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载人深潜技术与应用的现状和展望

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徐芑南 ¹^,² , 胡震 ¹^,² , 叶聪 ¹^,² , 王帅 ¹^,² , 刘帅 ¹^,² , 曹俊 ¹^,²

前瞻科技 | 综述与述评 2022,1(2): 36-48

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前瞻科技 | 综述与述评 2022, 1(2): 36-48

载人深潜技术与应用的现状和展望

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徐芑南¹^,², 胡震¹^,², 叶聪¹^,², 王帅¹^,², 刘帅¹^,², 曹俊¹^,²

作者信息

1.中国船舶科学研究中心,深海载人装备国家重点实验室,无锡 214082

2.深海技术科学太湖实验室,无锡 214082

徐芑南,研究员,中国工程院院士。深海潜水器技术专家,中国船舶科学研究中心原副总工程师。担任5项潜水器的总设计师,创造性地研制了多型载人潜水器和水下机器人。2002年起,担任我国自行设计、自主集成研制的7000米级载人潜水器“蛟龙”号总设计师。获国家科学技术进步奖、中国科学院科技进步奖、上海市科技进步奖、光华科技基金奖、何梁何利基金科学与技术进步奖等10多项科技奖励。电子信箱： qinanxu@163.com。

Present Situation and Prospect of Deep-sea Manned Submersible Technology and Its Application

Qinan XU¹^,², Zhen HU¹^,², Cong YE¹^,², Shuai WANG¹^,², Shuai LIU¹^,², Jun CAO¹^,²

Affiliations

1. China Ship Scientific Research Center, State Key Laboratory of Deep-sea Manned Vehicles, Wuxi 214082, China

2. Taihu Laboratory of Deepsea Technological Science, Wuxi 214082, China

出版时间: 2022-06-20 doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2022.02.003

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摘要

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在分析国外载人深潜技术的发展历程和最新进展的基础上,系统总结了中国载人深潜技术取得的主要成就和积累的经验,同时详细介绍了载人深潜领域日益拓展的应用场景,对中国载人深潜未来的主要任务和运行模式提出展望,为后续发展提供参考。

关键词

载人深潜 / 技术进展 / 应用场景 / 未来展望

Abstract

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Upon the analysis of the development history and the latest progress in the deep-sea manned submersible technology in foreign countries, the main achievements and accumulated experience of this technology in China are systematically summarized. Meanwhile, the ever-expanding application scenes in this regard are introduced in detail, and the main tasks and operation modes of deep-sea manned submersibles in China are predicted to provide a reference for future development.

Key words

deep-sea manned submersible / technical progress / application scenes / prospect

引用本文

徐芑南, 胡震, 叶聪, 王帅, 刘帅, 曹俊. 载人深潜技术与应用的现状和展望. 前瞻科技, 2022 , 1 (2) : 36 -48 . DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2022.02.003

Qinan XU, Zhen HU, Cong YE, Shuai WANG, Shuai LIU, Jun CAO. Present Situation and Prospect of Deep-sea Manned Submersible Technology and Its Application[J]. Science and Technology Foresight, 2022 , 1 (2) : 36 -48 . DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2022.02.003

正文

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深海载人潜水器是一种能运载科学家、工程技术人员同时搭载各种专用设备,快速、精确、持续往返到达多种深海底部进行高效探测、取样和作业的深潜装备。它能充分发挥人在现场快速响应、即时处理分析问题的优势。广袤的深海充满了黑暗与未知,低温高压,复杂的地形、流场等水文环境,为载人深潜作业带来了特有的高难度。载人深潜技术历来是深海领域的技术制高点,研制大深度、谱系化载人深潜装备,打造深海利器,是中国进入深海、经略深海、掌握深海话语权的重大战略举措。

1 国内外载人深潜技术进展

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20世纪60年代起,各国逐渐重视海洋科学探索、海军装备研发和深海资源开发。20世纪80年代,部分发达国家相继研发出2000~6500米级的大深度载人潜水器。当前,美国、俄罗斯、日本、欧盟等均将探索海洋作为基本战略,建成了完善的深海技术装备体系。载人深潜技术一直是海洋强国之间深海科技竞争的热点,各国的载人潜水器均开展了与时俱进的升级,新材料、新构型的载人潜水器相继投入使用,全海深载人潜水器体现了各国科技创新的实力。

1.1 国外载人深潜技术进展

1）美国

美国是较早开展载人深潜的国家之一,“人在现场”的作业优势一直受到高度重视。1960年,美国海军改造“Trieste”号载人潜水器下潜到世界海洋最深处马里亚纳海沟“挑战者”深渊,当时测量得到的最大深度为10916 m。针对大深度海底事故调查的紧迫需求,美国海军启动载人深潜系统工程：一是沿用“Trieste”号成熟技术,建造了自航型的“Trieste II”号载人潜水器,最大工作深度6000 m;二是研发新型固体浮力材料等新技术,建造了小型化的“Alvin”号、“Turtle”号和“Sea Cliff”号载人潜水器,最大工作深度2000 m,随后在钛合金耐压材料自造工艺的推动下逐步升级至4500、3000和6000 m,成为世界大深度作业型载人潜水器发展的主流（图1）;三是研发新型非金属耐压材料等新技术,建造了通透型的“Nemo”号和“Makakai”号载人潜水器,最大工作深度180 m;四是利用载人潜水器验证了对失事潜艇集体的救援能力,建造了“Mystic”号和“Avalon”号深潜救生艇,最大工作深度1500 m。通过“Alvin”号等载人潜水器对失事核潜艇“长尾鲨”号的调查和工程应用,支撑并促进了美国军用潜艇的技术发展。

