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1、海洋工程基础论文潜水器海 洋 工 程 基 础论 文 潜水器1.潜水器发展简史 概念 潜水器是具有水下观察和作业能力活动深潜水装置，主要用来执行水下考察、海底勘探、海底开发和打捞、救生等任务，并可以作为潜水员活动水下作业基地。又称深潜器、可潜器。研究背景 浩瀚海洋占住了地球表面积71%，深底丰富石油蕴藏、堆积着无数锰团以及其他资源吸引着一些工业发达国家竞相进行海洋开发事业。深潜技术是进行海洋开发必要手段，它是由深潜器、工作母船(水面支援船)和陆上基地所组成一个完整系统，深潜器是其关键部份。此外，为了对深海失事潜艇实施营救，对深海沉船进行打捞以及深海考察，深潜侦察等都需要具备深潜器。深潜器建造难度

2、较大，其电气化、自动化程度较高。 每年都有数千名水手搭乘各型军用潜艇在海面下穿行；数千名商业潜水员在建设或维修海底输油管道、通信电缆和石油钻塔；数千名潜水爱好者以探寻海底奥秘为乐；数千名科研人员潜入深海进行科学研究，这一切活动都离不开潜水器。另外，还有许多海底机器人在人类无法承受深度进行探险活动。美国政府每一年在太空研究方面投入高达数十亿美元，而在深海研究方面则要少多。其实深海探险和太空探险之间既存在着许多相同点，同时也有一些明显不同。人类探寻深海至少比探寻太空早一倍时间，而且发展思路也大不相同。但是这些差别正逐渐变小，深海研究者和太空研究者彼此越来越相像。更加重要，深海探险现在能够对太空探险

3、产生巨大影响。历史沿革 1928年，一位美国人，奥蒂斯巴顿发明并建造了第一艘球形深海探测装置。该装置通身都用钢铁建造，它可以从一艘水面船舶上通过连接电缆下潜到海面之下。 1930年，巴顿和另一名博物学家威廉.彼博一起乘坐这个球形装置下潜到了距海面245米深度；1932年，他们又下潜到了923米深度这一纪录直到15年之后才被打破。后来彼博写了一本书1/2英里之下，他在书中详细描绘了所见到奇异海底生物。这些生物听起来就像是从外星来，因此很多人怀疑彼博是在撒谎。 1945年瑞士探险家奥古斯特.皮卡德发明了深海潜水器。该潜水器在巴顿球形深海探测装置上加装了升力和推进装置，看起来比较像一艘粗笨深海潜艇。

4、皮卡德在对部分设计进行了一些改进之后，建造了第二艘潜水器并命名为“迪里亚斯特”号。 1960年，皮卡德儿子雅科斯和美国海军上尉唐.沃尔什搭乘“迪里亚斯特”号下潜到了马里亚纳海沟深处，距海面10916米（35813英尺）。 1964年深潜器“艾尔文”号搭乘3名研究人员，下潜到水下4500米（14764英尺）深度。在将近40年服役生涯中，“艾尔文”号一共有4000多次深潜经历。它找到了美军丢失氢弹，勘测过海底火山口。另外，它还是第一艘到访过泰坦尼克号沉船载人潜水器。1968年美国建造了6000米潜深载人潜水器“海涯”号，重26吨。 法国在1985年研制成工作水深为6000米“鹦鹉螺”号载人潜水器，

5、重量为18.5吨，可载3人，水下作业时间为5小时。 1989年日本建了潜深为6500米“深海6500”载人潜水器，重量为26吨。 苏联和芬兰于1987年联合研制了两艘6000米载人潜水器“和平1”和“和平2”号。2007年8月2日由两艘和平号载人潜水器联合完成俄罗斯“北极一2007”海洋科学考察，使得这两艘载人潜水器再次引起世人瞩目，并由此正式引发了国际社会在北极利益之争。 蛟龙号载人潜水器是一艘由我国自行设计、自主集成研制载人潜水器，2002年开始研制，2009年研制成功，2012年6月27日，下潜深度到达7062.68米。2.潜水器结构特点及分类潜水器分类（1）按照控制方式分类：ROV-R

