“深海一號”載人潛水器支持母船布放回收系統(tǒng)設(shè)計概述及特點分析

桑 巍 李寶鋼 佟 寅 張 勇

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011；2.國家深海基地管理中心 青島266237）

引 言

我院近年來成功設(shè)計了多型海洋綜合科考船，具有代表性的如：中科院海洋所的“科學(xué)”號海洋綜合科考船、廈門大學(xué)“嘉庚”號海洋綜合科考船、中國海洋大學(xué)“東方紅3”號海洋綜合科考船、中國極地中心“雪龍2”號極地科學(xué)考察破冰船、國家深海中心“深海一號”載人潛水器支持母船（簡稱“深海一號”母船）等。“深海一號”母船是一艘專門用于布放及回收“蛟龍”號載人潛水器，并為該載人潛水器深潛作業(yè)提供水下與水面支持以及維護保養(yǎng)的專用載人潛水器支持母船。其滿足無限航區(qū)要求，并具有全球航行能力。“深海一號”母船已于2019年9月進行試航并交付使用。

我國自主研發(fā)的深海載人潛水器“蛟龍”號和“深海勇士”號陸續(xù)研制成功并投入使用，全海深11000 m的載人潛水器“奮斗者”號也于2020年底在馬里亞納海溝海試成功，下潛水深達到10909 m。我國在深海科學(xué)研究和深海資源調(diào)查領(lǐng)域的技術(shù)水平已實現(xiàn)了從“跟隨”到“領(lǐng)跑”。

本文著重介紹“深海一號”載人潛水器支持母船最具代表性的載人潛水器布放和回收系統(tǒng)，這是其實現(xiàn)“蛟龍”號安全作業(yè)的核心內(nèi)容。

1 “蛟龍”號和“深海一號”母船簡述

“蛟龍”號載人潛水器（見圖1）是用于深海勘探和海底作業(yè)的深海載人潛水器，其長為8.4 m、高為3.4 m、寬為3.9 m，空載時質(zhì)量不大于22.2 t， 設(shè)計最大下潛深度7000 m，最多可載3人，可探索99.8%的海域。其續(xù)航時間12 h，科學(xué)負載220 kg，具備先進的水聲通訊及海底地貌探測能力，并配備機械手等作業(yè)工具，可完成復(fù)雜取樣任務(wù)。

圖1 “蛟龍”號載人潛水器

“深海一號”母船是一種特殊的海洋科考船，是專門為載人潛水器提供深潛作業(yè)支持保障的特殊用途船舶，具備潛水器運載、就位、布放和回收功能［1］。載人潛水器下潛作業(yè)期間，“深海一號”母船除承擔(dān)水面指揮、通信支持、水面警戒等，還承擔(dān)潛水器作業(yè)區(qū)域的水文環(huán)境調(diào)查、地質(zhì)調(diào)查及生物調(diào)查等任務(wù)；具備對深海取樣的樣品快速分析和研究的能力，具備在船上為潛水器提供維護保養(yǎng)和應(yīng)急維修的能力。正由于該船型能為載人潛水器提供全方位的專業(yè)服務(wù)，故被形象地稱為載人潛水器支持母船。

“深海一號”母船的主要特點：

（1）大噸位吊放能力的收放系統(tǒng)；

（2）專用的潛水器存放維護機庫；

（3）各類調(diào)查探測能力；

（4）專業(yè)化實驗室。

“深海一號”母船是“蛟龍”號載人潛水器全方位的海上平臺，圖2為其載人潛水器支持系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。載人潛水器支持系統(tǒng)包括布放回收系統(tǒng)、作業(yè)支持系統(tǒng)、運維保障系統(tǒng)以及環(huán)境保障系統(tǒng)共4個部分，本文論述的布放回收系統(tǒng)是載人潛水器支持系統(tǒng)的重要組成部分。

圖2 載人潛水器支持系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 “深海一號”母船的布放回收系統(tǒng)

載人潛水器母船的布放回收系統(tǒng)是將載人潛水器從船上庫房或甲板布放至海中，或由海中回收潛水器至船上庫房或甲板的作業(yè)系統(tǒng)，也是開展?jié)撍魉伦鳂I(yè)的專用水面支持設(shè)備。典型的布放回收系統(tǒng)［2］由潛水器專用尾部A型架［3-4］、潛水器運移軌道車以及拖曳絞車等系統(tǒng)組成，如圖3所示。“深海一號”母船的布放回收系統(tǒng)［5］是專為“蛟龍”號載人潛水器服務(wù)的。

