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中国海洋科考装备的现状分析与建设展望

发布时间:2022-09-23 12:20:44 来源:米乐M6 作者:m6米乐官网注册

内容简介:  海洋科考装备是人类认识海洋的必要手段,也是一个国家综合实力的重要标志之一。文章全面回顾了海洋科考装备,尤其是海洋科考船、海洋运载器、海洋潜浮标等科考载运装备以及海洋探测与实验仪器装备70余年的发展历程和谱系现状,并选取其中最具代表意义的装备之一“海洋科考船”开展深入分析。首先总结归纳了世界海洋科考船的发展特点并与之对标,其次对中国海洋科考船三代产品的技术沿革进行系统梳理,特别是围绕现代海洋科考船的船型设计新理念、海洋学科新发展、船舶装备新技术、科考系统新产品带来的技术难点和创新设计进行阐述。同时从人类命运共同体、国家海洋强国战略、...

  海洋科考装备是人类认识海洋的必要手段,也是一个国家综合实力的重要标志之一。文章全面回顾了海洋科考装备,尤其是海洋科考船、海洋运载器、海洋潜浮标等科考载运装备以及海洋探测与实验仪器装备70余年的发展历程和谱系现状,并选取其中最具代表意义的装备之一“海洋科考船”开展深入分析。首先总结归纳了世界海洋科考船的发展特点并与之对标,其次对中国海洋科考船三代产品的技术沿革进行系统梳理,特别是围绕现代海洋科考船的船型设计新理念、海洋学科新发展、船舶装备新技术、科考系统新产品带来的技术难点和创新设计进行阐述。同时从人类命运共同体、国家海洋强国战略、新兴技术融合趋势3个方面对未来中国海洋科考装备的需求和挑战开展详细论述,最后建设性地从顶层需求、体系贡献和技术换代的角度提出未来海洋科考装备的趋势展望。

  人类生活的地球表面约70%被海洋所覆盖,开展海洋科学考察是人们认识海洋、经略海洋的重要前提。当前观测、探测海洋物质与现象的一切科学考察活动必须紧紧依靠各种先进可靠的海洋科考装备。中华人民共和国成立以来,中国海洋科学家和工程学者秉承独立自主和创新精神,由最早开展海洋调查时的“望洋兴叹”到进入21世纪后的“百舸争流”,中国的海洋科考装备真正摸索出了一条从“跟跑”和“并跑”到“领跑”的创新之路。

  海洋科考装备从广义上看,主要包括岸基台站、天基、空基和海洋科考船(文中泛指各类调查船)以及各类海洋运载器(指具备科考功能的载人潜水器、缆控潜水器、自主潜水器、自主遥控潜水器、水下滑翔机、波浪滑翔机、小型无人水面艇等),外加各类浮标、潜标、海床基、水下移动平台、海洋探测设备(生物取样、海水取样、深海岩芯探测设备等)和海洋传感器(声学、光学、电磁学、热学传感器等)。过去数十年,全球海洋科考装备研发取得了广泛应用,中国也取得了显著进步。随着中国自主研制的海洋科考船、海洋运载器、海洋潜浮标、海洋卫星和飞行器等重大科考装备逐步进入世界先进行列,各种新概念、跨领域甚至技术颠覆的新型海洋科考装备层出不穷,展现了中国现代海洋科考事业的蓬勃生机。

  1872年英国“挑战者”号海洋科考船的全球海洋调查奠定了海洋学这门独立学科的基础,海洋科考船的发展印证着国家海洋科学技术进展的深度和广度。从20世纪60年代至21世纪20年代,中国逐渐发展形成了以中国科学院系统“科学”“实验”“探索”“海洋”系列、国家海洋局系统“向阳红”“大洋”“雪龙”系列、教育部高校“东方红”系列、中国地质调查局“海洋地质”系列和卫星测控中心的“远望”系列为主要代表的海洋综合、专业和特种3大类的中国海洋科考船发展谱系(图1)。其中,专业科考船有:地球物理调查船、水声调查船、渔业科考船、地质调查船、气象观测船、海洋考古船、航道测量船、环境监测船、浮标工作船等;特种科考船有:大洋钻探科考船、极地科考破冰船、航天测量船、装备试验船、物探调查船等。

