胡震，曹俊

（中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫，214082）

一、前言

21 世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，海洋資源的開發(fā)與利用已成為全球競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)領(lǐng)域：世界各國(guó)紛紛加快海洋油氣開發(fā)進(jìn)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(shù)獲得重大突破；深海多金屬結(jié)核、水下富鈷結(jié)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(chǔ)備的新通道。

受戰(zhàn)略需求牽引，海洋強(qiáng)國(guó)正在形成從先進(jìn)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(cè)、作業(yè)技術(shù)與裝備的綜合譜系。人在現(xiàn)場(chǎng)的直接面對(duì)、感受、分析、判斷和操作，始終是認(rèn)知復(fù)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(yùn)載工具，可將科學(xué)技術(shù)人員與工程技術(shù)人員、各種電子裝置與機(jī)械設(shè)備等快速、精確地運(yùn)載到目標(biāo)海底環(huán)境中，遂行高效勘探測(cè)量和科學(xué)考察任務(wù)，已經(jīng)成為人類開展深海研究、開發(fā)和保護(hù)的重要技術(shù)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(xì)地描述周圍環(huán)境、快速地在現(xiàn)場(chǎng)做出正確的反應(yīng)。過去的50年中，載人潛水器的安全運(yùn)行、關(guān)鍵技術(shù)的逐漸完善，支撐并推動(dòng)了深海探測(cè)領(lǐng)域的重大進(jìn)步 [1]。

本文從國(guó)內(nèi)外載人深潛裝備與技術(shù)發(fā)展歷程、發(fā)展現(xiàn)狀的角度進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，重點(diǎn)闡述我國(guó)載人潛水器的應(yīng)用情況及技術(shù)成就。以“蛟龍”號(hào)和“深海勇士”號(hào)的研制與應(yīng)用為例，凝練我國(guó)載人深潛關(guān)鍵技術(shù)體系，分析未來裝備與技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

二、國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

（一）載人潛水器產(chǎn)業(yè)

在強(qiáng)勁市場(chǎng)需求和先進(jìn)技術(shù)進(jìn)展的共同推動(dòng)下，載人潛水器產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁（見表1）。2018年，海洋技術(shù)協(xié)會(huì)載人潛水器委員會(huì)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(gè)載人座位；其中38 艘應(yīng)用于援潛救生，122 艘應(yīng)用于科學(xué)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(yùn)營(yíng)者、研究船、行業(yè)協(xié)會(huì)等。2000年以來，新成立了以載人潛水器設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)營(yíng)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(jí)社在安全設(shè)計(jì)和建造認(rèn)證等方面的努力密不可分，例如，經(jīng)由第三方船級(jí)社進(jìn)行認(rèn)證的載人潛水器比例高達(dá)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(hào)載人深潛器，到達(dá)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(jìn)軍的序幕。彼時(shí)雖然人類已經(jīng)能到達(dá)海洋的絕大部分深度，但這距離認(rèn)識(shí)深海、利用深海尚有較大距離。

隨著計(jì)算機(jī)、材料、水聲、圖像等技術(shù)的發(fā)展，以法國(guó)、蘇聯(lián)/俄羅斯、日本、美國(guó)為代表，海洋大國(guó)從20 世紀(jì)80年代起，完成了多艘6000 m 級(jí)深海載人潛水器的研制（見圖1） [3～6]。這些運(yùn)載器的應(yīng)用，充分顯示了專業(yè)人員親臨深海和洋底現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行直接觀察和勘查的優(yōu)越性，到達(dá)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(xué)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(guān)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(jí)）載人潛水器的研制，引發(fā)了新一輪行業(yè)技術(shù)發(fā)展 [7]。2012年3 月，美國(guó)卡梅隆團(tuán)隊(duì)研制的載人潛水器Deepsea Challenger 號(hào)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(shù)特點(diǎn)準(zhǔn)確契合了載人潛水器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，如：載人艙大內(nèi)徑（1.1 m）、以高強(qiáng)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(zhǎng)2.4 m）等。

