海洋前沿▏我国及其世界各国深海空间站的发展状况

发布时间：2016-03-17浏览次数：736

海洋前沿▏我国及其世界各国深海空间站的发展状况


3月5日，第十二届全国人民代表大会第四次会议在北京人民大会堂开幕，会议公布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要（草案）》。《纲要（草案）》提出，“十三五”时期，我国将计划实施100个重大工程及项目，其中涉海工程包括建设深海空间站。那么，本文就来说说我国及其国外的深海空间站发展状况。

深海空间站及其意义

海空间站”，又称龙宫，就是把地面的房间搬到了水下，生活起居都要考虑，甚至沐浴，就是说有起居室和实验室都有，有点像蜗居的房子，就是在狭小的空间尽可能把各种功能都考虑到，未来的这个龙宫，可以做到洗澡、娱乐一应俱全。正确的定义“深海空间站”，就是在载人潜水器基础上发展起来的新一代居住型深海作业平台。
“深海空间站”是国际深海装备技术发展的前沿，也是衡量一个国家船舶科技水平的重要标志之一。与载人潜水器相比，“深海空间站”的作业体系将更为复杂，作业功能也更为丰富，可执行水下观察与探测、深海搜索与打捞、水下指控与供能、海底取样与研究、水下施工与维修、水下监视与侦察等多种任务，具有长时间、全天候、大范围、大功率、载员多、不受洋面风浪条件影响等优势。
“深海空间站”具有三大技术特点。第一，其重在突破载人深潜器“仅数小时观察探测”的限制，以更长时间、更大有效容积、更大有效载荷、更大范围的深海作业为主要目标。第二，其以携带功能广泛的作业潜器与工具、在比潜艇深得多的水下（1000～1500米）进行深海工程作业为主要功能。第三，“深海空间站”潜于深海进行操控作业，不受水面海洋平台及科考船所遇到的海面恶劣风浪环境的影响。
由于深海的海洋环境无时不刻在发生变化，我们只有呆在海底一段比较长的时间，才能真正做到即时观察、研究。有很多海洋生物生活在海底低温、没有阳光、又有剧毒素的环境里，如果把生物打捞上来脱离这个环境研究，还是不能捕获这些生物的基本特质的，如果有条件直接在它们生存的环境里就地研究，会更有价值。
深海空间站将实现深潜器和深海空间站对接，深海空间站代表着海洋领域的前沿，航天领域中神九和天宫一号对接的场景，就是未来深潜器和深海空间站将要实现的一个长远目标。深海空间站的母舰有点像天宫一号，深潜器好像是神九，一主两辅，一主是深海空间站主体，两辅就是保障船和水下运载器，就是把母船上的物资带到空间上去。
目前美国、俄罗斯都已拥有的“深海空间站”类型装备，之前主要用于建设军事探测和无人作战系统。进入21世纪以后，美国、俄罗斯开始采取专用型和通用型“深海空间站”类型装备并重发展的方式，将“深海空间站”的应用目标转向能源资源、国土权益、科研环保等方面，力图保持在海洋科技领域的先机和优势。

掌握强大的深海作业能力已成为新世纪海洋强国的战略取向，各海洋强国都把掌握深海装备技术，具备人员进入深海、实施工程施工的能力作为取得海洋科学、经济、军事竞争战略主动权的重要举措。为此，从国家战略需求出发，我国也应尽快实施“深海空间站”重大科技工程项目，使我国具备进入深海，“下得去，待得住，能作业”的能力，全面带动新一代深海装备产业的创新发展，在世界海洋开发竞争中取得主动权，为实现“海洋强国梦”提供重要的技术支撑。


