中國製造2025系列M之四：海洋工程裝備及高技術船舶

2018-11-01

船舶工業是為水上交通、海洋資源開發及國防建設提供技術裝備的現代綜合性和戰略性產業，是國家發展高端裝備製造業的重要組成部分，也是國家實施海洋強國戰略的基礎和重要支撐。大力發展海洋工程裝備及高技術船舶，是推動我國造船業轉型升級的重要方向，在中國製造業處於「大而不強」的環境下，船舶工業自然也不例外，而其轉型升級不僅能加快我國造船強國的步伐，而且在對維護國家海洋權益、加快海洋開發、保障戰略運輸安全、促進國民經濟持續增長、增加勞動力就業等方面具有重要意義。

為推動我國船舶工業轉型升級，提高技術水平和核心競爭力，鞏固和增強國際競爭優勢，根據《增強製造業核心競爭力三年行動計劃（2018-2020 年）》，制定了《高端船舶和海洋工程裝備關鍵技術產業化實施方案》（下稱《方案》）。《方案》提出發展目標為：我國高技術船舶和特種船舶的自主設計、系統集成和總承包能力進一步提升，一批船舶和海洋工程裝備產品填補國內空白，海洋資源開發裝備結構明顯升級，關鍵配套設備裝船率不斷提高，研發設計、試驗檢測設施更加完善，產業核心競爭力明顯增強。其中，重點工程包括：大中型郵輪工程、大型集裝箱船工程、特種船舶工程、海洋資源開發裝備工程。

在「高技術船舶」領域下一步發展的重點，一是實現產品綠色化，二是實現產品結構的高端化。而在「核心配套」領域下一步發展的重點，一是推動優勢配套產品集成化、智能化、模塊化發展，掌握核心設計製造技術；二是加快船舶和海工配套自主品牌產品開發和產業化，其中包括：動力系統、機電控制設備、海工裝備專用設備 (如鑽井系統、動力定位系統) 及水下生產系統及關鍵設備 (如海底管線)。更具象地說，就是大力發展涵蓋合金、塗料、射頻、感測及能源等幾類產業，這點跟前面提到有關高檔數控機床和機器人通過石墨烯想改善的技術大致相同。

我們就先從電影《The Meg》里的深海潛水器來說起，記得幾年前我參訪了河南科隆集團，才開始注意蛟龍號深海潛水器的事情。目前世界上只有美國、日本、法國、俄羅斯、中國五個國家，比較知名的分別是日本的「深海 6500」號、美國的「阿爾文」號、法國的「鸚鵡螺」號、俄羅斯的「和平」號及「密斯特」號，它們的最大深潛深度為 6,500米。2012 年中國研製的 7,000米的蛟龍號，下潛 7,062米創造了載人潛水器最大深潛的紀錄，而美國「海神號」(Nereus) 及日本「海神號」(Kaiko) 無人潛水器都下潛了 11,000 米，陸續探索了世界上最深的馬里亞納海溝。事實上，像蛟龍號這類工業級人載人潛水器來說，其實它的強不是體現在」潛水深度」，而是它的」馬力」，這款潛水器的最大馬力竟然可達 250hp。再將上它還有著最大 4 噸的負重能力，這些技術是其它國家無法超越它的地方。但蛟龍號上還有許多部件都是進口的，而2017年推出中船重工702所設計監造的 4,500 米深海潛水器，就已經達到整體國產化超過90%，才真正地掌握了核心技術。首先，4,500 米載人潛水器採用了鋰電池替代了原先的銀鋅電池，電池可用次數也從原來的 50 次增加到了 500 次。接下來，預計 2020 年下水的 11,000 米深度的項目，更令國人期待。

目前全世界有各種載人深潛器 200 多艘，主要用于海洋油氣開發，近年來，用于軍事用途的自主潛航器技術發展十分迅速。蛟龍號潛水器外觀近似一顆膠囊藥丸，能容納 3 個人，一名操作員，兩名科學家。在潛水器的前端，是一個密閉的玻璃，潛水科學家可以通過這裡看到外面的世界。鈦合金載人球殼是深潛器最特殊和重要的部分，位於深潛器最前方可乘坐3人的鈦合金載人球殼能承載 700 個大氣壓的壓力，實現了與航天相同的生命支持系統；該深潛器的浮力材料採用一種玻璃微珠聚合物，使其具有針對作業目標穩定的懸浮定位能力，並實現了完全依靠自身重量的無動力下潛、上浮。未來要下潛到 11,000 米的水壓有多大？P = pgh = 1,000*10*11,000 = 1.1*10^8pa，即 1,100 個大氣壓。這是什麼概念呢？大約可以看成以一個指甲殼面積頂起一輛轎車的重量吧！

再談到全海深潛水器關鍵技術的發展方向包括：快速潛浮技術、人機環境設計技術、浮力材料技術、耐壓結構設計和製造技術、大容量蓄電池技術及全海深通信和定位技術等六大區塊。2016 年國家重點研發專項重點支持了深海鋰電池的研究工作，未來可預見電池技術將獲得重大創新，由原有的銀鋅電池向電量、效率更為優異的鋰電池轉變。其他方面如採用性能更為優異的材料進行全透明玻璃耐壓球殼加工製造技術研究、高強度高性能陶瓷耐壓複合材料研究、通過新工藝新材料獲取的低密度玻璃微珠浮力材料研究、基於 3D 成像及虛擬現實技術的高清攝像技術等一大批新材料、新技術、新工藝將越來越多地用於深海載人潛水器的製造中。近幾年隨著國內外材料研究的進步和發展，一大批新型的新概念材料開展獲得發展，部分已開展了海試研究。

