深海載人潛水器的現(xiàn)狀與展望

劉　峰

（中國大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會 北京 100860）

?

深海載人潛水器的現(xiàn)狀與展望

劉峰

（中國大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會 北京 100860）

摘要:深海載人潛水器不僅對科學(xué)界認知和研究海洋做出過杰出的貢獻，而且在軍事界也產(chǎn)生過轟動一時的影響。由于深海載人潛水器能夠把科學(xué)家?guī)牒５祝钪苯拥貙ι詈８鞣N現(xiàn)象開展觀察和研究，它們在深海環(huán)境研究、深海生物科學(xué)研究、以及新興的深淵科學(xué)研究中發(fā)揮著越來越重要的作用。本文簡要回顧了深海載人潛水器的發(fā)展歷程，對國際上近年來仍然比較活躍的10余艘深海載人潛水器的技術(shù)性能和應(yīng)用情況進行了分析對比，展望了深海載人潛水器的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞:深海；載人潛水器；蛟龍?zhí)?；深淵科學(xué)

引言

深海載人潛水器不僅對科學(xué)界認知和研究海洋做出過杰出的貢獻，而且在軍事界也產(chǎn)生過轟動一時的影響。1977年美國的“阿爾文”號深海載人潛水器在加拉帕戈斯（Galapagos）斷裂帶發(fā)現(xiàn)熱液和其周圍生活的深海生物群落，以及在910米深的海底搜尋到1966年美國空軍遺失的氫彈就是典型的例證。深海載人潛水器已經(jīng)成為科學(xué)家研究深海奧秘的利器，已經(jīng)有幾萬名各國的科學(xué)家搭乘深海載人潛水器抵達海底，最直接地對深海各種現(xiàn)象開展觀察和研究。隨著深海技術(shù)的不斷發(fā)展，深海載人潛水器正朝著耐壓材料和能源新型化、觀測設(shè)備高清化、作業(yè)功能多樣化發(fā)展［1］。

1　深海載人潛水器發(fā)展現(xiàn)狀

載人潛水器（Manned Submersible）與潛艇（Submarine）最主要的區(qū)別有三點。第一，載人潛水器需要水面船舶的支持，一般不適宜在水面長距離航行；第二，載人潛水器水下停留時間有限，水下作業(yè)時間一般被限制在十幾小時以內(nèi)；第三，載人潛水器乘員數(shù)量有限，一般只有幾人，最多不超過十人。根據(jù)國際載人潛水器委員會統(tǒng)計［2］，2015年較為活躍的載人潛水器共46艘，其中下潛深度超過1000米的共10艘（表1），下潛深度250～1000米的36艘。從用途上看，主要包括科學(xué)研究、深海探險、觀光旅游和軍事應(yīng)用等幾大類。本文重點介紹用于科學(xué)研究的下潛深度超過4500米的深海載人潛水器。

載人潛水器的發(fā)展幾乎與潛艇同步，最早可以追溯到17世紀。荷蘭發(fā)明家科尼利斯·德雷貝爾于1620～1624年間用木材制成潛水器［3］，外面蒙了一層涂油的牛皮，用羊皮囊充當水艙。下潛時，羊皮囊內(nèi)灌滿水，上浮時，就把羊皮囊內(nèi)的水擠出去；航行時，就用人力劃動木槳。顯然這樣的潛水器離科學(xué)應(yīng)用相差甚遠。

表1　下潛深度超過1000米的深海載人潛水器①

1960年1月23日下潛到馬里亞納海溝10916米深處的載人潛水器“曲斯特”號［4］，是現(xiàn)代深海載人潛水器的鼻祖，其排水量50t，使用了85 000L汽油提供需要的浮力。“曲斯特”號長18.14m，寬3.51m，高5.64m，載人球內(nèi)徑為2.1m，可以容納2人。由于其體積較大，建造和運輸均不方便，無航行和作業(yè)能力，除了探險功能之外，在科學(xué)研究方面基本無法得到實際應(yīng)用。