  中国海洋科考船的发展分为3个时期。第1段发展期是20世纪60—80年代,科考船不再经由旧船改造,开始出现专门设计建造的科考船。这个时期中国建造了第1艘2500 t级海洋实习调查船“东方红”号、3000 t级综合调查船“实践”号以及分散到各海洋调查研究机构的首艘“向阳红”“远望”“实验”“科学”“探索”“曙光”“奋斗”“中国海监”系列的科考船。这些科考船开始使用先进的海洋调查设备,在性能、布置以及实验室与专用设备的匹配等方面,与旧船改装的调查船相比有“质”的提高,可以称之为“第一代海洋调查船”。这一代科考船承担了中国渤海、黄海、东海和南海等近海海洋调查与专项研究,奠定了中国海洋科学技术事业的基础,其典型代表是1988年获得国家科学技术进步奖特等奖的“向阳红10”号远洋综合调查船。第2段发展期是20世纪90年代至2010年前后。这个时期国内科考船发展相对迟缓,除自主研制的“东方红2”号、“远望3”号和“远望4”号外,仅有从国外购买并改装的“大洋一号”和“雪龙”号。由于这个时期的新船数量有限,远未满足中国海洋科学快速发展的实际需求,也成为21世纪后中国第1代科考船船龄超长和性能欠缺后需求井喷的原因之一,但无论怎样,这个时期的科考船为“查清中国海、进军三大洋、登上南极洲”奠定了装备基础,成为第2代主力科考船。第3段发展期是从2010年左右开始,也是中国科考船“质”和“量”的高速发展期。这时期以国家重大科技基础设施建设项目“科学”号成功研制为第3代科考船的里程碑,船舶电力推进系统和动力定位系统被逐步推广。科考作业和实验室采用模块化设计、水下辐射噪声和舱室环境控制受到进一步重视,各种专业科如温盐深(Conductivity Temperature Depth, CTD)探测系统、全海深多波束探测系统、气象雷达等与船舶平台形成一体化设计等。据统计,2010—2021年中国新建海洋科考船的数量达到32艘,涌现出一大批世界先进水平的科考船,25000 t级的“远望7”号圆满完成“天宫二号”“嫦娥四号”、北斗卫星等21次海上测控任务;国内首艘、世界第4艘获得水下辐射噪声最高等级SILENT-R证书的海洋综合科考船“东方红3”号挺进国际主流科考船行列;全世界第1艘六缆高精度、短道距地震电缆三维物探船“海洋地质八号”使中国站上国际海洋物探领域船型技术的制高点;全球首艘具备艏艉双向破冰技术的极地科考破冰船“雪龙2”号成功首航南北两极,填补了中国极地科考重大装备领域的空白;国内排水量最大、综合科考性能最强的海洋综合科考实习船“中山大学”号实现了直流母排+储能蓄电池、轮缘永磁侧推、全航速主动式减摇鳍等多项新技术的集成创新。70多年来,中国海洋科考船从上百吨拓展到数千吨、几万吨,调查能力从中国沿岸浅海延伸到深海大洋、南北两极,调查内容也从单一学科调查转化为多学科多功能多技术手段的综合科学考察。海洋科考船作为最主要的海洋科考装备在支撑国家海洋强国建设中作出了卓越贡献。

  海洋运载器技术为海洋科学探测带来了深刻革命,尤其是无人运载器(亦称海洋机器人)。海洋运载器凭借其复杂环境适应能力强、模块化搭载能力多样、无人智能化水平高等特点,可在高度危险、受污染环境、恶劣海况等特殊环境下保持长时间工作。中国已初步形成了以载人潜水器(Human Occupied Vehicle, HOV)、遥控潜水器(Remotely Operated Vehicle, ROV)、自主潜水器(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)、自主遥控潜水器(Autonomous and Remotely Operated Vehicle, ARV)以及水下滑翔机(Underwater Glider)、波浪滑翔机(Wave Glider)、无人水面艇(Unmanned Surface Vessel, USV)7种海洋运载器发展谱系(图2)。经过数十年的技术积累,已初步形成以“三龙五海”为代表的海洋运载器系列,即“蛟龙”“潜龙”“海龙”三龙系列和“海马”“海星”“海斗”“海翼”“海燕”五海系列,推动了中国深海技术和材料的自主发展。

