載人深潛技術的發(fā)展與應用

胡震，曹俊

（中國船舶科學研究中心，江蘇無錫，214082）

一、前言

21 世紀是海洋的世紀，海洋資源的開發(fā)與利用已成為全球競爭的焦點領域：世界各國紛紛加快海洋油氣開發(fā)進程，從淺海逐步走向深海；海底可燃冰資源豐富，開發(fā)利用技術獲得重大突破；深海多金屬結核、水下富鈷結殼、深海熱液硫化物等礦產(chǎn)資源開辟了戰(zhàn)略金屬資源儲備的新通道。

受戰(zhàn)略需求牽引，海洋強國正在形成從先進水面支持母船，到可下潛1000～11 000 m 的載人/無人深海潛水器，以及探測、作業(yè)技術與裝備的綜合譜系。人在現(xiàn)場的直接面對、感受、分析、判斷和操作，始終是認知復雜海洋，尤其是未知深海最為有效的方式。

載人潛水器作為一種深海運載工具，可將科學技術人員與工程技術人員、各種電子裝置與機械設備等快速、精確地運載到目標海底環(huán)境中，遂行高效勘探測量和科學考察任務，已經(jīng)成為人類開展深海研究、開發(fā)和保護的重要技術手段和裝備。載人潛水器與搭載人員配合，可以有效地收集信息、詳細地描述周圍環(huán)境、快速地在現(xiàn)場做出正確的反應。過去的50年中，載人潛水器的安全運行、關鍵技術的逐漸完善，支撐并推動了深海探測領域的重大進步 [1]。

本文從國內(nèi)外載人深潛裝備與技術發(fā)展歷程、發(fā)展現(xiàn)狀的角度進行了系統(tǒng)梳理，重點闡述我國載人潛水器的應用情況及技術成就。以“蛟龍”號和“深海勇士”號的研制與應用為例，凝練我國載人深潛關鍵技術體系，分析未來裝備與技術發(fā)展趨勢。

二、國外發(fā)展現(xiàn)狀

（一）載人潛水器產(chǎn)業(yè)

在強勁市場需求和先進技術進展的共同推動下，載人潛水器產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭強勁（見表1）。2018年，海洋技術協(xié)會載人潛水器委員會的研究數(shù)據(jù)表明 [2]，全球載人潛水器活躍數(shù)量為160 艘，可提供1624 個載人座位；其中38 艘應用于援潛救生，122 艘應用于科學研究、商業(yè)作業(yè)、觀光旅游等。

載人潛水器產(chǎn)業(yè)包括制造商、運營者、研究船、行業(yè)協(xié)會等。2000年以來，新成立了以載人潛水器設計、制造和運營為主業(yè)的眾多商業(yè)公司。截至目前，載人潛水器保持著良好的安全記錄，這和船級社在安全設計和建造認證等方面的努力密不可分，例如，經(jīng)由第三方船級社進行認證的載人潛水器比例高達92%。

表1 現(xiàn)役載人潛水器（工作深度＞1000 m）

（二）深海載人潛水器

1.發(fā)展歷程

1960年1 月，瑞士人皮卡德父子乘坐“的里雅斯特”號載人深潛器，到達了太平洋的馬里亞納海溝（深度10 913 m），自此拉開了向深海進軍的序幕。彼時雖然人類已經(jīng)能到達海洋的絕大部分深度，但這距離認識深海、利用深海尚有較大距離。

隨著計算機、材料、水聲、圖像等技術的發(fā)展，以法國、蘇聯(lián)/俄羅斯、日本、美國為代表，海洋大國從20 世紀80年代起，完成了多艘6000 m 級深海載人潛水器的研制（見圖1） [3～6]。這些運載器的應用，充分顯示了專業(yè)人員親臨深海和洋底現(xiàn)場進行直接觀察和勘查的優(yōu)越性，到達范圍遍及大陸坡、2000～4000 m 深度的海山、火山口、洋脊以及6000 m 深度的洋底，獲得了大量的地質(zhì)、沉積物、生物、地球化學和地球物理的重要發(fā)現(xiàn)。

圖1 世界主要深海載人潛水器的發(fā)展歷程

2000年以來，有關深海載人潛水器的研究重新活躍起來，特別是全海深（11 000 米級）載人潛水器的研制，引發(fā)了新一輪行業(yè)技術發(fā)展 [7]。2012年3 月，美國卡梅隆團隊研制的載人潛水器Deepsea Challenger 號創(chuàng)造了單人下潛的深度記錄（10 898 m）。盡管不是一艘作業(yè)型的載人潛水器，但一些技術特點準確契合了載人潛水器技術的發(fā)展趨勢，如：載人艙大內(nèi)徑（1.1 m）、以高強度鋼作為建造材料、潛浮速度大（150 m/min）、新型照明布局（LED 光源，最長2.4 m）等。