隨著新材料的出現(xiàn)，深海載人潛水器不再利用汽油提供浮力，取而代之的是比重更小、且能夠耐壓的浮力材料。浮力材料使后來開發(fā)的深海載人潛水器的體積、重量都遠小于“曲斯特”號，布放和回收都更加方便，而且因安裝了推進器而具備了水下自主航行的能力。美國的“阿爾文（Alvin）”號是這類深海載人潛水器的典型代表，建造于1964年，工作深度為1829m。1974年重建后，“阿爾文（Alvin）”號工作深度達到4500m。2014年“阿爾文”度過了50歲生日。50年來，作為國際上使用效率最高的深海載人潛水器，“阿爾文”號進行過很多頗具影響的作業(yè)。如1966年初，“阿爾文”號和另一臺遙控潛水器一起打撈起美國海軍掉落在地中海的一顆氫彈；1977年，“阿爾文”號在將近2500m深處的加拉帕戈斯（Galapagos）斷裂帶首次發(fā)現(xiàn)海底熱液和其周圍的生物群落。兩年后，“阿爾文”號在東太平洋洋中脊發(fā)現(xiàn)第一個高溫黑煙囪。20世紀80年代，“阿爾文”號又成功地參與了對“泰坦尼克”號沉船的搜尋和考察。拍攝的電影《泰坦尼克》獲得當時的最高票房。迄今，約15000人次參與了“阿爾文”號5000次的下潛，為深?？茖W(xué)研究、考古等應(yīng)用做出卓越貢獻。

2012年“阿爾文”號又一次進行了大規(guī)模改造（圖1），新建造的載人球使用了鈦合金材料，設(shè)計工作深度可達6500米，增加了載人球內(nèi)徑，改進了艙內(nèi)的人機工程學(xué)設(shè)計，觀察窗增加到5個，使前向觀察無死角，有效載荷增加到400磅，海底作業(yè)時間增加，改進了照明和攝像系統(tǒng)，改成了光纜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，其他設(shè)備額定工作深度仍維持在4500米，待今后進一步升級。

2015年2月國際載人潛水器委員會屆會期間，設(shè)專題慶祝了日本深海載人潛水器“深海（SHINKAI） 6500”下水25周年［5］?！吧詈?500”號建造于1989年，空氣中重26噸，2004年將銀鋅電池改換成維護需求少的鋰離子電池后，水下作業(yè)時間8小時?！吧詈?500”號下潛的次數(shù)已經(jīng)超過1400次，主要研究內(nèi)容包括［6］：探查地球內(nèi)部運動，如地震多發(fā)的板塊俯沖區(qū)域和洋中脊的活動等；研究海底生物群落，對不依賴太陽能的化學(xué)合成生態(tài)系統(tǒng)開展大量研究，以期揭示生命的起源與進化過程；研究深海生物資源和基因資源，以期解決人類未來發(fā)展可能面臨的食物短缺問題；研究并闡明深海熱液和物質(zhì)循環(huán)過程，揭示氣候變化、大潮的加劇和衰減?！吧詈?500”號深海載人潛水器將同類潛水器6527米的最大下潛深度紀錄保持了23年，直到2012年被后來者——中國的“蛟龍”號打破。

圖1　改造后的“阿爾文”號載人潛水器

“蛟龍”號深海載人潛水器（圖2）是在國家863重大專項的支持下研發(fā)的。國家海洋局是項目的組織部門，中國大洋協(xié)會作為業(yè)主具體組織實施。全國約100家單位直接或間接參與了項目的研發(fā)和海上試驗。2012年6月，“蛟龍”號在馬里亞納海溝海試過程最大下潛深度達到7062米［7］［8］［9］，創(chuàng)造了作業(yè)型深海載人潛水器的記錄，313個測試項目全部達到設(shè)計指標。完成海試后，“蛟龍”號立即進入試驗性應(yīng)用階段，在南中國海、東北太平洋多金屬結(jié)核區(qū)、西北太平洋富鈷結(jié)殼區(qū)和西南印度洋熱液硫化物區(qū)開展了下潛作業(yè)，充分發(fā)揮了其獨特的技術(shù)優(yōu)勢。迄今，“蛟龍”號已經(jīng)累計完成100次下潛。“蛟龍”號與其他同類作業(yè)型深海載人潛水器功能的對比見表2。

