潜水器技术与应用

　　海洋是生物资源、能源、水资源、矿产资源的开发基地，是*现实和有发展潜力的战略空间。为了更好地开发和利用海洋，满足我国对深海矿产资源调查、深海综合调查研究、深海科学研究、海洋资源开发和海洋权益维护等需求，必须及时建设我国的深海装备体系，而潜水器是深海运载体系*基本的配备。本书内容力求全面，涵盖从潜水器的设计到应用的全过程，主要内容包括潜水器总体设计方法、各分系统（控制、推进、导航与通信系统，动力与配电系统，液压与作业工具系统，生命支持系统）的设计与制造、总装建造、陆上联调、水池试验、焊上试验、潜航员的选拔与培训、潜水器的操作与维护以及潜水器的应用。

　　崔维成，1963年生，江苏海门人，“全国优秀科技工作者”（2010）。2013年5月17日作为“蛟龙”号研制和海试团队的代表受到党和国家领导人的接见，并在随后的表彰大会上获颁“载人深潜英雄”勋章和证书。2016年被《自然》杂志评为“中国十大科学之星”。1986年清华大学固体力学专业学士，1990年英国布里斯托大学结构可靠性专业博士。1993年2月回国，被中国船舶科学研究中心聘为高级工程师和硕士生导师，1995年晋升为研究员和博士生导师，1999年担任上海交通大学船舶与海洋工程学院副院长。2002年被中国船舶重工集团公司党组任命为中国船舶科学研究中心所长，并担任了“蛟龙”号总体与集成项目负责人，副总设计师。2013年加盟上海海洋大学，在国内高校中创立首个深渊科学与技术研究中心，首次引入“国家支持 民间投入”“科学家 企业家”的产学研合作新模式，发起“彩虹鱼挑战深渊极限”的项目，目标是研制出包括全海深载人/无人潜水器构成的深渊科学技术流动实验室，攀登世界载人技术的高峰，同时为填补我国深渊科学的空白作出自己的积极贡献。现已全职加入西湖大学，受聘为深海技术讲席教授并担任西湖大学-上海海洋大学联合深渊科学技术研究中心主任。崔维成教授课题组主要开展深海装备的多学科设计优化方法研究和深海装备研制，如载人/无人潜水器、着陆器/浮标的研制、机械手/推进器/高压海水泵/水下摄像机等重要部件的研制、金属材料/有机玻璃材料/固体浮力材料破坏机理及强度预报方法研究等。2013年起作为项目负责人牵头研制“深渊科学技术流动实验室”，目前已经进行到一半左右，计划在未来5年全部建成。在海洋结构物极限强度分析方法、疲劳寿命预报方法、多学科设计优化方法及其在潜水器设计中的应用等领域，有创新性成果。已在SCI和EI杂志上发表论文共计300余篇，名列2017年Elsevier海洋工程领域“中国高被引学者”榜单之首。因在“蛟龙”号载人潜水器研制项目上的突出贡献，2013年获国际海洋装备展览会杰出成就奖 （Oceanology International 2013 Award for achievement in manned submersible technology）2014年获“Blancpain宝珀汉斯·哈斯五十噚大奖”，是亚洲地区获奖的人。2016年被《自然》杂志评为“中国十大科技之星”。2017年被评为首届全国创新争先人才奖状。现担任五本国际期刊编委。

第1章潜水器工作的海洋环境1
1.1海洋的基本分类3
1.2海洋资源4
1.3海洋资源开发的特点6
1.4各类海洋环境7
1.5潜水器设计过程中需要考虑的海洋环境要素9
1.6海洋声学10
参考文献11
 
第2章潜水器的基本知识13
2.1潜水器的基本概念和分类15
2.2潜水器的发展历史17
2.2.1早期发展17
2.2.2载人潜水器的发展18
2.2.3无人潜水器的发展21
2.2.4我国潜水器的发展21
2.3潜水器的主要关键技术23
2.3.1遥控潜水器的主要关键技术23
2.3.2无人自治潜水器的主要关键技术24
2.3.3载人潜水器的主要关键技术25
2.3.4复合型潜水器的主要关键技术27
2.3.5水下滑翔机的主要关键技术27
2.3.6深海剖面浮标的主要关键技术28
2.4潜水器的发展趋势31
参考文献32
 
第3章潜水器设计方法概述35
3.1潜水器设计的一般步骤37
3.2潜水器设计的经验方法39
3.3潜水器设计的四要素法42
3.4潜水器设计的多学科设计优化方法45
3.4.1潜水器多学科设计优化的必要性45
3.4.2多学科设计优化的基本概念及发展历史46
3.4.3多学科设计优化的建模与关键技术49
3.5潜水器设计的可靠性方法53
参考文献56
 
第4章载人潜水器的总布置设计与总体性能分析59
4.1潜水器的总布置设计61
4.2潜水器的总体性能分析64
4.2.1各阶段研究任务65
4.2.2潜水器阻力分析67
4.2.3潜水器操纵性分析71
4.2.4潜水器潜浮运动分析77
4.2.5潜水器水动力外形优化80
参考文献81
 
