深海一号
中国首艘载人潜水器支持母船
“深海一号”是中国首艘自主研制的载人潜水器支持母船,由中国船舶工业集团第七〇八研究所设计、武船集团建造。是蛟龙号载人潜水器的专用支持母船。
“深海一号”总长90.2米,型宽16.8米,型深8.3米,设计吃水5.5米,设计航速16节以上,设计排水量4500吨,载员60人,续航力超过12000海里,自持力达到60天,可在全球无限航区执行下潜作业。“深海一号”搭载了DP-1动力定位系统,采用电力系统进行推进,并配备了多个信息化系统和科考设备,具备“三龙”系列潜水器同船作业能力。“深海一号”具备信息化、模块化、便携化、人性化和绿色化的特点。
2015年,“蛟龙号载人潜水器”新母船项目通过发改委立项,定名“深海一号”。2017年9月16日,“深海一号”在武汉开工建造。2018年12月8日,“深海一号”在武船集团下水。2023年12月17日,“深海一号”从山东青岛市启航,开始中国大洋83航次任务,本航次由“深海一号”船携“蛟龙号”载人潜水器执行。2024年5月28日,“深海一号”完成中国大洋83航次任务,本航次“蛟龙”号共开展载人深潜作业46次,累计带领科研和工程技术人员70余人次进入深海开展科考。
“深海一号”建成后,可以充分发挥蛟龙号载人潜水器的性能,将提升中国深海精细调研能力,对于提升中国深海大洋科学考察水平、促进中国海洋科技创新发展、提高中国的国际海底区域竞争力具有积极的推动作用,对于实现中国海洋强国梦具有重要战略意义。
历史沿革
建设背景
2012年,中国自主研发设计的“蛟龙号载人潜水器”7000米海试成功,创造了世界上同类作业型载人潜水器最深下潜纪录。然而,深潜系统是一个整体,光有好的潜水器还不够,还要有与之匹配的海洋科考船。原有的“蛟龙号”母船——向阳红09船于1978年12月服役,是一条超龄服役的老科考船。“向阳红09”船干舷较高,满载时达到4.3米,当不良海况导致船体摇晃时,被吊举的“蛟龙号”容易产生剧烈摇摆,因此,为了保证安全,“蛟龙号”的布放回收需要限定在较好的海况下进行,因此影响了科考作业效率。同时船只噪音大,没有装备动力定位系统,达不到潜水器工作母船的状态。此外,“向阳红09”船没有专门的潜水器库房。
”深海一号”是作为“蛟龙号”载人潜水器的专用支持母船而进行建造。
建设历程
2015年,“蛟龙号载人潜水器”新母船项目通过发改委立项,定名“深海一号”。2017年9月16日,“深海一号”在武汉开工建造。2018年12月8日,“深海一号”在武船集团下水。自下水以来,深海管理中心和武船集团主要开展了船舶电缆敷设,设备电气系统、液压系统接线,船舶系泊试验,内部装修等工作。
服役历程
2019年,“深海一号”交付使用。与此同时,按照潜水器维修要求,“蛟龙号载人潜水器”也会经过一年多的大修改造,于2019年进入正式业务化运行阶段。届时,“蛟龙号”将与“深海一号”正式组合,于2019—2020年执行中国环球科学考察任务。
2020年7月21日,“深海一号”近海演练圆满收官。2020年12月1日至18日,“深海一号”船搭载“蛟龙号载人潜水器”赴南海开展1000~3000米级海试,对“蛟龙号”技术升级的2大类8小项进行验收;2021年2月21日到4月2日,“深海一号”船搭载“蛟龙号”赴西北太平洋深渊区开展7000米级海试,完成12次下潜,对7大类18小项进行验收。同年8月3日,“深海一号”船从厦门市起航,标志着中国大洋66航次启动。本航次主要利用深海浅钻等装备在西太平洋海域开展富钴结壳资源环境调查,执行时间为2021年8月3日至9月16日,海上时间共计45天。