  中国海洋运载器发展历程大致分2个阶段。2010年之前,中国处于各类水下和水面运载器的首创和起步阶段,以20世纪80年代和90年代的7103救生艇(HOV)、200 m水深的“海人一号”ROV、800 m水深的“探索者”号AUV等为代表的首台套装备拉开了中国海洋运载器的创新历程,2010年首台下潜深度突破7000 m的HOV“蛟龙”号,成为这一时期中国海洋运载器自主创新的典型标志,荣获国家科学技术进步奖一等奖。2010—2020年,中国进入了海洋运载器自主创新的快速发展期,装备成熟型号从过去几十年10余型猛增到10年间的约30型以上。HOV领域分别诞生了4500 m水深“深海勇士”号、11000 m水深的“奋斗者”号潜水器等深海利器,实现了耐压结构设计及安全性评估、钛合金材料制备及焊接、浮力材料研制与加工、深海锂电池研制、声学通信定位、智能控制技术等方面的多项重大技术突破,中国一举成为全球少数几个具备深海HOV建设、科考应用和保障能力的国家之一。ROV领域,中国已形成自主可控的深海作业级ROV技术体系,具备自主设计、制造、应用与维护能力,先后研制成功“海马-500”“海马-2000”、“海象-2000”“海马-4500”“新海马”“海星-6000液压”“海龙Ⅱ”“海龙Ⅲ”等液压作业级ROV,以及“海星-1000”“海星-6000电动”和“海马-E6000”等电动作业级ROV,形成了作业水深覆盖500~6000 m的ROV系列产品,实现了国产高新探查技术装备在海洋地质调查应用领域的突破。AUV领域,中国自主研制涵盖便携型、轻型、中型、重型等在内的全海深系列化装备,形成了4500~6000 m水深“潜龙”系列、100~4500 m水深“探索”系列、1000~2000 m水深“海鲸”系列、11000 m水深“悟空”号等重大装备,主要性能指标与国际同类水准基本相齐。ARV领域,中国近5年来抢抓混合式机器人发展浪潮,重点研制了11000 m水深“海斗”系列和6000 m“问海1号”等装备产品,成为继日本和美国之后第3个拥有万米级自主遥控机器人研制能力的国家。水面和水下滑翔机领域,中国快速追赶,研制了“海燕”系列、“海翼”系列、“黑珍珠”号等典型装备。2017年“海燕”水下滑翔机下潜超过6000 m,连续工作91 d,航行1884 km,刷新了水下滑翔机下潜深度、续航力和观测剖面数量的新纪录,同时在北极科考中得到首次应用。2021年“黑珍珠”波浪滑翔器解决了在极端海况下生存作业和实时通信的关键难题,从“向阳红01”科考船释放后自主航行48 d累计1349 km,首次完成跨赤道海气要素的观测。此外,珠海云洲智能科技股份有限公司“极行者”小型无人艇2017年远赴南极为中国罗斯海新站建设提供必要的海底地形数据。以上这些关键装备的成功研制为中国海底资源、地质和深海生物调查等科学研究提供了坚实的技术支撑。

  海洋潜浮标是对海洋环境进行长期、定点、多参数剖面观测的仪器设备,是构建立体海洋观测网的重要部分。海洋潜浮标包括海洋浮标和海洋潜标,前者可分为通用型浮标和专用型浮标等,其中通用型浮标能够对海洋水文、气象、生态等参数实施综合性监测,专用型浮标包括海洋剖面浮标、海上风剖面浮标、海啸浮标、波浪浮标、光学浮标、海冰浮标、海气通量观测浮标和海洋酸化观测浮标等多种类型。浮标按照机动方式还可分为漂流浮标和锚系浮标2大类。潜标按照工作深度可分为浅海潜标和深海潜标,按照锚泊方式又可分为坐底潜标和锚泊潜标。

  国际海洋浮标的发展始于20世纪20年代,潜标技术研究始于60年代,目前全球海洋科技强国实现了长期业务化运行,在可靠性、精度、稳定性等方面技术成熟。中国海洋潜浮标研制起步晚,但在一些领域实现了突破。20世纪60年代研制出第1个浮标,80年代在南海成功布放第1代自容潜标。2008年,中国研制了连续工作2年的第四代大型锚系浮标FZF4-1型,直径达到10 m,成为中国海洋资料浮标网主力浮标。2012年自主研制的“白龙”7000米级浮标正式布放进入全球海洋观测系统(图3),使中国成为继美国、日本之后第3个具备深海气候浮标观测的国家。2016年,中国 科学院在西太平洋攻克了潜标数据长周期稳定实时传输的海洋观测难题,目前实时传输观测数据的深度由1000 m逐步拓展至6000 m。2017年,中国以自主研发的海洋环境实时监测潜标等40余套深海潜标(图4)为主体构建了“南海潜标观测网”的基础,实现对南海深海盆的全覆盖观测。经过长期摸索与研发,中国潜浮标在近海建设了业务化观测系统,远海构建了南海立体观测网和西太平洋科学观测网等区域网络,为中国海洋环境和气候预报、海洋动力环境系统长期连续观测提供了宝贵数据。

  海洋探测系统包括水体探测、大气探测、海底探测、深海极端环境探测以及遥感信息现场印证等系统,其中以声学定位技术等为代表的深海探测系统、以多波束探测系统等为代表的海底探测系统,以温盐深探测系统和多普勒流速剖面仪等为代表的水体探测系统决定了海洋科考的品质,更决定了海洋科考的自主可控水平。

