萬米級潛水器現狀及發展重點

中船重工經濟研究中心 趙羿羽

當前，人類正在大力對深海特別是6500米以深的深淵開展科學研究。作為深淵科考的重要工具，面向全海深的作業型萬米級有/無人潛水器的研制已成為深海潛水器的重要發展方向。下潛至萬米水深并不是天方夜談，人類早在幾十年前就實現了萬米載人下潛，只不過當時的潛水器需要攜帶浮力艙，不具備作業能力和航行動力，屬于第一代載人潛水器。現在建造和在役的載人潛水器不需要攜帶浮力艙，可以自由航行和運動，屬于第二代載人潛水器。在第二代深海載人潛水器的基礎上，很多國家正在積極研發新一代萬米級載人潛水器，這類載人潛水器可稱為第三代載人潛水器。萬米級無人潛水器作為有人潛水器作業的重要補充，近年來也發展迅速。本文將對萬米級潛水器發展情況進行論述。

已建萬米級載人潛水器

當前世界上已建的具備萬米級下潛能力的載人潛水器有4艘，分別是美國海軍的“的里雅斯特（Trieste）”號、法國海軍的“阿基米德（Archimède）”號、電影導演卡梅隆出資打造的“深海挑戰者（Deepsea Challenger）”號、英國維珍航空公司老板理查德·布蘭森支持研發的“深海飛行挑戰者（DeepFlight Challenger）”號。

“的里雅斯特”號

“的里雅斯特（Trieste）”號起初由瑞士科學家奧古斯特·皮卡德在1952年研制，之后美國海軍在1958年收購了“的里亞斯特”號并開展了萬米級技術升級。1960年，奧古斯特·皮卡德的兒子雅克·皮卡特和美國海軍上尉唐·沃爾什搭乘“的里雅斯特”號首次成功下潛至馬里亞納海溝水深10913米處。下潛過程時間為9小時，在海底停留20分鐘，由于海底能見度問題未能有任何發現。“的里雅斯特”號是一個固定在儲油器（即浮力艙）上的球型鋼制吊艙，儲油器中裝有鐵砂，通過鐵砂的裝載和卸載可實現潛水器的下沉與上浮。載人艙采用鋼制球殼，直徑為2米。“的里雅斯特”號是典型的第一代載人潛水器，在1963年退役。

圖1 “的里亞斯特”號萬米級載人潛水器

圖2 “阿基米德”號萬米級載人潛水器

圖3 “深海挑戰者”號萬米級載人潛水器

圖4 “深海飛行挑戰者”號萬米級載人潛水器

“阿基米德”號

法國海軍在1961年研制了一艘全海深載人潛水器“阿基米德（Archimede）”號。1962年以后，“阿基米德”號先后在千島堪察加海溝、日本海溝、伊豆小笠原海溝、波多黎各海溝開展下潛活動，但最大下潛深度9500米，始終未能到達挑戰者深淵。“阿基米德”號與“的里雅斯特”號一樣，都是固定在一個浮力艙上，同屬于第一代載人潛水器。“阿基米德”號載人球殼內徑為2.1米，球殼厚度為150毫米，有三個觀察窗。“阿基米德”號在1981年退役，總共下潛139次。

“深海挑戰者”號

“深海挑戰者（Deepsea Challenge）”號是美國導演卡梅隆資助、澳大利亞團隊設計/制造的全海深載人潛水器。該潛水器的研制耗時7年，其結構沿垂向設置，載人艙球殼僅可進入一名潛水員，載人艙底部安裝有攝像機、取樣裝置、機械手等，不再需要攜帶浮力艙來實現潛浮。“深海挑戰者”號在2012年3月成功下潛至馬里亞納海溝，最大深度10898米，并完成了科學考察、3D電影拍攝等作業。但同時暴露出來了安全性和可靠性低等問題，例如在到萬米海底時，推進器等設備出現故障。當前，卡梅隆已將“深海挑戰者”號捐獻給伍茲霍爾海洋研究所用于海洋研究。