我国的深海空间站发展
2012年5月23日，在北京科博会上首次亮相了我国的“深海空间站”——小型深海移动工作站模型。2013年11月3日，中国首个实验型深海移动工作站已完成总装，进行了水池试验。该“深海空间站”外形类似一艘小型潜艇，但工作潜深远大于一般的军用潜艇，可达1500米；采用电池动力，可在水下连续逗留15～18昼夜，水下航速4节，最大载员12人，正常排水量260吨级，长24米，可携带多种水下机器人（ROV）、大型多功能作业机械手、重型水下起吊装置等。
中国深海空间站实施“三步走”计划，以上这个35吨级的实验平台主要用于验证、演示深海工作站具有哪些功能，目前已经完成了小型深海空间站试验艇的研制工作。第二步计划研制的深海移动工作站正在稳步推进，最终目标是研制可以水下逗留时间60天、具有1500吨级和2500吨级两种类型的未来型深海移动空间站。
目前，中国将开展4500米载人潜水器关键技术攻关工作，其中载人球舱已在2013年底完成研制，整个潜水器项目预计在2018年前后完工。与“蛟龙”号这个中外“混血儿”相比，4500米载人潜水器是地道的中国龙，钛合金的客体由我国自主完成。未来的深海移动工作站除了在海底能工作更长时间和更大范围外，还可像一个运载平台，配备有多类深海机器人，使更多的深海科学实验研究成为可能。
我国深海载人装备的未来发展，有三个重要方向：一是加强现有载人与无人潜器的实用化配套建设，以尽快拓展7000米以浅深海研究与开发的广度；二是在“蛟龙”号前沿技术的基础上，以对海洋经济发展和海洋安全防卫最为关键的3000米以浅大范围、长航程、高功率深海作业为目标，跨越式发展“深海空间站”技术，进一步培育深海工程作业能力；三是适时进一步开发占世界海域面积不足1%的7000米以深海域的载人潜器技术，使我国深海探测与研究覆盖全海域。
日前，我国在深潜器和深海空间站对接技术上已经走出了可喜的一步。2015年10月，由哈尔滨工程大学科研团队和中船重工702所承担的“自治式潜器（AUV）搭载对接技术研究”项目完成海试验收，首次成功实现自治式潜器与深海空间站对接的关键技术验证。此次海试成功，是他们近四年努力的结果，也为未来中国深海空间站的发展迈出了关键的一步。
深海空间站和深海长期观测系统是人类征服海洋空间的大门，可以预测地震、海底火山喷发，观测地壳变异、海洋物理、海洋化学等参数变化，通常由海底观测系统和水面支持平台组成。AUV是水面支持平台和海底固定式空间站、深海长期观测系统之间的物理连接纽带，除了负责海底调查、数据传输、运输等任务外,还可以对海底固定式空间站和深海长期观测系统进行能源补充。在这种系统中，AUV水下对接技术更显重要。

该次海试，通过高精度的位姿测量技术和AUV精确导航、自主规划与运动控制技术来解决水下对接，团队为AUV配上了高精尖的“车载导航”实现了精确测距与定位，通过完全自主规划与决策和智能运动控制，不断对平台进行搜索跟踪定位并调整自身运动姿态，从而顺利完成了AUV水下搭载对接。AUV搭载对接技术可提高自治式潜水器效率、节约时间与能源，不仅适应深海空间站科技专项工程的需求，还将为推动我国各类深海潜水器的应用奠定坚实的技术基础。AUV水下对接技术也可以为将来的军事作战和无人水下作战平台提供技术基础。

