所谓“智能压力补偿器”，是针对很多设施充油时，在不同的温度、压力情况下，油的体积会收缩或膨胀，自动用来补油或将一部分油收集起来以维持压力的装置。线缆集束充油管可使管道内外压力实现平衡，也方便灵活布线——把不同功能的线集中布放到那里面。

由于ROV是完全开放式的，所以静密封、动密封、包括磨损、密封补偿和环保等问题，都需要充分考虑。如因玻璃折射率的变化等原因，水下环境对摄像机镜头会造成与岸上空气里不一样的光学影响，如何使镜头做到既透明又密封且不易碎，是一个重要的攻克目标。

在绿色环保方面，“海马”号也堪称深海装备领域的一个表率——除了液压系统用的是液压油，许多充油系统用的都是食用级的矿物油，防止可能因泄露引起的海洋污染。

其三，“海马”号最突出的性能是它的定点作业能力，这是其他的水下作业器械所达不到的。它的两侧各可搭载200公斤的钻机，由此可实现在水下打钻、取样。

82岁的汪品先院士曾自述跟随“蛟龙”号到达1000多米深的海底时，恨不得从深潜舱里伸出手去，拿个榔头敲一下海底的岩石，现场做个地质考察，看看它到底是什么成分。但由于载人深潜器的科学家在耐压舱内，加上复杂环境下的人员安全性问题，这不得不成为一个遗憾。而现场倘若有“海马”号ROV，就可以采用各种工具获取所需的样品。

其四，为了解决工作母船在波浪作用下产生的升沉运动对ROV脐带造成损坏甚至断裂的技术难题，科研人员采用气-液弹性技术，开发了大直径非金属导轮、蓄能补偿、张力传感监测与控制等关键技术，在国内首次成功研制了移动式ROV重型被动式升沉补偿系统，填补了国内空白。

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其五，“海马”号科研团队开发研制了系列化特种深海作业装备，包括观测网布缆装置、采样装置、剪切器、清刷器、吸附器等ROV多种配套作业工具，以及深海水下摄像机、照明灯、传感器等系列化设备，形成了具有自主知识产权的新产品，并为我国万米载人潜水器“奋斗者”号、7000米“蛟龙”号和4500米“深海勇士”号载人潜水器提供了配套技术。这对我国深海大型ROV技术的工程化和产业化起到示范和辐射作用，也将有力推动我国深海科学研究的进程，并取得了良好的社会效益和经济效益。

深海调查成果丰硕

“海马”号ROV完成研制后，由科技部组织进行了严格的海上试验，最大作业水深4502米，各项性能指标达到或优于任务要求。通过多年的工程应用，取得了丰硕的深海调查成果。

2015年，广州海洋地质调查局利用“海马”号ROV，在南海北部海域发现了与天然气水合物有关的冷泉系统，并将其命名为“海马冷泉”。

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2017年，“海马”号ROV在西太平洋富钴结壳矿区的6次下潜作业中大显身手，取得了包括海底微地形、结壳类型、水文动力学和生物多样性等多领域探查的丰硕成果，累计获取结壳样品336千克，并创造了中国第一个ROV搭载钻机作业、第一个富钴结壳厚度在线声学原位探测等多项新纪录。国家重点研发计划在2017年已将“海马”号作为国家级深海应用平台，开展国家科研设备的海上试验和科学应用。

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2017年9月，“海马”号ROV在太平洋维嘉平顶山采获富钴结壳样品，抓到了重达62公斤的“钴元宝”

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水弹性力学与船舶力学专家、中国工程院吴有生院士曾经呼吁，我国海洋装备制造产业要从“注重造躯体”向“注重造内脏与神经”转变，以发展绿色与智能技术和动力、配套与信息装备技术为着力点。这也正是马厦飞和他的团队努力的方向。

未来，随着应用领域的不断扩大，水下机器人将向兼容性更强、智能化程度更高的方向发展，多媒体技术、临场感技术和虚拟现实技术在水下机器人中的应用，可能打破各种类型水下机器人之间的界限，产生全新概念的水下机器人，而大型水下装备的公管共用机制和平台对我国海洋事业发展的作用，也更加迫在眉睫。

“世界科学”联合“赛先生”微信公号，在上海市科学技术委员会资助下，开辟“走近科学”栏目，对获得国家及上海市科技奖励的成果进行科普化报道。

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