“深海飛行挑戰者”號

“深海飛行挑戰者（DeepFlight Challenger）”號是一艘探險型全海深載人潛水器，由美國霍克斯海洋技術公司（Hawkes Ocean Technologies)于2005年 開 始 設計，中途因投資人美國探險家史蒂夫·福斯特意外身亡導致項目一度中斷。2010年，英國維珍集團老板理查德·布蘭森等人重新資助使得該項目繼續開展。“深海飛行挑戰者”號載人艙采用圓柱耐壓殼體結合玻璃球頂的形式，耐壓殼體為高強度的碳纖維/環氧樹脂復合材料，玻璃球頂采用石英玻璃制造，耐壓殼和玻璃球頂之間用鈦合金環連接。“深海飛行挑戰者”號將水翼應用于載人潛水器，實現潛水器的快速潛浮，適合大范圍水下觀察、測量工作。“深海飛行挑戰者”號在2011年海試過程中載人艙受大浪拍擊而發生破壞，因此又重新優化、建造新的載人艙，現在正開展海試，尚未下潛至萬米海底。

表1 已建萬米級載人潛水器存在的問題

盡管部分已建萬米級載人潛水器到達過萬米海底，但是仍存在較大的問題，具體如表1所示。

在研萬米級載人潛水器

目前正在開展設計或研制的萬米載人潛水器包括美國DOER公司的“Deepsearch”號、美國Triton公司的“Triton 36000/3”號、日本的“深海12000”號、中國船舶科學研究中心的全海深載人潛水器及上海海洋大學深淵科學與技術研究中心的“彩虹魚”號。

“Deepsearch”號

“Deepsearch”號是美國Deep Ocean Exploration and Research（DOER)公司正在研制的全海深載人潛水器，但計劃將更多地在5000米級作業。“Deepsearch” 可搭載3人（1名駕駛員，2名科學家），采用以垂直的推進器為主、縱傾調節結構和可調浮力系統為輔的方式，實現萬米載人潛水器的快速上浮和下潛，下潛至11000米僅需90分鐘。

“Triton 36000/3”號

“Triton 36000/3”號由美國佛羅里達州一家私人潛艇制造商Triton公司制造，可載3人（2名乘客+1名駕駛員），用于科學研究、商業工作以及海底觀光旅游，設計的核心是玻璃球載人艙，可提供360度全景觀察視野，在2小時內可以潛入11000米深度。

表2 國外萬人載人潛水器參數對比情況

圖5 “Deep Search”號萬米級載人潛水器

圖6 “Triton 36000/3”號萬米級載人潛水器

圖7 “深海12000”號萬米級載人潛水器

圖8 “彩虹魚”號萬米級載人潛水器

“深海12000”號

“深海12000（SHINKAI 12000）”號萬米載人潛水器由日本海洋科技中心（JAMSTEC）研發，計劃在2023年進行海試（2014年提出的計劃）。“深海12000”號的球殼可能采用強化玻璃，為搭乘人員提供更好的視野，有可能由2個壓力球殼組成，一個球殼用于操作、觀察；另外一個專供休息。在2個壓力球殼的前提下，下潛時間將能夠達到24小時以上，搭乘的人數短時也可由傳統的3人變為5人。“深海12000”號潛航時間可達24小時，建造費預計300億日元（約18億人民幣）。

中國船舶科學研究中心全海深載人作業潛水器

當前，中船重工702所自主研制的全海深載人作業潛水器已經完成了初步設計，載人球艙主體為鈦合金，進入到關鍵設備的研發階段，計劃到2020年后進行正式海試。

“彩虹魚”號

上海海洋大學深淵科學與技術研究中心（HAST）正在研發“彩虹魚”號萬米載人潛水器，主要由載人艙、機電設備、外部設備、重量與浮力調節系統以及觀察與作業模塊5個部分構成，采用馬氏體高強度鎳鋼制造載人艙，可搭載一名駕駛員和兩名科學家，預計2020年完成萬米海試。