2.發(fā)展現(xiàn)狀

（1）升級改造

美國“阿爾文”號載人潛水器自1964年交付以來完成了多次大修，2013年啟動了最全面的升級改造（見圖2），包括：全新的載人球內(nèi)徑更大，潛深可達6500 m；先進的數(shù)字指揮與控制、推進、高清照像/視頻成像、數(shù)字科學儀器交互等子系統(tǒng)；全新的科學工作空間和機械手配置。

（2）全新研制

針對印度洋1000～5500 m 深處礦產(chǎn)資源的探測需求，印度國家海洋技術研究所研發(fā)了深海載人潛水器，工作深度為6000 m，具有大于30 m/min 的上升和下降速度，3 h 到達工作深度。潛水器采用傳統(tǒng)結構設計，總質(zhì)量小于20 t，鈦合金載人球艙直徑為2.1 m，可搭載3 人，標準/緊急生命支持時間分別為12 h 和72 h。

（3）商業(yè)觀光型

國外商業(yè)公司的觀光與探險型載人潛水器發(fā)展也獨具特色。盡管潛深指標一般，但在材料、總體結構、動力、操縱性能、布放回收、生命支持與應急自救等方面都有新的突破，為深海載人潛水器發(fā)展提供了樣板。

圖2 美國“阿爾文”號升級改造歷程

1995年，美國SEAmagine 公司研制的商業(yè)型潛水器，可搭載2～6 人，深度級別為150～1500 m。2005年起，荷蘭U-Boat Worx 公司發(fā)展了系列產(chǎn)品：2 人型號深度級別為3000 m、3 人型號深度級別為2500 m、5～11 人型號深度級別為200～1700 m。2008年以來，美國的Triton 公司發(fā)展了覆蓋全海深范圍、搭載1～7 人的多類潛水器。此外，加拿大和俄羅斯等國均有各自的小型觀察型載人潛水器，已投入市場應用。

（4）新技術發(fā)展型

2018年，美國OceanGate 公司完成了Titan 載人潛水器的建造，可搭載5 人潛入4000 m 水深，用于深海的商業(yè)探索和研究冒險。Titan 載人潛水器主要分為兩部分：可搭載5 人的潛水器本體，集成式布放回收平臺（見圖3）。

Titan 載人潛水器的亮點設計包括：復合材料耐壓殼體、大型丙烯酸觀察窗、集成式布放回收平臺。集成式布放回收平臺將用于布放回收載人潛水器，同時還可作為運行維護的浮動平臺，運行在偏遠地區(qū)實現(xiàn)更簡單、低成本的部署。Titan 載人潛水器采用了新型的實時船體健康監(jiān)測（RTM）系統(tǒng)，利用部署在壓力邊界上的9 個聲學傳感器和18 個應變計，能夠分析潛水器下潛時壓力變化對殼體的作用力并準確評估結構的完整性。

此外，美國Triton Submarines 公司和EYOS 考察公司牽頭開展了萬米深度極限探險活動，建造了Triton LF 全海深載人潛水器，選擇了較大高寬比的立扁型方案（見圖3）。

三、國內(nèi)發(fā)展情況

（一）整體情況

我國在“八五”和“九五”期間開始了載人潛水器技術的研究、開發(fā)與應用，集中在援潛救生潛水器方面，包括：200 米級單人常壓潛水裝具、600米級深潛救生艇、200 米級救生鐘等。

2000年以來，我國載人潛水器領域發(fā)展迅速。2012年，研制7000 米級作業(yè)型載人潛水器“蛟龍”號，在馬里亞納海溝最大下潛深度達7062 m。2015年，研制500 米級作業(yè)型、仿人形的單人常壓潛水器裝具（ADS）；研制2 臺“寰島蛟龍”型全通透載客潛水器，工作深度為40 m，載員12 人，商用載客運行獲得國家批準試點。2016年，啟動研制全海深（11 000 m）載人潛水器，預計2020年開展海上試驗。2017年，研制4500 米級作業(yè)型載人潛水器“深海勇士”號，國產(chǎn)化率達95%。2018年，世界首臺大壩深水檢測載人潛水器通過中期檢查，工作深度為300 m，即將開始總裝聯(lián)調(diào)及示范性應用。此外，研制了多型移動型救生鐘和機動型救生鐘，為海軍援潛救生提供了國產(chǎn)化裝備。