2023年12月17日,“深海一号”从山东青岛市启航,开始中国大洋83航次任务,本航次由“深海一号”船携蛟龙号载人潜水器执行。1月27日,“蛟龙号”载人潜水器完成在南大西洋首次下潜,下潜深度3350米,成功发现高温活动黑烟囱群及大量热液生物,顺利实施微生物原位富集、热液区环境化学参数测量作业、获取了盲虾和深海贻贝等典型热液生物以及硫化物烟囱等样品。2月14日,“深海一号”抵达南大西洋热液区开展作业。2024年5月28日,在青岛蓝谷的国家深海基地码头,“深海一号”船携“蛟龙”号载人潜水器缓缓靠泊母港。这标志着中国首个大西洋载人深潜科考航次——中国大洋83航次任务取得圆满成功。本航次“蛟龙”号共开展载人深潜作业46次,累计带领科研和工程技术人员70余人次进入深海开展科考。
基本设计
船型设计
主尺度设计
船长
船长通常需结合快速性、耐波性和总布置等因素确定。“深海一号”设计航速为16kn,傅汝德数Fn约为0.28,适宜的长宽比有助于减小兴波阻力,改善快速性。从耐波性方面考虑,资料显示,太平洋海域出现频率最高的波浪波长约为70m,当船长取不小于1.2倍的波长时,可使船舶在波浪中处于骑浪状态,避免“小船骑大波”带来的耐波性方面的不利影响。结合“深海一号”潜水器库房和上层建筑的布置,同时考虑控制船长以达到降低空船质量和造价的目的,船长取为90.2m。
船宽
船宽的选择主要考虑适宜的长宽比和稳性。船长确定之后,根据快速性确定的长宽比可基本确定船宽范围。但是,“深海一号”的上层建筑庞大,存在受风面积大和重心较高等对稳性不利的因素,船宽的选择还需结合完整稳性和破舱稳性的计算确定,而船宽过大会对船舶的横摇周期带来不利影响,降低船舶的舒适度。综合考虑多方面因素,船宽取为16.8m。
吃水
吃水主要根据船舶排水量和螺旋桨浸深确定。在排水量确定的前提下,增加吃水可减小船舶的水下方形系数,为快速性带来正面影响,但过小的方形系数不利于船舶(特别是机舱区域)的布置。另外,为避免航行时螺旋桨出水,吃水一般应不小于1.2倍的螺旋桨叶梢高度。综合考虑,设计吃水确定为5.5m。
型深
型深一般基于干舷和布置情况确定,选择的型深应满足规范对最小干舷的要求,同时要考虑型深以下舱室(特别是机器处所)的高度要求。对于“深海一号”而言,考虑到潜水器布放回收时的安全性,要求干舷不宜过高,以尽量减小潜水器出水后的垂向收放距离。结合上述考虑,型深取为8.1m。通过对主尺度进行优化设计,“深海一号”用于为潜水器提供作业支持的空间相较于国内外同类船型有较大的增加,布置的合理性得到提高。另外,虽然船型较为短胖,但其海军常数在Fn相近的情况下相较于“Atlantis”号和“向阳红09”船更大,充分体现了其优秀的快速性。
防气泡下泄和低阻力的斧型艏
“深海一号”的线型设计不仅要满足在较短的时间内将载人潜水器运载到试验区域的快速性要求,而且要保证船底安装的换能器能正常工作,尽可能地减少船首兴波产生的气泡对换能器工作的干扰。为更好地协调快速性与气泡干扰之间的矛盾,设计了一种独特的专利斧型艏线型。不同于传统球鼻艏的椭圆形横剖面形状,斧型艏采用一种扁平瘦长型的横剖面。这种横剖面由于水线面面积小,在频繁出水、入水时能大大减少传统球鼻艏带来的大量气泡,从源头上减少气泡的产生,并通过流线仿真优化艏部线型,使最易产生气泡的水面区域的流线流向避开船底声学设备区域,最大限度地避免大量气泡流经,对声学设备的正常工作产生不利影响;同时,前伸的斧型艏能拉长设计水线长,在一定程度上弥补了取消球鼻艏对快速性的不利影响,且在不同吃水下,水线长度变化很小,能兼顾不同吃水和风浪中的快速性。