  海洋地形地貌测绘是海洋科考的基本需求,多波束测深设备作为一种先进测绘手段,受到全球海洋巨头青睐。中国多波束测深设备研制起步于1980年,经过30多年的研究,2014年中国科研机构成功研制全海深多波束测深系统工程样机;2019年中国科研院校实现国际高端浅水多波束测深声呐的技术突破。目前,中国浅水型多波束测深系统已完成多款产品的研制,而深水和极区型多波束测深系统还处于研制试用阶段,未形成成熟市场产品,国内主要市场仍被国外厂商占据。水声定位技术是科考船、海洋运载器等进入深海和探测深海的关键,一般包括长基线系统、短基线系统、超短基线系统及综合定位系统。面对引进水声定位系统存在的“技术封锁、费用高、设备维修困难”等瓶颈,中国科研院校2013年研发成功国内首台深海超短基线定位系统产品,成功为“蛟龙”号HOV提供定位探测,性能稳定可靠。2017年,中国“深海勇士”号HOV采用自主的高精度水声综合定位系统实现0.3 m的定位精度,定位有效率超过90%,标志着中国深海综合定位水平进入世界领先行列。但相比于欧洲国家已实现水声定位系统的商业化、产业化、系列化,实现惯性/水声的一体化,中国多为科研样机,在长距离、高精度定位方面仍有待加强。此外,海流测量对全球海洋生态系统平衡研究发挥重要作用,声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP)是20世纪80年代初发展的利用多普勒效应原理进行流速测量的新型设备。2014—2018年中国科研院所与生产企业联合推广自主研制的ADCP,根据测量研究,中国自研ADCP施测100 s平均流速与转子式旋桨流速仪施测流速精度基本一致。但面对国际巨头的先发优势,目前中国使用的ADCP仍基本依赖进口。

  中国海洋探测设备的核心技术长期由国外垄断,大部分市场份额也被国外瓜分,研制和推广自主知识产权的探测设备和关键零部件仍任重道远。

  作为海洋观监测系统的神经末梢,海洋传感器在海洋观监测领域发挥着关键作用,所涉及的多项技术属于海洋科考装备领域的核心关键技术。海洋传感器一般包括水质类、水文类、地质地震类、声学探测类、光学探测类等。在国家“863”计划等重大科研项目支持下,中国一些海洋环境监测传感器实现了突破。例如,部分海洋动力参数传感器、化学传感器的一些性能指标达到了世界先进水平,但高端CTD剖面仪传感器、气象传感设备等与国外在性能、稳定性、精度方面仍差距较大,在国内很多科考载运装备上大量安装有国外进口的传感器产品。海洋科考装备的高端传感器是当前的“卡脖子”技术,目前中国高端传感器的产品批量生产和业务应用极少,主要原因包括基础原理系统研究薄弱、传感器关键材料和器件支撑能力缺乏、实际环境验证能力和应用反馈不足、先进评价标准不够完整、产业促进政策缺少等。

  未来的海洋科考必定是多学科的交叉融合,传感器将是海洋科学物联网的核心基础,中国必须在海洋传感器等基础元器件技术、方法研究和应用推广等方面砥砺前行,同时加快推动基于传感器大数据的质量控制、标准制定和数据挖掘等关键工作。

  现代广义的海洋科考船是用于海洋科学考察、应用技术研究或海洋测量勘探等的船舶装备,它是集观测、采样、新技术试验等多功能于一体的科考作业平台,也是其他海洋运载器或科考探测设备到达远海洋区的载运和收放平台。此类装备设计难度大、建造费用高,在当前海洋科考装备体系中具有核心、基础和不可替代的地位。要分析掌握中国海洋科考装备的未来发展趋势,首先需要弄清楚海洋科考船的发展特点和技术进展。

  世界先进的海洋科考船主要集中在美国、英国、德国、日本、挪威等海洋科研强国。其中,美国拥有的先进科考船占全世界总数的一半,大部分科考船由大学—国家海洋学实验室系统(UNOLS)、美国国家海洋和大气管理局(NOAA)和美国海军(USN)实际管理和运营。美国自1960年在建成的“测量员”号(图5)航道和海洋调查船上首次配备多波束探测系统、1962年在建成的“Atlantis Ⅱ”号首次配备电子计算机以来,就一路引领海洋科考船技术发展并牵头多个国际海洋科考计划。目前以美国海军出资建成并由著名的伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)和斯克里普斯海洋研究所(SIO)实际运营的阿姆斯特朗级海洋综合科考船AGOR-27(船名Neil Armstrong)和AGOR-28(船名Sally Ride)为新一代科考船的典型代表(图6),船舶采用电力推进和低噪声设计,配置基于信息技术的各种调查仪器以及船舶与科考相融合的计算机网络系统。这一时期几乎同步建成的德国8000 t级新“太阳”号(SONNE)将海洋科考船的设计推至顶峰(图7)。该船采用轴桨电力推进方式,配备4台1555 ekW的柴油发电机组,推进系统由2台交流电机各自驱动1个定距桨。首部采用1台860 kW隧道式侧推和1个2990 kW泵喷侧推,尾部配置1个860 kW的隧道式侧推。船体底部装有世界上测量水深最深、分辨率最清晰的1°×0.5°全海深多波束,采用嵌入式安装。该船所有科考绞车均采用电动并埋舱安装,甲板配有的4台吊机覆盖所有工作区域,另外还配有大量模块化移动作业点,特别体现了现代科考船在模块化、综合性方面的特点。