圖3 載人潛水器布放回收系統(tǒng)布置

2.1 尾部A型架（30 t）

尾部 A 型架為“蛟龍”號布放回收專用，由A型架結(jié)構(gòu)及組件、液壓動力源（HPU）和控制系統(tǒng)組成。其用于4級海況條件下安全布放載人潛水器，5級海況應(yīng)急回收。

2.1.1 主要技術(shù)規(guī)格

尾部A型架主要技術(shù)參數(shù)見下頁表1。

表1 尾部A型架主要技術(shù)參數(shù)

2.1.2 主要結(jié)構(gòu)、功能和特點分析

A型架在固定的內(nèi)傾和外傾位置間擺動，將載人潛水器從母船吊放至海面上，或從海面回收自母船甲板。在最大外傾點位置，能保證載人潛水器的吊點中心距母船甲板末端有足夠的距離。在潛水器回收內(nèi)傾角點位置，將載人潛水器吊放至運移軌道車上。A型架外形及組成見下頁圖4。

圖4 尾部A型架外形及組成

A型架支撐在2個基座上，基座安裝于船尾預(yù)先加固的甲板，該基座上裝有A型架的轉(zhuǎn)軸和主油缸。A型架是一種A型門架結(jié)構(gòu)，由3部分組成，一是左右兩側(cè)支柱，其底部是由2個軸承組成的主轉(zhuǎn)軸；二是主工作油缸；三是通過法蘭與左右兩側(cè)支柱連接的頂部橫梁。頂部橫梁上裝有擺動梁及連接構(gòu)件、前后止蕩油缸及連接構(gòu)件。

A型架上裝有一個擺動臂，它通過軸承/軸承座機構(gòu)懸掛在A型架的橫梁上。擺動臂總成由提升絞車、伸縮柱、萬向支架總成和鎖緊機構(gòu)等部分組成。A 型架上有維修平臺和便捷到達的設(shè)施，以便維護。

提升絞車裝在A型架擺動梁上，由5個液壓馬達驅(qū)動；絞車通過1根合成纖維繩與潛水器單點吊掛點相連；潛水器被吊至萬向支架下方，然后與鎖緊機構(gòu)鎖緊在伸縮柱/萬向支架上。在投放時，潛水器被鎖緊，所有相對于A型架結(jié)構(gòu)件的運動都被阻尼緩沖，從而使?jié)撍骱腿藛T的運送過程變得平穩(wěn)且安全，有效提高了潛水器中人員的舒適度。

“深海一號”母船尾部A 型架較之“向陽紅9”號尾部A 型架在能力上增加了冗余，提高了系統(tǒng)安全性，在惡劣海況下工作更可靠。

2.2 潛水器運移軌道車和機庫內(nèi)液壓升降裝置

根據(jù)圖2載人潛水器支持系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，機庫內(nèi)液壓升降裝置屬于運維保障系統(tǒng)設(shè)備，但升降裝置需和軌道車上的托架組合使用實現(xiàn)潛水器提升和下降，因此在本文中一并闡述說明。

2.2.1 主要技術(shù)規(guī)格

在尾部作業(yè)甲板至潛水器機庫間安裝軌道，使用運移軌道車可以實現(xiàn)載人潛水器在甲板起吊點與機庫之間的安全可靠轉(zhuǎn)運，并有效提高潛水器布放回收效率。“蛟龍”號動力電池設(shè)于潛水器底部，需要在機庫內(nèi)設(shè)液壓升降裝置，提升潛水器后，在母船上對潛水器底部設(shè)備進行維護和保養(yǎng)。

潛水器運移軌道車的安全載重量為25 t，額定運行速度0.06 m/s，最大工作海況4級（行走）。運移軌道車和機庫內(nèi)升降裝置配合后，便可實現(xiàn)潛水器升降，便于潛水器維修保養(yǎng)。

2.2.2 潛水器運移軌道車主要結(jié)構(gòu)、功能和特點分析

（1）設(shè)備組成

潛水器運移軌道車（以下簡稱“軌道車”）包括托架、移動車（含電動驅(qū)動機構(gòu)）、檢修升降臺、軌道及電控系統(tǒng)，其主要組成見圖5。

圖5 潛水器運移軌道車組成

（2）托 架

托架為軌道車上支撐潛水器的部件。由于潛水器底部為圓弧形，故在托架上設(shè)5個支點，以實現(xiàn)對潛水器的有效支撐；此外，機庫內(nèi)的液壓升降裝置也是利用托架來提升潛水器的。