第5章潜水器的结构设计、建造与试验85
5.1结构系统组成87
5.2材料选择88
5.2.1耐压壳体材料88
5.2.2观察窗材料90
5.2.3框架结构材料91
5.2.4轻外壳材料92
5.2.5浮力材料93
5.3耐压结构的设计和制造93
5.3.1耐压结构的形式93
5.3.2载人舱结构设计95
5.3.3载人舱球壳加工制造102
5.4观察窗的设计和制造106
5.4.1观察窗结构分类107
5.4.2观察窗结构设计107
5.5主框架结构设计113
5.5.1主框架结构设计的影响因素114
5.5.2框架结构计算分析118
5.5.3主框架结构的加工制造121
5.6玻璃钢轻外壳设计121
5.6.1玻璃钢轻外壳结构型式分析与选择122
5.6.2玻璃钢轻外壳外载荷和许用应力的确定123
5.6.3玻璃钢轻外壳壳板厚度的计算126
5.6.4玻璃钢轻外壳结构碰撞分析129
5.7舾装设计130
5.7.1外部舾装130
5.7.2载人舱内部舾装131
5.8浮力材料与浮力块设计与制造133
5.8.1浮力块布置与分块134
5.8.2浮力块加工与安装134
5.9结构试验136
5.9.1耐压壳体的结构试验136
5.9.2主框架的结构试验137
5.9.3观察窗试验138
5.9.4浮力块密度测试和水压试验139
5.9.5玻璃钢轻外壳试制样品的水压试验140
参考文献140
 
第6章潜水器的控制、推进、导航与通信145
6.1潜水器控制系统概述147
6.2潜水器控制系统148
6.2.1载人潜水器上的传感器148
6.2.2载人潜水器上的执行机构149
6.2.3载人潜水器控制系统的设计149
6.3潜水器推进系统154
6.3.1推进系统设计准则155
6.3.2推进系统组成与总体布局156
6.3.3推进器设计157
6.4潜水器的导航与定位系统162
6.4.1水下导航与定位技术简介162
6.4.2潜水器组合导航关键技术165
6.4.3潜水器导航传感器166
6.4.4载人潜水器导航定位系统技术方案171
6.5潜水器的通信系统172
6.5.1光纤通信172
6.5.2无线通信173
6.5.3水声通信174
参考文献176
 
第7章潜水器的动力与配电177
7.1潜水器的动力系统概述179
7.2潜水器用蓄电池的选择与设计180
7.2.1潜水器用蓄电池类型180
7.2.2国内外知名潜水器电池系统184
7.2.3“彩虹鱼”号11000米级载人潜水器电池系统设计187
7.3潜水器的配电190
7.3.1母船供电潜水器的配电190
7.3.2蓄电池供电的潜水器配电193
7.3.3漏水和绝缘监测196
7.3.4水密电缆及水密接插件196
7.3.5充油接线箱197
7.3.6潜水器的布线197
参考文献198
 
第8章潜水器的液压与作业工具系统201
8.1潜水器的液压系统203
8.1.1潜水器液压系统的特点203
8.1.2潜水器液压系统的组成206
8.1.3潜水器液压系统的设计208
8.1.4液压系统的系统集成、实验室测试和联调213
8.1.5典型潜水器液压系统简介213
8.2潜水器的作业工具220
8.2.1潜水器的机械手223
8.2.2热液取样器239
8.2.3沉积物取样器242
8.2.4钴结壳取芯器243
参考文献244
 
第9章载人潜水器的生命支持系统247
9.1生命支持系统的主要技术指标和性能要求249
9.2生命支持系统的组成和工作原理250
9.3生命支持系统的设计要点253
9.4生命支持系统的建造情况255
9.5生命支持系统的运行考核情况258
9.6生命支持系统的操作使用260
参考文献262
 
第10章潜水器的总装建造陆上联调与水池试验263
10.1总装建造265
10.1.1总装建造的目的和基本要求265
10.1.2总装建造的工作原则和工作内容268
10.1.3总装过程中的质量控制和安全保障268
10.1.4安装项目的检查验收270
10.1.5潜水器部件、设备的称重271
10.2陆上联调271
10.2.1陆上联调的目的和基本要求271
10.2.2陆上联调的主要内容272
10.2.3陆上联调的检测277
10.3水池试验278
10.3.1水池试验的目的和基本要求278
10.3.2水池试验的主要内容279
10.3.3水池试验过程中的质量控制和安全保障284
参考文献284
 
第11章潜水器的海上试验285
11.1海上试验大纲的编写原则287
11.2海上试验前的准备288
11.3海上试验过程289
11.4海上试验过程中应特别注意的安全事项290
11.5编制应急预案列表292
参考文献301
 
第12章载人潜水器潜航员的选拔与培训303
12.1国外潜航员选拔与培训的情况305
12.2潜航员选拔的一般要求306
12.3潜航员培训的基本内容309
12.4潜航员的考核312
参考文献313
 
第13章潜水器的操作与维护315
13.1潜水器正常操作步骤317
13.2潜水器下潜前的准备318
13.3潜水器运行过程中可能的故障及一般处理原则319
13.4潜水器的维护保养326
13.5潜水器的应用操作规程329
参考文献329
 
第14章潜水器的应用331
14.1海洋资源勘探333
14.2海洋科学研究336
14.3海洋环境监测341
14.4深海打捞救援343
14.5海洋军事应用345
14.6考古、水下观光旅游与水下电影拍摄346
14.7潜水器作业中的主要工具348
参考文献350
 
附录“蛟龙”号应用操作规程355