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深海科技关键装备研究:深海潜水器及声呐系统竞争格局

  

深海科技关键装备研究:深海潜水器及声呐系统竞争格局

  面对陆地资源趋紧的全球态势,深海已成为大国竞逐的“最后战略疆域”;发展以“深潜、深钻、深网”为核心的深海科技,直接关乎我国资源自主权、蓝色经济新引擎与水下国防安全体系建设。2025年“深海科技”被首次纳入《政府工作报告》,体现了国家对深海开发的重视。

  深海指水深超过200米的海域,具有高压环境、底层水流缓慢、无光、水温低、盐度高、沉积物丰富等特征,全球95%的海洋空间属于深海范畴。深海装备是人类探索和开发深海资源、研究深海环境以及保障深海作业安全的重要平台,其中,深海潜水器、声呐系统等是深海探测与感知装备的核心,未来市场空间广阔。

  深海潜水器是深海装备的代表。深海潜水器或机器人是综合性的水下机动平台,具有超长续航、跨域机动以及集群协作特性,可实现大规模陆、海、空、天全域及长时间协作,兼有军用和民用两种属性。在民用领域,深海潜水器能够在深海极端环境中开展各种精细化作业,执行观测、探测、采样、维修等多样化任务,为深海资源开发与科学研究提供坚实支撑。

  根据其功能和操作方式,水下机器人或潜水器主要分为载人潜水器(HOV)和无人潜水器(UUV)两大类。载人潜水器允许操作人员直接进入水下环境,通过舱体内的设备进行观察和操作。无人潜水器是目前应用最广泛的类别,它不需要人员直接参与,通过远程控制或自主运行完成任务,具体可分为有缆潜水器(ROV)、自主式潜水器(AUV)、拖曳式潜水器(TUV)和水下滑翔机(AUG),最新又出现了混合型遥控潜水器(ARV/HROV),以及无动力潜水器等多种类型。深海潜水器主要类别及应用如下表所示。

  载人潜水器与无人潜水器各有侧重,载人深潜器聚焦需人员参与的高价值任务。载人潜水器(HOV)集成了耐压船体、推进系统、声呐导航与生命维持系统等关键子系统。其显著优势在于实现了科学家对深海复杂作业的直接参与。例如,地质勘探、生物样本采集及深海装备部署等任务,因其对实时决策与精细操控的高要求,超出了当前无人潜水器的作业能力范围。

  无人潜水器有望成为主流应用。无人潜水器侧重于机器人控制、实时视频/声呐回传、精准的深海操作装备等,依托智能化、长续航和低成本优势,有望在军事、资源开发等领域占据主导地位。尤其是自主式潜水器AUV,摆脱了缆线限制,其续航和智能程度不断提升,预计将在资源勘探和安防巡逻中批量应用。同时,从美国等国家的实践来看,AUV的配套和标准化也在进步,模块化设计和标准接口让不同平台的传感器和工具可以互换,提高了维护效率。在维护方面,出现了专门的水下基地或母船来支持长期部署的AUV进行充电和数据传输;运维公司也提供托管服务,定期检修和升级软件,确保设备高可用。目前,一些国家正从载人深潜转向以ROV/AUV为主力,用机器人替代人类执行深海任务,以降低风险和成本。

  在军用领域,无人潜水器是未来水下作战核心装备和主要力量。无人潜水器以水面舰艇/潜艇为投送平台,能长期在水下自主航行,具有隐身性能好、效费比较高、机动性能好、作战用途广等优势。通过搭载不同任务载荷,无人潜水器可执行多种特定任务,如海洋调查、情报/监视与侦察(ISR)、反水雷、滨海水下作战、时敏打击(“发现即摧毁”)、反潜战、特种战部队补给等。在全球无人作战系统蓬勃发展背景下,全球主要军事大国均在加快推进无人潜航器研发。

  新型深海潜水器行业呈现以欧美为主导,亚太地区迅速崛起的态势。美、英为主的发达国家已形成从研究、设计、制造、应用、服务、教育和人才培养的整套体系,在自主推进式水下航行器方面研究较早,商业化较为成熟。

  美国海军在UUV研制方面处于领先地位,其自1999年提出深海对抗战概念,即通过UUV集群作战、300海里海底防御识别区建设及综合武器系统部署,构建集侦察、指挥、打击、防御等六大能力于一体的水下攻防体系。2016年美国海军在政府国防预算中获得了大量的资金支持,用于扩大无人潜航器编队的规模。美国目前正向UUV集群自主协同及海陆空集群协同方向发展。