支持保障能力及其功能兼容性
载人深潜器搭载与维护系统
“深海一号”载人深潜器的搭载与维护系统功能考虑非常全面,主要依靠3个配套分系统及其设备实现。
运移轨道及其系统
沿船长方向,贯穿主甲板尾部A型架下方作业区,到遮蔽作业库区内的约24m运移轨道及其轨道车;实现载人深潜器在母船上沿轨道运移,在作业甲板上或遮蔽库内定位、系固,以及在遮蔽库内抬升等。
遮蔽作业库区及其库区内的专用维护检修平台与顶部配套行车
实现对载人深潜器的表面维护保养、深海样品回收、设备拆卸与更换和规定状态下的潜航员进出舱等。遮蔽作业库区主体面积达170m2。
储存在遮蔽作业库区和备品库内的维护配套设备、专用工具和载人深潜器系统的备品备件
蓄电池及其充放电系统、压载铁及其装卸系统、高压空气瓶及其充气系统、浮力材料及其安装工具等。遮蔽作业库区主体之外的空间面积达72m2。
布放与回收系统
指海面与母船运移轨道及其轨道车之间的载人潜水器布放或回收系统,主要由3个分系统组成。
载人潜水器专用A型架系统
蛟龙号载人潜水器量身定制,起吊载荷30t,具备恒张力补偿能力;布放、回收作业海况相比向阳红09船的A型架系统有所提升,海上作业的安全性较高。
辅助拖曳绞车及其拖曳缆
用于回收时将“蛟龙”号拖到母船的船尾,倒出舷外的A型架下方;用于蛟龙号载人潜水器布放、回收时辅助定位;起到稳定和控制“蛟龙”号水平方向位移和起吊时的短暂晃动问题;避免载人潜水器与A型架发生碰撞。
海上高速工作艇
水面作业人员搭乘工作艇,在海面上将A型架的起吊缆挂到蛟龙号载人潜水器的顶部吊挂点上,或从“蛟龙”号的吊挂点上将起吊缆解开;辅助绞车上的辅助缆绳也是由水面作业人员系固到“蛟龙”号的水平拖曳点上。
水面指挥、通信支持与水面警戒
载人潜水器支持母船应满足对水面指挥、通信支持与警戒的需求,信息化程度要求高,专业覆盖面广,接口众多,既涉及对载人潜水器的水下定位、跟踪和数据解析,又涉及建立一个稳定、高效的信息化平台,支持对各项数据的融合与判断。
与载人潜水器的通信系统
与载人潜水器的通信系统由超短基线(USBL)系统、多功能水声通信机系统、水声电话和声学吊阵及其绞车系统所组成,其中:超短基线系统用于测定水下声学应答器和载人潜水器相对母船的位置,实现对水下设备的定位和跟踪;多功能水声通信机系统、水声电话和声学吊阵系统用于实现载人潜水器与水面支持母船之间的实时通信联系,以及母船指令与潜水器各种数据、语音和图像等信息的双向传输。
信息化平台
“深海一号”通过建立一个安全、高效、稳定的信息化平台,在配合载人潜水器在复杂海底完成探测、观察和采样等水下作业时,实现对综合数据的快速分析与作业支持的需求,同时提升全船的信息化管理水平。该信息化平台可归纳为“1个平台,2个中心,6大系统”。该信息化平台的主要功能包括:实现船与岸基、船与船以及船与水下平台之间的信息交互、资源共享;形成全船一体化的数据采集、处理、监控及管理平台,提升海洋科考活动的自动化和数据管理水平;建成全船业务系统管理与指挥调度平台,有效保障全船的协同工作能力和业务处理能力;在潜水器下潜作业期间,有效提升下潜航次的效率,保障信息的准确性、时效性和安全性。
