国家深海基地——深海技术装备公共研发平台

深海技术装备公共研发平台(以下简称“平台”),如图1所示,依托国家深海基地建设。国家深海基地作为国内的深海战略桥头堡及继俄罗斯、美国、法国和日本之后世界上第5个深海技术支撑基地,即承载着中华民族“可上九天揽月,可下五洋捉鳖”的宏伟夙愿.

浅析国家深海活动能力建设及其构成要素

深海能力建设是海洋强国建设的重要组成部分,是国家有效利用深海、保障海洋权益综合国力的体现。广袤的深海区域赋存着人类社会可持续发展的战略资源,同时深海区域还是科学家开展宇宙起源、生命起源、气候变化等研究的天然实验室。文章从论述资源勘探开发和科学研究对国家深海活动能力的需求出发,分析了我国深海技术装备研发、应用现状和存在的问题,最后提出国家深海活动能力构成三要素:完善的深海技术装备体系、健全的深海装备应用平台、有效的深海装备应用体制和机制。

基于蛟龙号载人潜水器的深海非接触磁力驱动式沉积物贯入强度测量装置设计

沉积物贯入强度探测是一种重要的深海沉积物强度原位测试技术。针对7000米级深海极端环境特点及精细化原位测量科学需求,开展了一种基于蛟龙号载人潜水器的深海非接触强磁式沉积物贯入强度原位测量装置研究,突破了原有贯入强度测量技术在7000米级深海结构复杂,无法实现原位、精细化测量的问题,提出了一种基于载人潜水器的永磁体力平衡传导非接触原理解决深海耐压与应变片形变传导的技术方法,并完成了样机研制及深海海上试验,取得了良好的测试效果。整套系统采用自容式工作方式进行数据的采集及存储,可与计算机连接实现数据原位读取,作业水深7000 m,贯入深度最大250 mm,测量量程0~100 kPa,精度可达5%~10%FS。2021年3月在帕里希维拉海盆,搭载蛟龙号载人潜水器在181、185潜次中完成了5200 m及6650 m海试应用,成功获得土工力学数据。

一种深海原位激光修复用气体流量控制阀设计与分析

深海原位激光修复可以实现重大深海设施的原位增材修复,具有重要的战略意义与广阔的应用前景。在分析深海原位激光修复用送粉系统工作原理的基础上,设计了一种水深自适应气体流量控制阀。通过海水压力的反馈与弹簧压缩量的调整,实现节流模块阀口压差的稳定控制,保证气体流量稳定;通过可变开度的节流模块,实现气体流量的连续调节。首先,对水深自适应气体流量控制阀的结构及工作原理进行详细设计;接着,对流量控制阀的减压模块阀芯进行静力平衡建模,揭示气体压力调节机制。对节流模块的阀口流量进行建模,说明流量调控原理;最后,开展仿真分析,研究水深自适应气体流量控制阀在激光熔覆过程中气体流量控制的稳定性以及气体流量的调控效果。开展流量控制阀在海水环境压力小范围变化与大范围变化时,气体流量变化的仿真分析。研究结果表明,设计的流量控制阀可以实现流量的连续稳定控制,在深海原位激光修复用送粉系统中具有明显的应用前景。

深海环境下单向阀动态特性及性能

基于动网格理论建立了单向阀流固耦合数值分析模型,在深海原位激光增材修复系统的基础上,以实现动态封堵效果的单向阀为研究对象。结合该阀的实际工况,分析了不同海洋深度及不同弹簧刚度下的阀芯运动变化情况,得到了不同海洋深度以及不同弹簧刚度对阀芯开启过程中位移和速度的影响规律。对深海环境下单向阀关闭性能进行了研究,得到了阀芯关闭过程的动态特性曲线和宏观流场。结果表明,当弹簧刚度不低于500 N/m时,能够保证该阀在深海环境下具有良好的密封性能。

深海硅藻土强度特性及其对光缆沉陷的影响

深海硅藻土是一种深海生物硅藻成因的硅质软泥,其典型特征是含水率大、强度低。采用流体力学中的流变模型描述硅藻土,并通过流变试验建立起不排水抗剪强度与剪应变速率之间的关系,试验中还发现硅藻土具有一定的灵敏度。当光缆铺设在深海硅藻土上时,必须合理估计光缆的沉陷。采用大变形有限元方法模拟光缆与硅藻土的相互作用,其中引入考虑速率效应与应变软化的公式。基于数值结果,讨论影响光缆贯入阻力的因素和不同灵敏度下的光缆沉陷量,给出了两种典型铠装光缆在硅藻土中的沉陷量范围。

开好局起好步加快推进深海基地建设与发展

2016年是'十三五'开局之年,也是国家深海基地一期工程竣工启用、各项业务全面发展的一年.在国家海洋局党组的正确领导下,围绕海洋强国和'一带一路'战略部署,认真贯彻落实党的十八大和十八届三中、四中、五中、六中全会以及全国海洋工作会议精神,国家深海基地管理中心以全面从严治党为牵引,团结协作、狠抓落实,各项工作稳步推进,基地整体建设和发展水平不断提高.

