王榮耀，高宇清，臧 龍，張 偉

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；2.中國石油大學(華東)， 山東 青島市 266580)

深海探礦機器人現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢*

王榮耀1,2，高宇清1，臧 龍1，張 偉1

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；2.中國石油大學(華東)， 山東 青島市 266580)

近年來，水下機器人技術快速發(fā)展，在深海礦產資源勘探領域得到了廣泛應用。針對深海探礦機器人的發(fā)展歷程和應用現(xiàn)狀進行了綜合評述，基于部分代表性產品從多個方面對深海探礦機器人的發(fā)展趨勢進行了系統(tǒng)的分析，提出了我國深海探礦裝備研究與開發(fā)的具體方向。

海底礦產資源；深?？碧?；水下機器人

深海蘊藏著豐富的礦產資源，具有商業(yè)開采潛力的海洋固體礦產資源主要有多金屬結核、富鈷結殼和多金屬硫化物等，由于陸地固體礦產資源的日益枯竭，深海底固體礦產資源的開發(fā)已成為世界發(fā)達國家和新興國家的競爭熱點。

近年來，水下機器人技術快速發(fā)展，并在深海底礦產資源勘探領域得到廣泛應用。深海底礦產資源勘探機器人按其作業(yè)性質主要可大致分為探礦潛水器以及坐底探礦機器人兩類。本文就上述兩類深海探礦機器人的研究開發(fā)狀況及發(fā)展趨勢進行綜合評述。

1 國內外現(xiàn)狀

1.1 探礦潛水器

1.2.1 有纜遙控潛水器(ROV)

遙控無人潛水器(Remote Operated Vehicle，簡稱ROV )，也稱為有纜水下機器人，是一種通過ROV纜進行供電和控制的水下機器人。ROV的研制始于20世紀50年代，經過多年的發(fā)展，當前國際上ROV的型號已經達到270種以上[1]。美國、英國、法國、德國、俄羅斯、日本等國處于ROV技術研究的領先地位。日本海洋科技中心研制的KAIKO 號是世界上第一臺全海深工作ROV，后來日本海洋科技中心在原系統(tǒng)的基礎上又開發(fā)了一套KAIKO 7000，潛深7000 m。美國伍茲霍爾海洋研究所2007年成功開發(fā)了Nereus號混合型水下機器人(HROV)，最大工作水深為11000 m，具有AUV 和ROV兩種工作模式。

我國先后成功研制了3500 m級ROV “海龍?zhí)朓I”以及4500 m級ROV“海馬號”(見圖1)?！昂｝?zhí)朓I”主要用于3500 m深度以內，海底熱液硫化物礦等大洋海底礦區(qū)的調查取樣工作?！昂ｑR號”ROV主要用于南海北部陸坡水合物資源調查、冷泉生態(tài)環(huán)境調查以及富鈷結殼資源探查任務。

圖1 “海馬號”ROV

1.2.2 無纜自治潛水器(AUV)

自主水下機器人 (Autonomous Underwater Vehicle,簡稱AUV)，也稱無纜自治潛水器，是依靠自身的自治能力進行作業(yè)的水下機器人。在過去的十幾年中，隨著技術的不斷進步和需求的日益增加，用于海底礦產資源調查的自主水下機器人不斷問世。1992年，美國伍茲霍爾海洋研究所研制成功了大深度自治潛水器ABE，該潛水器2007年為我國科學家首次在西南印度洋脊發(fā)現(xiàn)了海底熱液活動區(qū)，并對噴口進行了精確定位。為了提高海洋調查能力，美國伍茲霍爾海洋研究所又研制了ABE的替代品sentry AUV。日本三井造船與東京大學聯(lián)合開發(fā)了r2D4號AUV，潛深4000 m，用于洋中脊海底熱液活動的調查工作。

“潛龍一號”和“潛龍二號”(見圖2)是我國自主研發(fā)的用于深海資源勘察的實用化深海裝備?！皾擙堃惶枴笨赏瓿珊５椎匦蔚孛蔡綔y、底質識別、海底水文參數(shù)測量和深海多金屬結核豐度調查等任務?！皾擙埗枴笔恰皾擙堃惶枴钡纳壈妫闪藷嵋寒惓Ｌ綔y、地形地貌探測、海底照相和磁力探測等技術手段，主要用于深海多金屬硫化物等深海底礦產資源的調查作業(yè)。

圖2 “潛龍二號”自主水下機器人

1.2.3 載人潛水器(HOV)

