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无人遥控潜水器“海马号”诞生记

行业上下游中国仪表网2014年05月06日 15:22人气:4858


 
  公元2014年4月18日清晨,中国南海中央海盆,东经114度36分,北纬13度13分。阳光灿灿,海风习习。
  
  深蓝色的中国“海洋六号”科考船开启了动力定位系统,在深蓝色的海面上几乎纹丝不动地等待着“海马号”入水。此处,是中国南海中央海盆最深处,水深4500多米……
  

 
  后甲板的绞车在转动。身材健壮、声音洪亮的项目长陶军手持对讲机,发出了一道道清晰果断的指令。重达五吨多的“海马”号潜水器被一条拳头粗细的脐带缆稳稳吊起,紧扣在门形吊的蘑菇状止荡器上,慢慢向船尾海面倾斜。“放缆!”悬空的潜水器缓缓入水。此刻,上部的浮力材料发挥了作用,五吨多的潜水器在海面上下漂浮。项目长并没有即刻发令下潜,而是让“海马”号在海面漂浮片刻。待一切无误了,陶军下令“下潜!”只见“海马号”四周翻腾着雪白的浪花,渐渐向南海深处潜隐而去……
  
  “海马号”4500米无人遥控潜水器系统(简称“海马”号ROV)是国家863计划海洋技术领域支持的重点项目,是我国迄今为止自主研发的下潜作业深度最大、国产化率最高的深海强作业型潜水器系统。这次海上试验,是“海马”号在完成总装联调、水池试验和连续两个多月十多次的海上摸底试验之后,开展的第3航次海上试验。这个航次中,863计划海洋技术领域办公室委派的验收专家组将进行海上现场验收。这对“海马”号ROV和他的作业母船“海洋六号”而言,无疑是一次深海大考。
  
  甲板上,海试总指挥杨胜雄、验收专家组组长徐文、国土资源部代表马岩以及广州海洋地质调查局、上海交通大学、浙江大学等参试单位的专家们,静静伫立,目送“海马”号潜入深海。专家行列中,还有一位中年女性,沉静中略显激动,自信里蕴含期待。她就是我国潜水器技术专家、上海交通大学教授连琏。她说,为了这一天,我们拼搏了六年!
  
  大海,播下梦的种子
  
  大海,是人类一个永远追求的梦,从岸边垂钓,到木筏逐流;从扬帆远航,到海底探险。自从有了族群和国家,人类就开始了对大海的耕耘。
  
  200多年前,西方社会爆发了一场伟大的改天换地的工业革命,他们走出国门,建造大船,组织商队和贸易公司,进行航海探险,到世界各地寻找商业机会,掠夺金钱、土地和劳动力……
  
  在变化了的世界面前,几代中国皇帝,面对这一历史性的大变动、大转折,茫然无知,毫无准备,自持“天朝物产丰富,无所不有”而拒绝开放。“如有打造双桅五百石以上违式船只出海者,不论官兵民人,俱发边卫充军。”近两百年的闭关自守,将中国与西方之间的距离大大拉开了……
  
  21世纪,被誉为全面开发利用海洋的新世纪,已经远离海洋的中国,向何处去?这是历史的考问!
  
  我国拥有约300万平方公里的管辖海域面积,其中约240多平方公里在中国南海。在中国的管辖海域里,至今仍有岛屿主权纷争,海底宝藏被垂涎觊觎。
  
  历史之耻,民族之耻,国家之耻,海洋之耻。中国的海洋科学家们,是一个知耻而后勇的群体!
  
  中国,终于到了关注海洋、经略海洋的时代!
  
  面对海洋:中国筑梦863
  

  1996年,国家高技术研究发展计划(简称863计划)实施后的第十个年头,设立了第八个领域——海洋技术领域。广州海洋地质调查局(广海局)率先启动了第一个项目“海底多波束探测技术研究”。从此,海洋与中国高技术研究有了新的关联,广海局也就此与863结缘。
  
  海洋是国家综合实力和高科技的竞技场,深海作业系统是重要的海洋探查和作业平台。它的研发使用,在全世界已经有了半个多世纪的历程。但是,能够自主研发这类系统的国家依旧寥寥无几。美、日、俄、法等国家已拥有从先进的水面支持母船到可下潜3000米—11000米的潜水器系列装备。
  