圖2　“蛟龍”號載人潛水器

在同類作業(yè)型深海載人潛水器中，不得不提及俄羅斯的“和平（MIR）1”號和“和平（MIR）2”號，它們由蘇聯(lián)和芬蘭于1987年聯(lián)合研制，是僅有的兩艘用馬氏體鎳鋼制造載人球殼的潛水器。這兩艘潛水器在太平洋、印度洋、大西洋和北極海底進行了上千次的科學(xué)考察，包括對海底熱液硫化物礦床、深海生物及浮游生物調(diào)查和取樣，大洋中脊水溫場測量，失事核潛艇“共青團員”號核輻射檢測，以及“泰坦尼克”號沉船的水下拍攝等。在2007年8月兩艘深海載人潛水器聯(lián)合完成的“北極-2007”海洋科學(xué)考察［10］，使這兩艘潛水器再次引起世人矚目，并由此正式引發(fā)了國際社會在北極的利益之爭。

另外一艘同類深海載人潛水器是法國于1985年研制的“鸚鵡螺（Nautile）”號，空氣中重量為18.5噸?！胞W鵡螺”號迄今已下潛過1000余次，下潛項目涵蓋多金屬結(jié)核、海溝、深海海底生態(tài)系統(tǒng)等。

美國著名導(dǎo)演杰姆斯·卡梅隆出資、澳大利亞工程師打造的“深海挑戰(zhàn)者（Deepsea Challenger）”號（圖3）雖然不屬于作業(yè)型深海載人潛水器，但它采用的新技術(shù)卻值得借鑒?！吧詈Ｌ魬?zhàn)者”號高7.3米，重12噸，球殼鋼板的厚度為64毫米，載人球直徑只有1.08米，僅能容納1人蝸居在艙內(nèi)下潛。其下潛路線被設(shè)計成“直上直下”，即一頭扎向海溝底部，然后垂直上升，下潛的速度可以達到每分鐘150米，為其他深海載人潛水器的3倍以上，大大節(jié)約了上浮和下潛時間。該潛水器的另一特點是利用了卡梅隆導(dǎo)演的老本行，為潛水器安裝了多個攝像頭，可以全程3D攝像。2012年3月卡梅隆自己駕駛“深海挑戰(zhàn)者”號造訪了10898米海底［11］，下潛拍攝的影像后來被剪輯成電影《深海挑戰(zhàn)》在世界各大影院上映。

表2　幾種作業(yè)型深海載人潛水器功能對比表

圖3　“深海挑戰(zhàn)者”號載人潛水器

2　深海載人潛水器發(fā)展趨勢

隨著材料技術(shù)、電子技術(shù)、水聲通訊技術(shù)、攝像技術(shù)、自動控制技術(shù)和設(shè)計理念的發(fā)展和變革，深海載人潛水器的發(fā)展呈現(xiàn)出一些新特點，主要體現(xiàn)在以下各個方面。

2.1全海深、快速下潛上浮和長時間作業(yè)設(shè)計理念

據(jù)《產(chǎn)經(jīng)新聞》報道［12］，日本教育部已經(jīng)將新一代深海載人潛水器定位為優(yōu)先發(fā)展的國家關(guān)鍵技術(shù)，計劃投資約300億日元研制工作水深12000米的“深海12000”深海載人潛水器，預(yù)計2023年前后投入使用。據(jù)日本海洋研究開發(fā)機構(gòu)（JAMSTEC）海洋工程中心主任磯崎芳男介紹，新深海載人潛水器將“不僅可以下潛到世界最深的海洋，而且具備更優(yōu)的艙內(nèi)居住性，同時能夠在海底逗留更長時間”。預(yù)計新潛水器的載人球殼內(nèi)徑會小于現(xiàn)在“深海6500”的2米，使之可以承受更高的水壓。“深海6500”內(nèi)部非常狹小，這也是每次下潛時間只能限制在8小時左右的原因。新潛水器有可能將載人球殼增加到兩個，一個為駕駛及觀察用，另一個為休息用，把它們連在一起可大大改善艙內(nèi)居住性，從而可以使每次下潛時間延長至24小時以上。如果是短時間的潛航，還可以利用休息用空間多搭載兩名研究人員，使?jié)撍鞯目偞钶d人數(shù)達到5人。新潛水器還將把潛航員由2人減為1人，從而為科學(xué)家提供更多的下潛機會。

