“深海一号”载人潜水器支持母船布放回收系统设计概述及特点分析

桑 巍 李宝钢 佟 寅 张 勇

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011；2.国家深海基地管理中心 青岛266237）

引 言

我院近年来成功设计了多型海洋综合科考船，具有代表性的如：中科院海洋所的“科学”号海洋综合科考船、厦门大学“嘉庚”号海洋综合科考船、中国海洋大学“东方红3”号海洋综合科考船、中国极地中心“雪龙2”号极地科学考察破冰船、国家深海中心“深海一号”载人潜水器支持母船（简称“深海一号”母船）等。“深海一号”母船是一艘专门用于布放及回收“蛟龙”号载人潜水器，并为该载人潜水器深潜作业提供水下与水面支持以及维护保养的专用载人潜水器支持母船。其满足无限航区要求，并具有全球航行能力。“深海一号”母船已于2019年9月进行试航并交付使用。

我国自主研发的深海载人潜水器“蛟龙”号和“深海勇士”号陆续研制成功并投入使用，全海深11000 m的载人潜水器“奋斗者”号也于2020年底在马里亚纳海沟海试成功，下潜水深达到10909 m。我国在深海科学研究和深海资源调查领域的技术水平已实现了从“跟随”到“领跑”。

本文着重介绍“深海一号”载人潜水器支持母船最具代表性的载人潜水器布放和回收系统，这是其实现“蛟龙”号安全作业的核心内容。

1 “蛟龙”号和“深海一号”母船简述

“蛟龙”号载人潜水器（见图1）是用于深海勘探和海底作业的深海载人潜水器，其长为8.4 m、高为3.4 m、宽为3.9 m，空载时质量不大于22.2 t， 设计最大下潜深度7000 m，最多可载3人，可探索99.8%的海域。其续航时间12 h，科学负载220 kg，具备先进的水声通讯及海底地貌探测能力，并配备机械手等作业工具，可完成复杂取样任务。

图1 “蛟龙”号载人潜水器

“深海一号”母船是一种特殊的海洋科考船，是专门为载人潜水器提供深潜作业支持保障的特殊用途船舶，具备潜水器运载、就位、布放和回收功能［1］。载人潜水器下潜作业期间，“深海一号”母船除承担水面指挥、通信支持、水面警戒等，还承担潜水器作业区域的水文环境调查、地质调查及生物调查等任务；具备对深海取样的样品快速分析和研究的能力，具备在船上为潜水器提供维护保养和应急维修的能力。正由于该船型能为载人潜水器提供全方位的专业服务，故被形象地称为载人潜水器支持母船。

“深海一号”母船的主要特点：

（1）大吨位吊放能力的收放系统；

（2）专用的潜水器存放维护机库；

（3）各类调查探测能力；

（4）专业化实验室。

“深海一号”母船是“蛟龙”号载人潜水器全方位的海上平台，图2为其载人潜水器支持系统的结构框图。载人潜水器支持系统包括布放回收系统、作业支持系统、运维保障系统以及环境保障系统共4个部分，本文论述的布放回收系统是载人潜水器支持系统的重要组成部分。

图2 载人潜水器支持系统结构框图

2 “深海一号”母船的布放回收系统

载人潜水器母船的布放回收系统是将载人潜水器从船上库房或甲板布放至海中，或由海中回收潜水器至船上库房或甲板的作业系统，也是开展潜水器水下作业的专用水面支持设备。典型的布放回收系统［2］由潜水器专用尾部A型架［3-4］、潜水器运移轨道车以及拖曳绞车等系统组成，如图3所示。“深海一号”母船的布放回收系统［5］是专为“蛟龙”号载人潜水器服务的。

图3 载人潜水器布放回收系统布置

2.1 尾部A型架（30 t）

尾部 A 型架为“蛟龙”号布放回收专用，由A型架结构及组件、液压动力源（HPU）和控制系统组成。其用于4级海况条件下安全布放载人潜水器，5级海况应急回收。

2.1.1 主要技术规格

尾部A型架主要技术参数见下页表1。

表1 尾部A型架主要技术参数

2.1.2 主要结构、功能和特点分析

A型架在固定的内倾和外倾位置间摆动，将载人潜水器从母船吊放至海面上，或从海面回收自母船甲板。在最大外倾点位置，能保证载人潜水器的吊点中心距母船甲板末端有足够的距离。在潜水器回收内倾角点位置，将载人潜水器吊放至运移轨道车上。A型架外形及组成见下页图4。

图4 尾部A型架外形及组成

A型架支撑在2个基座上，基座安装于船尾预先加固的甲板，该基座上装有A型架的转轴和主油缸。A型架是一种A型门架结构，由3部分组成，一是左右两侧支柱，其底部是由2个轴承组成的主转轴；二是主工作油缸；三是通过法兰与左右两侧支柱连接的顶部横梁。顶部横梁上装有摆动梁及连接构件、前后止荡油缸及连接构件。