  与世界发达国家相比,我国海洋探查技术装备水平还存在着一定差距。突破深海重大技术装备研制的瓶颈,成为当务之急。“十一五”期间,863计划海洋技术领域经过反复调研和专家论证,2008年底启动了重点项目“4500米级深海作业系统”。2009年,科技部、国家海洋局联合发布了《国家深海高技术发展专项规划(2009-2020)》,将这一项目纳入深海潜水器技术与装备重大项目之中。
  
  4500米,是中国南海中央海盆的深度,更是一个具有中国海域特点的深度。这一深度,可以覆盖我国南海98%的海域,以及国际海底富钴结壳资源富集区和绝大部分的热液硫化物富集区。研制这一深度级别的深海运载和作业设备,能够满足我国绝大部分深海探测和作业的相关需求。
  
  为了改变“重成果轻应用”的科研工作局面,863计划海洋技术领域创新项目管理模式,确立了以用户为核心的业主制管理机制,对重点项目“4500米级深海作业系统”提出了直接服务于深海资源探查应用的目标,并委托国土资源部作为项目主持部门,所属的广州海洋地质调查局作为业主单位,牵头联合上海交通大学、浙江大学、哈尔滨工程大学、海洋化工研究院及同济大学共同承担研制工作,以产学研用相结合的方式,力促深海设备的工程化和实用化。
  

 
  浦江南海梦相连
  
  从广州起航,一路向南,一日千里。经过两天航行,“海洋六号”抵达南海中央海盆区。
  
  4月18日,“海马号”ROV入水后,以每分钟40米的速度向海底进发。经过两个半小时的下潜,到中午11时45分,抵达南海中央海盆海底,扬起一片轻雾。在“海洋六号”监控室内,通过“海马号”携带的高清摄像机传回了中国南海中央海盆海底的讯息。记者清晰看到:海底泥雾消散,一片平静,灰白、暗黑相间的沉积物静静袒呈。此刻,屏幕左上方跳动的数据显示出“海马号”所在的深度:4502.78米。
  
  研制一套国产化的深海无人遥控潜水器ROV,一直是连琏和我国深海技术装备研发“一代人”的梦想。早在2003年,她担任863计划海洋技术领域主题专家期间,就和国内同行专家一起推动国产化无人遥控深潜器的立项研发。到2007年,我国自主研发深海无人遥控潜水器项目“4500米级深海作业系统”终于列入863计划立项申请指南。2008年底,项目正式启动。那时,已是梦想五年!
  
  上海交通大学是“海马号”ROV本体研制的总体设计、设备研发、系统集成和试验的主要承担单位,由校科研院副院长刘燕刚担任交大课题组负责人,海科院副研究员马厦飞任技术负责。课题组技术人员来自连琏、任平带领的深海技术与装备专职研究团队。上海交通大学集中优势资源,并提供了水下环境条件综合实验室、大型水池、建造装配车间等,保证了项目的顺利实施。
  
  总体设计是潜水器研发的关键,涉及到总体布置、材料科学、高压密封技术、总体组装和试验技术等诸多难点。马厦飞带领总体攻关小组,连琏、任平两位技术专家亲自指导,剖析、借鉴了大量国际先进技术,形成了具有中国自主创新特色的“海马号”潜水器总体设计方案。
  
  任平研究员目前担任863计划海洋技术领域深海探测与作业技术主题专家组组长。在海试现场,他对记者说,“在4500米的深海底,指甲盖大小的面积,就要承受约半吨重的压力”。上海交大课题组依托国内技术优选出耐压、耐腐蚀、比重轻的结构材料。经反复优化设计和试验,克服了系统散热、穿舱密封等众多技术难点,研制出整体插拔式电子舱和各种耐压结构,攻克了深海设备的重要环节。
  
  控制系统是ROV核心,也是研制工作的最难点。刘纯虎博士带领年轻的控制系统研发小组,攻克了包括ROV操作系统、计算机控制、光纤通讯、电子线路开发、控制系统集成和试验等技术,圆满完成了研制任务。
  
  ROV深入海底,成百上千的传感器数据通过软件进行分析处理,实施监控,这无疑是一项庞大而复杂的系统工程。无数次的测试修改,最终形成了具有完全自主知识产权,可实时控制、监测、警告等综合功能的大型ROV控制软件。
  
