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盘点“大深度载人潜水器”结构、材料最新进展
发布:lee_9124   时间:2016/5/13 14:34:07   阅读:781 
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潜水器是深海资源勘查和科学研究的基本运载工具,在未来的深海科学研究体系中将处于核心地位。潜水器分为载人和无人两大类。在无人潜水器中,遥控式潜水器(ROV)可以进行大功率、长时间的水下工作;自治式潜水器(AUV)适合于大面积海底勘测,并提供准确、高质量的有效数据。

载人潜水器(HOV)则可以运载科学家和工程技术人员安全抵达深海现场,充分利用人的感官,即眼、耳和身体感知深海环境,还可以操作机械手进行海底作业,具备其他类型潜水器没有的优点。HOV、ROV 和 AUV 等可以充分利用先进的传感器技术和遥控技术,发挥各自的特点和优势,协同作业、开展深海科学研究。

二十一世纪前后大深度载人潜水器发展迅速,现在世界约有 100 艘载人潜水器活跃于海底。大深度载人潜水器承受巨大的外压,复杂水下环境对其耐压壳体结构、生命支持、潜浮与应急抛载、导航通讯以及作业等系统都有着特殊要求。

1 大深度载人潜水器研究进展

代表当前国际水平的在役大深度载人潜水器主要有:美国的阿尔文(Alvin)号,法国的鹦鹉螺  (Nautile)  号  ,前苏联的和平(Mir)I、和平 II  号  ,日本的深海 6500(Shinkai 6500)号  以及中国的蛟龙号等。Shinkai 6500 号重量轻、尺寸小,具有灵活的操纵性和先进的观测系统,保持了 20年来载人潜水器最大潜深的记录。
2012 年 6 月,太平洋的马里亚纳海沟见证了属于中国人的深蓝梦想--蛟龙号载人潜水器成功下潜 7062m,创造了世界同类作业型载人潜水器下潜深度之最;2012年 3 月,美国 Deepsea Challenger 重现了 50 年前人类到达马里亚纳海沟 10898m 的壮举。目前许多国家都在进行大深度载人潜水器相关研制:美国已完成 New Alvin  6500 米载人潜水器的设计、制造和试验,并投入使用;日本计划开展 12000 米潜深、6 人座深海载人潜水器 Shinkai  12000 的研制,预计 2025 年完成研发;国内 4500 米载人潜水器已完成初步设计,进入详细设计阶段,其载人舱球壳已完成建造和试验。

(1)New Alvin 号载人潜水器
 
 

2004 年,美国伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)提出了建造 6500 米级载人潜水器 New Alvin,以取代现役 Alvin 号潜水器(如图 1 所示)的建议,分别从最大潜深、耐压壳体、浮力材料、可变压载、推进系统、能量供给、安全措施、研究设备等方面进行了探讨和设计。它与现役的 Alvin 号相比具有更大的球壳内部容积、更舒适的内部环境、更大的观察窗视野,使用更先进的导航设备和图象采集显示系统,而且具有更高的机动性、更大的上浮和下潜速度,其特性对比参数见表。
 

(2)4500 米级  HOV
 
 

4500 米级载人潜水器如图 2 所示,是我国 863 计划支持的海洋技术领域的项目,由蛟龙号研发团队承担研制任务。其耐压球壳内直径 2.1m,壳体材料为高强度钛合金,具有 5 个观察窗,数量与 NewAlvin 相同。该潜水器全面应用国产化技术和装备,在钛合金载人舱球壳设计、材料及工艺、低噪声一体化磁耦合电动推进器、充油耐压锂电池组及超高压海水泵等一系列关键技术上攻关,预计于 2017 年投入应用。

(3)Deepsea Challenger 号载人潜水器
 
 

深海挑战者(Deepsea Challenger)号是一艘由加拿大导演詹姆斯·卡梅隆带领澳大利亚工程师团队及其电影制作团队打造的全海深载人潜水器,如图 3 所示。其耐压球壳内直径为 1092.2mm,壁厚达到63.5mm,设有一个观察窗。该潜水器除了配置沉积物取样设备、机械抓手和一台专门用于捕捉小型海底生物的设备外,还携带测量海水温度、盐度和压强的各种仪器、高清晰度立体摄像机和庞大的照明阵列,用于全程 3D 摄像。Deepsea  Challenger 的外形像一颗垂直的鱼雷,采用锂离子电池提供动力,配备 12 只推进器,采用"直上直下"的方式上浮、下潜,大约需要两小时到达海底。通过释放钢丸,减轻潜水器重量,以减缓下降速度。

2012 年 3 月 26 日,詹姆斯·卡梅隆乘坐 Deepsea Challenger 成功下潜至马里亚纳海沟底部,最大下潜深度为 10898m,在海底逗留 3 小时左右,创造了单人下潜深度的世界记录。现在,卡梅隆将 DeepseaChallenger 捐献给美国的伍兹霍尔海洋研究所,用于海洋研究。

(4)Shinkai 12000 号载人潜水器

2015年2月,日本海洋科技中心(JAMSTEC)提出了世界上潜水最深的新型载人潜水器深海12000(Shinkai 12000)号(如图4所示)的构想方案,预期在资源探测以及深海生物调查方面发挥积极作用。

该潜水器外部的机械探测臂顶端将安装传感器。超高精度的相机、高性能燃料电池、浮力材料等多项新技术有望得到应用。潜水器内还会配备有休息空间,能保证6人潜航2天,预计2025年完成研发。