A型架上装有一个摆动臂，它通过轴承/轴承座机构悬挂在A型架的横梁上。摆动臂总成由提升绞车、伸缩柱、万向支架总成和锁紧机构等部分组成。A 型架上有维修平台和便捷到达的设施，以便维护。

提升绞车装在A型架摆动梁上，由5个液压马达驱动；绞车通过1根合成纤维绳与潜水器单点吊挂点相连；潜水器被吊至万向支架下方，然后与锁紧机构锁紧在伸缩柱/万向支架上。在投放时，潜水器被锁紧，所有相对于A型架结构件的运动都被阻尼缓冲，从而使潜水器和人员的运送过程变得平稳且安全，有效提高了潜水器中人员的舒适度。

“深海一号”母船尾部A 型架较之“向阳红9”号尾部A 型架在能力上增加了冗余，提高了系统安全性，在恶劣海况下工作更可靠。

2.2 潜水器运移轨道车和机库内液压升降装置

根据图2载人潜水器支持系统结构框图，机库内液压升降装置属于运维保障系统设备，但升降装置需和轨道车上的托架组合使用实现潜水器提升和下降，因此在本文中一并阐述说明。

2.2.1 主要技术规格

在尾部作业甲板至潜水器机库间安装轨道，使用运移轨道车可以实现载人潜水器在甲板起吊点与机库之间的安全可靠转运，并有效提高潜水器布放回收效率。“蛟龙”号动力电池设于潜水器底部，需要在机库内设液压升降装置，提升潜水器后，在母船上对潜水器底部设备进行维护和保养。

潜水器运移轨道车的安全载重量为25 t，额定运行速度0.06 m/s，最大工作海况4级（行走）。运移轨道车和机库内升降装置配合后，便可实现潜水器升降，便于潜水器维修保养。

2.2.2 潜水器运移轨道车主要结构、功能和特点分析

（1）设备组成

潜水器运移轨道车（以下简称“轨道车”）包括托架、移动车（含电动驱动机构）、检修升降台、轨道及电控系统，其主要组成见图5。

图5 潜水器运移轨道车组成

（2）托 架

托架为轨道车上支撑潜水器的部件。由于潜水器底部为圆弧形，故在托架上设5个支点，以实现对潜水器的有效支撑；此外，机库内的液压升降装置也是利用托架来提升潜水器的。

● 技术要求

工作温度：-20℃～ 55℃；

型式：钢制框架式；

外形尺寸（L×W×H）：

4900 mm×3260 mm×1300 mm。

● 结 构

托架采用框架式梁型结构，采用机械性能不低于Q345E或EH36的钢材。设计时考虑结构优化，在满足强度要求的情况下，尽量减轻结构质量。托架结构外形如下页图6所示。

图6 托架结构外形

● 安全锁定措施

在运移“蛟龙”号过程中，托架与轨道车之间需进行机械锁扣连接，以保证运行安全。此外，“蛟龙”号与托架之间采用钢丝绳（由船东提供）进行绑扎，以确保安全。

（3）移动车

移动车是轨道车实现在轨道上移动的主要部件。由于潜水器在机库内维护时，潜水器存放在移动车上，潜水器动力电池拆卸后需要从后部移出，因此，移动车采用U形结构。不过，这样就降低了移动车的结构强度，故对移动车结构设计时需特别考虑。

● 技术要求

工作温度：-20℃～55℃；

型式：钢制框架式（含齿轮行走机构）；

外形尺寸（W×H×L）：

4620 mm×3200 mm×670 mm。

● 结 构

移动车采用框架式梁型结构，采用机械性能不低于Q345E或EH36的钢材。设计时考虑结构优化，在满足强度要求的情况下，尽量减轻结构质量。移动车结构外形职如图7所示。

图7 移动车结构外形

● 安全锁定措施

轨道车自带刹车，可以在任何位置制动停止。若在船尾潜水器下放位置和机库内检修位置时，还要求移动车与甲板进行系固，以保证安全。

（4）检修车

检修车是辅助潜水器保养维修的部件。潜水器一般在机库内潜水器存放区进行维护检修。拆卸潜水器动力电池时，需要先下放到检修车上，检修车后移将电池移出潜水器。由于机库内潜水器存放区空间有限，故需要简化设备，以便为维修作业提供空间。在移动车的U型结构内设置轨道，检修车安装于轨道上便可以实现前后移动。检修车结构外形见图8。

