[科普中国]-“海马号”大洋显真容

“哇！这么高大，这就是我国第一台能进入海底4500米工作的无人遥控机器人吗？”
2016年6月1日，北京展览馆主展区内，一台身长4米、宽2.1米、高2.6米、重5吨的大型机器吸引了众多观众，人群中不断发出这样的追问和感慨。
不错，这就是实现了我国在大深度无人遥控潜水器自主研发领域“零的突破”的“海马”号。
此次来京参加国家“十二五”科技创新成就展，“海马”号可谓长途跋涉、全副武装、满载荣耀，让人们一睹他的风采。他屹立在北京展览馆的主展区内，如一个硬汉，用伟岸的身姿讲述着自己的光辉事迹。
从无到有：我们自己的汗血宝马
海洋，一个人类一直在追寻的梦，一个中国人已落后太久的战场！
从乘风破浪、扬帆远航，到海底遨游、探寻宝藏，我们经受了太多的“人为刀俎，我为鱼肉”。归根结底，在于海洋科技的落后。具体到无人遥控潜水器领域，从20世纪50年代几个美国人把摄像机密封起来送到海底开始，世界上对其研发使用已有了半个多世纪的历程，而我国才刚刚起步。为了打破这一海洋探查和资源开发关键技术装备被少数发达国家垄断的局面，国家863计划海洋技术领域于2008年启动了“4500米级深海作业系统”重点项目，主要任务就是研发实用化的作业型4500米无人遥控潜水器。
于是，2014年我们如约看到了“海马”号的海试成功。
于是，我们中国人终于有了第一套属于自己的4500米深海无人遥控潜水器系统。

图1 “海马”号无人遥控潜水器本体

这套系统的国产化率超过了90%，突破了4500米作业级无人遥控潜水器控制系统、重型升沉补偿器、4500米级浮力材料、4500米级升降装置和系列化作业工具等核心技术，不仅打破了国外的垄断，达到了国际同类产品的先进水平，还有多项技术解决了国外同类技术的难题，如：
“海马”号项目团队在国内首次突破4500米级作业型七功能和五功能机械手研制的关键技术，研制出作业型七功能和五功能机械手，并形成水下液压机械手综合制造、试验测试、工程应用和谱系化能力，达到与国外机械手基本相当的负载能力/重量比，解决了国外机械手中肘关节、腕关节回转摆线马达输出功率较弱的问题。
我国的研究人员还发明了无人遥控潜水器专用的低刚度高精度的三通电液比例减压/溢流阀，解决了常规压力阀直接控制速度而引发阀-桨共振的问题，研制出液压推进关键元件。达到与国外液压推进器基本相当的推力/重量比，解决国外液压推进控制系统在额定工况下不能兼顾效率与响应速度的问题。

图2

因此，我们可以毫不夸张地说——“海马”号是我国迄今为止系统规模和下潜深度最大、国产化率最高的深海无人潜水器系统，标志着我国全面掌握了大深度无人遥控潜水器的关键技术，填补了这一领域的空白。
而且，“海马”号具有国际上所有无人遥控潜水器的常规功能，能够应用于海洋工程、救助、打捞、考古和海洋观测、科学考察作业这两大领域。
通俗来说，如果我国海域发生了类似2010年墨西哥湾海上钻井平台爆炸导致的严重海上漏油事故，“海马”号能够像当时起到关键作用的无人遥控潜水器那样潜入水下执行艰巨复杂的长时间排险作业任务，制止原油泄漏。如果要打捞某个沉到海底的飞行器，“海马”号有能力执行1999年7月在大西洋海底打捞自由钟7号同样的任务。同样，“海马”号也能够进行海底拍摄。
从立项到计划，从模型到设备，六年艰辛，六年努力，我们的“海马”号一举成功，达到世界同类深海无人潜水器的技术水平。这是我们自己研制的，驰骋在我国大洋深处的宝马。

