深海潛水器譜系化框架探索研究

蘇曉云曹俊胡中惠趙曉宇岳彭

(1.中國船舶科學(xué)研究中心 無錫 214082;2.深海技術(shù)科學(xué)太湖實(shí)驗(yàn)室 無錫 214082;3.深海載人裝備全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 無錫 214082;4.海軍裝備部駐無錫地區(qū)軍事代表室 無錫 214151)

0 引言

深海潛水器是我國走向深遠(yuǎn)海的重要裝備,開展深海潛水器譜系化工程是“十三五”規(guī)劃提出的重要目標(biāo),也是國家對深海裝備體系的整體布局和規(guī)劃。不同類型和深度的深海潛水器,經(jīng)過技術(shù)的不斷更新迭代,取得了跨越性的發(fā)展,不斷刷新“中國深度”以及應(yīng)用廣度[1]?！膀札垺碧栞d人潛水器(HOV)、“深海勇士”號HOV、“潛龍”系列自主水下無人航行器(AUV)、“探索”系列AUV、“海龍”系列遙控型水下無人航行器(ROV)、“海馬”號ROV、“海燕”系列水下滑翔機(jī)(Glider)、“海翼”系列Glider、“海斗”號自主/遙控?zé)o人航行器(ARV)、極地系列ARV 等潛水器的成功研制和應(yīng)用,以及全海深(11 000 m)HOV、ARV 等潛水器的研發(fā),使得我國在構(gòu)建具有自主知識產(chǎn)權(quán)的深海潛水器領(lǐng)域已經(jīng)建成了完整的技術(shù)鏈條和應(yīng)用體系。未來,根據(jù)海洋科學(xué)研究、海洋資源開發(fā)利用、海洋權(quán)益維護(hù)的需求,將開發(fā)出更多符合實(shí)際要求的深海裝備。本文結(jié)合我國潛水器領(lǐng)域幾十年的科研成果,開展譜系化的潛水器探索研究,構(gòu)建譜系化框架方案。

1 譜系化定義

潛水器譜系是一種裝備可持續(xù)發(fā)展的體系,是已有產(chǎn)品與未來發(fā)展需求等情況基本信息的集中體現(xiàn)。潛水器的譜系化,是將潛水器的主要參數(shù)、類型、基本結(jié)構(gòu)等做出合理的安排和規(guī)劃,是記載潛水器裝備成熟度的重要表現(xiàn)形式。它是裝備體系建設(shè)各項(xiàng)要素的基礎(chǔ)和依據(jù),是使?jié)撍餮b備系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、功能最佳的標(biāo)準(zhǔn)化形式。

2 我國深海潛水器發(fā)展成果

我國深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備取得全方位突破,成體系掌握深海能源、材料、結(jié)構(gòu)、傳感、控制、導(dǎo)航定位、通信、機(jī)械手、液壓等核心關(guān)鍵技術(shù),集成應(yīng)用形成全譜系深海潛水器。“蛟龍”號完成升級改造,與“海龍”號、“潛龍”號形成“三龍”運(yùn)載裝備技術(shù)體系,具備深海活動綜合支撐保障能力?！吧詈Ｓ率俊碧枃a(chǎn)化率超過95%,與“海馬”號、“潛龍二號”共同構(gòu)建形成我國4 500 m 級深海多功能作業(yè)能力?！昂６芬惶枴比Ｉ钭灾芜b控潛水器最大下潛深度達(dá)到10 907 m,填補(bǔ)了我國萬米級作業(yè)型無人潛水器空白;“海燕-X”深?；铏C(jī)最大下潛深度達(dá)到10 619 m,刷新了水下滑翔機(jī)的世界紀(jì)錄;“奮斗者”號全海深載人潛水器創(chuàng)造了10 909 m 這一中國載人深潛的里程碑紀(jì)錄[2-6]。本文梳理選取具有代表性深海潛水器進(jìn)行分析和研究,內(nèi)容如表1所示。

表1 國內(nèi)潛水器主要成果Table 1 List of major achievements of domestic submersibles

從表1所列裝備分析,目前國內(nèi)在潛水器類型上已經(jīng)全部覆蓋,包括了載人和無人的各種潛水器、復(fù)合型的潛水器等均有研制產(chǎn)品或樣機(jī),在深度上也已經(jīng)覆蓋了全海深,但在應(yīng)用維度上尚有欠缺,停留在海洋探測或科考,特別是具有專業(yè)特色的潛水器上還存在不足,如具有大觀察視野的水下特種探索載人潛水器、救助打撈型潛水器等[7]。我國已研制的裝備尚處于多產(chǎn)品開發(fā)階段,系列化產(chǎn)品少,很多裝備屬于“獨(dú)生子”,應(yīng)用領(lǐng)域也比較單一,但也具備了一定的規(guī)模,形成了譜系化發(fā)展趨勢,并走到了規(guī)劃未來潛水器發(fā)展方向的十字路口[8]。