  交大自主研制的重载升沉补偿装置在整个海试过程中显示了很好效果,船上操作人员对其性能给与了高度评价。国内首次开发的一体式深海大功率HMI照明灯、各种系列深海水下摄像机、照明灯、水下布放底盘,深海采样底盘等设备,成为“海马号”高国产化率的重要组成部分。
  

 
  海风吹入西子梦
  

  2008年12月,西子湖畔。浙江大学顾临怡教授刚从美国明尼苏达大学留学回国,就代表浙江大学挑起了“4500米深海作业系统”水下液压、作业系统和控制器研发的重担。
  
  螺旋桨推进系统、水下机械手作业、水下分布式控制计算机、液压动力和管路系统、深海压力补偿系统,犹如潜水器的四肢、神经和血液循环系统。为了支持这套国产化潜水器问世,浙江大学、浙江省科技厅、地方政府投入了两倍以上的配套资金,及1000平方米的实验用房,建立了一套完备的测试系统和试验标准。
  
  6年研发过程跌宕起伏:为了把控制命令下达到每一个“器官”,课题组提出了“集散型控制”的新理念,但这必须建立在水下控制计算机耐高压的基础之上。晶振,是水下计算机的“心脏起搏器”。电控组一次性买来十多种不同的晶振,进行高压环境测试。但还没超过2000米,已经没有一个能正常工作了。项目组一时陷入绝境。一个偶然的机会,顾临怡教授脑子里闪过一个念头:“为什么不能搭一个高频振荡电路出来代替晶振呢?”马上设计、买元件、焊电路、高压测试。成功啦!1万美元的进口电路板,国产品的成本还不到1000元人民币!
  
  为了让“海马号”ROV在水下游得更快些,浙江大学课题组决定采用损耗更低的比例压力阀来控制螺旋桨。研发过程中,周锋博士带领的液压推进系统研发团队遭遇了系统在低转速、低压力下共振的难题。研发团队曾一度打算放弃这种高效的系统,退回到最常规的伺服阀控制流量的方案。但周锋心有不甘,提出了新的想法:“如果转速低、压力不低,会不会就不振了呢?”他马上修改参数,进行理论推导、数学建模、仿真等。为了积累反复试验的数据,周锋团队将工作地点搬到测试水池旁,现场办公,时刻改进,反推分析,彻底解决这一难题。
  
  浙江大学罗高生博士带领团队前后花了8年时间研制深海潜水器机械手,“海马号”配套的五功能和七功能机械手,已是第六代定型产品。在深海试验中,曾两次出现五功能机械手肩关节不能左摆的问题。经反复分析,并更换元器件后,验收试验中五功能机械手的肩膀终于能够灵活摆动。这只中国机械手经受住了深海的考验。
  
  浮力材料是潜水器的重要组成部分。在863计划的支持下,青岛海洋化工研究院从“玻璃微珠”研制起步,到如今3次南海中央海盆的下潜,国产浮力材料经受住了4500米深度的挑战。
  
  汇集国内业界优势研发力量,组成优秀协同创新团队,潜心攻关、勇于探索,6年不懈努力,终于使我国全面掌握了大深度无人遥控潜水器各项核心技术,并在关键技术国产化方面取得了实质性的进展。
  
  梦的航道梦的歌

  
  4月18日,中国南海中央海盆,一场精妙绝伦的深海演出正在拉开帷幕——主角是“海马号”ROV。在作业母船上的操作手胡波的遥控下,“海马号”搜寻到前一天投放的水下升降装置,用机械手从中取出一个铭刻着中国国旗、国徽,约半米高的凉亭状标志物,并将它永久地安置在中国南海4502米深度的海底。
  
  其后,“海马号”又相继完成了地热探针测量、海底地震仪投放、海底沉积物取样等一系列深海作业,并完成了定向、定高、定深航行等指标考核。
  
  “海马号”ROV的每一个表演,通过它所携带的高清摄像系统传输到作业母船——“海洋六号”的监控室里,得到了验收专家组的肯定,激起了海试团队的欢呼声和阵阵掌声。
  
  17次下潜,3次到达4500米南海中央海盆底部,最大下潜深度4502米,“海马号”完成了规定的海试全部考核项目和技术指标测试,通过了现场专家组确认的114项考核。
  
  通过海试验收的大考,“海马号”成为中国探索深海的新的作业装备。这是863计划在海洋技术领域产业化道路上的一次成功实践。以用户需求为核心的业主制,为“海马号”的成功打下了伏笔。
  