6、emotely Operated Vehicle遥控式潜水器（手操控制）UUV-Unmanned Underwater Vehicle无人无缆潜水器（半自主式或预编程控制）AUV-Autonomous Underwater Vehicle自主式或智能潜水器（全自主式或智能式控制）（2）按航行方式分类自由航行式拖曳式海底爬行式（3）按结构形式分类流线式开架式常见型号1.先进海豹输送系统先进海豹输送系统（ASDS）可以安装在一个履带式拖上在陆地上运输或者通过C-5或者C-17飞机进行空运。2003年，先进海豹输送系统“ Hull 1”在夏威夷珍珠港服役，开始至少6个月部署。 2005年底，由于技术

7、问题，原定接下来测试和评估被推迟了。2005年11月，一直强调特种作战潜水器重要需求美国特种作战司令部，调整了先进海豚输送系统计划。调整内容包括：取消了原定对先进海豹输送系统“Hulls 2”和“Hull 3”资金投入，以主要财力和人力来提高先进海豹输送系统“Hulls 1”可靠性;将计划用于未来Hulls上改进用在先进海豹输送系统“Hull 1”上。先进海豹输送系统可靠性小组将确定进一步项目建议。现有预算能够有效运作“Hull 1”型一直到2011年。排水量：60吨长度：65英尺速度：超过5节航程：100海里作战深度：200英尺乘员：2名建造商：诺思罗普格鲁曼海上系统2.海豹输送艇概述：Mk

8、8 Mod 1 海豹输送艇是一种有人操作潜水艇用来输送海军海豹突击队员和他们装备到达任务区域。艇员使用水面呼吸装置维持生命、操作水中海豹输送艇，并为其导航。这种海豹输送艇由位于佛罗里达州巴拿马城海军水面战中心研制而成，电池驱动，装备有推进器、导航设备、通信设备和生命支援设备。它可以将几名全副武装海豹突击队员输送至任务区域，并驻留以接回海豹队员，保持下潜同时撤退。Mk8 Mod 1海豹输送艇在1996年交付海军特种作战部队，在航程、航速、容量和可维护性方面都在原来作战型海豹输送艇有了很大提高。对所有海豹输送艇现代化改进于2006年9月完成，改进项目包括改进潜水者通信特别是卫星通信能力、减少获得全

9、球定位系统信号时间以及安装了一台使用Windows操作系统计算机。3.NR-1 深潜器概述：NR-1是第一艘核动力深潜器，1969年在康涅狄格州格罗顿下水。这种海洋工程和研究潜水器，由4个糟管推力器（2个在前、2个在后），以及2个电动推进器。NR-1主要执行水下搜索和回收以及海洋研究任务，安装和维护水下装备，能够下潜超过半英里。它特征包括： 可扩展底部轮子，3个观察窗， 外部照明灯、电视摄像机(用于彩色图像研究), 1个目标回收手，1个及各种工具相匹配操作器，以及1个可以和操作器结合使用来在海中放置和回收物体“工作篮” 。 水面观察是通过一个永久安装在它上部区域桅杆上1台电视潜望镜来实现。NR

10、-1装备有先进电子和计算机系统，可以帮助导航、通信、物体定位和识别。它可以机动、停留或接近海床或者水下山脉，在一个相当远距离上进行探测、识别物体，并从海底运输和回收物体。NR-1可以4节航速长时间在水下潜行，航程和续航力主要受其补给限制。它可以研究和测绘海洋底部、搜集温度、水流和其它用军事、商业和科学用途数据。核动力推进可以使该潜水器独立于水面支援舰艇之外，具有无限续航力。NR-1通常是由一艘伴随水面支援舰拖曳着往返于遥远任务位置。这艘舰是潜水支援舰（SSV）Carolyn Chouest 号，它还可以和潜艇一起进行研究。排水量：400吨艇长：150 英尺机宽： 12.5 英尺作战深度：最大3

11、000 英尺时速： 4 节动力装置：1座核反应堆，1台涡轮发电机，2台推进电动机(外部)， 2台推进器，4台糟管推力器 (2前2后， X模式)艇员：11名艇员，2名科学家武备：无建造商：康涅狄格州 格罗顿 Electric Boat公司4.深潜救生艇概述：深潜救生艇对美国海军或者外国海军下潜，失去行动能力潜艇进行救援。深潜救生艇发展源于一艘核动力潜艇失事1963年核动力攻击潜艇“长尾鳖”号。深潜救生艇设计用来在潜艇失事中快速部署，可以由卡车、飞机或者舰船运输，也可以特别配置在称之为“潜艇母艇”攻击型潜艇中。深潜救生艇工作于失事地点，有一艘“母舰”或“母艇”伴随。深潜救生艇下潜之后，进行一个声纳