2.發(fā)展現(xiàn)狀

（1）升級(jí)改造

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

（2）全新研制

針對(duì)印度洋1000～5500 m 深處礦產(chǎn)資源的探測(cè)需求，印度國(guó)家海洋技術(shù)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(dá)工作深度。潛水器采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(biāo)準(zhǔn)/緊急生命支持時(shí)間分別為12 h 和72 h。

（3）商業(yè)觀光型

國(guó)外商業(yè)公司的觀光與探險(xiǎn)型載人潛水器發(fā)展也獨(dú)具特色。盡管潛深指標(biāo)一般，但在材料、總體結(jié)構(gòu)、動(dòng)力、操縱性能、布放回收、生命支持與應(yīng)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(guó)“阿爾文”號(hào)升級(jí)改造歷程

1995年，美國(guó)SEAmagine 公司研制的商業(yè)型潛水器，可搭載2～6 人，深度級(jí)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(hào)深度級(jí)別為3000 m、3 人型號(hào)深度級(jí)別為2500 m、5～11 人型號(hào)深度級(jí)別為200～1700 m。2008年以來，美國(guó)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(guó)均有各自的小型觀察型載人潛水器，已投入市場(chǎng)應(yīng)用。

（4）新技術(shù)發(fā)展型

2018年，美國(guó)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(xiǎn)。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(tái)（見圖3）。

Titan 載人潛水器的亮點(diǎn)設(shè)計(jì)包括：復(fù)合材料耐壓殼體、大型丙烯酸觀察窗、集成式布放回收平臺(tái)。集成式布放回收平臺(tái)將用于布放回收載人潛水器，同時(shí)還可作為運(yùn)行維護(hù)的浮動(dòng)平臺(tái)，運(yùn)行在偏遠(yuǎn)地區(qū)實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單、低成本的部署。Titan 載人潛水器采用了新型的實(shí)時(shí)船體健康監(jiān)測(cè)（RTM）系統(tǒng)，利用部署在壓力邊界上的9 個(gè)聲學(xué)傳感器和18 個(gè)應(yīng)變計(jì)，能夠分析潛水器下潛時(shí)壓力變化對(duì)殼體的作用力并準(zhǔn)確評(píng)估結(jié)構(gòu)的完整性。

此外，美國(guó)Triton Submarines 公司和EYOS 考察公司牽頭開展了萬米深度極限探險(xiǎn)活動(dòng)，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(guó)內(nèi)發(fā)展情況

（一）整體情況

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

2000年以來，我國(guó)載人潛水器領(lǐng)域發(fā)展迅速。2012年，研制7000 米級(jí)作業(yè)型載人潛水器“蛟龍”號(hào)，在馬里亞納海溝最大下潛深度達(dá)7062 m。2015年，研制500 米級(jí)作業(yè)型、仿人形的單人常壓潛水器裝具（ADS）；研制2 臺(tái)“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(yùn)行獲得國(guó)家批準(zhǔn)試點(diǎn)。2016年，啟動(dòng)研制全海深（11 000 m）載人潛水器，預(yù)計(jì)2020年開展海上試驗(yàn)。2017年，研制4500 米級(jí)作業(yè)型載人潛水器“深海勇士”號(hào)，國(guó)產(chǎn)化率達(dá)95%。2018年，世界首臺(tái)大壩深水檢測(cè)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(yīng)用。此外，研制了多型移動(dòng)型救生鐘和機(jī)動(dòng)型救生鐘，為海軍援潛救生提供了國(guó)產(chǎn)化裝備。