3 譜系化框架構(gòu)建方法

發(fā)展成果是開展譜系化研究的基礎(chǔ),回顧潛水器的發(fā)展歷程,深海裝備行業(yè)由于技術(shù)難度比較大,還處于多產(chǎn)品開發(fā)的階段,有了一個(gè)小的發(fā)展規(guī)模。但想要構(gòu)建譜系化框架,潛水器的發(fā)展規(guī)模參考范圍還是比較局限,不足以讓我們站在一個(gè)制高點(diǎn)來規(guī)劃行業(yè)發(fā)展方向,因此可以借鑒和引進(jìn)其他行業(yè)成熟和先進(jìn)的技術(shù)管理理念,如具有相似技術(shù)發(fā)展模式的航空、航天、動車、汽車是發(fā)展比較快的行業(yè),這些行業(yè)生產(chǎn)都有一定的規(guī)模,且有一定的市場保有量,汽車行業(yè)發(fā)展更是日新月異。解讀它們的發(fā)展歷程,總結(jié)發(fā)展經(jīng)驗(yàn),吸收先進(jìn)技術(shù)管理理念,能為潛水器譜系化框架研究帶來啟示。

以汽車行業(yè)發(fā)展為例[9-10],它的發(fā)展模式可以說是我國科技發(fā)展的一個(gè)縮影。圖1是解讀汽車行業(yè)的發(fā)展過程,它們走過一個(gè)從優(yōu)化到規(guī)劃的過程。汽車發(fā)展是從單個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì),發(fā)展到平臺設(shè)計(jì),汽車行業(yè)在規(guī)模持續(xù)壯大的過程中,不斷優(yōu)化他們固有的平臺,一些實(shí)力雄厚的大公司更是提出了架構(gòu)的設(shè)計(jì)理念,從優(yōu)化概念轉(zhuǎn)向了規(guī)劃概念,提出更有創(chuàng)新型設(shè)計(jì)理念,引領(lǐng)市場。

圖1 汽車行業(yè)發(fā)展過程Fig.1 Automotive industry development process

產(chǎn)品的發(fā)展都具有相似性,深海潛水器發(fā)展也會遵循產(chǎn)品的發(fā)展規(guī)律。由圖1可知,在構(gòu)建潛水器譜系化框架,有兩種方法可以選擇,一種是由下而上(適應(yīng)性)方法;另一種是自上而下(前瞻性)方法。

適應(yīng)性:根據(jù)已有產(chǎn)品的種類,構(gòu)建產(chǎn)品的家族,并隨著新產(chǎn)品的開發(fā),技術(shù)不斷突破,擴(kuò)展和優(yōu)化而開展的方案,它的核心是以已研制的裝備為基礎(chǔ),在現(xiàn)有基礎(chǔ)上利用共有要素構(gòu)建的新產(chǎn)品,適應(yīng)現(xiàn)有產(chǎn)品的研制基礎(chǔ)。

前瞻性:利用在應(yīng)用領(lǐng)域的獲得經(jīng)驗(yàn),及對未來需求和技術(shù)發(fā)展趨勢預(yù)判而進(jìn)行的設(shè)計(jì)方案,它的核心是融合了多種元素的長遠(yuǎn)發(fā)展計(jì)劃,描繪產(chǎn)品的發(fā)展愿景,具有長遠(yuǎn)性。

4 深海潛水器譜系化框架方案

4.1 適應(yīng)性方案

如上文所述,采用適應(yīng)性方案是在現(xiàn)有基礎(chǔ)上開展的規(guī)劃工作,結(jié)合近幾十年我國深海裝備研究的成果,從現(xiàn)有已研制的裝備中,尋找規(guī)律性的東西加以分析和研究,正如譜系化定義中所表述的是將潛水器的主要參數(shù)、類型、基本結(jié)構(gòu)等做出合理的安排和規(guī)劃,現(xiàn)將已有的裝備加以總結(jié)和分析,并抽象表達(dá)成一個(gè)數(shù)學(xué)模型(圖2)。

