由于深海具有可視性差、水壓力大和地形複雜 等特征,人類對深海的認知極其有限,深海探測技 術的研究和應用也極具挑戰性。爲實現精確、可靠 和 高 效 的 深 海 探 測,亟 須 開 展 關 鍵 性 技 術 攻關。

深海光學通信技術

目前深海探測主要以水聲載波的方式進行信息交互,受海水介質的制約,聲學通信數據傳輸的極限速率僅爲1500m/s,同時存在數據損耗大、環境噪聲大以及受水體折射和漫反射多徑效應影響等問題,導致通信質量較差和穩定性較低。以人工智能和大數據處理爲代表的新一代深海探測技術亟須突破通信“瓶頸”。光學通信具有傳輸速率高(GB/s級別)、無線、方向性好和隱蔽性強等優勢,可彌補聲學通信的諸多不足,是深海探測技術發展的“命脈”。未來深海探測的水上部分可采用電磁通信技術,水下部分可采用光學通信技術,實現各平台和傳感器之間以及海-空-天之間高速和穩定的數據傳輸。

 深海導航定位技術

導航定位技術在深海探測技術體系中占有重要地位,直接反映水下作業的精確性和安全性,主要分爲慣性導航、聲學導航和海洋地球物理 導航3種技術類型。

(1)慣性導航是最基本的導航定位系統。受海水介質的制約,水下電磁波衰減嚴重,慣性導航系統僅能在入水前根據初始點推算導航定位,而無法實時反饋和修正位置信息,隨着作業距離和時間的累計不可避免地存在偏差,須回到水上調整,極大地影響深海探測效率,且無法實現精確作業。

(2)聲學導航利用信標發射和接收聲學信號,通過一定的算法推算 導航定位,通常分爲長基線(LBL)、短基線 (SBL)和超短基線 (USBL)3 個 類型。受海水介質的制約,聲學導航系統存在嚴重延遲、易受幹擾和易暴露等問題。

(3)海洋地球物理導航的誤差與作業距離和時間無關,具有精度高、受限少和隱蔽性強等優勢,是目前全球研究熱點。隨着光學傳感技術的進步,深海光學導航定位技術越來越引起全球各國的重視,SLAM導航系統迅速興起,通過識別和提取采集到的聲呐圖像和數字圖像的特征點,實現深海探測定位和環境地圖合成,有望産生革命性成果。

深海動力能源技術

由于存在燃料補充、廢氣排放和壓力承受等困難,深海探測對動力能源提出更高的要求。深海動力能源技術既要突破耐高壓、耐低溫和耐腐蝕等難點,又要實現高穩定性、高安全性、高可控性、高容量和低成本等目標,是未來深海探測的關鍵性技術。目前深海探測的動力能源主要包括鉛酸電池、銀鋅電池、镍基電池、锂電池、燃料電池、核能、海洋溫差能和柴油等。其中,銀鋅電池是普遍采用的動 力能源,具有比功率、比能量、安全性和穩定性均較 高的優點,但也存在充電次數有限、壽命短和成本極高等缺點;锂電池是目前綜合性能最好的動力能 源,具有電壓高、能力強、壽命長和充電快等優點,我國4500米級載人潛水器已采用锂電池供電的技術方案。大型軍事潛艇通常采用小型核能裝置或封閉循環柴油機提供動力能源。核能具有無限續航、安全性高和連續工作時間長等優點,可有效解決深海探測動力能源持續供給的問題,發展前景廣闊。

深海裝備材料技術

綜合考慮使用成本和加工難度,目前全球普遍選擇不鏽鋼或镀層鋁合金作爲深海探測裝備的主材,耐壓殼通常采用不鏽鋼。這些材料造價適中,但密度較大,極大地增加裝備的整體重量,使搭載設備受限。钛合金具有密度低、強度高和耐腐蝕等 優點,但價格昂貴且加工困難,難以廣泛應用于深海探測裝備。以碳纖維和多孔結構爲特征的複合浮力材料 是深海探測裝備的理想材料。日本將2種不同大小的中空玻璃微球添加到環氧樹脂中,融合得到高強度和低比重的複合泡沫塑料,並應用于 “Shinkai6500”號載人潛水器。以陶瓷爲基礎的複合材料具有超強的耐壓力 和天然的耐腐蝕力,且在同等耐壓條件下密度較低和體積較小,可降低材料成本和防止結構老化。美國“海神”號深海運載器即采用大量陶瓷複合材料,其耐壓殼采用氧化鋁陶瓷作爲基材,與采用純钛合金相比輕331kg;“海神”號于2009年成功下潛至馬裏亞納海溝10902m深度,充分驗證其強大的耐壓 性能。