深海潜水器谱系化框架探索研究

苏晓云曹俊胡中惠赵晓宇岳彭

(1.中国船舶科学研究中心 无锡 214082;2.深海技术科学太湖实验室 无锡 214082;3.深海载人装备全国重点实验室 无锡 214082;4.海军装备部驻无锡地区军事代表室 无锡 214151)

0 引言

深海潜水器是我国走向深远海的重要装备,开展深海潜水器谱系化工程是“十三五”规划提出的重要目标,也是国家对深海装备体系的整体布局和规划。不同类型和深度的深海潜水器,经过技术的不断更新迭代,取得了跨越性的发展,不断刷新“中国深度”以及应用广度[1]。“蛟龙”号载人潜水器(HOV)、“深海勇士”号HOV、“潜龙”系列自主水下无人航行器(AUV)、“探索”系列AUV、“海龙”系列遥控型水下无人航行器(ROV)、“海马”号ROV、“海燕”系列水下滑翔机(Glider)、“海翼”系列Glider、“海斗”号自主/遥控无人航行器(ARV)、极地系列ARV 等潜水器的成功研制和应用,以及全海深(11 000 m)HOV、ARV 等潜水器的研发,使得我国在构建具有自主知识产权的深海潜水器领域已经建成了完整的技术链条和应用体系。未来,根据海洋科学研究、海洋资源开发利用、海洋权益维护的需求,将开发出更多符合实际要求的深海装备。本文结合我国潜水器领域几十年的科研成果,开展谱系化的潜水器探索研究,构建谱系化框架方案。

1 谱系化定义

潜水器谱系是一种装备可持续发展的体系,是已有产品与未来发展需求等情况基本信息的集中体现。潜水器的谱系化,是将潜水器的主要参数、类型、基本结构等做出合理的安排和规划,是记载潜水器装备成熟度的重要表现形式。它是装备体系建设各项要素的基础和依据,是使潜水器装备系统的结构优化、功能最佳的标准化形式。

2 我国深海潜水器发展成果

我国深海关键技术与装备取得全方位突破,成体系掌握深海能源、材料、结构、传感、控制、导航定位、通信、机械手、液压等核心关键技术,集成应用形成全谱系深海潜水器。“蛟龙”号完成升级改造,与“海龙”号、“潜龙”号形成“三龙”运载装备技术体系,具备深海活动综合支撑保障能力。“深海勇士”号国产化率超过95%,与“海马”号、“潜龙二号”共同构建形成我国4 500 m 级深海多功能作业能力。“海斗一号”全海深自治遥控潜水器最大下潜深度达到10 907 m,填补了我国万米级作业型无人潜水器空白;“海燕-X”深海滑翔机最大下潜深度达到10 619 m,刷新了水下滑翔机的世界纪录;“奋斗者”号全海深载人潜水器创造了10 909 m 这一中国载人深潜的里程碑纪录[2-6]。本文梳理选取具有代表性深海潜水器进行分析和研究,内容如表1所示。

表1 国内潜水器主要成果Table 1 List of major achievements of domestic submersibles

从表1所列装备分析,目前国内在潜水器类型上已经全部覆盖,包括了载人和无人的各种潜水器、复合型的潜水器等均有研制产品或样机,在深度上也已经覆盖了全海深,但在应用维度上尚有欠缺,停留在海洋探测或科考,特别是具有专业特色的潜水器上还存在不足,如具有大观察视野的水下特种探索载人潜水器、救助打捞型潜水器等[7]。我国已研制的装备尚处于多产品开发阶段,系列化产品少,很多装备属于“独生子”,应用领域也比较单一,但也具备了一定的规模,形成了谱系化发展趋势,并走到了规划未来潜水器发展方向的十字路口[8]。

3 谱系化框架构建方法

发展成果是开展谱系化研究的基础,回顾潜水器的发展历程,深海装备行业由于技术难度比较大,还处于多产品开发的阶段,有了一个小的发展规模。但想要构建谱系化框架,潜水器的发展规模参考范围还是比较局限,不足以让我们站在一个制高点来规划行业发展方向,因此可以借鉴和引进其他行业成熟和先进的技术管理理念,如具有相似技术发展模式的航空、航天、动车、汽车是发展比较快的行业,这些行业生产都有一定的规模,且有一定的市场保有量,汽车行业发展更是日新月异。解读它们的发展历程,总结发展经验,吸收先进技术管理理念,能为潜水器谱系化框架研究带来启示。