日本目前在役的 Shinkai  6500 可潜至水下 6500m,载人球壳材料为钛合金,仅有较小的观察窗,这不利于科学家对海底环境的勘察和机械手操作。为改善这些现状,Shinkai 12000 将使用直径约 2m、厚约 5 至 10cm 的强化玻璃球壳,可以大幅度改善观察范围、提高操作以及调查的效率。此外,玻璃表面上的极小伤痕都有可能导致潜水器损坏,因此如何确保强度等将成为研发的关键。

2  大深度载人潜水器耐压壳体材料的选用

耐压壳体材料的选用与潜水器的先进性和可靠性密切相关。可选用的材料有高强度钢、钛合金、高强度铝合金、复合材料、陶瓷材料、透明玻璃等。高强度钢的比强度高、价格适中,但其密度较大,造成整体重量偏重,影响大深度载人深潜器重量及浮力的控制。钛合金相对较轻(重量只有钢的 60%)、强度高(可达到 1000MPa 以上)、低磁性、耐化学腐蚀、表面易产生坚固的纯态氧化膜,具有较好的机械性能。
 
 

铝合金重量轻、有较高的强度,但是可焊接性能差、应力腐蚀敏感。陶瓷是一种应用于水下耐压罐的新型耐压材料,有较高的强度与重量比,具有耐腐蚀、耐磨损、耐高温和密度低的优点,但陶瓷固有的脆性使其应用范围受到很大的限制。透明玻璃材料具有耐腐蚀、重量轻、透光性好等优势,且具有电磁惰性,可为载人潜水器驾驶员提供优越的水下视野,但建造工艺流程难以控制。

观察型载人潜水器 Deep  Flight  I(作业深度为 1000m)耐压壳体材料采用高强度的玻璃纤维/环氧树脂复合材料,大幅降低了潜水器的重量;Deep Flight II 的耐压壳体选用新型陶瓷材料  .

值得注意的是,全海深作业型混合式遥控潜水器海神(Nereus)号的壳体材料亦为陶瓷材料,该潜水器曾在 2009年 5  月成功下潜至马里亚纳海沟 10902m  的海底,但于 2014 年 5 月丢失在新西兰东北的克马德克海沟 9990m 的深度,有专家分析可能是陶瓷材料的耐压壳体出了问题。这种材料在使用寿命期间的性能变化还需进一步探索  .

美国 Ocean Gate 公司正在研制的 3000 米潜深 Cyclops 2 和 Triton 公司的 11000米潜深 Triton 36000/3 载人潜水器均计划采用透明玻璃作为耐压壳体材料。

选用大深度载人潜水器壳体材料时,不仅要考虑材料的比强度、比刚度,同时还要考虑耐腐蚀性能、制造性能、焊接性能、与材料适应的结构形式、经济性等。与其他材料相比,钛合金具有明显的优势,被誉为"海洋金属"  .尽管钛合金加工焊接要求高、造价相对较高,但仍然是大深度载人潜水器耐压壳体的首选材料。载人潜水器耐压壳体材料的选用经历了从高强度钢向钛合金的发展历程,美国的阿尔文号载人潜水器采用钛合金替代HY-100钢后,其作业深度从1800m增加到4500m,而且重量-排水量比还有下降。从表2可以看到,大部分大深度载人潜水器为钛合金制造。随着钛合金机械性能的进一步完善、加工工艺的改进和费用的降低,钛合金较其它材料的优势将更加明显。

3  大深度载人潜水器耐压壳体的结构形式

载人潜水器的耐压壳体是浮力的主要提供者,它的重量约占整个潜水器系统的 1/5~1/4.在耐压壳结构设计中,要考虑工作深度、水动力特性、内部和外部布置、材料的可获得性、成本及制造工艺等因素。常见的结构形式有圆柱形、球形、椭球形以及它们的组合形式。目前国际上对于不足 800m 水深的耐压壳体一般选用圆柱形,超过 800m 水深的耐压壳体则选用球形或组合形式;军用潜水器一般选用圆柱形,将圆柱形壳体平行连接,组合成一个整体,以充分利用其宽度优势。用于深海研究的潜水器则采用在结构有效系数上具有明显优势的球形耐压壳体。一些深海下潜装备将球体串联起来增加其内部容积  .综合考虑重量-排水量比值和空间利用率,出现了藕节形耐压壳体,

Ross 提出了一种新的耐压壳体结构型式--褶皱型耐压壳体,在相同的重量和排水体积下,这种耐压壳体比传统加筋耐压壳体更有效。张建根据仿生学原理提出了另一种新型的壳体形式--蛋壳形耐压壳体。这种壳体具有连续变化的厚度  ,在强度、稳定性、浮力储备和空间利用率方面均优于球形壳体,并且对初始缺陷不敏感,便于壳体的加工、开口等。

与相同质量的其他复杂结构相比,球壳具有容重比高、承载能力强的特点;外表面受力均匀,有相同的周向和径向应力值,薄膜应力仅为圆柱壳体的一半,且结构简单,已成为大深度潜水器耐压壳体的首选。

国内外现有4500米潜深及以上的载人潜水器均为球形壳体,对这些耐压球壳的设计特性进行统计,包括工作深度、载人球内径、壁厚、观察窗透光直径和数量、观察视野等,如表 2 所示。

我国相关研制单位现已经具备制造高强度钛合金球形耐压球壳的能力,表 3 列出了国内外部分大深度载人潜水器钛合金板材尺寸、成型工艺及材料特性。
 


来源:中国造船
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