图8 检修车结构外形

● 技术要求

工作温度：-20℃～55℃；

外形尺寸（W×L）：1700 mm×1100 mm；

举升能力：1.5 t。

（5）轨 道

轨道布置于母船主甲板机库到尾部A型架区域，这是母船科考作业最重要的工作区。为尽量减少轨道对科考作业的影响，轨道是通过甲板埋入式螺栓孔活动安装，并尽量降低轨道高度，见图9。

图9 轨道

● 技术要求

工作温度：-20℃～ 55℃；

轨道截面：工字形状；

外形尺寸（W×H×L）：

120 mm×100 mm×25000 mm。

2.2.3 机库内液压升降装置的组成、功能和特点分析

（1）设备组成

机库内升降装置包括主机架（结构框架）、升降机构、控制系统和液压系统，其主要组成、结构及外形参见图10。维修平台为铝制格栅，安装于升降装置的主机架上。

图10 液压升降装置

（2）主机架

主机架用于升降装置的安装和结构支撑，包括立柱和水平支撑。升降装置油缸安装于立柱内，既可为油缸提供支撑，又可节省机库内的空间。立柱通过水平支撑结构和船体相连。

● 技术要求

工作温度：-20℃～ 55℃；

型式：钢制框架式；

外形尺寸（L×W×H）：

4900 mm×3260 mm×1300 mm。

● 机架结构

主机架为框架式梁型结构，采用机械性能不低于Q345E或EH36钢材。设计时考虑结构优化，在满足强度要求的情况下，尽可能控制结构质量。主机架结构外形见图11。

图11 主机架结构外形

（3）升降机构

升降机构共有4个，位于载人潜水器存放位置前后左右处的机架立柱内，分别由4个油缸驱动同步举升，可以托举提升载人潜水器的托架（属于运移轨道车系统）。每个升降机构都有垂直方向的导向轮，用以升降架导向，升降位置是由数字位移传感器精确控制。

● 技术要求

工作温度：-20℃～ 55℃；

方式：采用油缸举升。

● 结构外形

升降机构结构外形见图12。

图12 升降机构结构外形

● 安全锁定措施

升降架与托架采用机械锁扣锁定（手动），确保顶升过程中升降架与托架的可靠连接。

托架（包括载人潜水器）顶升至检修位置后，通过插销锁定装置（手动），以确保升降架安全。此外，在载人潜水器与托架之间以及载人潜水器与机库甲板之间，都采用了由船东提供的系留索，以适时进行绑定，确保安全。

该升降机构还设置了液压系统过载保护功能，以确保不会损坏锁定装置。

2.3 拖曳绞车

拖曳绞车的主要作用：一是用于潜水器回收时，将潜水器拖曳至母船尾部A型架下方；二是在尾部A型架吊放潜水器时，用来稳定潜水器首向。拖曳绞车的安全工作负荷需根据潜水器拖带阻力来确定，并备有风浪裕度。

2.3.1 主要技术规格

基于为“蛟龙”号作业的拖曳绞车，其主要技术规格见下页表2。

表2 拖曳绞车主要技术参数

2.3.2 主要结构形式、功能和特点

拖曳绞车采用直拉绞车形式并由液压驱动，与尾部A型架共用液压动力源（HPU）和控制装置。若缆较长，还需配备排缆器。考虑到拖带过程中风浪载荷的变化，一般都设恒张力装置，有利于潜水器安全可靠地进行拖带作业。拖曳绞车应至少能在4级（及以下）海况稳定工作，并能在5级海况下应急作业。

拖曳缆绳需通过船尾中间位置导出船外。若拖曳绞车布置在尾部作业甲板中间，则会干扰其他科考作业；若布置在尾部作业甲板两侧，则需要导缆器导向，操作不便且增加了安全隐患。

“深海一号”母船在尾部中间局部设计了下凹平台，用来安装拖曳绞车，从而避免了以上问题。拖曳绞车布置如图13所示。

图13 拖曳绞车布置简图

3 结 语

“深海一号”母船的载人潜水器布放回收系统针对“蛟龙”号在大洋作业中出现的问题，增加尾部A型架能力上的冗余；针对“蛟龙”号载人潜水器及其在机库和尾部布放回收位置的转运要求，量身定制了运移轨道车和轨道；针对“蛟龙”号载人潜水器需要在机库内进行维护检修（尤其是对“蛟龙”号底部设备的维护检修），开发了全新的潜水器升降装置及维护平台；通过系统及作业流程的优化完善，有效提高了“蛟龙”号海上作业的安全性和可靠性。

载人潜水器布放回收系统是母船实现潜水器安全作业的核心装备。由于载人潜水器海上作业工况复杂多变，因此特别需要设备安全可靠，设备能力有一定冗余，维护检修设备功能完善，作业流程合理高效。

希望本文能为今后载人潜水器布放回收系统的设计、建造和使用提供一些帮助。