常压潜水装具系统是一种拟人形的深海载人水下作业系统,其由装具、中继站、水面起吊及水面控制系统组成。配备该系统的潜水员可直接到达作业现场进行观察、水下航行,并借助活动关节,控制两手的夹持器及专用工具在水下作业。
潜水装具通过中性牵缆与中继站连接,可与水面人员实实时通讯。ADS装具内部保持一个标准大气压,在下潜过程中无须考虑减压问题,自带双重生命支持系统用于保证操作员的正常生命需求,从而消除或减轻了普通潜水所带来的生理上隐患, 延长水下停留时间,提高作业效率,主要应用于深海油气资源开发,近海水下工业操作以及援潜救生任务,具有鲜明军用两用属性。
常压潜水装具系统的关键技术有关节技术、仿人形耐压结构技术、半球形观察窗技术、操纵控制技术和中性牵缆收放技术等。
1、关节技术
现有关节技术采用的是液压支撑柱形关节,是基于Phil Nuytten在1984年申请的旋转关节专利,Phil Nuytten一辈子从事水下潜水设备的研发,于2023年5月去世。
基于关节技术的难点主要有:
1)旋转密封,在深海压力环境下既能保证可靠的机械密封,又要确保旋转扭矩足够小。
2)旋转定位,既保证活塞与油缸之间的径向与轴向精确定位,又不能额外增加关节的转动力矩,同时能够保证在高压下不出现卡死现象。
3)耐压结构,确保关节在压力环境下结构本身变形要足够小,同时重量尽量轻。
4)安全自锁,在出现完全油量耗损或者密封失效时,关节能够自锁,自动静密封,防止高压海水进入腔体。
2、仿人形耐压结构技术和半球形观察窗技术
潜水装具躯体采用仿人形设计,利用激光扫描技术建立人体躯干的3D模型,使得内部尺寸更贴近人体特征。材料采用锻铝数铣成型,确保了材质的致密性和强度,严格控制机加工精度,使壳体厚度更加合理, 减轻了整体重量。
观察窗采用全透明的有机玻璃,为操作者提供了更为宽阔的视野。有机玻璃在高压海水作用下,会发生持续蠕变变形。半球形观察窗的制造工艺复杂。由于半球形玻璃外壳镶进金属壳体时会产生大的支承应力,半球形观察窗和躯体的安装连接形式也需要引起关注。
3、操纵控制技术
装具上通常装有2.25 HP(马力)的恒速可调螺距推进器,帮助潜水员在水下“飞行”或者在轻微来流下保持原状。下图是1978 – WASP ATMOSPHERIC DIVING SUIT的工作图,从图中可以看出,其左右两侧分别有1个推进器。
4、中性牵缆收放技术
中性牵缆将装具和中继站相连,传输水下动力源、图像信息、装具状态信息和装具操作员与 甲板指挥员间的通讯联系。为了确保中性牵缆收放顺畅、排缆紧密有序,常压潜水装具采用了引缆同步输送机构。引缆同步输送机构由一组对转主动轮和被动轮组成,主、被动轮夹紧中性牵缆。放缆时主动轮带动中性牵缆向下送出中性牵缆,其线速度与卷筒放缆速度相等(或稍高些); 收缆时主、被动轮完全是被动的跟随中性牵缆转动。主、被动轮为橡胶荆棘轮机构,放缆时提供同向牵引力将中性缆送出中继站,收缆时提供适当反向迟滞力以便引缆段在保持反向受力状态下紧密有序地排在绞盘上。
参考文献
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三峡库区ADS应用问题研究_司太生2020
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常压潜水装具水动力特征与运动模拟(英文)_高慧2018
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基于自适应神经网络滑模控制...常压潜水装具航向控制器设计_陈垦2018
https://vanmaritime.com/in-memoriam-phil-nuytten/
http://www.xiaokcehui.com/?post=518
https://cyberneticzoo.com/underwater-robotics/1978-wasp-atmospheric-diving-suit-graham-hawkes-british/
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