图3 安装在“海马”号顶部的浮力材料

无人，一个明显的优势
潜水器是人类进军海洋必须借助的装备，潜水器分无人和载人两种，目前，国际上绝大多数现役潜水器是无人潜水器，但是载人潜水器数量很少，原因何在？
一个显而易见的原因是载人潜水器首先要保证人的生命安全，因为人的存在，潜水器就要多一个“生命保障系统”的附加要求，比如，要维持水下工作人员在狭小密闭空间里的正常呼吸和体温，要具有紧急情况下的“脱身”功能。同时，载人潜水器的电能是由自身携带的电池供电，电能有限，要在电能耗尽之前停止作业，浮升至海面，在水下潜行作业的时间因此受到了很大的限制。上述这些问题决定了载人潜水器必然存在的致命弱点。
与载人潜水器相比，无人遥控潜水器就具有了无可替代的优势：一是适应性强、功能强大，几乎可以应用于所有海洋开发活动，受海况和海底环境影响小，推进系统和机械手功率大，覆盖海底作业链各个环节，在海洋地质调查中应用前景广阔，可大幅提升调查能力；二是作业灵活、经济高效，可根据不同的海底作业任务进行功能扩展配置，收放便捷，不需要专门支持母船，占用甲板空间和作业人力等资源少，建造、运行和维护成本低；三是无载人风险，可在母船实时遥控操作，不需水面工作艇支持；四是能够长时间驻留海底，母船通过脐带缆提供电能，可无限时地执行高强度、复杂的海底定点作业任务。所以，“海马”号的研制目标是灵活、高效的实用化深海作业设备。

图4 “海马”号水面控制系统

4500米，一个优化的深度
据文献报道：人类自由潜水的世界纪录是2000年1月，由古巴人弗朗西斯科•费里拉在墨西哥湾创下的162米。而在常规潜水中，60米水深下，潜水员只能工作半个小时。“饱和深潜”，这一世界各国正在攻克的尖端难关，目前的最大深度是美国的723米。一般的常规潜艇都是200到300米，核潜艇可以在400米以下，最深的核潜艇记录最深潜到了1200米。
与此相较，“海马”号的优势显而易见。但是，目前美、日、俄、法等国家已经拥有从先进的水面支持母船到可下潜3000至11000米的潜水器系列装备。与同类相比，我们的“海马”号是不是还很落后？
答案绝非如此简单。
首先，海底4500米的深度可以覆盖我国98%的海域，以及绝大部分国际海域多种资源富集区。研制这一深度级别的深海作业系统，能够满足目前我国深海探查和作业的需求。可见，“海马”号研制任务的定位是为了我国突破和掌握深海无人遥控潜水器的核心技术，为深海作业提供急需的实用化国产化装备，打破国外的技术垄断和禁运，而并非一味追逐潜深记录。
其次，在对潜水器下潜深度的通常级别分类中，1000米以内为浅海级，1000米——3000米属于中深海级，超过3000米为深海级。“海马”号4500米的深海作业能力，不仅实用性、适应性强，而且已经是目前我国自主研制的下潜深度和系统规模最大，国产化率最高的无人遥控潜水器，为我国研制更大深度潜水器积累了技术储备，使得我们完全有能力向更深处潜行。
当然，与具有40多年产业化基础的世界先进国家相比，我国在潜水器方面尚存在着诸多技术差距。但是我们已经实现了从无到有，这匹属于我们自己的深海宝马，升级改造均由我们自己做主，通过不懈的努力，我们日后一定能彻底打破受制于人的局面，在未来的海洋竞争中获取更多的话语权。

图5 “海马”号投入海上应用

从有到有用：大洋深处显身手
古语云：千锤方可成利器。
“海马”号于2014年4月顺利通过科技部海上验收后，名声大震，但他和他的设计者们并没有陶醉于这些鲜花和掌声中，他们心头压着的那块石头依然沉重——应用！要将“海马”号迅速投入实际应用！不仅要能用，还要好用！他们要在半年时间里，把“海马”号从科研成果转化为实用化设备，实际上就是要实现“一步正样”，这在中国大型海洋装备研制项目中是不多见的。
“海马”号及其团队马不停蹄，先后于2015年3月、6月和2016年3月执行了南海北部陆坡水合物资源调查、大洋第36航次、水合物资源详查和冷泉生态环境调查工作，累计作业下潜24次，水下作业时间累积超过180小时。
首次发现“海马冷泉” 旗开得胜慰军心
针对南海水合物有利区详查任务的实际需要，“海马”号进行了针对性的改造。2015年3月，“海马”号随母船海洋六号开赴南海，受命搜寻海底“冷泉”活动和与水合物赋存相关的微地貌特征。
肩负重任的“海马”号不负众望，第一次下潜就在我国南海北部陆坡西部海底首次发现了双壳类生物群、甲烷生物化学礁、碳酸盐结壳、菌席和气体渗漏等活动性“冷泉”标志（该“冷泉”被命名为“海马冷泉”），获取了高清视频记录和实物样品，同时记录了海底低温异常和超高甲烷含量异常。
这些颇为专业的词汇理解起来有些晦涩，那么究竟何谓“冷泉”？“海马”号的这一发现有什么重大意义？
通俗来讲，海底冷泉就像荒漠海底中的一片绿洲，在这片绿洲里生存着大量海底生物，看上去很像我们常见的海鲜产品——贻贝，而且这些生物深处海底生存，依靠的不是光合作用，而是依靠海底不断渗出的甲烷、硫化氢等还原性化学物质自养，这完全是不同于平常的另一套生命体系，这就具有了生命科学的价值，是开展地球生命起源和冷泉生态环境等前沿科学研究的重要窗口。同时，在冷泉所在的海底极有可能存在天然气水合物，这一点，被该海区后续调查获取的海底样品中含有天然气水合物所证实，并成为2015年度我国南海天然气水合物资源调查的一个重大突破性进展。
事实胜于雄辩，“海马冷泉”的发现是在我国管辖海域内第一个由我国自主研发的深海高科技探查装备发现的海底活动性“冷泉”，这不仅证明了“海马”号的总体运行状态良好，各项性能满足“冷泉”探查的技术要求，而且取得了国产化深海技术设备应用和地勘调查成果双丰收。首战告捷，对于六年攻坚克难的“海马人”来说，足慰平生！
2016年2月27日～3月23日，“海马”号及其作业母船“海洋六号”再次开赴“海马冷泉”区域，执行以水合物资源详查和冷泉生态环境调查研究为目的的海底作业任务。
这次出征，为了达到“冷泉”区资源和环境的调查研究要求，“海马”人对“海马”号进行了多项适应性改造，提高了精细观测和样品获取能力。同时，开展了与国内“冷泉”研究科学家之间的合作，加强了对“海马”号的现场科学作业指导，使本次调查作业工作同样取得了丰硕的成果。