由格拉哈姆·霍克斯（Graham Hawkes）和他的霍克斯海洋技術(shù)公司（Hawkes Ocean Technologies）研制的“深海飛行挑戰(zhàn)者（DeepFlight Challenger）”深海載人潛水器［13］，是一臺全海深、單人深海探險潛水器。透明的半球由石英玻璃制成，水下時間可達24小時，海底航行速度3節(jié)，下潛速度達每分鐘350英尺（106米/分），采用水下滑翔的原理，用較少的動力實現(xiàn)較高速度航行。研究者曾計劃在太平洋的馬里亞納海溝（約11000米）、大西洋的波多黎各海溝（約8600米）、印度洋的迪亞曼蒂納海溝（約8050米）等5個世界著名海溝開展探險下潛，但陸上壓力筒打壓測試發(fā)現(xiàn)其強度僅能供一次下潛，更讓他們措手不及的是著名導(dǎo)演卡梅隆搶先完成了挑戰(zhàn)深淵的探險，因此團隊放棄了“深海飛行挑戰(zhàn)者”5次下潛探險計劃。

目前有消息傳出，中國“十三五”期間也有研制全海深的深海載人潛水器計劃，但具體方案仍在討論中。

2.2新材料、新技術(shù)的廣泛應(yīng)用

據(jù)《產(chǎn)經(jīng)新聞》報道，日本研制的“深海12000”的載人球殼將首次使用強化玻璃制造，載人艙整體透明，視野開闊，因此可以大幅度提高其操作性和調(diào)查效率。同時，新潛水器還將采用具有觸感和溫度測定功能的機械手，采用超高精度照相機，以及高性能燃料電池、低密度浮力材料等一大批新技術(shù)。

據(jù)國際載人潛水器委員會2015年年會透漏的消息，碳纖維增強材料、陶瓷耐壓材料、低密度玻璃微珠可加工浮力材料、全透明玻璃耐壓球殼加工制造技術(shù)、360°全景高清照相及攝像技術(shù)、耐壓鋰電池技術(shù)、承壓件應(yīng)力預(yù)測技術(shù)等一大批新材料、新技術(shù)、新工藝將越來越多地用于深海載人潛水器的制造中。

2.3深海作業(yè)工具模塊化

深海載人潛水器的使命往往是多方面的，任務(wù)不同，面對的作業(yè)對象不同，也就需要使用多樣化的作業(yè)工具。由于每次下潛作業(yè)時間的限制，深海載人潛水器不需要、也不應(yīng)該配備所有的作業(yè)工具。針對特定的作業(yè)對象，只需要攜帶特定的作業(yè)工具包就可以滿足要求。因此在最初設(shè)計時就需要考慮多樣化、模塊化的作業(yè)工具的配備問題，使它們動力接口一致，安裝接口統(tǒng)一。

2.4與其他深海裝備協(xié)調(diào)作業(yè)

深海載人潛水器有其獨特的海底作業(yè)優(yōu)勢，但并不能包攬一切海底作業(yè)。由于其每次下潛的作業(yè)時間有限，航行速度有限，因此載人潛水器在海底的活動范圍非常有限。定點精細觀察和取樣、定點布放和回收海底設(shè)備等是其最大特點。但在無法預(yù)判大致方位的情況下讓深海載人潛水器作業(yè)，比如讓其在浩瀚的印度洋搜尋失聯(lián)的MH370客機［14］，那作業(yè)成功的概率將極低。水下自治機器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）具有按照預(yù)先設(shè)定的路徑、甚至自主規(guī)劃路徑進行近底航行照相、攝像和地形測量的功能，具有水下作業(yè)時間長、活動范圍大的特點。而遙控水下機器人（Remote Operated Vehicle，ROV）可在水面母船上對其進行操控，由水面船只提供動力，活動范圍不受能源限制，原則上講可以不間斷開展水下取樣、照相、攝像等定點作業(yè)，但也有臍帶纜發(fā)生纏繞的危險。如能將這三種設(shè)備相互配合、聯(lián)合作業(yè)、發(fā)揮各自的優(yōu)勢，并充分發(fā)揮綜合技術(shù)體系的作用，才能更加有效地提高海上作業(yè)的效率、保障海上作業(yè)的安全。如前例所述，若能利用AUV、ROV或其他手段初步判定MH370的位置后，再讓深海載人潛水器發(fā)揮定點作業(yè)優(yōu)勢，將可能起到事半功倍的效果。

3　總結(jié)

現(xiàn)代深海載人潛水器已走過了50多年的發(fā)展歷程。由于其獨特的高精度定點精細作業(yè)優(yōu)勢，且科學(xué)家可以親臨現(xiàn)場觀察，深海載人潛水器在深海資源調(diào)查、深海環(huán)境研究甚至軍事等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。隨著新技術(shù)、新材料的發(fā)展，以及人們與日俱增的探索海洋深處奧秘的渴望，深海載人潛水器的發(fā)展已經(jīng)進入一個嶄新的階段。各種深海裝備的相互配合、聯(lián)合作業(yè)，已經(jīng)成為人類高效、全面認知海洋的綜合技術(shù)手段。

參考文獻

［1］ 劉濤， 王璇， 王帥， 王磊. 深海載人潛水器發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)進展［J］. 中國造船， 2012， 53（3）: 233-243.