深海样品快速分析和实验室布置
“深海一号”设置的船载试验系统支持对深海样品的快速分析和储存,以及对海洋地质、生物、化学、物理和大气等学科的海上试验研究,主要有11项功能。
参考资料
载人潜水器作业环境调查与大洋科学辅助调查系统
载人潜水器支持母船必须为载人潜水器的作业提供全过程支持,包括对作业环境的调查。围绕该任务需求配置形成的作业环境调查装备系统除了直接用于支持蛟龙号载人潜水器布放、回收的船尾A型架等装备以外,还包括甲板通用装备系统和辅助专用调查装备系统。这些装备的配置从功能上可兼顾大洋科学的辅助调查,因此提高了装备的使用效率。
“深海一号”的甲板通用装备系统包括尾甲板A型架(载荷30t)、船中主吊(载荷25t,吊臂长度12.5m)、右舷辅吊(载荷4t,吊臂长度16m)、左舷辅吊(载荷1t,吊臂长度7m)、右舷A型架(载荷15t)和船首物料吊(载荷1t,吊臂长度7m)。
辅助专用调查装备系统包括“深海一号”在遮蔽作业库区左舷位置设置一台6000米级ROV绞车及其布放回收系统,可专用于与载人潜水器配套作业。另外,还配置有万米地质绞车1台,CDT绞车1台,水文绞车1台,重力仪和ADCP等。艉甲板的密集系固系统设计为各种移动取样装置(如电视抓斗、可视多管取样器和可视箱式取样器)的搭载提供了便利。此外,本船还可支持同时搭载大深度ARV、6000米级ROV和AUV等水下设备。以上装备能有效地支持对水文、地质和生物等的作业环境保障调查和大洋科学辅助调查,使得“深海一号”成为能同时搭载全类型科考潜水器的载人潜水器支持母船。
电力推进系统谐波抑制
谐波干扰问题
电力推进系统由交流电网受电,通过变频装置输出频率和电压可变的交流电源,从而驱动推进电机工作。变频调速会引起谐波,造成电网污染和电磁兼容等问题。如何改善电力推进船舶谐波干扰是此类船舶设计中无法回避的问题。传统的二极管前端(DFE)整流形式为降低谐波,需增加移相变压器和滤波器,占用空间较大,且对电网能效有2%左右的降低。即便如此,电网中仍会残留较大比例的谐波成分。因此,“深海一号”采用先进的有源前端(AFE)变频驱动技术,以最大限度地降低推进系统谐波对全船电网的污染。
AFE变频驱动技术
中国船级社《钢质海船入级规范(2018)》要求,电网单次谐波电流应不大于5%,总谐波电流应不大于8%。得益于AFE对输入电流的闭环控制,IGBT(IBGT)整流桥能够动态调整电流波形,补偿谐波电流。根据实船测试,“深海一号”电网单次谐波电流小于3%,总谐波电流小于5%。
环境友好型母船设计
“深海一号”的设计在电站与推进器配置、满足CLEAN标志和满足最新发电机组的国际海事组织TierIII排放标准等方面取得了较理想的效果。
电站、推进器配置与经济航速情况
“深海一号”电站配置2台2610kW柴油发电机组和2台760kW柴油发电机组。通过线型和系统优化设计,在仅开启1台2610kW柴油发电机组时,可保证全船用电负荷并达到12.6kn的经济航速,大大降低全船的油耗和大量燃油带来的空气污染,符合“深海一号”的“绿色化”设计定位。
满足TierIII的排放标志情况
“深海一号”首次在全球科考船设计中采用选择催化还原(SCR)的技术装置,使全船柴油发电机组的排放均满足IMO关于氮氧化物(NOX)排放的TierIII最新标准,适应未来在国际海域航行的需求,充分体现“深海一号”设计对环境友好及其绿色化的定位。