国外深海空间站的发展
深海空间站包括能够长期水下部署的大型多功能载人平台、深海研究潜艇、小型载人深潜器等装备。美国已于2008年宣布新建1艘千吨级通用型“深海空间站”，将兼具7项军用使命和9项民用使命。而针对拓展海洋权益与开发北冰洋油气资源的需要，俄罗斯在加快研制通用型和专用型“深海空间站”，于2006年就提出北冰洋油气开发六类专用型深海核动力工作站的设想，开展包括水下钻井、水下天然气转运、水下运输、水下供能、水下作业以及多功能水下平台的研究，并已于2013年启动了其通用型“深海空间站”的建造项目。挪威在2012年开始研发“北冰洋水下工作站”，将用于北极深水油气开发。
目前，美、英等国均已提出深海空间站的构想，但都处于概念设计阶段，并无实质性进展；美、俄、日等国已在现役潜艇的基础上，通过新研、改装等多种技术途径，发展新型深海研究潜艇，探索水下作业、负载携带等技术，满足海军水下作战需求。下面就来具体谈谈世界各国深海空间站的发展进程。
1
美国
美国自上世纪60年代起，研制了多型深海潜艇、载人深潜器装备，完成了大量深海试验，目前正在论证世界上首个深海生活、工作实验室。
①NR-1、NR-2型深海研究潜艇
1965年，美国开始建造NR-1型深海研究潜艇，1969年正式服役。NR-1潜艇采用核动力推进，水下排水量393吨，最大工作深度达1000米，水下航速3.5节,可执行深海作业、水下环境监测、深海搜索、救援等任务。该潜艇在冷战期间执行了多次海底监听、深海打捞等任务，20世纪后期参与了大量民用海洋科考活动。
由于NR-1的某些技术已不能满足任务需求，现已退役。美国海军开始设计NR-2潜艇，并于2007年公布了三种设计方案。NR-2潜艇可进一步提高海底国有资产保护、信息攻防作战、战场情报准备、水下情报监视侦察等能力，还可执行其他秘密任务。
②“阿尔文”号载人深潜器
“阿尔文”号是美国目前唯一一艘载人深潜器，1963年下水，已完成了3000次以上潜水作业。“阿尔文”号最大前身4550米（1991年实现），可到达除深海海底和海沟以外的64%左右的海底。“阿尔文”号潜器由耐压壳体、电池及相关的电子系统、压载系统、推进器、操作臂和传感器组成，可在深海海底开展地壳构造、海洋化学、生命起源以及深海物质组成等基础研究，还可绘制海底地图并测量海道。目前，“Alvin”号深潜器建造初期的所有部件基本上已经全部被更换，原来的钢铁结构壳体已于1973年被钛合金壳体所替代。
③“海洋大气海底综合研究”平台
美国正在酝酿的“海洋大气海底综合研究”平台将是世界上第一个深海研究设备，设计占地3716平方米，有一个置于海底的深海空间站、一个从水面到海底的井架系统、一个可沿井架上下移动的观察试验运载舱组成。平台潜深约168米，自持力30天，载15人。
此外，2008年美国休斯敦先进研究中心(HARC)还提出了海底钻探能源供应型深海空间站。
2
欧洲
①法国
法国也非常重视深海载人潜器的发展，技术水平也处于世界领先的地位。目前法国在役的载人潜器仅有Nautile号。Nautile号载人潜器的下潜深度可达6000m。耐压壳体是由两个钛合金半球体通过螺栓联接而成，所配置科学考察用的视窗框比美国Alvin号小，向前方和向下方进行观察用的窗口真正地为进行俯视的观察者提供了极佳的视觉平台。Nautile号拥有400W HMI灯的摄像机，再加上配置的音响传送装置，可将Nautile号拍摄到的录像图片即时地向母船传送，在母船上每间隔10s就能收到一张静态的彩色图像。法国深潜科学考察设备的规模较小，但机动性较强。Nautile号上还配有Robin遥控潜器。Robin号上配置了3台摄像机和1台照相机，在6000米水深的海域中，用直径19毫米，长70米，具有中性浮力的电缆与Nautile号相联，并在其指挥下进行水下作业。Robin号对接于Nautile号的前部，可以有效地用于无法达到或危险区域的观察。
②英国
英国朴茨茅斯大学提出了一种水下星球大战系统，并进行了概念设计。根据设计方案，这个深海空间站大部分时间在水下固定，当需要移动时可缓慢移动。该结构形式融合了传统潜艇圆柱形壳体的优点，去除了圆柱形壳体两端不利于人员行走的缺点。战争前期间，潜艇可直接通过深海空间站补给，还可进行维修。
3
俄罗斯
①深海研究潜艇
俄罗斯自冷战起建造了多艘深海研究潜艇，包括2艘“比目鱼”级和3艘“军服”级。其中，“比目鱼”级水下排水量730吨，采用钛合金耐压壳体，最大下潜深度达1000米。3艘“军服”级于1986～1998年间陆续服役，专门用于海洋科学考察和研究。潜艇水下排水量1580吨，核动力推进，最大下潜深度可达700米。
②Mir系列深潜器
目前，俄罗斯在役的深海载人潜器为Mir-1和Mir-2号，也是唯一一对完全相同的具有6000米潜深能力的潜器，这两艘潜器均是在1967年受希尔诺夫海洋研究所及当时苏联科学院委托，由芬兰公司建造。耐压壳首次采用了镍钛材料，达到了较高的强重比，半球状的耐压壳是通过螺栓铆接相联而非焊接而成。Mir号可达到世界上除了海沟之外97%的海洋海底。Mir号配备了在水下及海底考察中使用的全套仪器，配有水柱和海底研究室，装备了来自先进制造厂家的仪器和室内导航脉冲收发两用机。镉镍蓄电池可使其持续在海底潜航工作时间达到20小时以上，比其它类型深海潜水器的海底工作时间多出3～4倍。
③深海水下钻井平台
俄罗斯设计的深海水下钻井平台排水量达23000吨，自持力60天，工作深度60～400米，最大功率6000千瓦，可搭载ARKTIKA 3500/400钻井装备，最大钻井深度6000米。此外，还搭载了两台遥控潜航器，1艘救援潜航器。
4
日本
①Shinkai系列深潜器
日本一直以来非常重视载人潜器的发展，依靠在船舶设计、制造、电子、材料等行业的先进水平，载人潜器的水平也居于世界的领先地位。目前，日本在役的深海载人潜器为Shinkai 2000和Shinkai 6500，其中，Shinkai 6500还保持目前载人潜器的最大下潜深度6500米。为了保持在载人潜器方面的领先地位，日本对下一代载人潜器也进行了研究，并提出了5个潜深与水下作业时间等级(11000米/3小时、6500米/21小时、4000米/3天、2000米/7天、500米/14天)的载人深潜器(深海空间站)。对每一个深度级别的潜器，特别是对11000米深度的深海载人潜器，进行了深入的详细研究。
Shinkai2000和Shinkai6500的潜深能力分别为2000米和6500米。Shinkai6500于1989年由日本海洋科学技术中心建成，配有7个自由度的机械手2个，装有三维成像系统，流速仪盐度、温度和深度传感器等，已对锰结核、热液矿床、钻积壳和水深达6500m海洋的斜坡和大断层进行了调查，并从地球物理角度对日本岛礁沿线所出现的地壳运动以及地震、海啸等进行了研究。Shinkai2000和Shinkai6500不论是在何种情况下下水和回收，均是通过两根电缆操作的，与其它类型的深潜器相比，对实施潜水的天气要求较为苛刻。
2013年5月，日本文部省将Shinkai12000列为日国家最优先开发的基础技术之一。2014年，日本海洋研究开发机构表示，该机构计划在2023年将载人深潜器“Shinkai 12000”投入海试。Shinkai12000设计能够在地球最深海底工作，并停留居住数日。较日本当前最先进的载人深潜器Shinkai6500，其最大下潜深度提高近一倍，耐压壳设计可承受12000米深处海水的水压，可轻松下潜至地球上最深的马里亚纳海沟底部。
②深海空间站