萬米級無人潛水器

無人潛水器可在深海完成許多科學任務和水下作業，其研發和使用過程中出現的問題也能夠給載人潛水器提供借鑒。但無人潛水器也存在作業效率和精度等問題。未來，無人潛水器將會更多地配合載人潛水器開展水下任務。國內外已經使用或正在研發多艘萬米級無人潛水器。

美國“海神”號

圖9 “海神”號萬米級無人潛水器

圖10 “N11k”號萬米級無人潛水器

圖11 “海溝”號萬米級無人潛水器

由美國伍茲霍爾海洋研究院（WHOI）研制的“海神（Nereus）”號是世界上首個全海深的復合型無人潛水器，采用新型高強度陶瓷材料，具有無纜AUV大規模海底探測模式和攜帶輕質光纖纜的ROV作業模式，AUV模式下最大航速2米/秒，所需的額外浮力由中空的輕型陶瓷材料浮力球提供。完成任務后，“海神”號可以自動切斷光纖，拋棄壓載，自由上浮到水面回收。2009年5月，“海神”號成功下潛至馬里亞納海溝10902米的海底。“海神”號于2014年5月在新西蘭東北面的克馬德克海溝9990米深度丟失，原因可能是潛水器的陶瓷層在深海中發生爆裂。

美國“N11k”號

“海神”號丟失后，美國施密特海洋研究所聯合伍茲霍爾海洋研究所研制另一艘全海深混合型水器“N11k”號，使其成為“海神”號的替代者。該潛水器裝有兩條機械臂，可實現更大范圍和更高效的作業，能夠先用一條機械手抓緊海床，然后用另一條機械手進行挖掘。這艘潛水器目前正在研制過程中，母船是“Falkor”號調查船。

日本“海溝”號

“海溝（Kaiko）”號是有纜無人潛水器，下潛深度可達11000米，1990年由日本海洋科技中心（JAMSTEC）完成設計，經過6年制造完成，配有2個7自由度的機械手。1995年3月，“海溝”號下潛至馬里亞納海溝底部，首次精確測得該海溝底部的深度為10911.4米。2003年5月29日，“海溝”號在日本高知地區Moroto海角東南方向約130千米的Nankai峽谷完成4675米水下作業任務后，由于中繼站與潛水器之間連接的二級纜突然斷裂而丟失。

中國“海斗”號

“海斗”號自主遙控復合型無人潛水器（ARV），由中國科學院沈陽自動化研究所研發，2016年最大潛深達10767米。“海斗”號是我國首次實現下潛深度超過萬米并進行科考應用的無人自主潛水器，使我國成為繼日、美兩國之后第三個擁有研制萬米級無人潛水器能力的國家。

圖12 “海斗”號萬米級載人潛水器

中國在研的萬米級無人潛水器

為了更好的輔助“彩虹魚”號萬米級載人潛水器作業以及為其研發提供借鑒，上海海洋大學深淵科學與技術研究中心開展了“彩虹魚”號萬米級全海深復合型無人潛水器（ARV）和3臺全海深著陸器的研發。2016年12月3日至2017年2月16日期間，研究團隊搭乘4800噸級“張謇”號科考母船，在挑戰者號深淵對著陸器和無人潛水器進行了測試，其中3個著陸器都到達了萬米海底，但無人潛水器在惡劣海況回收時發生損傷，下潛水深為6300米。

此外，上海交通大學正在開展“海龍11000”萬米級無人遙控潛水器，目前已通過2000米級深水試驗，潛深2605米，預計在3年之內完成11000米級海試和驗收；青島海洋科學與技術國家實驗室“海燕-11000”水下滑翔機下潛深度到達8213米，逐步向萬米進軍。