（二）標(biāo)志性成就

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

1.“蛟龍”號(hào)載人潛水器創(chuàng)造7062 m 中國(guó)載人深潛記錄

2002年，國(guó)家863 計(jì)劃啟動(dòng)了7000 m 載人潛水器“蛟龍”號(hào)的研制工作（見圖4 和表2）。通過全國(guó)近百家優(yōu)勢(shì)科研機(jī)構(gòu)的聯(lián)合攻關(guān)，歷經(jīng)方案設(shè)計(jì)、加工制造、總裝聯(lián)調(diào)、水池功能性試驗(yàn)等階段，于2008年初具備了出海試驗(yàn)的技術(shù)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(jí)、3000 米級(jí)、5000 米級(jí)和 7000 米級(jí)海上試驗(yàn)任務(wù)，最大下潛深度達(dá)到了7062 m。2013年，7000 m 載人潛水器開始投入應(yīng)用，在中國(guó)南海、東太平洋錳結(jié)核區(qū)、西太平洋富鈷結(jié)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(píng)價(jià)提供了重要依據(jù) [8]。2019年，完成大修與技術(shù)升級(jí)后的第一個(gè)測(cè)試下潛。

圖4 “蛟龍”號(hào)大修與技術(shù)升級(jí)

表2 “蛟龍”號(hào)載人潛水器基本參數(shù)

2.“深海勇士”號(hào)載人潛水器實(shí)現(xiàn)4500 m 深度的高頻次應(yīng)用

2017年，國(guó)產(chǎn)化達(dá)到95%的“深海勇士”號(hào)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(guó)產(chǎn)化技術(shù)，包括載人艙、浮力材料、定位聲吶、推力器、液壓源、機(jī)械手、充油鋰電池組、超高壓海水泵、水下照明、聲學(xué)設(shè)備等，重點(diǎn)提升了實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性和可維護(hù)性。

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

圖5 “深海勇士”號(hào)與ROV 聯(lián)合作業(yè)

3.全海深載人潛水器目標(biāo)工作深度為11 000 m

2016年，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持下，組建了以中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第702 研究所為總體集成單位的“全海深載人潛水器項(xiàng)目群”，標(biāo)志著中國(guó)全海深載人潛水器工程研制進(jìn)入實(shí)施階段，計(jì)劃于2020年實(shí)現(xiàn)萬米下潛。2017年全海深載人潛水器方案設(shè)計(jì)通過評(píng)審，目前正處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、大型地面試驗(yàn)、樣件試制等階段。該潛水器同樣廣泛采用國(guó)產(chǎn)化技術(shù)，包括載人艙、浮力材料、定位聲吶、推力器、液壓源、機(jī)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(gòu)件，由我國(guó)自主研發(fā)制造，此次采用具有國(guó)際先進(jìn)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(hào)載人潛水器基本參數(shù)

四、關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

（一）我國(guó)載人潛水器技術(shù)現(xiàn)狀分析

載人潛水器對(duì)深海技術(shù)與裝備具有全面的帶動(dòng)作用。經(jīng)過長(zhǎng)期技術(shù)積累與重點(diǎn)任務(wù)攻關(guān)，特別是“蛟龍”號(hào)和“深海勇士”號(hào)載人潛水器的成功研制與應(yīng)用，我國(guó)載人深潛技術(shù)總體上已處于國(guó)際前列。

在兩型載人潛水器的研制過程中，突破的關(guān)鍵技術(shù)有 [10,11]：大深度載人潛水器總體優(yōu)化設(shè)計(jì)與集成、復(fù)雜線型水下航行體水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)與優(yōu)化、功能模塊化/結(jié)構(gòu)分塊化總體布置設(shè)計(jì)、運(yùn)載器無動(dòng)力下潛/上浮、大深度載人鈦合金球殼設(shè)計(jì)及制造、高能量密度深海動(dòng)力能源、針對(duì)作業(yè)目標(biāo)的穩(wěn)定懸停定位、以人為中心的信息與自動(dòng)化系統(tǒng)、高速水聲通信和高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納、大深度載人潛水器應(yīng)急安全與生命支持、輕小型化水下電機(jī)、深海高壓海水泵和閥、復(fù)雜線型耐海水高壓復(fù)合材料輕外殼的設(shè)計(jì)與制造等。

