中国制造2025系列M之四：海洋工程装备及高技术船舶
2018-11-01
船舶工业是为水上交通、海洋资源开发及国防建设提供技术装备的现代综合性和战略性产业，是国家发展高端装备制造业的重要组成部分，也是国家实施海洋强国战略的基础和重要支撑。大力发展海洋工程装备及高技术船舶，是推动我国造船业转型升级的重要方向，在中国制造业处于「大而不强」的环境下，船舶工业自然也不例外，而其转型升级不仅能加快我国造船强国的步伐，而且在对维护国家海洋权益、加快海洋开发、保障战略运输安全、促进国民经济持续增长、增加劳动力就业等方面具有重要意义。
为推动我国船舶工业转型升级，提高技术水平和核心竞争力，巩固和增强国际竞争优势，根据《增强制造业核心竞争力三年行动计划（2018-2020 年）》，制定了《高端船舶和海洋工程装备关键技术产业化实施方案》（下称《方案》）。《方案》提出发展目标为：我国高技术船舶和特种船舶的自主设计、系统集成和总承包能力进一步提升，一批船舶和海洋工程装备产品填补国内空白，海洋资源开发装备结构明显升级，关键配套设备装船率不断提高，研发设计、试验检测设施更加完善，产业核心竞争力明显增强。其中，重点工程包括：大中型邮轮工程、大型集装箱船工程、特种船舶工程、海洋资源开发装备工程。
在「高技术船舶」领域下一步发展的重点，一是实现产品绿色化，二是实现产品结构的高端化。而在「核心配套」领域下一步发展的重点，一是推动优势配套产品集成化、智能化、模块化发展，掌握核心设计制造技术；二是加快船舶和海工配套自主品牌产品开发和产业化，其中包括：动力系统、机电控制设备、海工装备专用设备 (如钻井系统、动力定位系统) 及水下生产系统及关键设备 (如海底管线)。更具象地说，就是大力发展涵盖合金、涂料、射频、感测及能源等几类产业，这点跟前面提到有关高档数控机床和机器人通过石墨烯想改善的技术大致相同。
我们就先从电影《The Meg》里的深海潜水器来说起，记得几年前我参访了河南科隆集团，才开始注意蛟龙号深海潜水器的事情。目前世界上只有美国、日本、法国、俄罗斯、中国五个国家，比较知名的分别是日本的「深海 6500」号、美国的「阿尔文」号、法国的「鹦鹉螺」号、俄罗斯的「和平」号及「密斯特」号，它们的最大深潜深度为 6,500米。2012 年中国研制的 7,000米的蛟龙号，下潜 7,062米创造了载人潜水器最大深潜的纪录，而美国「海神号」(Nereus) 及日本「海神号」(Kaiko) 无人潜水器都下潜了 11,000 米，陆续探索了世界上最深的马里亚纳海沟。事实上，像蛟龙号这类工业级人载人潜水器来说，其实它的强不是体现在」潜水深度」，而是它的」马力」，这款潜水器的最大马力竟然可达 250hp。再将上它还有著最大 4 吨的负重能力，这些技术是其它国家无法超越它的地方。但蛟龙号上还有许多部件都是进口的，而2017年推出中船重工702所设计监造的 4,500 米深海潜水器，就已经达到整体国产化超过90%，才真正地掌握了核心技术。首先，4,500 米载人潜水器采用了锂电池替代了原先的银锌电池，电池可用次数也从原来的 50 次增加到了 500 次。接下来，预计 2020 年下水的 11,000 米深度的项目，更令国人期待。
目前全世界有各种载人深潜器 200 多艘，主要用于海洋油气开发，近年来，用于军事用途的自主潜航器技术发展十分迅速。蛟龙号潜水器外观近似一颗胶囊药丸，能容纳 3 个人，一名操作员，两名科学家。在潜水器的前端，是一个密闭的玻璃，潜水科学家可以通过这里看到外面的世界。钛合金载人球壳是深潜器最特殊和重要的部分，位于深潜器最前方可乘坐3人的钛合金载人球壳能承载 700 个大气压的压力，实现了与航天相同的生命支持系统；该深潜器的浮力材料采用一种玻璃微珠聚合物，使其具有针对作业目标稳定的悬浮定位能力，并实现了完全依靠自身重量的无动力下潜、上浮。未来要下潜到 11,000 米的水压有多大？P = pgh = 1,000*10*11,000 = 1.1*10^8pa，即 1,100 个大气压。这是什么概念呢？大约可以看成以一个指甲壳面积顶起一辆轿车的重量吧！
再谈到全海深潜水器关键技术的发展方向包括：快速潜浮技术、人机环境设计技术、浮力材料技术、耐压结构设计和制造技术、大容量蓄电池技术及全海深通信和定位技术等六大区块。2016 年国家重点研发专项重点支持了深海锂电池的研究工作，未来可预见电池技术将获得重大创新，由原有的银锌电池向电量、效率更为优异的锂电池转变。其他方面如采用性能更为优异的材料进行全透明玻璃耐压球壳加工制造技术研究、高强度高性能陶瓷耐压复合材料研究、通过新工艺新材料获取的低密度玻璃微珠浮力材料研究、基于 3D 成像及虚拟现实技术的高清摄像技术等一大批新材料、新技术、新工艺将越来越多地用于深海载人潜水器的制造中。近几年随著国内外材料研究的进步和发展，一大批新型的新概念材料开展获得发展，部分已开展了海试研究。