發展重點及趨勢

總結國內外萬米級潛水器發展重點，主要包括如下幾個方面：

提高設備可靠性。“深海挑戰者”號載人潛水器下潛至萬米時，由于關鍵的部件（如推進器等）故障只能在海底停留20分鐘就即刻上浮；“深海飛行挑戰者”號載人潛水器初次海試就發生結構破壞；“海神”號無人潛水器發生爆裂而丟失，“海溝”號無人潛水器纜繩斷裂而丟失，“彩虹魚”號無人潛水器海試時也出現損傷而終止萬米下潛。由此可見，設備的可靠性對于萬米級潛水器是至關重要。

減輕重量。隨著水壓的增加，潛水器全部耐壓殼體的重量就會增加，整體的重量也會再一步增加。在保證萬米級潛水器上所有子系統可靠性、高效性和不對其他設備造成影響的前提下，應該盡量實現潛水器輕量化。“深海飛行挑戰者”號、Deep Search的設計質量在20噸左右，“深海挑戰者”號的質量只有11.8噸，而“蛟龍”號的質量為22噸，升級到萬米級潛水器必須采用輕量化設計。

提高潛浮速度。潛水器在水下活動的總時間是確定的，扣除下潛和上浮所需時間，剩下的時間可用于潛水器在海底作業、探測等。實現潛水器的快速上浮和快速下潛，可明顯提高潛水器在水中的時間利用率，萬米級載人潛水器對此方面的需求更未突出。當前，國外研發的萬米級載人潛水器的下潛和上浮速度大概為4～6節。

提高電池性能。目前潛水器均使用電池作為動力源，包括鉛酸電池、銀鋅電池、鋰離子電池和燃料電池等，電池的性能對于潛水器的水下活動時間、速度及安全性等方面具有重要意義。長遠來看，研發運行壽命長、比能量和比功率高、工作電流大、價格適度的電池是萬米級潛水器研發的關鍵方向之一。

提升通訊能力。當前研發的萬米級載人潛水器與母船的通訊主要采用的是聲學通訊，隨著海水深度的不斷增加，聲學設備的通訊距離變得更遠，通訊損失也將會變得更大。因此，進軍萬米深淵，一方面對部件的噪聲提出了更高的要求，另一方面也要研發適用于萬米水深的全海深通訊設備及技術。

提高舒適度。載人艙是潛航員和乘客、科學家在深海中工作和休息的空間，需要提供必要的設備設施及舒適的環境。未來，基于人—機—環境的設計技術將更多的應用在萬米級載人潛水器上，充分考慮人機工程學、心理學、行為學、噪聲學和色彩學等方面，將極大地提高人員操作的準確度和舒適度，降低誤操作的可能性和操作的疲勞度。

新型材料。水下萬米深度對潛水器耐壓結構設計和制造的要求更加嚴格，特別是作為載人艙的生命支持耐壓結構，體積較大，對材料和工藝要求較高。目前潛水器耐壓結構較多采用鋼、鈦合金等金屬材料；未來，玻璃、陶瓷、復合材料這些新型材料也將更多的應用到萬米潛水器的制造。

譜系化有無人潛水器協同作業。世界深海潛水器技術發展重要方向是大型有人裝備技術與智能無人裝備技術的結合，譜系化的深海載人潛水器、深海無人潛水器成為深海作業主力。未來，萬米級載人潛水器和無人潛水器將突破各自限制，優勢互補，相互協同配合，顯著提升深海探測與作業時間和作業能力，更加有效地提高萬米深淵科考、作業的效率和安全性。

目前，萬米級潛水器是深海裝備的重要發展方向，并且正成為各海洋國家競相研發的熱點。美國、日本及我國已經研發了萬米級無人潛水器并都成功下潛至萬米深淵，萬米級載人潛水器的研發也集中在美國、日本及我國。美國私人企業是萬米潛水器研發的重要力量，值得我國借鑒。

盡管美國“深海挑戰者”號已經下潛到萬米，但距離實現萬米深淵作業還很遙遠。未來幾年將成為萬米級載人潛水器海試的密集期，從各萬米級載人潛水器研發進度來看，我國在萬米級載人潛水器的研發方面后勁足、水平高，相信萬米級潛水器將成為我國建設海洋強國道路上一張靚麗的名片。