載人深潛技術的發展與應用

一、前言

21 世紀是海洋的世紀，海洋資源的開發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進程，從淺海逐步走向深海；海底可燃冰資源豐富，開發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資源開闢了戰略金屬資源儲備的新通道。

受戰略需求牽引，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、作業技術與裝備的綜合譜系。人在現場的直接面對、感受、分析、判斷和操作，始終是認知複雜海洋，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境中，遂行高效勘探測量和科學考察任務，已經成為人類開展深海研究、開發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、詳細地描述周圍環境、快速地在現場做出正確的反應。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，支撐並推動了深海探測領域的重大進步 [1]。

本文從國內外載人深潛裝備與技術發展歷程、發展現狀的角度進行了系統梳理，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」號的研製與應用為例，凝練我國載人深潛關鍵技術體系，分析未來裝備與技術發展趨勢。

二、國外發展現狀

（一）載人潛水器產業

在強勁市場需求和先進技術進展的共同推動下，載人潛水器產業發展勢頭強勁（見表 1）。2018 年，海洋技術協會載人潛水器委員會的研究數據表明 [2]，全球載人潛水器活躍數量為 160 艘，可提供 1624 個載人座位；其中 38 艘應用於援潛救生，122 艘應用於科學研究、商業作業、觀光旅遊等。

表 1 現役載人潛水器（工作深度＞ 1000 m）

載人潛水器產業包括製造商、運營者、研究船、行業協會等。2000 年以來，新成立了以載人潛水器設計、製造和運營為主業的眾多商業公司。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，經由第三方船級社進行認證的載人潛水器比例高達 92%。

（二）深海載人潛水器

1. 發展歷程

1960 年 1 月，瑞士人皮卡德父子乘坐「的裡雅斯特」號載人深潛器，到達了太平洋的馬裡亞納海溝（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、圖像等技術的發展，以法國、蘇聯 / 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製（見圖 1） [3~6]。這些運載器的應用，充分顯示了專業人員親臨深海和洋底現場進行直接觀察和勘查的優越性，到達範圍遍及大陸坡、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、沉積物、生物、地球化學和地球物理的重要發現。

圖 1 世界主要深海載人潛水器的發展歷程

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）載人潛水器的研製，引發了新一輪行業技術發展 [7]。2012 年 3 月，美國卡梅隆團隊研製的載人潛水器Deepsea Challenger 號創造了單人下潛的深度記錄（10 898 m）。儘管不是一艘作業型的載人潛水器，但一些技術特點準確契合了載人潛水器技術的發展趨勢，如：載人艙大內徑（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. 發展現狀

（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：全新的載人球內徑更大，潛深可達 6500 m；先進的數字指揮與控制、推進、高清照像 / 視頻成像、數字科學儀器交互等子系統；全新的科學工作空間和機械手配置。

圖 2 美國「阿爾文」號升級改造歷程

（2）全新研製

針對印度洋 1000~5500 m 深處礦產資源的探測需求，印度國家海洋技術研究所研發了深海載人潛水器，工作深度為 6000 m，具有大於 30 m/min 的上升和下降速度，3 h 到達工作深度。潛水器採用傳統結構設計，總質量小於 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）商業觀光型

國外商業公司的觀光與探險型載人潛水器發展也獨具特色。儘管潛深指標一般，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展提供了樣板。

1995 年，美國 SEAmagine 公司研製的商業型潛水器，可搭載 2~6 人，深度級別為 150~1500 m。2005 年起，荷蘭 U-Boat Worx 公司發展了系列產品：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 公司發展了覆蓋全海深範圍、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，用於深海的商業探索和研究冒險。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：複合材料耐壓殼體、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於布放回收載人潛水器，同時還可作為運行維護的浮動平臺，運行在偏遠地區實現更簡單、低成本的部署。Titan 載人潛水器採用了新型的實時船體健康監測（RTM）系統，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並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）。