⑴ 碳纤维复合材料、强化玻璃材料已开展相关研究，是未来载人球壳的理想材料。如日本计划未来新一代「深海 12000」的载人潜水器的载人球壳将采用强化玻璃制造，这样可极大提升海底作业的视景作业效率。
⑵ 陶瓷材料作为在陆上已研制相对成熟的材料，其优异的强度性能和力学性能，近几年来逐步得到认可和重视，开始研究并应用为水下耐压材料的基材。在同等强度条件下，陶瓷具有较低的密度，因此其做成的耐压罐体具备较小的重量，这样可以节省大量昂贵的浮力材料。具备天然的防海水腐蚀能力，具备适应极限深度的特点，应用最为典型的是美国「海神号」HROV 深海运载器，该潜水器的耐压罐即采用陶瓷材料作为主要基材，并于 2009 年 5 月，成功下潜至马里亚纳海沟 10,902m 的海底，在世界引起了极大轰动，证实了其力学强度要求。
⑶ 以陶瓷球为核心的浮力材料获得了广泛研究，并取得了一定进展。浮力材料的先进性是用给定承压能力的条件下它的密度和吸水率来表示的，密度和吸水率越低越好。相对于传统的玻璃微珠材料，陶瓷球密度仅为其 70%，密度更低，吸水更少，强度也更大，具有良好的发展前景。然而陶瓷球本身极脆的物理特性仍有待继续改性研究，一旦一个陶瓷球发生爆裂极易引起连锁反应，导致爆炸，例如美国「海神」号 HROV 在 2014 年因陶瓷材料水下爆裂造成了丢失。
其它包括新技术的广泛应用还有：
⑴ 作业工具模块化。载人潜水器实际为水下多任务作业功能平台，不同的任务不同的对象其所需要的作业工具也是不一样的，但若所有的作业工具配置于载人潜水器上，势必会造成潜水器有限的空间和介面复杂，故障率陡增，对潜水器水下作业造成危险。因此在设计之初应充分考虑任务多样化需求，引入模块化设计理论，统一介面标准，开发标准化的作业工具包模块，可根据不同的任务、不同潜次实现快速组装，达到作业功能需要。
⑵ 水声通信可靠化。由于海水介质影响，采用水声通信方式是载人潜水器与支持母船取得联系的唯一有效途径，载人潜水器所使用的水声系统主要有三种：数字化水声通信（包括图像、语音及文字信息），水声电话（包括语音及文字信息），超短基线定位声呐（主要提供定位，为潜水器安全返航提供重要保障）。发展距离远、效果好、可靠性高的高速水声通信将成为今后发展的重点。然而，水声通讯技术受自身物理属性限制，其受海洋环境影响较大，可靠性及准确亟待提高。
⑶ 水下照明及视频高清化。载人潜水器水下能否看得见看得清将直接决定作业成果的产出。「看得见」需要解决水下照片技术，如水下灯光源、照片、色温的匹配选择将影响整个水下视景的清晰度；同时随著高清技术、3D 技术、VR 技术的涌现，新技术摄像机的配备成为未来发展的可能，目前高清摄像机已获得广泛应用正朝向超高清发现发展，3D 及 VR 摄像技术也获得了长足进展与应用。
说到材料，我们前面提到了锂电池取代银锌电池，也提到了高强度钛合金、加压玻璃及玻璃微珠聚合物，这些对石墨烯来说是小菜一碟，这里我们来谈谈「快速潜浮技术」吧！载人潜水器只所以比无人潜水器难的主要原因在，受潜水器内部人员身体状况的限制，在水下停留时间一般为 10 个小时。以载人潜水器的下潜上浮速度约为 4-6 kn，蛟龙号的平均速度为 1.5 kn。按此速度下潜到 11,000 米深的深渊也要4个小时，这样在海底的作用时间就只剩下 2 小时左右，更可看出快速潜浮技术的重要性。目前有三种潜浮技术，第一种方式是「无动力潜浮」技术，配置合理的压载，把重力作为下前的动力，把浮力作为上浮的动力，通过设计优良的潜水器水动力外型来实现快速潜浮，像蛟龙号就是使用这类技术。第二种方式推进器协助潜浮方式，系利用推进器的推力实现快速潜浮，美国在研的 Deep Search 拟采用这种方式，其设计下潜速度在 6kn，下潜至 11,000 米大约需要 90 分钟。第三种是利用水下滑翔原理，通过较少的动力来实现高速航行，美国 Deep Flight Challenger 计划拟采用这种方式，电影《The Meg》的深海滑翔机应该就是根据这种规划而作设定的。
总之，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 250-5000 公里的半径内，就要解决能保证长时间工作的动力源，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、人工智慧技术、大容量的知识库系统，以及提高信息处理能力和精密的导航定位的随感能力等，要在大深度声音图像传输技术等高技术上有突破。但长远来看它是个清晰的发展方向，趋势是向「远程化」、「智能化」集成发展。
Ref.:
宫非：应用系列A之五：耐腐蚀涂料_涂料*完成小试
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