充分發(fā)揮社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下科技創(chuàng)新的新型舉國(guó)體制優(yōu)勢(shì)，組織國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)技術(shù)單位進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)，突破了“載人深潛”關(guān)鍵技術(shù)體系，輻射帶動(dòng)了深海裝備領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展。例如，通過“蛟龍”號(hào)的研制，帶動(dòng)了我國(guó)以下技術(shù)的大幅度提升：①材料領(lǐng)域中的高強(qiáng)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(qiáng)度復(fù)合材料等；②電子領(lǐng)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(jī)等；③深海方向的推進(jìn)器、液壓、水壓、通信、潛水器控制等。

（二）核心關(guān)鍵技術(shù)梳理

（1）載人潛水器優(yōu)化設(shè)計(jì)、安全性評(píng)估及應(yīng)用技術(shù)，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(shè)計(jì)技術(shù)，載人潛水器服役期間各種設(shè)備的安全性、可靠性設(shè)計(jì)與評(píng)估技術(shù)，載人艙內(nèi)人因工程設(shè)計(jì)評(píng)估技術(shù)，載人潛水器應(yīng)用模式及相關(guān)體系設(shè)計(jì)技術(shù)等。

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

（3）高能量密度動(dòng)力技術(shù)，具體包括：充油鋰電池設(shè)計(jì)、建造及管理技術(shù)，水下燃料電池設(shè)計(jì)、建造及管理技術(shù)，水下能源安全性評(píng)估技術(shù)，水下能源補(bǔ)充技術(shù)，新型能源深海應(yīng)用技術(shù)等。

（4）水聲技術(shù)，具體包括：各種聲學(xué)設(shè)備在潛水器上的集成設(shè)計(jì)技術(shù)，船載高速水聲通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其裝備制造技術(shù)等。

（5）導(dǎo)航定位技術(shù)，具體包括：高精度、高可靠性的水聲定位技術(shù)，水下復(fù)雜環(huán)境下連續(xù)高精度導(dǎo)航技術(shù)，水下作業(yè)目標(biāo)搜索及作業(yè)點(diǎn)重返技術(shù)等。

（6）浮力材料技術(shù)，具體包括：大深度低密度浮力材料的設(shè)計(jì)、制備、成型技術(shù)，浮力材料的測(cè)試與安全性評(píng)估技術(shù)等。

（7）載人潛水器安全體系技術(shù)，具體包括：載人潛水器技術(shù)安全體系設(shè)計(jì)技術(shù)，潛水器狀態(tài)檢測(cè)與安全性評(píng)估技術(shù)，各種拋載機(jī)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)技術(shù)等。

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

（三）前沿技術(shù)趨勢(shì)判斷

著眼國(guó)際前沿，近年來私營(yíng)資本的注入，為海洋大國(guó)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(yù)判，未來15年將是載人潛水器裝備和技術(shù)更新?lián)Q代的集中時(shí)期。

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

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

（3）以水動(dòng)力外形設(shè)計(jì)技術(shù)為主的高速無動(dòng)力潛浮技術(shù)。美國(guó)DeepFlight 公司的有翼潛水器采用了“主動(dòng)上浮”設(shè)計(jì)理念（見圖8），利用機(jī)翼的水動(dòng)力來改變潛水器的水下運(yùn)動(dòng)。美國(guó)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(shè)計(jì)（見圖3），僅約2.5 h 即可到達(dá)海洋最深處。

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

圖6 復(fù)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(shè)計(jì)

（5）多人多艙技術(shù)。日本提出的全海深載人潛水器研究計(jì)劃，將為6 名船員提供舒適的乘坐體驗(yàn)和長(zhǎng)達(dá)48 h 的任務(wù)時(shí)間，設(shè)置有休息和盥洗空間。

五、結(jié)語

我國(guó)載人深潛領(lǐng)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(guó)際前沿，基本構(gòu)建了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的載人深潛關(guān)鍵技術(shù)體系。

未來，我國(guó)載人深潛技術(shù)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(kù)、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(yīng)用領(lǐng)域。同時(shí)，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(qiáng)國(guó)建設(shè)。