  在全球化进程中,中国科学家参与了众多国际考察计划,在国外很多科考船上生活工作过,深刻体会到国内上一代科考船已无法适应迅猛发展的海洋科考需求。“海洋强国、装备需先强”,中国科考船从“科学”号研制再到“东方红3”号、“中山大学”号(图8)成功交付,国内海洋科学家和船舶设计建造者们用了整整10年的时间,基本追平了世界海洋科考船的先进水平,部分性能甚至优于国外。中国海洋科考船历经艰辛,终于从世界舞台的边沿走到了中央,逐步投身到建设海洋强国的战略征程中。表1为国内外最新科考船主要船型指标对比。

  中国海洋科考船与国外相比虽起步较晚,但从建国后就备受重视,自第1艘“金星”轮的改造开始就紧随世界海洋科考船的步伐,由“跟跑”直至现在的“并跑”,甚至“领跑”。正如前面所述,中国海洋科考船的发展历经了3代技术沿革。第1代海洋科考船,电子技术在船上首次应用,配备专用起吊机械和科,主要满足测绘和调查任务,排水量整体偏小、抗风浪能力弱、航速高,船舶采用机械推进形式,振动噪声高,船上生活和作业条件艰苦,人员劳动强度大。第2代海洋科考船,首次采用电子计算机,仍采用机械推进,主要在第1代基础上开展设备与布置的升级优化,偏向多学科综合调查。因逐步开展远洋科考,对航行安全有特殊需求,期间制定了《海洋调查船特殊抗风力要求》,为确保船舶整个生命周期中的航行安全提供了保障。衡量技术先进性的标准往往是作业甲板和实验室面积的利用率、科考负载、抗风能力等参数指标。第3代海洋科考船是革命性的更新换代,首次将船舶综合电力推进技术、计算机网络技术与科考功能高度融合;采用基于信息技术的调查仪器、科考网络与船舶计算机网络形成一体;动力定位和低速操纵性能大大提升;水下辐射噪声和舱室空气噪声大幅下降;作业甲板和实验室采用模块设计,以适应多学科多任务的海洋综合科学考察。衡量技术先进性的标准在原有基础上凸显了振动噪声等级、舱室舒适度以及携带科的海上作业效能和综合科考能力。中国海洋大学的“东方红”系列是中国3代海洋科考船的缩影(图9)。

  海洋科考船作为高技术船舶,大量涉及新技术、新产品、新材料和新工艺。如果将船舶通常的使用寿命30年作为新旧交替的一个代际,那么每一代海洋科考船均是在当时时期将新的船舶技术、新的科考产品一并融入到新船设计建造中,同时也牵引并促进了未来新技术新产品的更好发展。可以这么说,在海洋装备创新的先行者中,新型海洋科考船从来都是与船型设计新理念、海洋学科新发展、船舶装备新技术以及科考系统新产品相伴相生、共同进步的。

  现代海洋科考船在船型设计理念上已经从分别独立考虑船舶平台与作业系统的各自性能优化转变到围绕境(环境)、静(安静)、净(洁净)3个“Jing”的“一体化设计新理念”。面向“环境”设计主要考虑水下流场环境无气泡干扰,适于声学设备工作;甲板上的生活、作业环境良好,布局合理;实验室环境下的人员流、数据流和样品流程序便捷,科学规范;驾驶、作业和观察环境下的视线良好,不受阻挡;空间电磁环境、电站和通信条件充裕,可扩展性强。面向“安静”设计主要考虑船体内的振动噪声和水下辐射噪声指标满足舱室舒适度和水下探测设备定位与测量要求。面向“洁净”设计主要考虑确保与实验相关的水、电、气品质控制以及样品的洁净度。在技术创新的过程中,国内已逐步攻关4个一体化设计关键技术并产生了多项重要的技术发明专利:①船体型线与多波束防气泡干扰一体化技术;②船型方案与振动噪声控制一体化技术;③综合布置与科考多目标优化一体化技术;④电气设计与电磁兼容一体化技术。以第1个关键技术为例,海洋科考船靠近船首1/3船长范围的船体底部通常需固定安装较多灵敏的声学探测设备(如深水多波束、浅水多波束、单波束、浅地层剖面仪、ADCP等),但该范围在航行中却又是极易受船首兴波、压浪以及侧推孔气泡和噪声影响的区域,船型首部声学环境的优化成为重点。中国设计团队着力研究船底声学设备扰的现象和机理,完全掌握气泡下泄模拟观测手段和流线评估控制方法,一举舍弃以前较多采用的深水多波束悬挂于船体底部的小尖船(Gondola)形式或从船体底部向下气泡突出安装的导流罩形式,而是基于嵌入安装的线型优化方法,提出一种防气泡隐形球首一体化设计的科考船型(图10)。同时为彻底避免船艏隧道式侧推孔带来的涡流下泻和噪声干扰,还创新设计了与船体曲面一致的侧推封盖系统,最终在确保声学探测设备性能精度的前提下大大改善了航行安全性和经济性。