12、搜索，将自己和失事潜艇舱口对接上。深潜救生艇可以派出24人进行救援，并轮换操作，现在只有1艘“神秘”号在役，“阿瓦朗”号于2000年退役。排水量：40.3吨艇长：50.3 英尺机宽：8 英尺时速：4 节作战深度：最大5000 英尺动力装置：推进电机，银/锌电池，1具导管螺旋桨，15轴马力，4个助推器，7.5马力武备：无艇员：2名驾驶人员，2名救援人员，24名乘员空间建造商：加利福尼亚州桑尼维尔 洛克希德 导弹&航天部极限深度记录普通人徒手潜水深度：约10米人类徒手潜水纪录：116米美国俄亥俄级核潜艇：240米人类借助水下呼吸器潜水纪录：305米俄罗斯台风级核潜艇：400米美国海狼级核潜艇：60

13、0米美国阿尔文深潜器：4500米法国鹦鹉螺深潜器、俄罗斯和平一号深潜器：6000米日本深海6500深潜器：6500米中国蛟龙号深潜器：7000米(设计最大深度)潜水器结构组成 典型潜水器是由水面设备（包括操纵控制台、电缆绞车、吊放设备、供电系统等）和水下设备（包括中继器和潜水器本体）组成。潜水器本体在水下靠推进器运动，本体上装有观测设备（摄像机、照相机、照明灯等）和作业设备（机械手、切割器、清洗器等）。潜水器水下运动和作业，是由操作员在水面母舰上控制和监视。靠电缆向本体提供动力和交换信息。中继器可减少电缆对本体运动干扰。新型潜水器从简单遥控式向监控式发展，即由母舰计算机和潜水器本体计算机实行递

14、阶控制，它能对观测信息进行加工，建立环境和内部状态模型。操作人员通过人机交互系统以面向过程抽象符号或语言下达命令，并接受经计算机加工处理信息，对潜水器运行和动作过程进行监视并排除故障。近年来开始研制智能水下机器人系统。操作人员仅下达总任务，机器人就能根据识别和分析环境，自动规划行动、回避障碍、自主地完成指定任务。中国蛟龙号载人潜水器操控系统主要控制系统即中国“龙脑”，相当于“蛟龙号”神经系统，每条神经末梢都连着其他系统，“蛟龙号”在海底每一个动作都必须得到“大脑”“命令”。中国“龙脑”，由中科院沈阳自动化研究所自主研制，流着纯正“中国血统”，是颗睿智“龙脑”，它创造者既有院士，也有工人，既有7

15、0后，也有50后老教授。航行控制系统是中国“龙脑”核心，具备自动定向、定深、定高以及悬停定位功能，使“蛟龙号”能全自动航行，免去潜航员长时间驾驶之累。综合显控系统相当于“仪表盘”，能够分析水面母船传来信息，显示出“蛟龙”和母船位置以及潜水器各系统运行状态，实现母船及“蛟龙”间互动。水面监控系统显示母船信息及“蛟龙”信息集合，使指挥员能对母船位置和“蛟龙”位置进行正确判断，进而做出相应调整，保证“蛟龙”安全回家。数据分析平台可以对综合显控系统所采集数据如深度、温度及报警信息等进行分析，使之自动生成图形。这一平台还可查看历次下潜时间、地点以及潜航员操作流程。半物理仿真平台主要用途是验证“蛟龙”控制

16、系统设计准确性。科研人员通过输入相关参数，模拟水下环境，测试控制系统运行状况，可以节约人力、物力，降低风险缩短研制周期，提高系统可靠性和安全性，还能为潜航员训练提供“虚拟环境”。潜水器推进装置 一般潜水器采用轴推进方式，从主推进电机（变速箱）引出一根长长主推进轴，从耐压艇体中穿出，带动艇尾螺旋桨。主轴和耐压艇体之间空隙需要进行密封处理，潜深几百米普通潜水器，密封措施一般是在主轴和艇壳之间垫一个皮碗密封圈。 但对于设计潜深达7000米深潜器，每平方米艇体要承受7100吨水压，此时无论是皮碗还是别什么密封材料都毫无意义。如果深潜器采用常规轴推进方式，那么在几千米水下哦，我们将会听到“砰”一声，海水