（二）標志性成就

經(jīng)過近20年的跨越式發(fā)展，我國在載人潛水器領域已經(jīng)建成了完整的技術鏈條和應用體系，形成了三大里程碑。

1.“蛟龍”號載人潛水器創(chuàng)造7062 m 中國載人深潛記錄

2002年，國家863 計劃啟動了7000 m 載人潛水器“蛟龍”號的研制工作（見圖4 和表2）。通過全國近百家優(yōu)勢科研機構的聯(lián)合攻關，歷經(jīng)方案設計、加工制造、總裝聯(lián)調(diào)、水池功能性試驗等階段，于2008年初具備了出海試驗的技術條件。2009年8—10 月、2010年5—7 月、2011年7—8 月和2012年6—7 月，分別完成了1000 米級、3000 米級、5000 米級和 7000 米級海上試驗任務，最大下潛深度達到了7062 m。2013年，7000 m 載人潛水器開始投入應用，在中國南海、東太平洋錳結核區(qū)、西太平洋富鈷結殼區(qū)、馬里亞納海溝、西南印度洋、西北印度洋等海區(qū)完成了百余次下潛，取得了大量生物、礦物、沉積物、巖石等樣品，拍攝了高清晰海底影像資料，為開展深海資源和環(huán)境評價提供了重要依據(jù) [8]。2019年，完成大修與技術升級后的第一個測試下潛。

圖4 “蛟龍”號大修與技術升級

表2 “蛟龍”號載人潛水器基本參數(shù)

2.“深海勇士”號載人潛水器實現(xiàn)4500 m 深度的高頻次應用

2017年，國產(chǎn)化達到95%的“深海勇士”號載人潛水器完成了研制和海試，成功交付用戶（見圖5 和表3）。該潛水器最大作業(yè)深度為4500 m，廣泛采用國產(chǎn)化技術，包括載人艙、浮力材料、定位聲吶、推力器、液壓源、機械手、充油鋰電池組、超高壓海水泵、水下照明、聲學設備等，重點提升了實用性、經(jīng)濟性和可維護性。

2018年，“深海勇士”號投入實際應用，在中國南海、西南印度洋累計下潛超過100 次，承擔了科學調(diào)查、海洋考古、水下打撈、熱液考察等深海作業(yè)任務，取得豐碩科研成果。在實際應用中，多次實現(xiàn)夜間下潛、一日兩潛，下潛間隔最短5 h，可與6000 米級遙控潛水器（ROV）聯(lián)手作業(yè)，展示了良好的實際應用性能和可靠性 [9]。

圖5 “深海勇士”號與ROV 聯(lián)合作業(yè)

3.全海深載人潛水器目標工作深度為11 000 m

2016年，在國家重點研發(fā)計劃支持下，組建了以中國船舶重工集團公司第702 研究所為總體集成單位的“全海深載人潛水器項目群”，標志著中國全海深載人潛水器工程研制進入實施階段，計劃于2020年實現(xiàn)萬米下潛。2017年全海深載人潛水器方案設計通過評審，目前正處于關鍵技術攻關、大型地面試驗、樣件試制等階段。該潛水器同樣廣泛采用國產(chǎn)化技術，包括載人艙、浮力材料、定位聲吶、推力器、液壓源、機械手、蓄電池等。2018年12 月，完成鈦合金載人艙球殼焊接，焊接一次成型。載人艙是潛水器最核心的主體構件，由我國自主研發(fā)制造，此次采用具有國際先進水平的真空電子束焊接方法，使焊接精度大幅提高。

表3 “深海勇士”號載人潛水器基本參數(shù)

四、關鍵技術及發(fā)展趨勢

（一）我國載人潛水器技術現(xiàn)狀分析

載人潛水器對深海技術與裝備具有全面的帶動作用。經(jīng)過長期技術積累與重點任務攻關，特別是“蛟龍”號和“深海勇士”號載人潛水器的成功研制與應用，我國載人深潛技術總體上已處于國際前列。

在兩型載人潛水器的研制過程中，突破的關鍵技術有 [10,11]：大深度載人潛水器總體優(yōu)化設計與集成、復雜線型水下航行體水動力性能預報與優(yōu)化、功能模塊化/結構分塊化總體布置設計、運載器無動力下潛/上浮、大深度載人鈦合金球殼設計及制造、高能量密度深海動力能源、針對作業(yè)目標的穩(wěn)定懸停定位、以人為中心的信息與自動化系統(tǒng)、高速水聲通信和高分辨率測深側掃聲納、大深度載人潛水器應急安全與生命支持、輕小型化水下電機、深海高壓海水泵和閥、復雜線型耐海水高壓復合材料輕外殼的設計與制造等。

充分發(fā)揮社會主義市場經(jīng)濟條件下科技創(chuàng)新的新型舉國體制優(yōu)勢，組織國內(nèi)優(yōu)勢技術單位進行聯(lián)合攻關，突破了“載人深潛”關鍵技術體系，輻射帶動了深海裝備領域的技術發(fā)展。例如，通過“蛟龍”號的研制，帶動了我國以下技術的大幅度提升：①材料領域中的高強度鈦合金厚板制造、鈦合金焊接工藝、基于玻璃微珠的浮力材料制造與加工、高強度復合材料等；②電子領域中的深海充油銀鋅蓄電池、水密電纜和接插件、深海高性能電機等；③深海方向的推進器、液壓、水壓、通信、潛水器控制等。