  将船舶性能与科考需求紧密结合的一体化设计理念协调解决了船舶平台与科考功能的统一,获得了经济性、声寂性、机动性及科考作业、营运性能的最佳综合指标。

  要研究和解释当今海洋科学的主要问题和热点,如海洋在气候系统中的角色、生物地球化学物质的循环、海洋生物多样性及演变、海洋资源的可利用性、地球动力学和地质风险等,均离不开庞大的海洋学科群。此外,要获取海洋环境要素资料,揭示并阐明其时、空分布和演化规律,为海洋科学研究、海洋资源开发、海洋工程建设、航海安全保障、海洋环境保护以及海洋灾害预防等提供基础资料和科学依据,更加离不开强有力的海洋测绘和调查活动。海洋科学中里程碑式的重大发现都是与前期海洋学科开展的测绘和调查密切相关。随着大海洋时代和中国海洋强国战略的推进,国内涉海大学和科研院所正在快速发展且学科交叉趋势会越来越明显,在这个过程中每一次海洋学科的新发展都对海洋科考船设计技术提出了新挑战。因古海洋学走向国际前沿,对地球钻探科考船的需求加速;因对深海和极地领域的逐步重视,对深海运载器和极地破冰船的需求加速。这些科考特殊需求导致船型和布置特殊,需设计专门的特种科考船。然而大部分海洋学科的科学研究还是希望能在一艘科考船一个综合航次上完成主要工作,这种综合性的复杂程度大大增加了海洋综合科考船的设计难度。设计师必须紧跟海洋学科专业的热点问题和发展动向,及时通过装备的创新设计协调解决。新一代海洋综合科考船的科考任务通常覆盖水文、物理、化学、地质地貌、生物、气象、地球物理和测绘等学科,主要依靠水文观测、气象观测、海水化学要素调查、海洋声光要素调查、海洋生物调查、海洋地质与地球物理调查、海洋生态调查、海底地形地貌调查、海洋工程地质调查、遥感信息调查等开展多学科综合海洋科学考察。具体实践涉及众多科考系统和功能,如多波束探测系统、CTD探测系统、表层多要素测量系统、多道地震系统、无人机/ROV/AUV/Glider等无人系统、重力和磁力调查、鱼探仪系统、海气通量观测、气溶胶监测、重力活塞取样、海底拖网、电视抓斗、箱式取样、海底浅钻、深海拖曳、气象卫星以及超纯、超净、超低温实验室等等。新一代海洋科考船创新采用了甲板模块化、实验室柔性化和科考网络一体化设计,较好解决了在一个海上平台上开展多学科交叉研究的问题。图11为综合科考船主要科考功能示意图。

  海洋科考船始终是新技术新装备创新与应用的排头兵,每一代海洋科考船的技术进步与船舶新技术有着密切联系。20世纪末船舶综合电力推进技术引发了船舶动力的第3次革命,现代海洋科考船因其对多工况负载平衡、振动噪声、智能控制等的高品质作业需求,几乎率先采用了电力推进的诸多新技术。按电网电制,有低压690 V电网也有6600 V电网;按变频器变频技术,有二极管前端(Diode Front End, DFE)变频技术、有源前端(Active Front End, AFE)变频技术和公共直流母排技术(图12);按推进电机技术,有永磁电机也有励磁电机,有同步电机也有异步电机。正因为采用了电力推进,一些依托其上的船舶矢量推进技术(吊舱(图13)、Z型机械推进、直叶桨)、动力定位技术、蓄电池储能技术、岸电技术、智能驾驶技术均得到快速推广。在这一代电力推进科考船集成创新、实船应用的过程中掌握了诸多电气设计,如允通能量分析技术、电能质量智能诊断技术、区域环境电磁背景噪声监测技术等关键技术,同时也实质性推动了中国船舶设备的国产化进程。近几年,船舶减摇技术得到快速发展,从被动可控式减摇水舱、伸缩式减摇鳍到零速下主动减摇的全航速减摇鳍(图14),无论是鳍板翼型还是控制系统,均得到了实船充分验证,为关注零速和低速下作业能力的新型科考船大大提高了作业效率并降低了晕船率。当前,船舶装备在绿色、智能的快车道上发展,作为创新排头兵的海洋科考船,已经在“身体力行”。目前国外已看到某新型科考船(德国“Atair Ⅲ”号已交付)采用液化天然气(LNG)为燃料之一的双燃料柴油机来满足部分时段的洁净科考需求,国内也出现了在新型科考船上尝试自主航行和远程遥控的智能船舶新技术(中国“珠海云”号已下水)。这些开创性的工作确保了船舶平台的总体先进性。