17、压垮密封圈 ，从主轴和艇体之间空隙迸射进来由于密封装置无法维持高达700个大气压内外压差，因此，自航式深潜器推进舱不可能保持1个大气压环境，必须做成非耐压结构，即舱内和舱外压强大致均衡，都是700个大气压左右。深潜器操纵人员集中呆在一个极其坚固球形耐压舱内，这也是全艇唯一能在水下维持1个大气压环境地方。使动力舱和外界海洋环境保持压力均衡方式，是在设备中充满轻质液体，动力装置各种设备，包括电动机转子和线圈，都浸泡在这种绝缘液体中。性能特点 深潜器是一种能在深海进行水下作业潜水设备，分民用和军用两类，具有军民通用性质，一般不携载武器，吨位在2080 吨左右，个别达300400 吨，潜水深度一般为2

18、0005000 米左右，个别达 11000米。现在正在设计和使用遥控机器人/深潜器绝大部分是依靠及舰船联接缆线操纵行动。使用电缆遥控操纵深潜器优点是：（1）能长时间提供动力；（2）有高速率数据传送能力；（3）及辅助舰船之间联系可靠，不会受到无线电或其他信号干扰。 缺点是但同时又限制了深潜器机动能力，电缆像风筝线一样地拴住了它，而且电缆还需经常维修更换。及潜艇区别1.技术区别深海潜水器及潜艇主要技术区别是深海潜水器不是完全自主运行，必须依靠母船补充能量和空气。比如“蛟龙”号母船是“向阳红09”。每次海试结束后，“蛟龙”号都会被回收到母船上，而不是在海中独立行驶。深海潜水器体积较小，航程短，也没有

19、潜艇那样艇员生活设施。2.上浮方式差别深海潜水器和潜艇下潜方法相同，都是向空气舱中注入海水，但上浮方法则不同。潜艇上浮时，会使用压缩空气把空气舱中海水逼出去。而深海潜水器由于下潜深、环境压力大，压缩空气不足以逼出空气舱中海水。水下5000米压力相当于500个大气压，也就是相当于在1平方米面积压上5000吨重量。深海潜水器采用抛弃压载铁办法实现上浮。值得注意是，深海潜水器一般是通过电磁铁控制压载铁，所以万一深海潜水器失去动力，电磁铁失效，压载铁会在重力作用下自动脱离潜水器，使潜水器上浮。中国“蛟龙”号在安全方面设计不仅包括扔掉所携带压载铁，还包括抛弃蓄电池箱和采样篮等重物，如被海草缠住就可以“壮

20、士断腕”抛弃机械手，报警系统还可以发射浮标到海面，寻求母船救援。3.潜水器发展及使用用途任务 深潜器分为有人深潜器、无人深潜器和遥控深潜器等多种类型，其主要任务有三类： 一类是用于海洋调查，采集水下标本，进行水下摄影，开展潜水医学和生理学研究，进行水声学研究； 另一类是协助进行深海石油资源勘探及开发，检查及维修海底电缆管路，运送潜水员在水下执行任务，进行水下救生及打捞； 最后一类是执行军事侦察、扫雷、布雷等任务，试验和回收鱼雷、水雷、深弹等水中兵器，营救失事潜艇艇员，观察武器水下发射情况，进行水下噪音测量等。使用现状（1）民用 目前全世界有各种载人深潜器200多艘，有最大作业深度达6000m，

21、主要用于海洋油气开发。 上世纪七八十年代以来，适应海上油气工业潜水作业需要，无人遥控潜水器得到飞速发展。80年代初全世界无人遥控潜水器有400余艘，其中90%以上用于海洋石油工业，到80年代末其数量猛增到958艘，其中800艘以上为有缆遥控潜水器，并且有一半以上是直接用于海上油气开采用。 另外，载人和无人混合潜水器也得到发展，已经研制出32艘，其中28艘用于工业服务。此外，90年代以来，随着微电子、高速数字计算机、人工智能技术、小型导航技术、指挥及控制硬件等技术发展，无人自主式潜水器得到快速发展，据不完全统计，各国研制及使用无人自主式潜水器有30多艘，其中供工业实用有10多艘，其他均用于军事和