  美国的UUV发展呈现出明显的系列化特征。美国现有在研、在役多项水下无人潜航器,覆盖各种排水量和动力类型,用途涵盖海洋环境调查、侦察与反水雷、察打一体化等任务。美海军较有代表性的UUV如Bluefin系列、Iver系列和REMUS系列等,各系列均依据不同口径、不同功能、不同承载量需求而设计。美国海军与波音合作研制的“虎鲸”超大型无人潜航器已于2023年底交付,可潜至3300米,在水下自主巡航数月。

  我国经过数十年的技术积累,在国家重点研发计划的支持下,在全海深无人潜水器、水下机器人自主避障与规划控制等方面取得显著进展,初步形成以“三龙五海”为代表的深海潜水器系列,即“蛟龙”“潜龙”“海龙”三龙系列和“海马”“海星”“海斗”“海翼”“海燕”五海系列,推动了中国深海技术和材料的自主发展。不过,目前关键零部件和相关技术仍有缺乏,产品研发到产业应用断层,产业化发展仍有一定距离。

  载人潜水器方面。深海犹如太空,平台装备下潜越深,占据的空间优势就越大。目前中国和美国是全球唯二有能力研制全海深载人潜水器的国家,且仅有中国具备高频次全海深科考能力,2022年至2024年全球过半载人深潜由中国完成。我国有“奋斗者”号、“深海勇士”号、“蛟龙”号三艘载人潜水器,“蛟龙”号载人潜水器在2012年突破7000米深度,“奋斗者号”载人潜水器在2020年突破10909米深潜记录。当前,“奋斗者”号国产化率达96.5%,带动了精密加工、钛合金载人舱、传感器、控制系统等数十个相关领域技术升级。

  无人潜水器方面。我国军用无人水下航行器已形成覆盖深海探测、战术侦察、智能攻防的全谱系装备体系,构建了以中科院沈阳自动化研究所、哈尔滨工程大学和中国船舶工业集团为核心的研发格局,目前在AUV领域技术跻身世界先进行列。

  中国科学院沈阳自动化研究所在AUV领域一直处于国内优势地位,形成“深海探测”与“长航时作业”两大谱系,,先后研制了“探索者”、CR01和CR02、“潜龙”系列,“潜龙”系列在深海资源勘查中屡次实现突破,标志着我国AUV技术跻身世界先进行列。

  哈尔滨工程大学联合中科院等国内优势单位,成功研制出了HSU001型AUV,以5米级艇体搭载双桨动力系统,集战场环境侦察、敌情监视等多种功能于一身,开创我国智能化水下作战平台先河,使我国在高性能航行器的研发和制造方面走进世界前列。“悟空”号是由哈尔滨工程大学牵头设计研发的另一型水下航行器,具备独立进行万米水下自主工作的能力,2021年11月在马里亚纳海沟“挑战者”深渊完成了10896m的深潜挑战。

  中国船舶集团依托710所和705所形成AUV作战装备体系。710所打造“海神”系列AUV,分为便携式(100kg)、中型(1-10吨)、重型(10吨)三个类别,可适配不同战场场景;705所于2023年阿布扎比防务展首秀的国产首型超大型无人潜航器XLUUV,对标美国“虎鲸”XLUUV,标志着中国跻身全球唯二掌握全尺寸作战型XLUUV技术的国家。

  水声信号是目前已知的唯一能够实现水下有效传输的信息载体。光波、电磁波被海水介质屏蔽、能量损耗大,穿透能力有限,在海水中不能有效传递信息。声波在海水中的传播性能最佳,在水中的传播速度远比在空气中快得多,平均速度约为1500米/秒,在水中传播的衰减也相对较小,最远可收到2万公里外的信号,低频的声波甚至可以穿透海底几千米的地层。

  声呐是深海传感器和深海探测的核心。声呐即声音导航与测距(Sound Navigation And Ranging)英文缩写“SONAR”的音译,是一种利用声波在水下的传播特性,通过电声转换和信息处理,完成水下探测、定位和通讯任务的电子设备,是水声学中应用最广泛、最重要的九游官网一种装置。凡属于对水中目标进行探测、定位、跟踪、识别、导航、制导、通信、测速和对抗等方面的水声设备均属于声呐范围。深海资源开发和水下攻防体系建设需要对于海底地形地貌进行观测、水文环境调查、海底表层采样、岩层钻探取样等,因而探测感知是深海资源开发和水下攻防体系建设的前提,而水声与各型声呐系统则是水下环境目标信息获取和信息传输的主要方式和手段。