  现代海洋科考船上的船载科考系统主要由作业支撑系统、船载探测系统、船载实验系统和科考网络系统组成。科考船先进性的评价与科考系统采用的新产品和新技术息息相关。这些新产品新技术反过来也深刻影响着新型科考船的整体设计。科考任务系统的创新能力已成为影响新型综合科考船整体水平和国产化率的关键要素。船载科考系统,尤其是作业支撑系统、探测系统和实验室仪器的研制应用是一项艰苦、持久且较难有投资回报的工作,需要中国加大力气并持续投入。近年来,水下定位、探测和通信设备层出不穷,频率从10 Hz到20 kHz对船体底部安装空间和周围声学环境提出了极高要求(图15);多波束测深和分辨率(图16)随着作业水深的提高也在逐步提升且安装空间也在加大;继C波段双偏振气象雷达后实船开始固定安装新一代相控阵气象雷达(图17),对船舶顶部安装平台在海上运动中的频率响应和结构变形控制要求大大提高;各种无人艇、无人机和无人潜器(图18)等无人系统的存储收放和协同作业对船舶甲板空间、收放效率以及适应海况更是提出了高要求;大量新型科考探测设备和实验室仪器设备采集的海量数据对船载科考网络的安全性、智能化、标准化以及船岸一体化提出了迫切需求。

  世界正经历百年未有之大变局,中国作为一个负责任的大国,在海洋科考领域需深入思考并及时调整角色和策略。虽然当前中国的海洋科考装备取得了不菲成绩,但海洋研究对象众多、且交叉复杂,没有更加深厚的科学认知水平,没有更加强大的科考装备支撑,将很难引导做出正确且富有前瞻的决策,也将极大地限制未来后续的全球发展空间。对于未来中国海洋科考装备的建设展望,必须将装备发展与国家战略和行业需求紧密结合。

  中国率先提出人类命运共同体的理想,其深刻内涵是弘扬全人类的共同价值观。在人类面临气候变化、环境污染、资源短缺、病毒防控等全球性问题时,中国需积极参与全球治理。海洋是地球上最大的自然生态系统,是人类生存和未来发展的关键空间领域。积极参与并领导全球海洋治理,将是中国走向全球性大国的必由之路。中国的海洋科考必须放眼全球,助力中国参与甚至主导重要的国际海洋研究计划。当前国际海洋全球性研究计划有全球海洋观测计划(Argo)、国际地圈与生物圈计划(IGBP)、世界海洋环流实验(WOCE)、热带海洋与全球大气研究计划(TOGA)、海洋科学与生物资源(OSLR)、全球海洋观测系统(GOOS)、国际海洋全球变化研究(IMAGES)、大洋钻探计划(ODP)、大洋中脊计划(Inter Ridge)、全球赤潮生态学与海洋学(GEOHAB)、生物多样性计划(DIVERSITAS)等。这些计划持续时间漫长,几乎全部由美国等发达国家的科学家发起,中国是在近些年才逐步有所参与并牵头一些考察航次,这对中国海洋科考装备力量提出了新的要求。例如,著名的大洋钻探计划发展到综合大洋钻探计划(IDOP)新阶段,中国科学家领导了多次南海大洋钻探航次,目前仍采用美国老旧的“决心”号钻探船(图19),未来探索中需建设服务全球的新型大洋钻探船,以提高中国的国际话语权。鉴于极地在全球气候系统中的作用,2019年由德国牵头的19个国家组成的北极气候研究多学科漂流冰站计划(MOSAiC)依托德国老的“极星”号破冰船(图20)成功实施,堪称北极研究旗舰计划,中国有17名科学家参与其中。未来中国需要设计更符合北极冰层消融与浮冰漂流机理的新型极地科考研究平台和各种适应极地环境的海洋机器人,这将成为未来中国牵头极地海洋研究计划的重要机遇。

  任何大国的崛起必然伴随其海洋化的进程,中国作为一个陆海统筹的国家,21世纪战略重心逐步向海上转移。2012年党的十八大提出了建设海洋强国的战略目标,其内涵包括认知海洋、利用海洋、生态海洋、管控海洋、和谐海洋5个方面,而探索认知海洋是开发利用和保护海洋的先决条件。2017年习提出深海、极地、外空、网络空间四大战略新疆域,为此应具有保障对于国际深海和极地区域增强安全进出和科学考察的能力。围绕国家战略,海洋划界、透明海洋、智慧海洋、深海养殖、深海采矿、“蛟龙”探海、“雪龙”探极、“深潜、深网、深钻”等一批专项工程和重要举措持续发力。从当前的战略支撑能力来看,海洋科考装备的挑战已从加大单个装备能力上限逐步转移到提高装备体系贡献率上来。海洋科考装备的先进性,应是系统整体的先进性,具体应体现在承担上述专项和举措中探索认知海洋的效率、精度和经济性等多方面的水平能否达到同期的世界先进水平。科考装备体系建设中,建议以潜浮标固定观测为基础,船基断面观测为补充,无人系统快捷观测为扩展,增强与空基、天基的体系融合,实现以海洋卫星和航空遥感(天空)、海气界面观测系统(水面)、深海观探测系统(水下)和海底观探测系统(海底)4个层次的立体观测网(图21)。目前中国虽有自主建设的观测网,如西太平洋科学观测网、南海潜标观测网等,但主要以潜标阵列为主,对研究大尺度环流有一定帮助,但对于中小尺度过程的观测远远不够,且数据较难实时传输,多数不具备智能型。在大数据和人工智能的时代,海洋科考装备需加快技术攻关,以提升中国对核心洋区海洋环境信息的实时、立体、高分辨率、多尺度多要素的整体同步获取能力。除了装备技术问题以外,国外还从管理维护、资金支持等方面来加强顶层管理以提高体系贡献率。例如,美国有针对科考船统一管理的几个机构,其中UNOLS对所属的船队和科考计划统一管理和实施。UNOLS与美军长期合作,为其提供海洋科学研究和环境信息采集,当然美军也长期资助这些研究所和大学的科学研究,甚至出资造新船给他们用,这种“以民掩军”的模式很合理地把军方的需求、资金与科学界的研究力量有机衔接在一起,这种制下跨部门顶层的资源统筹方式值得借鉴。