圖2 適應(yīng)性框架方案Fig.2 Adaptive framework program

基本參數(shù):對于現(xiàn)在的深海潛水器而言,可以是載人或無人,也可以是有纜或無纜,根據(jù)規(guī)劃目的設(shè)置作為基本參數(shù)。如果按載人或無人,清晰地給出載人潛水器和無人潛水器兩大型,從而確立了兩種不同種類深海潛水器裝備。

變形參數(shù):根據(jù)目前的深海潛水器,在載人領(lǐng)域可根據(jù)深度、作業(yè)領(lǐng)域、用途等方面考慮;在無人領(lǐng)域,下潛深度、有無動力、作業(yè)領(lǐng)域、用途等領(lǐng)域設(shè)置變形參數(shù),有纜或無纜也可以作為變形參數(shù)。

4.2 前瞻性方案

首先要明確深海潛水器裝備的中長期發(fā)展愿景和目標(biāo),其次要考慮技術(shù)、產(chǎn)業(yè)的成熟度以及裝備的應(yīng)用領(lǐng)域,最后兼顧當(dāng)前的裝備需求和未來技術(shù)的演進(jìn)能力,來形成深海裝備行業(yè)的頂層設(shè)計(jì),這里可借鑒汽車行業(yè)的規(guī)劃發(fā)展路徑,引入架構(gòu)概念[11],并抽象表達(dá)成一個(gè)數(shù)學(xué)模型(圖3)。

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

架構(gòu):設(shè)計(jì)理念相同,模塊化集成,在研制過程中,具有相同的技術(shù)解決方案和工程實(shí)現(xiàn)手段,是一種更深層次的協(xié)同和提升,同架構(gòu)的裝備擁有相似的技術(shù)基因。以ROV、AUV、ARV、Glider為例理解,可以把ROV、AUV、ARV、Glider等同于無人潛水器不同的架構(gòu)形式,更能直觀地理解構(gòu)架的概念。

平臺:同一架構(gòu),可以衍生出不同平臺的產(chǎn)品。來自同一平臺的不同潛水器裝備,具有相同的結(jié)構(gòu)部件,是在相同標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的,可以生產(chǎn)不同形狀和功能的裝備,從而降低成本,縮短研制時(shí)間,可以共用大部分零件和制造工藝。在深海潛水器領(lǐng)域,由于存在水深壓力,不同深度可作為設(shè)置平臺的基礎(chǔ),以ROV 為例,在ROV 架構(gòu)下,可以設(shè)置出如1 000米級平臺、3 000米級平臺、6 000米級平臺等不同的級別的平臺。

產(chǎn)品:同一品牌的產(chǎn)品,具有相同的功能和特點(diǎn)的一系列產(chǎn)品,不同的產(chǎn)品有不同的定位,為保證安全可靠性、操控性等不同需求,會在功能上有不同的設(shè)計(jì)和考慮。例如,在同架構(gòu)同平臺研制的批量潛水器裝備,即可視為同一品牌產(chǎn)品。

以上兩種構(gòu)建方案沒有優(yōu)劣之分,不管是采用什么方案,都要隨形勢而不斷調(diào)整,動態(tài)適應(yīng)形勢的變化才能更好地推動深海潛水器裝備向規(guī)劃好的方向發(fā)展。尤其在當(dāng)今日趨激勵(lì)的綜合國力競爭中,必須采取更積極有效的應(yīng)對措施,研究和找準(zhǔn)世界科技發(fā)展的背景和趨勢,把需要與現(xiàn)實(shí)能力統(tǒng)籌考慮,長遠(yuǎn)目標(biāo)與近期工作互相結(jié)合,不斷創(chuàng)新,才能提出切合實(shí)際的深海潛水器譜系化發(fā)展方向。

5 結(jié)論

深海潛水器譜系化框架研究是我國深海裝備體系建設(shè)的重要組成部分,它是一項(xiàng)系統(tǒng)性、基礎(chǔ)性的工作,同時(shí)也是一項(xiàng)創(chuàng)新性和探索工作。它是深海潛水器發(fā)展規(guī)劃的一種表現(xiàn)形式,是具有戰(zhàn)略意義的指導(dǎo)性文件。它為深海潛水器可持續(xù)發(fā)展提供了方向,為未來裝備規(guī)劃提供了重要依據(jù),對整個(gè)國家未來深海潛水器裝備的發(fā)展具有十分重大的指導(dǎo)意義。