  广州海洋地质调查局是“海马号”研制项目的牵头单位,也是这套深海设备研制完成后的业主。自然而然,“东家”要为这个项目实施,派出一位“大拿”担任项目长。2008年,广海局领导再三考虑,指派广海局方法所深海探查室高级工程师陶军担任主帅。同时,还制定了“项目组织方式和运行管理机制”,成立了以现任局长温宁为组长,总工程师杨胜雄为副组长的项目领导小组和项目管理办公室,就合作单位的项目组管理、运行机制和基础配套设施问题提出业主意见并及时督促整改,持续推动项目的开展。
  
  项目长陶军有30年的海上作业经验,具有丰富的海洋地质专业知识和深海探测技术研发经验,先后主持和参加过多项深海装备科研项目。早在1998年,他就主持成功研制了深海海底彩色数字摄像系统,为我国海底矿产资源调查填补了一项技术手段的空白。
  
  整整6年,陶军心无旁骛,执着专注于“4500米级深海作业系统”研制。这个中国863计划海洋技术领域重大项目的“项目长”,统领了一批中国海洋科技界顶尖精英研发团队,直面三所大学、几家研究院所、几十家合作单位、近百家协作工厂……在海试现场,只见他手持对讲机斩钉截铁指挥若定却又举重若轻,颇有号令三军的大将风度。
  
  陶军说,他是项目组成员的一根“主心骨”。研发过程中,他代表业主单位,把不同专业、不同风格、不同体制、不同系列的数个参研单位凝聚在一起,同心协力、同舟共济,引导研发设计方案瞄准国家海洋探查的实际需求;在项目研制的困难时期,他主动承担责任,顶起巨大压力,依靠在国土资源部、科技部等上级领导协调解决问题,和科研团队共度难关……
  
  在海试第12次深潜之后,浮力材料暴露了一些局部缺陷。能否再探深海,研制单位也有些拿不定主意,项目长陶军当机立断,制订了修复方案,并及时修改了海试计划,修复后的国产浮力材料最终通过了4500米的深海检验,保证了“海马号”顺利通过海试验收。
  
  陶军说,他要做一颗“螺丝钉”,一颗把技术研发和实际应用紧紧拧紧在一起的螺丝钉,要把“海马号”做成能够投入实际应用的设备,而不是一台摆设样机!他作为项目长的一个重要任务,就是凭借丰富的海洋科学知识和海上工作经验,时刻以实用化的要求组织开展技术研发,保证“海马号”具有实用性、可靠性、稳定性,并有很好的应用功能扩展能力……
  
  “海马号”的研发和海试成功,不仅铸就了中国深海潜水器技术装备研发团队,还锤炼了一支年轻的中国深潜器技术作业团队。他们中,有被誉为ROV“四剑客”的现场指挥陈宗恒、后甲板操手田烈余、主操手胡波、副操手陈春亮。
  
  五年前,广州海洋地质调查局从加拿大引进了一台4000米级“海狮号”ROV;2009年,“海洋六号”综合科学考察船正式入列;2010年,“海狮号”ROV入住“海洋六号”船后,开始投入了我国南海地质调查中。广海局组建起以液压、机电、导航、ROV驾驶、收放作业和科学应用人员组成的ROV专业团队,接受了专业系统的培训,积累了丰富的作业经验。
  
  作为陶军的得力助手,陈宗恒是与各参研单位进行技术沟通的“总联络员”,直接参与“海马号”设计和各技术环节的科研攻关,并根据海上实际作业环境等提出了许多务实的建议,已历练为集ROV研制和海上应用技术于一身的青年技术骨干。
  
  从ROV入水、下潜到海底作业,无数次磨练中,以“四剑客”为代表的中国ROV作业团队练就了“轻、快、稳、准”的操作“秘籍”。“海马号”在4500米海底的表演,就是这个团队的完美合作。
  
  海洋六号:梦的平台梦之队
  
  2014年4月18日下午7时,“海马号”完成验收潜次设计任务后返回作业甲板。4月19日,按照验收专家组提出的海底试验可重复再现的要求,“海马号”再次深潜4500米,又开展了一次试验性应用下潜作业,完成了深海海底ROV自拍、光纤通讯热备切换等多项任务。
  
  当“海马号”潜水器平稳降落在母船“海洋六号”作业甲板上时,现场所有海试人员汇聚一起,振臂欢呼“海马号,马到成功!”这意味着,“海马号”ROV与作业母船“海洋六号”成功实现无缝对接!这是中国深海技术装备从技术研发走向工程化应用的成功实践!
  