满足船级社其他附加标志情况
在满足IMO的TierIII排放标准的同时,“深海一号”还满足中国船级社(CCS)IceClassB3、PSPC(B)、UnderwaterNoise2、COMF(NOISE3)、COMF(VIB3)、GPR、AUT-0、DP-1、OMBO和Clean等船级附加标志的设计、建造要求。
水下辐射噪声的控制
蛟龙号载人潜水器在进行深潜作业时,声学通信是其与水面母船沟通的唯一途径。此外,“深海一号”上装有多波束、超短基线等综合科考所需的声学设备,其设计对控制水下辐射噪声提出了很高的要求。在设计“深海一号”过程中,采取以下措施控制水下辐射噪声。
对初步设计的前期预评估
在初步设计阶段,对全船机械设备和结构的振动和噪声幅值进行仿真计算预评估,并根据仿真结果对局部结构设计方案进行改进。
主要机电设备选型环节的控制
在对柴油发电机组等主要机电设备进行选型时,提出量化的指标,选择振动和噪声指标低的优质产品;要求吊舱推进器提供电磁噪声的试验数据,并对螺旋桨进行水池试验,以确保水下辐射噪声指标满足控制要求。
基座等的隔振设计
对发电机组、风机、空压机和泵组等主要振动噪声源的基座采用双层隔振或浮筏安装的方式,减少对船壳外的噪声传导。
全船结构及设备基座的设计优化
最终实测结果表明,“深海一号”满足中国船级社首次提出的对水下噪声UnderWaterNoise2的附加标志要求。
适居性
“深海一号”是一艘全球航行的专用载人潜水器支持母船,船上搭载的22名船员和38名科学家需长期在船上工作和生活。本着“舒适化”的设计理念,“深海一号”在总布置、舱室设计和振动噪声等方面均采用先进的设计理念和措施,为工作人员提供适宜的船上环境,以保障其高效工作、舒适生活。
总体布局
在总布置方面,将工作区与生活区分层布置,实验室和工作区域主要位于主甲板中后部,便于进出作业;生活区设在上层甲板,避免当班人员与休息人员互相干扰;生活区和位于主甲板下的机器设备处所通过实验室区域缓冲,显著地降低机器设备振动噪声对生活区域的影响,极大地改善船上的生活环境。另外,在生活区噪声较大的机舱棚和风机室等周围区域,通过设置储藏室、物料间等物理隔离措施,将其对生活区域的影响控制在较低水平。
起居处所设计
“深海一号”起居处所的设计在满足《海事劳工公约(2006)》的基础上,尽可能地增加单人间的数量,设有套房7间、单人间23间、双人间15间,同时所有舱室均设有独立卫生间,保证更多的人有更适宜的生活条件。为丰富和便利船上人员的业余生活,设置多种形式的公共空间,包括接待室、报告/放映厅、阅览室、健身房、桑拿房、清真餐厅、大餐厅、洗衣房和更衣室等。与国内外同类型科考船相比,海船居住环境的舒适性处于较高水平。
减振降噪设计
“深海一号”舱室噪声与振动按中国船级社的COMF(NOISE3)和COMF(VIB3)的附加标志设计。“深海一号”采取的减振降噪措施主要包括:
实船测试结果显示,“深海一号”实验室区域和起居处所区域的振动噪声均控制在了较低水平,舱室振动噪声水平超过设计目标,达到了COMF(NOISE2)和COMF(VIB2)的水平。
相关参数
参考资料
技术特点
信息化
在信息化方面,“深海一号”配备超短基线等对载人潜水器进行定位,采用两套不同的水声通信机进行潜水器与母船之间的图像音频通信,保障联络畅通,增强系统可靠性;装有先进的船载网络,采用一人驾驶桥楼设计,具有先进的通信导航能力;重点关注对水下辐射噪声控制的设计,确保水下与水面通信畅通无阻。