（二）核心關鍵技術梳理

（1）載人潛水器優(yōu)化設計、安全性評估及應用技術，具體包括：載人潛水器型線、總體布局、載人艙布局、功能特性等的優(yōu)化設計技術，載人潛水器服役期間各種設備的安全性、可靠性設計與評估技術，載人艙內(nèi)人因工程設計評估技術，載人潛水器應用模式及相關體系設計技術等。

（2）載人艙設計、建造及評估技術，具體包括：金屬及非金屬材料載人艙的設計技術，球形、柱形及其他形狀載人艙設計技術，各種材料及形狀的載人艙建造技術，建造完成后載人艙的檢測及其使用安全性的評估技術等。

（3）高能量密度動力技術，具體包括：充油鋰電池設計、建造及管理技術，水下燃料電池設計、建造及管理技術，水下能源安全性評估技術，水下能源補充技術，新型能源深海應用技術等。

（4）水聲技術，具體包括：各種聲學設備在潛水器上的集成設計技術，船載高速水聲通信系統(tǒng)設計及其裝備制造技術等。

（5）導航定位技術，具體包括：高精度、高可靠性的水聲定位技術，水下復雜環(huán)境下連續(xù)高精度導航技術，水下作業(yè)目標搜索及作業(yè)點重返技術等。

（6）浮力材料技術，具體包括：大深度低密度浮力材料的設計、制備、成型技術，浮力材料的測試與安全性評估技術等。

（7）載人潛水器安全體系技術，具體包括：載人潛水器技術安全體系設計技術，潛水器狀態(tài)檢測與安全性評估技術，各種拋載機構可靠性設計、評價技術等。

（8）載人潛水器控制技術，具體包括：載人潛水器在復雜海底環(huán)境下的航行控制技術，可視化的綜合信息顯控技術，載人潛水器控制仿真技術等。

（三）前沿技術趨勢判斷

著眼國際前沿，近年來私營資本的注入，為海洋大國新型載人潛水器的研制注入了新的活力。載人潛水器裝備的主要發(fā)展方向是全海深載人潛水器和專用載人潛水器?？梢灶A判，未來15年將是載人潛水器裝備和技術更新?lián)Q代的集中時期。

（1）非金屬材料載人艙設計建造技術。以美國OceanGate 公司的Titan 載人潛水器為例（見圖6），技術突破重點是復合材料圓柱形耐壓殼體+鈦合金材料前后端蓋這一新型結構形式，在承載和減重方面取得很好的平衡。

（2）全透明材料應用于大視野觀察窗的設計、建造技術。觀光型載人潛水器已大量采用全透明材料應用于大視野觀察窗的設計與建造（見圖7），美國SEAmagine 公司AURORA 系列的工作深度達到1000 m。

（3）以水動力外形設計技術為主的高速無動力潛浮技術。美國DeepFlight 公司的有翼潛水器采用了“主動上浮”設計理念（見圖8），利用機翼的水動力來改變潛水器的水下運動。美國Triton 公司的Triton LF 潛水器則采用了高寬比較大的垂直立扁型設計（見圖3），僅約2.5 h 即可到達海洋最深處。

（4）新型高密度耐壓蓄電池組技術。西班牙和美國合作，開發(fā)能在全海深運行的電池模塊，免維護、循環(huán)周期達4000 次、即插即用。

圖6 復合材料耐壓殼體

圖7 全透明大視野觀察窗

圖8 潛水器新概念外形設計

（5）多人多艙技術。日本提出的全海深載人潛水器研究計劃，將為6 名船員提供舒適的乘坐體驗和長達48 h 的任務時間，設置有休息和盥洗空間。

五、結語

我國載人深潛領域經(jīng)過近20年的跨越式發(fā)展，在4500～7000 m 深度工作范圍，整體上已處于國際前沿，基本構建了具有自主知識產(chǎn)權的載人深潛關鍵技術體系。

未來，我國載人深潛技術向著全海深、全海域的譜系化發(fā)展思路已經(jīng)逐漸明朗。依托新一代載人潛水器裝備，有望在15年內(nèi)，鞏固并提升全海深、江河水庫、油氣礦產(chǎn)、熱液冷泉的作業(yè)能力，有效拓展搜索、打撈、考古、觀光、極地、核能等新應用領域。同時，不斷革新載人潛水器的智能化、輕量化、重載化和集群協(xié)同水平，培育打造產(chǎn)業(yè)鏈條，支撐海洋強國建設。