图6 “海马”号在“海马冷泉”区调查作业

图7 “海马”号在“海马冷泉”进行取样（碳酸盐结壳）

图8 “海马”号在“海马冷泉”进行取样（贻贝）

图9 “海马”号拍摄的“冷泉”区海底生物群落

投身大洋矿产调查 于无声处立国威
2015年6月，“海马”号转战西太平洋，投入大洋第36航次的应用作业，在采薇海山复杂陡坡的地形环境中圆满完成了6个站位富钴结壳资源探查任务，拍摄并记录了近百分钟海底高清视频，利用机械手抓取了数十公斤结壳样品和钙质沉积物样品，获取了全程物理海洋测量数据和海底原位水样，首次对自主研制的小型钻机和切割机进行了实际应用试验。
本次实战，近10天的紧张工作，不仅考验了“海马”号针对结壳资源调查任务的作业功能，而且考验了“海马”号的航行动力性能及其技术团队在复杂而危险的海山陡坡环境中的操控和作业能力。事实证明，“海马”号及其技术团队经受住了考验，圆满完成各项任务，达到了预期的科学目标。这同时意味着“海马”号的应用环境已经由安全性较高的平坦泥质海底拓展到危险性较高的复杂海山环境；由较为简单、无须考虑海底障碍物的定向/定高航行与任选着陆点进行定点的作业运行方式，改变为需要时刻注意规避危险因素并需要在险峻的海山地形中谨慎选择着陆作业点的运行方式。
更值得骄傲的是，“海马”号在采薇海山的成功作业实践，是我国自1997年起，在开展了近20年海山区结壳资源调查工作中的一个质的飞跃，填补了我国在该领域技术手段的一项空白。而且还在西太平洋采薇海山结壳资源分布区放置了带有中华人民共和国科技部、中国地质调查局、广州海洋地质调查局、中国大洋矿产资源研究开发协会等参研单位徽标的金属锥体物。这一永久标志物，象征着中国海洋技术发展的足迹！这一永久标志物，在茫茫大洋深处闪耀着中国智慧！在波涛汹涌的国际海洋竞争领域，彰显着中国力量！

图10 “海马”号在海山区进行结壳调查作业

图11 “海马”号机械手进行富钴结壳取样

从研制成功至今，短短两年的时间，“海马”号已经顺利执行了多次深海作业任务，并以出色的表现取得了多项骄人的成绩，充分证明了“我不是一个摆设”！正如他设计者们给他的命名一样，做一匹踏实肯干的骏马，驰骋在祖国的大洋深处，为国计民生默默地奉献自己的力量。而由中国地质调查局广州海洋地质调查局牵头实施，联合上海交通大学、浙江大学、海洋化工研究院、同济大学和哈尔滨工程大学等单位组成的精英团队，更是一群真正具有“工匠精神”的创新者，是一群真正为国奉献的实干者！
此番来京参展，于“海马”号而言，是一次忙里偷闲的亮相！于“海马”人而言，是一个当之无愧的礼赞！于公众而言，是一次千载难逢的机会！
我们期待着，“海马”号不断完善与升级，不断服务于国家海洋战略，将我们的强国梦植根深海！