模块化
在模块化方面,“深海一号”具有便捷的移动设备配套能力,可搭载调查集装箱、有缆水下机器人(ROV)集装箱、移动绞车集装箱、放射性试验集装箱等,艉部主甲板及实验室区域布置了大量通用紧固件基座和通用集装箱箱脚,为灵活搭载调查设备提供了充足的甲板空间和基础设施;配备6000米级ROV及无缆水下机器人(AUV),可先期辅助、同步配合蛟龙号载人潜水器作业,并进行辅助科学调查。
便捷化
在便捷化方面,“深海一号”配备支持潜水器深潜作业的专用调查设备系统;其通道设计、功能舱之间进行了优化处理,有机衔接;船载实验室提供即时的海洋环境调查数据,支撑对“蛟龙”号下潜海域的环境调查保障工作;主甲板上配备了蛟龙号载人潜水器的专用吊放A型架、运移轨道车及潜水器库房,满足“蛟龙”号布放回收及维护保养的需求;配备众多水文环境调查装备,在潜水器作业前,使用多波速、浅地层剖面仪、多普勒剖面仪、温盐深仪(CTD)等对目标海域水文环境进行测量和分析,以供潜水器作业使用,为载人潜水器作业提供全面支撑。
人性化
在人性化方面,“深海一号”拥有符合人体工程学的作业空间、试验空间和学习居住空间,为潜航员打造了舒适的环境;充分考虑了船舶的耐波性,配备自噪声监控系统,能够准确、完整地评估水面及水下辐射噪声对声学设备的影响。
绿色化
在绿色化方面,“深海一号”在科学考察船领域第一次在动力系统设计中引入了选择性催化还原(SCR)系统,满足国际海事组织(IMO)TierⅢ排放标准对氮氧化物(NOx)排放限值的要求。
相关事件
2018年12月20日,由国家语言资源监测与研究中心商务印书馆人民网股份有限公司腾讯控股联合主办的“汉语盘点2018”揭晓仪式在北京举行。“深海一号”入选2018年度科技类十大流行语。
2020海博会10月15日在深圳市开幕。海博会期间,我国首艘自主设计建造的专用载人潜水器支持母船“深海一号”搭载蛟龙号载人潜水器亮相深圳,首次面向公众开放。
建设意义
“深海一号”建成后,可以充分发挥蛟龙号载人潜水器的性能,将提升中国深海精细调研能力,对于提升中国深海大洋科学考察水平、促进中国海洋科技创新发展、提高中国的国际海底区域竞争力具有积极的推动作用,对于实现中国海洋强国梦具有重要战略意义。
目录
概述
历史沿革
建设背景
建设历程
服役历程
基本设计
船型设计
主尺度设计
船长
船宽
吃水
型深
防气泡下泄和低阻力的斧型艏
支持保障能力及其功能兼容性
载人深潜器搭载与维护系统
运移轨道及其系统
遮蔽作业库区及其库区内的专用维护检修平台与顶部配套行车
储存在遮蔽作业库区和备品库内的维护配套设备、专用工具和载人深潜器系统的备品备件
布放与回收系统
载人潜水器专用A型架系统
辅助拖曳绞车及其拖曳缆
海上高速工作艇
水面指挥、通信支持与水面警戒
与载人潜水器的通信系统
信息化平台
深海样品快速分析和实验室布置
载人潜水器作业环境调查与大洋科学辅助调查系统
电力推进系统谐波抑制
谐波干扰问题
AFE变频驱动技术
环境友好型母船设计
电站、推进器配置与经济航速情况
满足TierIII的排放标志情况
满足船级社其他附加标志情况
水下辐射噪声的控制
对初步设计的前期预评估
主要机电设备选型环节的控制
基座等的隔振设计
全船结构及设备基座的设计优化
适居性
总体布局
起居处所设计
减振降噪设计
相关参数
技术特点
信息化
模块化
便捷化
人性化
绿色化
相关事件
建设意义
参考资料