基于Burger’s蠕变模型的采矿车行驶海底稀软底质下陷研究

在陆地矿产资源日渐枯竭的今天,深海矿产资源已成为全球各个国家争相开采与利用的焦点,深海采矿车是实现深海矿产资源开采的重要装备。海底稀软底质是一种承载力与抗剪强度极低的特殊底质,在采矿作业中,深海稀软底质的物理力学特性直接影响采矿车行走的稳定性。文章选取Burger’s接触模型作为深海稀软底质的本构模型,对某海域海底稀软原状土开展室内三轴试验,通过PFC3D颗粒流数值模拟实验对比实际三轴试验,对稀软底质的Burger’s蠕变模型进行参数标定,同时依据标定结果改变相应参数,针对5种不同底质条件的工况,建立海底采矿车的数字仿真模型,模拟各工况下采矿车在不同行驶速度时的下陷深度。结果显示,下陷深度会随行驶速度呈非线性变化,在一定范围内随着行驶速度的增大而减少并逐渐趋于稳定。同时结果还表明,该区域海底稀软底质具有更高的黏粒含量(38.1%~48.4%)、含水率(88.13%~137.79%)和压缩性(压缩系数:1.86~3.73 MPa^(-1),压缩模量:1.26~2.13 MPa),具有更低的密度(1.3~1.5 g/cm^(3))和强度特性(贯入阻力:0.19~1.32 N,黏聚力:3.7~6.9 kPa,内摩擦角:2.4°~3.9°),即承载力较低,蠕变性能较强。本研究在宏观上做了一般的探讨,为类似参数的稀软底质下海底采矿车的运行安全控制提供了较好借鉴与依据。

深海实潜中下潜人员的心率变异性研究

目的研究深海实潜作业中交感-迷走神经对下潜人员心脏功能的调控作用,为评价潜航员工作负荷提供参考。方法 2名潜航员和3名技术人员(作为乘员)参加实验。每次潜航为1名潜航员操作"蛟龙号"携带1名乘员(技术支持)进行实潜作业,持续时间约11 h。记录他们在潜航前和潜航作业全程的心电图,提取R-R间期,计算心率,并对心率变异性(heart rate variability,HRV)的时域和频域指标进行计算和分析。结果下潜人员的心率都在1 h达到最大并逐渐下降,其中潜航员的心率在1 h^6 h显著高于对照水平(P<0.05或P<0.01),乘员的心率在1 h^4 h显著高于对照水平(P<0.05或P<0.01),之后均恢复到对照水平。相比于对照值,在1 h,10 h,11 h,潜航员的LF/HF升高,HF/TP降低(P<0.01);乘员的SDNN在8 h、9 h和11 h显著高于对照水平(P<0.01)。结论在下潜和上浮阶段,潜航员的交感神经活性升高、迷走神经活性降低,可能与这两个阶段潜航员的工作负荷较高有关。在下潜阶段下潜人员心率的显著升高提示可能存在精神紧张和应激反应。潜航过程中,潜航员的心率逐渐稳定,交感神经兴奋仍有出现,提示在评价潜航员工作负荷时,HRV可能是比心率更敏感的指标。

深海环境中溢油输移扩散的初步数值模拟

通过对溢油在深海环境中的输移过程及行为特点的分析,初步建立基于拉格朗日积分法的深海溢油模型。该模型除了能够模拟油气混合物在真实深海环境中的共同输移与分离输移扩散过程,还考虑了石油溶解、气体溶解、天然气水合物形成与分解等行为变化对溢油运动轨迹的影响。应用该模型初步数值模拟了一次实际深海溢油试验,结果表明溢油在水下的空间分布模拟结果与现场监测数据符合较好。

载人潜水器的深海地貌线结构光三维重建

针对深海环境下通过视觉方法难以实现地貌的大范围、高精度三维重建的问题,提出一种基于"蛟龙号"载人潜水器的线结构光法深海地貌三维重建视觉传感器的设计方案。根据线结构光三维重建的原理,首先改进了Steger算法,实现了快速、精准的激光条纹中心线提取;然后利用直接标定法求解出地形特征的二维空间坐标,并克服了图像畸变对重建的影响;再将获得的二维点云与多传感器数据融合,跟随潜水器坐标实时计算偏移量,并根据传感器位姿变化对图像矫正,最终获得地貌的三维点云数据。根据重建原理设计了视觉传感器的软硬件系统,并搭建了实验模拟平台来验证方案的可行性。通过水下实验可以实现对模拟地貌的完整重建,精度达到96.9%,符合重建要求。