● 技術(shù)要求

工作溫度：-20℃～ 55℃；

型式：鋼制框架式；

外形尺寸（L×W×H）：

4900 mm×3260 mm×1300 mm。

● 結(jié) 構(gòu)

托架采用框架式梁型結(jié)構(gòu)，采用機械性能不低于Q345E或EH36的鋼材。設(shè)計時考慮結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在滿足強度要求的情況下，盡量減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量。托架結(jié)構(gòu)外形如下頁圖6所示。

圖6 托架結(jié)構(gòu)外形

● 安全鎖定措施

在運移“蛟龍”號過程中，托架與軌道車之間需進行機械鎖扣連接，以保證運行安全。此外，“蛟龍”號與托架之間采用鋼絲繩（由船東提供）進行綁扎，以確保安全。

（3）移動車

移動車是軌道車實現(xiàn)在軌道上移動的主要部件。由于潛水器在機庫內(nèi)維護時，潛水器存放在移動車上，潛水器動力電池拆卸后需要從后部移出，因此，移動車采用U形結(jié)構(gòu)。不過，這樣就降低了移動車的結(jié)構(gòu)強度，故對移動車結(jié)構(gòu)設(shè)計時需特別考慮。

● 技術(shù)要求

工作溫度：-20℃～55℃；

型式：鋼制框架式（含齒輪行走機構(gòu)）；

外形尺寸（W×H×L）：

4620 mm×3200 mm×670 mm。

● 結(jié) 構(gòu)

移動車采用框架式梁型結(jié)構(gòu)，采用機械性能不低于Q345E或EH36的鋼材。設(shè)計時考慮結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在滿足強度要求的情況下，盡量減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量。移動車結(jié)構(gòu)外形職如圖7所示。

圖7 移動車結(jié)構(gòu)外形

● 安全鎖定措施

軌道車自帶剎車，可以在任何位置制動停止。若在船尾潛水器下放位置和機庫內(nèi)檢修位置時，還要求移動車與甲板進行系固，以保證安全。

（4）檢修車

檢修車是輔助潛水器保養(yǎng)維修的部件。潛水器一般在機庫內(nèi)潛水器存放區(qū)進行維護檢修。拆卸潛水器動力電池時，需要先下放到檢修車上，檢修車后移將電池移出潛水器。由于機庫內(nèi)潛水器存放區(qū)空間有限，故需要簡化設(shè)備，以便為維修作業(yè)提供空間。在移動車的U型結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置軌道，檢修車安裝于軌道上便可以實現(xiàn)前后移動。檢修車結(jié)構(gòu)外形見圖8。

圖8 檢修車結(jié)構(gòu)外形

● 技術(shù)要求

工作溫度：-20℃～55℃；

外形尺寸（W×L）：1700 mm×1100 mm；

舉升能力：1.5 t。

（5）軌 道

軌道布置于母船主甲板機庫到尾部A型架區(qū)域，這是母船科考作業(yè)最重要的工作區(qū)。為盡量減少軌道對科考作業(yè)的影響，軌道是通過甲板埋入式螺栓孔活動安裝，并盡量降低軌道高度，見圖9。

圖9 軌道

● 技術(shù)要求

工作溫度：-20℃～ 55℃；

軌道截面：工字形狀；

外形尺寸（W×H×L）：

120 mm×100 mm×25000 mm。

2.2.3 機庫內(nèi)液壓升降裝置的組成、功能和特點分析

（1）設(shè)備組成

機庫內(nèi)升降裝置包括主機架（結(jié)構(gòu)框架）、升降機構(gòu)、控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)，其主要組成、結(jié)構(gòu)及外形參見圖10。維修平臺為鋁制格柵，安裝于升降裝置的主機架上。

圖10 液壓升降裝置

（2）主機架

主機架用于升降裝置的安裝和結(jié)構(gòu)支撐，包括立柱和水平支撐。升降裝置油缸安裝于立柱內(nèi)，既可為油缸提供支撐，又可節(jié)省機庫內(nèi)的空間。立柱通過水平支撐結(jié)構(gòu)和船體相連。

● 技術(shù)要求

工作溫度：-20℃～ 55℃；

型式：鋼制框架式；

外形尺寸（L×W×H）：

4900 mm×3260 mm×1300 mm。

● 機架結(jié)構(gòu)