載人潛水器(Human Occupied Vehicle，簡稱HOV)，是具有水下觀察和作業(yè)能力的載人潛水裝置。從1959 年第一艘載人潛水器“潛碟”(Diving Saucer)下水至今，載人潛水器已經走過了50 多年的歷程[2]。具有代表性的大深度載人潛水器有美國的ALVIN號、前蘇聯(lián)的MIR I號和MIR II號[3-4]、法國的Nautile號[5]、日本的SHINKAI 6500號[6]，以及中國的“蛟龍”號[7]。

美國的ALVIN號建造于1964 年， 2012 年大規(guī)模改造后，設計工作深度達6500 m。MIR I號和MIR II號是由蘇聯(lián)和芬蘭于1987年聯(lián)合研制，這兩艘潛水器在太平洋、印度洋、大西洋和北極海底進行了上千次的科學考察，包括對海底熱液硫化物礦床和深海生物調查取樣。另外一艘同類深海載人潛水器是法國于1985年研制的Nautile號，迄今已下潛過1000余次，下潛調查項目涵蓋深海多金屬結核礦區(qū)和深海海底生態(tài)系統(tǒng)等。SHINKAI 6500號建造于1989 年，空氣中重26 t，下潛的次數(shù)已經超過1400 次。

“蛟龍”號載人潛水器(見圖3)是一艘由我國自主設計和集成的載人潛水器，設計最大下潛深度為7000 m級，2012年7月下潛7062 m，創(chuàng)造了世界同類作業(yè)型潛水器的最大下潛深度紀錄。“蛟龍?zhí)枴本邆渖詈Ｌ降V功能，可定點獲取深海多金屬結核樣品，通過攝像和照相對深海多金屬結核的覆蓋率進行評價；可對多金屬硫化物熱液噴口進行溫度測量，采集噴口周圍的水樣等；可利用潛鉆進行鉆芯取樣作業(yè)，測量鈷結殼礦床的覆蓋率和厚度等。

圖3 “蛟龍?zhí)枴陛d人深潛器

1.2 坐底式探礦機器人

1.2.4 海底巖芯取樣鉆機

海底巖芯取樣鉆機是一種鉆探系統(tǒng)完全工作于海底的鉆探設備，是深海底固體礦產資源勘過程中不可或缺的重要技術裝備[8]。世界上第一代海底鉆機出現(xiàn)在20世紀50年代以后，目前已發(fā)展至第三代海底鉆機，典型產品包括澳大利亞的PROD[9]，美國的A-BMS，ACS和ROVDrill[10]，加拿大的CRD100以及德國的MeBo[11]等，最大鉆深已經達到200 m。

澳大利亞BENTHIC公司研制的多功能海底鉆探與巖土測試系統(tǒng)PROD，具有繩索取芯和有纜原位測試的雙重功能，擁有三支大型支腿，可為鉆機提供較大的支撐面積以及在海底不平時調整鉆機的姿態(tài)。美國Williamson&Associates公司研制的ACS和A-BMS海底鉆機，最大適水深度4000 m，以海域天然氣水合物勘探為首要目標，配備了保壓取芯工具。加拿大CELLULA公司研制的CRD100是針對深海地質調查、礦產資源和天然氣水合物勘探而開發(fā)的新型多功能海底鉆機，最大適水深度3000 m，裸孔鉆進127 m，采用繩索取芯方式可進行65 m連續(xù)取芯，可開展120 m實時靜力觸探測試。美國HELIX CANYON OFFSHORE公司研發(fā)的ROVDrill是一種結合了ROV技術的新型海底鉆機系統(tǒng)，MK-2和MK-3是兩ROVDrill系列中種較為成熟的產品，具備鉆探取芯和原位測試功能。德國MARUM公司主持研制的MeBo200海底鉆機(見圖4)，鉆探深度達到200 m， 具備保壓取芯功能，是德國天然氣水合物的主要調查裝備之一。

圖4 德國MeBo200海底鉆機

國內長沙礦山研究院有限責任公司率先研制了取芯長度0.5，1，1.5，3，5 m和20 m等深海巖芯取樣鉆機系列。0.5，1，1.5 m和3 m系列鉆機用于我國深海富鈷結殼資源的調查取樣，5 m和20 m系列鉆機用于深海多金屬硫化物資源的調查取樣(見圖5)。鉆機全部列裝我國科學考察船，完成了多座海底礦山的普查勘探任務，累計鉆取巖芯300余個，為我國海底礦區(qū)的申請和資源評價作出了重要貢獻