深海环境水密接插件用氯丁橡胶性能研究

研究硫化体系、硫化时间和补强体系对氯丁橡胶(CR)2442在深海环境下性能的影响。结果表明:硫化时间为60min时胶料的拉伸强度最大;增加1份炭黑N550或白炭黑能使CR2442胶料的硬度增大0. 5或0. 4度左右;最终优化配方为CR2442 100,炭黑N550 20,白炭黑10,氧化锌4,氧化镁2,芳烃油14,硬脂酸0. 5,防老剂RD 1,防老剂4010 2,硫黄2,促进剂DM 0. 15,相应胶料性能满足深海环境水密接插件性能要求。

墨西哥湾溢油事故对我国深海溢油污染防治管理的启示

文章通过对美国墨西哥湾"深水地平线"钻井平台原油泄漏事故的分析与思考,针对我国深海油气资源勘探开发中存在的溢油风险,从应急响应体系、监视预报技术、应急处置技术、损害赔偿基金和行政监管与政企合作等不同方面,探讨了我国深海溢油的防治管理对策,以期为我国海洋石油开发利用、海洋环境保护以及深海溢油污染的防治管理提供有益的参考。

基于PVDF球形换能器的载人潜水器浮力材料损伤侦听定位技术

针对载人潜水器作业过程中浮力材料受损位置难以实时监测、定位的问题,提出一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)球形换能器的载人潜水器浮力材料损伤定位的方法。为确定损伤部位中浮力材料损伤的精确位置,设计了基于最优四元阵列原理的PVDF球形换能器阵列。利用时延差值法进行声源定位模型的建立,获得浮力材料断裂部位的精确坐标。为提取有效的浮力材料断裂声信号,设计了基于改进DnCNN(denoising convolutional neural network)声信号去噪方法。根据定位原理设计了浮力材料损伤定位的软硬件系统,并搭建实验平台验证了方法的可行性。实验结果表明,基于改进DnCNN声信号去噪方法在实验室模拟噪声环境下,可以对浮力材料断裂目标信号进行有效提取;在声源位置距离球形换能器中远距离处取得了良好的定位效果,定位误差为±0.2 m,符合定位要求。

“深海一号”载人潜水器支持母船水下辐射噪声控制关键技术

水下辐射噪声作为科考船的一项重要设计指标备受关注。本文以“深海一号”载人潜水器支持母船为例,详细论述了该船在设计建造过程中针对水下辐射噪声所采取的全过程控制和评估的主要思路和关键技术,并通过实船测试验证了相关指标,可为同类型船舶水下辐射噪声控制和评估工作的开展提供参考。

“深海一号”载人潜水器支持母船设计关键技术

"深海一号"是中国第一艘为"蛟龙"号业务化运营提供支持保障的载人潜水器支持母船。文章从船型优化、支持保障能力及功能兼容性、电力推进系统谐波抑制、环境友好、水下辐射噪声、适居性等方面对该船在设计中面临的主要挑战及其解决方案进行了分析说明,并与国内外同类船舶进行了对比。结果显示,"深海一号"的各项主要指标均优于国内外典型同类船舶。

深海锰结核开采对环境的影响研究进展

海深海锰结核开采活动已提上日程,而深海锰结核开采对环境产生何种影响,影响范围与影响程度如何成为人们普遍关注的热点问题。对目前国际上在深海锰结核开采的环境影响方面取得的研究成果进行了凝练与总结,从现代沉积环境、海洋地球化学环境、海洋生态环境与气候环境四方面进行了论述,并提出了目前研究工作中尚未解决的问题及未来的研究方向、研究重点与难点。该工作对于深入研究与认识人类活动引起的海洋环境与气候变化具有重要意义,对于促进与丰富国内深海锰结核开采的环境影响研究具有重要的指导意义。

深海技术与可持续发展

文章在分析国际深海资源发展趋势的基础上,综述了近年来国内外在深海技术方面的研究发展现状;进一步阐述了发展深海技术、开发深海资源对于可持续发展战略的重要意义;最后对我国深海技术的发展提出了几点建议。

用Workbench对深海电机密封圈进行有限元分析

用Workbench建立深海电机密封圈的有限元模型,计算密封圈在安装和工作过程中的受力和变形情况。结果表明:安装过程中密封圈所受应力先增大后减小,壳体移动距离为0.17mm时,密封圈在Y方向所受应力最大;随着壳体继续运动,密封圈所受应力逐渐减小;当壳体移动距离为0.86mm时,密封圈所受应力几乎不再变化;密封圈在X方向所受应力可表示预紧力,电机正常工作时密封圈所受最大应力大于安装时的预紧力,可以保证电机正常工作。

基于蛟龙号的深海切割采样系统设计与分析

目前通过作业工具配合载人潜器进行深海采样成为一种趋势,通过对蛟龙号机械手的分析和不同深海作业工具的研究,设计一种新型深海矿石切割采样设备。并通过MATLAB软件对机械手以及携带刀具后的切割采样系统进行了工作空间和轨迹分析,比较搭载作业工具前后的作业空间变化,并通过ADAMS软件对几种不同机械手作业姿态的受力进行分析,对潜器的坐底定位和切割作业时机械手的姿态具有指导作用。