主機架為框架式梁型結(jié)構(gòu)，采用機械性能不低于Q345E或EH36鋼材。設(shè)計時考慮結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在滿足強度要求的情況下，盡可能控制結(jié)構(gòu)質(zhì)量。主機架結(jié)構(gòu)外形見圖11。

圖11 主機架結(jié)構(gòu)外形

（3）升降機構(gòu)

升降機構(gòu)共有4個，位于載人潛水器存放位置前后左右處的機架立柱內(nèi)，分別由4個油缸驅(qū)動同步舉升，可以托舉提升載人潛水器的托架（屬于運移軌道車系統(tǒng)）。每個升降機構(gòu)都有垂直方向的導(dǎo)向輪，用以升降架導(dǎo)向，升降位置是由數(shù)字位移傳感器精確控制。

● 技術(shù)要求

工作溫度：-20℃～ 55℃；

方式：采用油缸舉升。

● 結(jié)構(gòu)外形

升降機構(gòu)結(jié)構(gòu)外形見圖12。

圖12 升降機構(gòu)結(jié)構(gòu)外形

● 安全鎖定措施

升降架與托架采用機械鎖扣鎖定（手動），確保頂升過程中升降架與托架的可靠連接。

托架（包括載人潛水器）頂升至檢修位置后，通過插銷鎖定裝置（手動），以確保升降架安全。此外，在載人潛水器與托架之間以及載人潛水器與機庫甲板之間，都采用了由船東提供的系留索，以適時進行綁定，確保安全。

該升降機構(gòu)還設(shè)置了液壓系統(tǒng)過載保護功能，以確保不會損壞鎖定裝置。

2.3 拖曳絞車

拖曳絞車的主要作用：一是用于潛水器回收時，將潛水器拖曳至母船尾部A型架下方；二是在尾部A型架吊放潛水器時，用來穩(wěn)定潛水器首向。拖曳絞車的安全工作負荷需根據(jù)潛水器拖帶阻力來確定，并備有風(fēng)浪裕度。

2.3.1 主要技術(shù)規(guī)格

基于為“蛟龍”號作業(yè)的拖曳絞車，其主要技術(shù)規(guī)格見下頁表2。

表2 拖曳絞車主要技術(shù)參數(shù)

2.3.2 主要結(jié)構(gòu)形式、功能和特點

拖曳絞車采用直拉絞車形式并由液壓驅(qū)動，與尾部A型架共用液壓動力源（HPU）和控制裝置。若纜較長，還需配備排纜器。考慮到拖帶過程中風(fēng)浪載荷的變化，一般都設(shè)恒張力裝置，有利于潛水器安全可靠地進行拖帶作業(yè)。拖曳絞車應(yīng)至少能在4級（及以下）海況穩(wěn)定工作，并能在5級海況下應(yīng)急作業(yè)。

拖曳纜繩需通過船尾中間位置導(dǎo)出船外。若拖曳絞車布置在尾部作業(yè)甲板中間，則會干擾其他科考作業(yè)；若布置在尾部作業(yè)甲板兩側(cè)，則需要導(dǎo)纜器導(dǎo)向，操作不便且增加了安全隱患。

“深海一號”母船在尾部中間局部設(shè)計了下凹平臺，用來安裝拖曳絞車，從而避免了以上問題。拖曳絞車布置如圖13所示。

圖13 拖曳絞車布置簡圖

3 結(jié) 語

“深海一號”母船的載人潛水器布放回收系統(tǒng)針對“蛟龍”號在大洋作業(yè)中出現(xiàn)的問題，增加尾部A型架能力上的冗余；針對“蛟龍”號載人潛水器及其在機庫和尾部布放回收位置的轉(zhuǎn)運要求，量身定制了運移軌道車和軌道；針對“蛟龍”號載人潛水器需要在機庫內(nèi)進行維護檢修（尤其是對“蛟龍”號底部設(shè)備的維護檢修），開發(fā)了全新的潛水器升降裝置及維護平臺；通過系統(tǒng)及作業(yè)流程的優(yōu)化完善，有效提高了“蛟龍”號海上作業(yè)的安全性和可靠性。

載人潛水器布放回收系統(tǒng)是母船實現(xiàn)潛水器安全作業(yè)的核心裝備。由于載人潛水器海上作業(yè)工況復(fù)雜多變，因此特別需要設(shè)備安全可靠，設(shè)備能力有一定冗余，維護檢修設(shè)備功能完善，作業(yè)流程合理高效。

希望本文能為今后載人潛水器布放回收系統(tǒng)的設(shè)計、建造和使用提供一些幫助。