圖5 20 m巖芯取樣鉆機

由湖南科技大學、廣州海洋地質調查局和中國科學院海洋研究所共同承擔研制的海底60 m多用途鉆機系統(tǒng)，作業(yè)水深3500 m，鉆深能力為60 m，具備回轉鉆進取硬巖巖芯，壓入式取沉積物及海底多參量原位CPT探測等多種取芯、探測功能。

1.2.5 海底規(guī)模取樣裝置

海底規(guī)模取樣裝置是工作于礦區(qū)海底，用于礦床特征原位測量以及獲取規(guī)模礦石樣品的裝置。2006年，鸚鵡螺礦業(yè)通過在一個ROV上加裝旋輪式切削刀盤、泵和儲料倉等裝置(見圖6)，在海底進行了多金屬硫化物礦的原位切削及規(guī)模取樣試驗，試驗結果表明所設計的裝置能將多金屬硫化物礦切成合適的粒度并泵送至儲料倉中，整個試驗回收了大約15 t礦石[12]。

圖6 鸚鵡螺礦業(yè)公司研制的多金屬硫化物取樣裝置

國內長沙礦山研究院有限責任公司主持研制了多金屬硫化物規(guī)模取樣裝置和富鈷結殼規(guī)模取樣裝置，用于為后續(xù)冶煉及其他科學研究提供樣品，以及為其采掘工程機構設計奠定技術基礎。多金屬硫化物規(guī)模取樣裝置用于我國西南印度洋多金屬硫化物合同區(qū)定點采掘與原位測試；富鈷結殼規(guī)模取樣裝置用于我國富鈷結殼合同區(qū)平頂海山區(qū)開展結殼礦厚度聲學探測、破碎和采集的綜合試驗，該裝置于2016年首次在南海完成了采掘試驗(見圖7)。

圖7 富鈷結殼采掘頭南海試驗

2 發(fā)展趨勢

(1) 環(huán)境適應能力不斷增強。隨著海洋資源調查工作的日益推進，要求水下探礦機器人向更復雜的海底作業(yè)環(huán)境和更大作業(yè)深度發(fā)展。以海底鉆機為例，為了適應不同的海底底質，從一開始簡單的框架式逐漸發(fā)展出伸展式支腿、拐杖式支腿、豎直伸縮式支腿和沉箱式支撐結構等不同調平和輔助支撐方式，使得鉆機對海底地形和底質的適應能力大大提高。

(2) 作業(yè)性能、智能化程度越來越高。海洋技術的發(fā)展，尤其是海洋油氣開采行業(yè)的發(fā)展，帶來了深海動力傳輸、機電、測控、通訊、傳感器等技術的發(fā)展和融合，基礎裝備與組件日益成熟，未來的水下探礦機器人將具有更強的作業(yè)能力、更高的運動性能、更好的人機界面,便于操作，并且更加智能化。

(3) 功能逐漸多樣化。由于海底調查的高成本特點，水下探礦機器人執(zhí)行調查任務時所配置的專用設備也在逐步發(fā)展，種類越來越多,功能逐漸多樣化。以海底鉆機為例,在功能方面除了單一巖芯取樣外，逐漸發(fā)展為可搭載其他原位測試工具，一次性下水可完成多項調查任務。

3 結論與展望

(1) 在國際深海競爭中，深海資源探測裝備正成為各國關注的焦點。水下探礦機器人是人類調查海洋資源、開發(fā)海洋必不可少的工具。隨著陸地資源的耗竭以及新技術的深入研究，海底探礦機器人必將得到更加有力的支持和發(fā)展。

(2) 海洋技術的發(fā)展，尤其是海洋油氣開采行業(yè)的發(fā)展，帶來了深海動力傳輸、機電、測控、通訊、傳感器等技術的發(fā)展和融合，基礎裝備與組件的日益成熟，未來的水下探礦機器人的環(huán)境適應能力將不斷增強、作業(yè)性能和智能化程度越來越高、功能也將更加多樣化。

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湖南省重點研發(fā)計劃課題 (2016GK2030);國際海底區(qū)域研究開發(fā)”十二五”項目(DY125-11-T-01).

2017-07-14)

王榮耀(1985-),男,湖南益陽人,碩士,工程師,主要從事深海探礦、采礦技術及裝備研究,Email:rongyao.wang@163.com。