22、科学研究。（2）军用 近年来，用于军事用途自主潜航器技术发展十分迅速。美海军推出“海洋探险者”、“曼塔”、“奥德塞”、CETUS、“远距离环境监测单元系统”（REMUS）、“战场准备自主潜动器”（BPAUV）等自主潜航器后，还在研究以下新型自主潜航器：主要用于特种作战部队支援及攻击、反水雷、沿海地区潜艇跟踪以及情报、监视和侦察任务“任务重组无人水下航行器”（MRUUV）；德国DeepC自主潜航器，2001年开始研制，2003年末进行样机深水试验，2007年投入装备。DeepC重2000kg，最大下潜深度4000m，续航时间60h，航程400Km，航速60节，可从舰艇或直升机上布放。法国Alis

23、ter自主潜航器，是一种军民两用长航时自主潜航器，采用锂离子电池，于2002年开始海试，Alister设计有两种型号，一种重600kg,能在水下300m处工作；另一种重1100kg,能在水下3000m处工作。挪威近年先后推出HUGIN1、HUGIN1000和 HUGIN3000三种自主潜航器，它们采用电池供电，可由水面舰艇通过声监视设备控制或利用内置控制系统及情报设备资助运行。发展趋势 综上，深潜器/遥控潜器发展趋势是，大深度有缆（光缆）深潜器仍是主流，这种设备是探测数万平方公里海底必需和最实用设备。一是水深普遍在6000米以上；二是操纵控制系统多采用大容量计算机，进行资料处理和数字控制；三是

24、潜水器上机械手采用多功能，力反馈监控系统；四是增加推进器数量及功率，以提高其顶流作业能力和操纵性能。 当前，民用大深度无缆潜水器尚处于研究、试用阶段，还有一些关键技术问题有待解决。如，要使其活动范围在2505000公里半径内，就要解决能保证长时间工作动力源，国外正在探索使用燃料电池、小核反应堆等；关于控制和信息处理系统，需采用图像识别、人工智能技术、大容量知识库系统，以及提高信息处理能力和精密导航定位随感能力等，要在大深度声音图像传输技术等高技术上有突破。但长远看它是发展方向，趋势是向远程化、智能化发展。中国蛟龙号 1. 研制背景 为推动中国深海运载技术发展，为中国大洋国际海底资源调查和科学研

25、究提供重要高技术装备，同时为中国深海勘探、海底作业研发共性技术，在国家海洋局组织安排下，中国大洋协会作为业主具体负责“蛟龙号”载人潜水器项目组织实施，并会同中船重工集团公司七二所、中科院沈阳自动化所和声学所等约100家中国国内科研机构及企业联合攻关，攻克了中国在深海技术领域一系列技术难关，经过6年努力，完成了载人潜水器本体研水面支持系统研制和试验母船改造以及潜航员选拔和培训，从而使“蛟龙号”具备了开展海上试验技术条件。2.【中国“蛟龙”号历次探测】年月日，中国研制深海载人潜水器 “蛟龙”号成功潜至海面以下米，这标志着中国已经进入载人深潜技术全球先进国家之列。年月日，“向阳红”船自江阴起航奔赴马

26、里亚纳海沟执行蛟龙号载人潜水器米级海试任务。期间，蛟龙号共完成次下潜试验，其中次超越米，最大下潜深度达到米；对潜水器项、水面支持系统项功能和性能指标进行了逐一验证，开展了坐底、定深定高航行、近底巡航和海底微地形地貌精细测算作业内容，取得了地质、生物、沉积物样品和水样，并记录了大量珍贵海底影像资料。年月日，我国“蛟龙”号载人潜水器在米级海试第一次下潜试验中，最大下潜深度达到米，创造了我国载人深潜新纪录。年月日，中国“蛟龙”号载人潜水器进行七千米级海试第二次下潜试验，潜水器开展了近底巡航、照相、摄像、海底微地形地貌测量，并坐底完成沉积物及海水取样、标志物布放等作业，最大下潜深度达到米。这也是世界同