  当前国际海洋研究正进入全球竞争的热潮,在建设海洋强国的伟大历史时期,中国更需要加快推进海洋科考装备建设,围绕国家海洋战略利益和国际海洋大合作需求,创新构建适应多学科融合、大中小尺度协同、深海极地统筹的海洋科考装备体系。

  要了解中国下一代海洋科考装备的发展方向,在论证需求的基础上对照查找各自装备的不足。总体上看,现有海洋科考船面临的不足主要有:①极端环境(极端天气、极端海况、极地、战场环境等)适应性不足;②科考作业效率不足。现有海洋运载器面临的不足主要有:①续航能力不足;②跨介质通信能力不足;③导航定位精准度不足,尤其在极区;④结构材料承压和耐腐蚀性不足。现有海洋潜浮标系统面临的不足主要有:①设备性能不足;②数据应用不足。这些装备的共性问题是相互组网协调和信息共享不畅、海上运行不稳定、传感器相对落后、搭载能力偏弱、软件平台不被重视。解决这些问题需要充分融合绿色/智能/无人/大数据/通信/网络/核能/遥控等各种新技术,尤其要从体系解决的角度出发,真正实现跨域融合。未来的海洋科考,无论采用何种海洋科考装备,获得的主要成果还是数据。根据世界海洋数据库统计显示,21世纪以来至今不到20年时间,科考采集的数据已超过先前100年采集的数据之和,在2005年后由于自主机器人的广泛应用采集数据量更是一路飙升(图22)。

  可以预见未来无人系统(AUV/ROV/ARV/Glider/小型USV等)在海洋科考中将得到广泛应用,先进的海洋科考船势必将成为无人系统的母船和旗舰,下一代新型科考船应是能搭载集群化的无人科考装备,兼具船舶智能航行与科考无人作业的新型少人甚至无人的装备平台。该平台将船舶高海况适应技术、智能驾驶和遥控技术、无人化/集群化机器人技术、遥感与高速通信等新技术高度融合,显著特点应是:①在极端海况下(作业海况比现有科考船通常高2~3级)开展连续科学调查和智能作业规划;②对搭载的批量无人科实现多点快速收放;③高度自动化的分析实验系统;④具有与空中和水下无人系统开展分布协同和智能联网的能力。这种新型智能科考平台是对以往“人在作业模式”的一次有力变革,也将是下一代海洋科考船的重点研发方向。

  当前中国海洋科考装备应立足自我,以“战略布局、需求牵引”为导向,尽快补短板,迎接新挑战。建议适时建立专门开展海洋科考体系顶层研究的国家级政策研究机构或研究中心,特别注意政策规划与工程装备研制路线的衔接,做到科学合理的中长期规划;建议成立少数统一的海洋科考装备高层次管理中心或协会,对海洋科考船、运载器等装备实行分类分级,形成标准化、系列化,推行开放共享、统一管理,发挥整体效能;建议推动大规模、多类型无人装备的组网观测与探测应用,促进海洋卫星、科考船、潜浮标与无人装备的协同发展,大力发展空、天、海、潜立体观测体系;建议加快推进深海、极地等重大专项,强调对新技术新设备的牵引带动作用,同时出台政策支持科考探测和实验室仪器设备的国产化配套;建议支持面向极端或特殊环境的无人装备和与其开展集群化智能协同作业的新一代海洋科考平台的研制。

  对未知海洋的探索和发现是人类发展的永恒动力。走过21世纪第2个10年,人类已完全进入认识海洋、保护海洋、开发海洋的新阶段。建设海洋强国是实现中华民族伟大复兴的重大战略任务之一。在这个关键的历史时期,海洋科考装备虽然在多个方向不断取得突破,一批“国之重器”创造了多项世界之最,但是战略性、基础性、颠覆性的装备创新能力仍显不足、部分关键技术仍存在“卡脖子”问题。唯有通过科学规划与持续发展,通过不懈努力与奋斗,才能建设出中国日益强大的海洋科考装备体系,才能满足中国日益增长的海洋强国建设需求,为构建人类命运共同体贡献中国智慧和中国力量。来源:前瞻科技杂志

  “向阳红01”号、“向阳红03”号、“东方红3”号、“中山大学”号、“雪龙2”号等海洋科学考察船总设计师