  “海洋六号”是我国最先进的综合科考船之一,拥有ROV系统作业配套辅助设备和作业、维护、储藏空间。2009年入列以来,承担了中国大洋科考、天然气水合物资源调查、海洋区域地质调查等大量国家海洋地质调查任务,每年仅海上作业时间超过200多天。
  
  “非常感谢海洋六号全体参航人员,特别感谢以船长为核心的船员队伍为海试提供了动力和后勤保障,谢谢船员兄弟们!”海试成功现场,专家们对“海洋六号”船给以高度评价。
  
  去年11月初太平洋科考归来后,“海洋六号”就开始了为“海马号”海试的各项准备:移动式绞车、升沉补偿装置安装和出海试验、进坞维修、ROV系统调试……
  
  12月份的南海,受冷空气的不断影响,风高浪急,海况恶劣。“海洋六号”接到出海试验移动式绞车和升沉补偿装置的任务。经过几天大风浪的洗礼后,终于等来了相对较好的4级海况。机不可失,时不再来,船长蓝明华一声令下,各部门迅速行动起来:机舱备发电机,驾驶台启动动力定位系统,后甲板人员吊放设备下水,一气呵成。涌浪大,船如扁舟随波起伏,开展水下作业极为艰难。“海洋六号”全船配合,设备安全回收,有惊无险地完成了这一甲板吊放回收关键装置的海上试验。
  
  刚刚结束春节假期,“海洋六号”便接到出海试验的通知。我国自主研发的深海作业系统到底行不行?能否经得住深海的考验?能否在4月底前结束所有海试……带着种种质疑,2014年2月20日,一声汽笛长鸣,“海马号”搭乘作业母船“海洋六号”,缓缓离开广州东江口海洋地质码头,直奔南海,开启了它的海试之旅……
  
  从珠江口到南海中央海盆,“海马号”下潜海底的作业深度在刷新:17米、30米、70米、100米、500米、1000米、1500米,到4460米,“海马号”相继完成了浅水、中深水、深水试验。
  
  2月26日,“海马号”第4潜次试验。当潜水器下潜到70米后,计算机显示补偿器液位异常,试验被迫终止。经过回收检查,发现有海水进入补偿器。针对这一问题,项目组技术人员现场开发了一种可实时监控补偿数据变化的软件。借助这一软件,技术人员发现补偿器油量不足,并就此采取措施,保障了试验顺利。
  
  从初入水的“水土不服”,到所有问题被一一破解排除,这支国产化研发作业团队显示出解决问题克服困难的卓越能力。
  
  从收放ROV本体,起吊、姿态配平,到扩展缆布放、海底运动性能、机械手测试,操控性能测试,以及与水下升降装置联合作业等综合试验,“海马号”经受着一次次严格的考验。
  
  4月15日—22日,“海马号”迎来了海试验收大考!863计划海洋技术领域办公室委派了以浙江大学徐文教授为组长的5人专家组,随“海洋六号”船远赴南海中央海盆,对“海马号”进行现场验收。
  
  这是一次严格的深海大考!按照管理要求,验收专家组对照项目任务合同书和海上试验大纲,确定了114项验收考核指标,其中技术指标91项,并须重复再现,现场逐项检验。
  
  事实胜于雄辩。深海大考中“海马号”表现稳健,各种性能指标良好,以真实的数据顺利通过了专家组严格、务实的现场验收。它标志着我国全面掌握了大深度无人遥控潜水器的关键技术,填补了这一领域的空白。
  
  863计划深海潜水器技术与装备重大项目总体专家组组长丁抗教授在“海马号”返航海试总结会上说,通过专家组严格的现场验收,证明“海马号”的成果是真实可信的。他期待着,中国“海马号”迎来第1000次、2000次的下潜。
  
  验收专家组评价:“海洋六号船及其船载保障系统准确、安全地实施了每一次作业系统的布放回收,全面支撑了海上试验的顺利实施。”“海洋六号”,在祖国南海深处又一次抒写新的梦幻舞曲。
  
  “海洋六号”不愧为中国科考“梦的平台”,“海马号”研发应用团队不愧为我国海洋科技的“梦之队”!当“海马号”ROV深潜到4500米海底时,大海深处也就铺展开了一代中国人的强国梦……
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