［2］ http://www.mtsmuv.org/#mts-muv-committee， Active Manned Submersibles， Manned Underwater Vehicle Committee，Marine Technology Society.

［3］ R. 弗蘭克·布什畢. 載人潛水器［M］. 海洋出版社，1982.

［4］ Hardy K， Rosenthal B J.Special issue：celebrating the golden anniversary of man’s deepestdive［J］. Marine Technology Society Journal， 2009， 43（5）.

［5］ Proceedings［C］. 2015 MTS MUV SYMPOSIUM，2015.02.10-02.12， New Orleans， LA USA.

［6］http://www.jamstec.go.jp/e/about/equipment/ships/shinkai 6500.html.

［7］ 劉峰， 崔維成， 李向陽. 中國首臺深海載人潛水器——蛟龍?zhí)枺跩］. 中國科學(xué): 地球科學(xué)， 2010， 40（12）: 1617-1620.

［8］ 崔維成， 劉峰，等. 蛟龍?zhí)栞d人潛水器的5000米級海上試驗［J］. 中國造船， 2011， 52（3）: 1-14.

［9］ 崔維成， 劉峰， 等. 蛟龍?zhí)栞d人潛水器的7000米級海上試驗［J］. 船舶力學(xué)， 2012，16（10）: 1130-1143.

［10］ 新華社.俄國家杜馬副主席等人潛至北冰洋洋底［N］. 2007.08.02. http://news.xinhuanet.com/photo/2007-08/02/content_646 6979.htm.

［11］http://education.nationalgeographic.com/deepsea-challenge/

［12］ 伊藤壽一郎. 地球最深部の海底へ 「しんかい12000」開開本格化、資源探査は激戦［N］. 産産新聞， 2014. 05.26.

［13］https://en.wikipedia.org/wiki/DeepFlight_Challenger.

［14］http://www.malaysiaairlines.com/my/en/site/mh370.html.

Technical Status and Development Trend of the Deep-sea Manned Submersible

Liu Feng
（China Ocean Mineral Resources R&D Association， Beijing 100860， China）

Abstract:Deep-sea manned submersible not only had made outstanding contributions to the deep-sea knowledge accumulation in marine science society， but also had very sensational influence in military affairs. Since the manned submersible is capable to bring scientists to the bottom of the sea， therefore various observations and studies can be carried out in-situ， which circumstance can hardly be simulated in a laboratory. The manned submersible have been playing an increasingly important role in deep sea environment research， deep sea biological research， deep sea resource study， as well as in the emerging field of hadal ecological study. This article briefly reviews the development of the world famous deep-sea manned submersibles. Then analysis and comparisons of their technical specifications， diving practice of the most active 10 submersibles in the world are described. Finally，development trend of deep-sea manned submersibles is prospected.

Keywords:deep-sea； manned submersibles； JIAOLONG； hadal science

中圖分類號：P71

文獻標識碼：A

文章編號：1674-4969（2016）02-0172-07

DOI：10.3724/SP.J.1224.2016.00172

收稿日期：2015-12-12； 修回日期： 2016-03-12

基金項目：863項目：7000米載人潛水器（2002AA401000），載人潛水器1000米海上試驗研究（2009AA093201），載人潛水器關(guān)鍵技術(shù)改進與3000米海試研究（2010AA094001），“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器技術(shù)改及5000-7000米海上試驗（2011AA09A101）；973項目：超深淵生物群落及其與關(guān)鍵環(huán)境要素互作機制研究（2015CB755900）

作者簡介：劉峰（1962-），男，研究生學(xué)歷，教授級高級工程師，主要從事深海戰(zhàn)略研究、深海項目管理、深海裝備研發(fā)與應(yīng)用等。E-mail: liufeng@comra.org