⑴ 碳纖維複合材料、強化玻璃材料已開展相關研究，是未來載人球殼的理想材料。如日本計劃未來新一代「深海 12000」的載人潛水器的載人球殼將採用強化玻璃製造，這樣可極大提升海底作業的視景作業效率。

⑵ 陶瓷材料作為在陸上已研製相對成熟的材料，其優異的強度性能和力學性能，近幾年來逐步得到認可和重視，開始研究並應用為水下耐壓材料的基材。在同等強度條件下，陶瓷具有較低的密度，因此其做成的耐壓罐體具備較小的重量，這樣可以節省大量昂貴的浮力材料。具備天然的防海水腐蝕能力，具備適應極限深度的特點，應用最為典型的是美國「海神號」HROV 深海運載器，該潛水器的耐壓罐即採用陶瓷材料作為主要基材，並於 2009 年 5 月，成功下潛至馬里亞納海溝 10,902m 的海底，在世界引起了極大轟動，證實了其力學強度要求。

⑶ 以陶瓷球為核心的浮力材料獲得了廣泛研究，並取得了一定進展。浮力材料的先進性是用給定承壓能力的條件下它的密度和吸水率來表示的，密度和吸水率越低越好。相對於傳統的玻璃微珠材料，陶瓷球密度僅為其 70%，密度更低，吸水更少，強度也更大，具有良好的發展前景。然而陶瓷球本身極脆的物理特性仍有待繼續改性研究，一旦一個陶瓷球發生爆裂極易引起連鎖反應，導致爆炸，例如美國「海神」號 HROV 在 2014 年因陶瓷材料水下爆裂造成了丟失。

其它包括新技術的廣泛應用還有：

⑴ 作業工具模塊化。載人潛水器實際為水下多任務作業功能平台，不同的任務不同的對象其所需要的作業工具也是不一樣的，但若所有的作業工具配置於載人潛水器上，勢必會造成潛水器有限的空間和介面複雜，故障率陡增，對潛水器水下作業造成危險。因此在設計之初應充分考慮任務多樣化需求，引入模塊化設計理論，統一介面標準，開發標準化的作業工具包模塊，可根據不同的任務、不同潛次實現快速組裝，達到作業功能需要。

⑵ 水聲通信可靠化。由於海水介質影響，採用水聲通信方式是載人潛水器與支持母船取得聯繫的唯一有效途徑，載人潛水器所使用的水聲系統主要有三種：數字化水聲通信（包括圖像、語音及文字信息），水聲電話（包括語音及文字信息），超短基線定位聲吶（主要提供定位，為潛水器安全返航提供重要保障）。發展距離遠、效果好、可靠性高的高速水聲通信將成為今後發展的重點。然而，水聲通訊技術受自身物理屬性限制，其受海洋環境影響較大，可靠性及準確亟待提高。

⑶ 水下照明及視頻高清化。載人潛水器水下能否看得見看得清將直接決定作業成果的產出。「看得見」需要解決水下照片技術，如水下燈光源、照片、色溫的匹配選擇將影響整個水下視景的清晰度；同時隨著高清技術、3D 技術、VR 技術的湧現，新技術攝像機的配備成為未來發展的可能，目前高清攝像機已獲得廣泛應用正朝向超高清發現發展，3D 及 VR 攝像技術也獲得了長足進展與應用。

說到材料，我們前面提到了鋰電池取代銀鋅電池，也提到了高強度鈦合金、加壓玻璃及玻璃微珠聚合物，這些對石墨烯來說是小菜一碟，這裡我們來談談「快速潛浮技術」吧！載人潛水器只所以比無人潛水器難的主要原因在，受潛水器內部人員身體狀況的限制，在水下停留時間一般為 10 個小時。以載人潛水器的下潛上浮速度約為 4-6 kn，蛟龍號的平均速度為 1.5 kn。按此速度下潛到 11,000 米深的深淵也要4個小時，這樣在海底的作用時間就只剩下 2 小時左右，更可看出快速潛浮技術的重要性。目前有三種潛浮技術，第一種方式是「無動力潛浮」技術，配置合理的壓載，把重力作為下前的動力，把浮力作為上浮的動力，通過設計優良的潛水器水動力外型來實現快速潛浮，像蛟龍號就是使用這類技術。第二種方式推進器協助潛浮方式，系利用推進器的推力實現快速潛浮，美國在研的 Deep Search 擬採用這種方式，其設計下潛速度在 6kn，下潛至 11,000 米大約需要 90 分鐘。第三種是利用水下滑翔原理，通過較少的動力來實現高速航行，美國 Deep Flight Challenger 計劃擬採用這種方式，電影《The Meg》的深海滑翔機應該就是根據這種規劃而作設定的。

總之，民用大深度無纜潛水器尚處於研究、試用階段，還有一些關鍵技術問題有待解決。如，要使其活動範圍在 250-5000 公里的半徑內，就要解決能保證長時間工作的動力源，國外正在探索使用燃料電池、小核反應堆等；關於控制和信息處理系統，需採用圖像識別、人工智慧技術、大容量的知識庫系統，以及提高信息處理能力和精密的導航定位的隨感能力等，要在大深度聲音圖像傳輸技術等高技術上有突破。但長遠來看它是個清晰的發展方向，趨勢是向「遠程化」、「智能化」集成發展。

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