以汽车行业发展为例[9-10],它的发展模式可以说是我国科技发展的一个缩影。图1是解读汽车行业的发展过程,它们走过一个从优化到规划的过程。汽车发展是从单个产品设计,发展到平台设计,汽车行业在规模持续壮大的过程中,不断优化他们固有的平台,一些实力雄厚的大公司更是提出了架构的设计理念,从优化概念转向了规划概念,提出更有创新型设计理念,引领市场。

图1 汽车行业发展过程Fig.1 Automotive industry development process

产品的发展都具有相似性,深海潜水器发展也会遵循产品的发展规律。由图1可知,在构建潜水器谱系化框架,有两种方法可以选择,一种是由下而上(适应性)方法;另一种是自上而下(前瞻性)方法。

适应性:根据已有产品的种类,构建产品的家族,并随着新产品的开发,技术不断突破,扩展和优化而开展的方案,它的核心是以已研制的装备为基础,在现有基础上利用共有要素构建的新产品,适应现有产品的研制基础。

前瞻性:利用在应用领域的获得经验,及对未来需求和技术发展趋势预判而进行的设计方案,它的核心是融合了多种元素的长远发展计划,描绘产品的发展愿景,具有长远性。

4 深海潜水器谱系化框架方案

4.1 适应性方案

如上文所述,采用适应性方案是在现有基础上开展的规划工作,结合近几十年我国深海装备研究的成果,从现有已研制的装备中,寻找规律性的东西加以分析和研究,正如谱系化定义中所表述的是将潜水器的主要参数、类型、基本结构等做出合理的安排和规划,现将已有的装备加以总结和分析,并抽象表达成一个数学模型(图2)。

图2 适应性框架方案Fig.2 Adaptive framework program

基本参数:对于现在的深海潜水器而言,可以是载人或无人,也可以是有缆或无缆,根据规划目的设置作为基本参数。如果按载人或无人,清晰地给出载人潜水器和无人潜水器两大型,从而确立了两种不同种类深海潜水器装备。

变形参数:根据目前的深海潜水器,在载人领域可根据深度、作业领域、用途等方面考虑;在无人领域,下潜深度、有无动力、作业领域、用途等领域设置变形参数,有缆或无缆也可以作为变形参数。

4.2 前瞻性方案

首先要明确深海潜水器装备的中长期发展愿景和目标,其次要考虑技术、产业的成熟度以及装备的应用领域,最后兼顾当前的装备需求和未来技术的演进能力,来形成深海装备行业的顶层设计,这里可借鉴汽车行业的规划发展路径,引入架构概念[11],并抽象表达成一个数学模型(图3)。

图3 前瞻性框架方案Fig.3 Forward-looking framework program

架构:设计理念相同,模块化集成,在研制过程中,具有相同的技术解决方案和工程实现手段,是一种更深层次的协同和提升,同架构的装备拥有相似的技术基因。以ROV、AUV、ARV、Glider为例理解,可以把ROV、AUV、ARV、Glider等同于无人潜水器不同的架构形式,更能直观地理解构架的概念。

平台:同一架构,可以衍生出不同平台的产品。来自同一平台的不同潜水器装备,具有相同的结构部件,是在相同标准的基础上设计的,可以生产不同形状和功能的装备,从而降低成本,缩短研制时间,可以共用大部分零件和制造工艺。在深海潜水器领域,由于存在水深压力,不同深度可作为设置平台的基础,以ROV 为例,在ROV 架构下,可以设置出如1 000米级平台、3 000米级平台、6 000米级平台等不同的级别的平台。

产品:同一品牌的产品,具有相同的功能和特点的一系列产品,不同的产品有不同的定位,为保证安全可靠性、操控性等不同需求,会在功能上有不同的设计和考虑。例如,在同架构同平台研制的批量潜水器装备,即可视为同一品牌产品。

以上两种构建方案没有优劣之分,不管是采用什么方案,都要随形势而不断调整,动态适应形势的变化才能更好地推动深海潜水器装备向规划好的方向发展。尤其在当今日趋激励的综合国力竞争中,必须采取更积极有效的应对措施,研究和找准世界科技发展的背景和趋势,把需要与现实能力统筹考虑,长远目标与近期工作互相结合,不断创新,才能提出切合实际的深海潜水器谱系化发展方向。

5 结论

深海潜水器谱系化框架研究是我国深海装备体系建设的重要组成部分,它是一项系统性、基础性的工作,同时也是一项创新性和探索工作。它是深海潜水器发展规划的一种表现形式,是具有战略意义的指导性文件。它为深海潜水器可持续发展提供了方向,为未来装备规划提供了重要依据,对整个国家未来深海潜水器装备的发展具有十分重大的指导意义。