日本正在研制潜深从500～2000米的移动式深海空间站，用于科研，潜深2000米的深海空间站设计长30米，宽5.5米，高8.8米，艇员8人，采用钛合金柱壳耐压体，内径3.9米，重300吨，动力形式为锂电池和柴电动力，水下航速4节，水面航速10节，续航力4500海里，海底作业时间7天。


结束语
“十三五”时期，国家海洋局将坚持创新发展，使创新成为推动海洋经济可持续发展的内生动力。近年来，世界深海探测发展迅猛。目前，我国是继美、法、俄、日之后，世界上第五个掌握3500米以上大深度载人深潜技术的国家。未来，深海移动工作站是世界深海科研发展的主要方向。值得关注的是，“深海空间站”正在成为解决海洋与大陆架主权争议的重要手段。据介绍，2012年9月底，俄罗斯利用AS-12深海核动力工作站开展了为期20天的“北极-2012”考察活动，获取500公斤大陆架岩样，证明莱蒙诺索夫和门捷列夫山脊属于俄罗斯大陆架，从而巩固了俄罗斯对北极大陆架主权申诉与军事控制的优势地位。

未来，“深海空间站”的建设将为中国深水油气田开发、海洋观测网络建设与运行维护、海洋科学研究提供深海作业装备。它将与水面平台（6000吨级母船，可拖带工作站，支持其长期水下作业）、穿梭式多功能载人潜水器（往返于工作站与母船之间，具备输送、维修、通信、救生等功能）构成“一主两辅”的三元深海作业体系。人类在太空建立的空间站已经运行了很长时间，深海空间站则代表了海洋领域的前沿核心技术，这是国家科技发展水平、生产力水平的重要标志，将把人类活动空间移向深海。

文章依据网络资料综合编写


转自：溪流的海洋人生