  声呐依据工作原理可划分为主动声呐和被动声呐。声呐工作原理主要是通过发射机产生电信号,经过换能器转换成声音信号发射到水中,当声波遇到目标如潜艇、鱼群等时,会被反射回来,再由换能器接收并转换回电信号进行处理。主动声呐主动发射声波,接收回波并通过分析获取目标信息,如距离、速度等,可依据探测需求调整参数以提升探测精度,但发射声波容易暴露自身位置;被动声呐又称噪声声呐,被动地接收舰船等水中目标的辐射噪声和目标发射的水声信号以探测目标,主要用于深海监听,具备隐蔽性但无法主动获取信息。根据使用对象分类,声呐又可以分为潜艇声纳、水面舰艇声纳、航空声纳、海岸声纳等类别。按照功能,声呐主要分为探测声呐、导航声呐和通信声呐等类别。

  声呐应用领域持续扩展。声呐应用领域包括军事、海洋资源开发、渔业、科研等多个方面。在军事领域,声呐可应用于水下监听、识别与清扫隐蔽水雷、海底三维成像、水下布设武器系统等;在民用领域,深海探测声呐助力海底地震预警与地壳活动监测,便携式声呐实现鱼群动态追踪,同时在海底管线巡检、海上风电基础结构监测等场景广泛应用。

  海洋环境及目标信息的获取,正朝着水声与非声探测技术多源融合的方向迈进。当前,安静型潜艇、无人潜航器、智能水雷以及蛙人等微小型水下目标数量不断增多,同时潜艇广泛采用全电及无轴推进动力系统、声隐身技术以及海洋生物仿生技术,在此背景下,若仅依靠声呐、通过声纹特征来识别目标,难度将日益增大。因此,水下探测将逐步拓展至电磁、激光、生物、化学等非声探测领域,并朝着多源信息融合探测的方向发展。此外,随着弱磁传感技术的迅猛发展,超导和量子领域的研究成果也将被引入磁探测领域,未来有望研发出超高灵敏度的磁探仪系统,实现对极其微弱磁信号的精准检测。

  国内军用声呐系统由中科海纳和中国海防两家上市公司主导。军用声呐系统涉及国家安全,技术门槛极高,需通过严格的军用标准认证。全球军用声呐核心厂商有法国泰雷兹集团Thales Group、美国洛克希德马丁Lockheed Martin和美国雷神Raytheon等,前三大厂商占有全球大约65%的份额,其他细分声呐领域重点企业还有挪威康斯伯格Kongsberg(合成孔径声呐)、德国ATLAS ELEKTRONIK(合成孔径声呐)、美国通用动力General Dynamics(战略预警声呐)、美国L3Harris Technologies(便携式声呐)、美国Blue Robotics(小型化声呐模块)、日本古野电气Furuno等。国内军用声呐企业主要有中科海讯和中国海防(中船重工715研究所)两家上市企业,也是第三代水声信号处理平台仅有的两家供应商。国内其他声呐企业还有中海达(A股)、海兰信(A股)、海底鹰深海科技(昆明)、苏州桑泰海洋仪器、中科探海(深圳)、宁波博海深衡、北京星天科技、上海瀚界科技、珠海蓝衡科技等。

  水听器是声呐系统的关键部件,从军事潜艇应用向民用领域拓展。水听器是一种用于在水中接收声波信号并将其转换为电信号的传感器,通过压电效应或光的干涉等实现声信号与电信号的换能,广泛用于声场测量、水中通信、探测、目标定位、跟踪等。水听器是声呐系统实现水下探测、定位和通信等功能的关键部件,深海水听器需能承受数千米深海的巨大水压,其设计需考虑耐压壳体、密封性能和材料强度,成本可占声呐总成本的15%-20%。水听器由于具备水下监听的能力,最初主要用于军事领域,例如潜艇探测和反潜作战,后来逐渐拓展到民用领域,如海洋资源勘探、水下考古、海洋科学研究等。

  根据所用灵敏材料与原理的不同,水听器可划分为光纤水听器、矢量水听器与MEMS水听器等,主要应用领域如下表所示。

  国内水听器研发机构及企业主要分为军工国有企业、科研院所及其产业化平台、民营科技企业等。军工国有企业主要包括中国船舶、中国电子等,服务于军工市场。科研院所平台主要有中国科学院声学研究所(孵化出A股中科海讯)、哈尔滨工程大学(下属青岛船舶科技公司)等,也以服务于军工、海洋工程项目为主。民营研发科技企业主要有青岛海研电子(海洋传感器、海洋仪器等)、福州大禹电子、中科探海(深圳)海洋科技、浙江优威科技、江苏水声技术等。

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