27、类载人潜水器首次在米深度成功实现海底沉积物取样。年月日，“蛟龙”号完成米级海试第三次下潜试验，安全返回母船。潜水器最大下潜深度米，并取得个水样、个沉积物样，拍摄到海底生物并取回一个生物样品。年月日，我国首台自主设计、自主集成载人潜水器“蛟龙”号进行了米级海试第四次下潜试验，本次试验最大下潜深度达到米，达到“蛟龙”号潜水器最大设计深度。这也是“蛟龙”号载人潜水器研制以来进行第次下潜试验。蛟龙号成功突破米深度，证明它可以在全球海底实现较长时间海底航行、海底照相和摄像、沉积物和矿物取样、生物和微生物取样、标志物布放、海底地形地貌测量等作业，这是我国深海技术一项重大突破。年月日“蛟龙”号在进行米级海试

28、第五次下潜试验中，最大下潜深度达到米，并在海底发现有丰富生物多样性和地质多样性存在。年月日，“蛟龙”号载人潜水器完成米级海试第六次下潜试验，“蛟龙”号米级海试取得圆满成功。这也标志着“蛟龙”号成功完成了从米级到米级全部海试任务，即将进入试验性应用阶段。年月日至月日“蛟龙”号在我国南海执行首次试验性应用航次第一航段任务，成功进行了次下潜，完成了对超短基线定位系统标定、长基线定位系统试验，冷泉区和“蛟龙海山”科学考察等相关任务。 年月日，“蛟龙”号潜水器从厦门起航，迎来一次长达两个月远征。未来两个月里，“蛟龙”号将先后赴东北太平洋中国多金属结核勘探合同区和西北太平洋富钴结壳勘探申请区开展近底生物调

29、查、地质取样、海底摄像和相关海底试验作业，执行首次试验性应用航次二、三航段任务。3.获得成果 自2011年深海潜水器技术及装备重大项目实施以来，“蛟龙”号载人深潜器成功完成5000-7000米海试并投入试验性应用，研制成功4500米深海作业系统以及突破4500米载人球壳关键技术等一系列重要研究成果。 2014年2015年“蛟龙”号试验性应用航次第一航段在西北太平洋采薇海山区和马尔库斯威克海山区开展了10次下潜作业，精确定位取样，取得各种生物样品116个，富钴结壳样品21块、99.2公斤，多金属结核样品24.32公斤，岩石样品22块、107.7公斤，沉积物样品26管，海水样品共1232升 “蛟龙

30、”号试验性应用科考队在本航段中全面、超额地完成了预定任务。通过第一航段调查研究，航次现场取得了4个方面成果和认识： 一是基本查明了采薇海山矿区资源及生物状况，勘察成果突出。“蛟龙”号在采薇海山完成了8次下潜，结合中国大洋第31航次5次下潜，通过点、线、面相结合解剖调查，已基本摸清富钴结壳矿区资源分布状况，基本掌握生物多样性分布规律和矿区环境状况。 二是“蛟龙”号性能稳定，优势明显。“蛟龙”号共计完成10次无故障下潜作业，每次下潜平均水中时间达9小时53分钟，系统稳定，取得了大量高质量视频和照片，开展了配套设备试验，包括微型遥控潜水器试验、海底土工力学测定试验、超短基线测试等，使“蛟龙”号在复杂

31、地形下开展定点作业、精细调查独特技术优势得到进一步发挥。 三是以国家深海基地管理中心人员为主力操作维护团队迅速成长。潜水器维护维修队伍、布放回收操作队伍、潜航员学员得到锻炼，一批新人迅速成长，为“蛟龙”号业务化运行奠定了基础。 四是实现了多任务、多目标综合效益。开展了探空气球观测、下潜人员实时生理心理状态监测、深潜纪录片拍摄。各家媒体和作家协会开展了海洋知识、海洋意识普及和宣传。 除此之外，“蛟龙”号还在相邻海域开展了下潜作业，为开展不同海区资源、环境状况对比研究提供了第一手资料。 任务分工：（1）资料搜集、整理、分析及论文撰写：刘尚泽（2）资料研究及补充：陈湛（3）PPT制作：刘尚泽(1305080106)（4）PPT讲解：陈湛（1305080114