圖 3 代表性的新技術發展型載人潛水器

三、國內發展情況

（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 米級救生鍾等。

2000 年以來，我國載人潛水器領域發展迅速。2012 年，研製 7000 米級作業型載人潛水器「蛟龍」號，在馬裡亞納海溝最大下潛深度達 7062 m。2015 年，研製 500 米級作業型、仿人形的單人常壓潛水器裝具（ADS）；研製 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准試點。2016 年，啟動研製全海深（11 000 m）載人潛水器，預計 2020 年開展海上試驗。2017 年，研製 4500 米級作業型載人潛水器「深海勇士」號，國產化率達 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，即將開始總裝聯調及示範性應用。此外，研製了多型移動型救生鍾和機動型救生鍾，為海軍援潛救生提供了國產化裝備。

（二）標誌性成就

經過近 20 年的跨越式發展，我國在載人潛水器領域已經建成了完整的技術鏈條和應用體系，形成了三大裡程碑。

1. 「蛟龍」號載人潛水器創造 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」號的研製工作（見圖 4 和表 2）。通過全國近百家優勢科研機構的聯合攻關，歷經方案設計、加工製造、總裝聯調、水池功能性試驗等階段，於 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、西太平洋富鈷結殼區、馬裡亞納海溝、西南印度洋、西北印度洋等海區完成了百餘次下潛，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境評價提供了重要依據 [8]。2019 年，完成大修與技術升級後的第一個測試下潛。

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

2. 「深海勇士」號載人潛水器實現 4500 m 深度的高頻次應用

2017 年，國產化達到 95% 的「深海勇士」號載人潛水器完成了研製和海試，成功交付用戶（見圖 5 和表 3）。該潛水器最大作業深度為 4500 m，廣泛採用國產化技術，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、經濟性和可維護性。

圖 5 「深海勇士」號與 ROV 聯合作業

表 3 「深海勇士」號載人潛水器基本參數

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，承擔了科學調查、海洋考古、水下打撈、熱液考察等深海際先進水平的真空電子束焊接方法，使焊接精度大幅提高。

四、關鍵技術及發展趨勢

（一）我國載人潛水器技術現狀分析

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製與應用，我國載人深潛技術總體上已處於國際前列。

在兩型載人潛水器的研製過程中，突破的關鍵技術有 [10,11]：大深度載人潛水器總體優化設計與集成、複雜線型水下航行體水動力性能預報與優化、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製造、高能量密度深海動力能源、針對作業目標的穩定懸停定位、以人為中心的信息與自動化系統、高速水聲通信和高解析度測深側掃聲納、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、複雜線型耐海水高壓複合材料輕外殼的設計與製造等。

充分發揮社會主義市場經濟條件下科技創新的新型舉國體制優勢，組織國內優勢技術單位進行聯合攻關，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展。例如，通過「蛟龍」號的研製，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製造、鈦合金焊接工藝、基於玻璃微珠的浮力材料製造與加工、高強度複合材料等；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，建造完成後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設計及其裝備製造技術等。

（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，水下複雜環境下連續高精度導航技術，水下作業目標搜索及作業點重返技術等。

（6）浮力材料技術，具體包括：大深度低密度浮力材料的設計、製備、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：載人潛水器在複雜海底環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製注入了新的活力。載人潛水器裝備的主要發展方向是全海深載人潛水器和專用載人潛水器。可以預判，未來 15 年將是載人潛水器裝備和技術更新換代的集中時期。

（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），技術突破重點是複合材料圓柱形耐壓殼體 + 鈦合金材料前後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。

圖 6 複合材料耐壓殼體

（2）全透明材料應用於大視野觀察窗的設計、建造技術。觀光型載人潛水器已大量採用全透明材料應用於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。

圖 7 全透明大視野觀察窗

（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 公司的有翼潛水器採用了「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 潛水器則採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。

圖 8 潛水器新概念外形設計

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

（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過近 20 年的跨越式發展，在 4500~7000 m 深度工作範圍，整體上已處於國際前沿，基本構建了具有自主智慧財產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、全海域的譜系化發展思路已經逐漸明朗。依託新一代載人潛水器裝備，有望在 15 年內，鞏固並提升全海深、江河水庫、油氣礦產、熱液冷泉的作業能力，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、重載化和集群協同水平，培育打造產業鏈條，支撐海洋強國建設。