1967年,美国海军成立第1潜艇开发小组,负责海军深海新技术验证和新战术开发。该小组后发展为第5潜艇开发中队,在载人作业和援潜救生的基础上,衍生出了无人潜水器和海底研究等专业分支,多次圆满完成重要任务。20世纪90年代初,为促进深海装备的共享共用,美国海军研究办公室（ONR）、国家科学基金会（NSF）、国家海洋和大气管理局（NOAA）共同组建深潜技术科学委员会（Deep Submergence Science Committee, DESSC）,统筹协调“Alvin”号载人潜水器等国家深潜装备（National Deep Submergence Facility, NDSF）的运维管理,建立了资深工程师和顶尖科学家之间的有机联系。近年来,“Alvin”号载人潜水器启动了全面的系统升级和能力提升,最大工作深度将从4500 m增加至6500 m^[1]。

2）苏联/俄罗斯

苏联载人潜水器的发展始于20世纪60年代,经历了民用、兼作民用和军用,以及军用的历程,对俄罗斯成为深海技术强国具有战略意义。

1969年,苏联自主建成第一艘载人潜水器“Sever-2”号,主要用于渔业资源调查。1978年,又成功研制“Argus”号载人潜水器,最大工作深度600 m,主要用于海洋科考。此后,从加拿大购买“Pisces-Ⅶ”号和“Pisces-Ⅺ”号”载人潜水器,最大工作深度2000 m,具备了深海精细科学考察的能力,开展了热液区研究等系列任务。1987年,苏联在芬兰订购了“MIR-1”号和“MIR-2”号载人潜水器,最大工作深度6000 m,由苏联科学院负责运营管理,执行军民两用任务（图2）。

1976年,苏联国防部成立深海研究总局（GUGI）,体系化部署了载人潜水器、深潜救生艇等一系列载人深潜装备。2000年起,根据军事战略需求,建造了“Rus”号和“Consul”号载人潜水器（图2）,最大工作深度6000 m,与“Yantar”号调查船一道构筑了俄罗斯深海力量。

3）日本/法国

日本的载人深潜研发经历了由浅入深的过程。日本海洋科学与技术中心（JAMSTEC）最早于1981年建成了工作深度为2000 m的“Shinkai 2000”号载人潜水器,作为中试样机进行了大量的试验研究,解决了深海载人潜水器的一系列关键技术问题。在此基础上,JAMSTEC于1989年建成下潜深度为6500 m的“Shinkai 6500”号载人潜水器（图3）。“Shinkai 6500”号在太平洋、大西洋、印度洋以及日本周边海域的深海生物和海底地形地质等科学研究领域发挥了重要作用。2012年以来,JAMSTEC对“Shinkai 6500”号进行了升级,包括载人耐压球舱改装,安装了新的导航和操作设备仪器,实现了从原来有主、副两位驾驶员操作到单驾驶员操作的演变^[2]。2013年,JAMSTEC启动了全海深载人潜水器“Shinkai 12000”号的研究计划,预期配备一个搭载6人的玻璃载人球壳,可执行长达2 d的水下任务^[3]。

法国是较早开展载人深潜的国家,法国海军发起并迭代出多型的载人潜水器。1950年,法国购买了瑞士的“FNRS-2”号载人潜水器,在土仑进行了全面重建和技术升级后命名为“FNRS-3”号,其于1954年下潜到4050 m。1961年,法国海军建造了全海深载人潜水器“Archimede”号,先后在千岛堪察加海沟、日本海沟、伊豆小笠原海沟、波多黎各海沟开展下潜活动,最大下潜深度9500 m。1971年和1985年,法国海洋开发研究所（IFREMER）建造了小型化的“Cyana”号和“Nautile”号（图3）载人潜水器,最大工作深度分别为3000 m和6000 m,它们是法国深海探索的重要装备。

4）其他

2010年来,国际上兴起深海探险热潮。2012年,电影导演詹姆斯·卡梅隆驾驶单人潜水器“Deepsea Challenger”号（图4）,成功下潜至马里亚纳海沟10898 m深处。2019年,美国Triton公司研制出双人潜水器“Limiting Factor”号（图4 ）,开启“Ring of Fire”环球航行旅程。截至2022年,该潜水器已累计19次、共有19人（其中16人为乘客）下潜至万米深度。

1.2 中国载人深潜技术进展

近20年来,在加快建设海洋强国和实施深海发展战略的部署下,中国载人深潜取得了跨越式发展,以“蛟龙”号、“深海勇士”号和“奋斗者”号3台深海载人潜水器研发为契机,在设计计算方法、基础材料、建造工艺、测试技术方面取得了一系列突破,构建了覆盖全球海洋深度的载人深潜装备设计技术体系,实现了跟跑、并跑、超越引领3个历史性跨越,显著提升了中国深海装备技术的自主创新水平。

1）“蛟龙”号载人潜水器

2002年立项的“蛟龙”号是中国自行设计、自主研制的首台深海载人潜水器（图5）,历经10年技术攻关,解决了大深度耐压、密封、安全技术,可靠水声通信技术,复杂深海环境下精细作业技术等难题,实现了中国载人深潜装备从600 m工作深度直接到7000 m总体方案的闭环。2012年,“蛟龙”号下潜7062 m,这是当时世界上同类作业型载人潜水器的最大下潜深度,推动中国深海进入能力大幅跃升,使中国成为继美国、俄罗斯、日本、法国之后,第5个掌握载人深潜技术的国家。近年来,“蛟龙”号已完成了200余次安全下潜,其中多达30余次的下潜超过6000 m深度,获得了丰硕的深海科考成果。“蛟龙”号的应用,开创了中国深海资源精细勘探的新模式,在国际上首次发现多种深渊地质新现象和深海新物种,助推了国际深渊科学的重大进展。

2）“深海勇士”号载人潜水器

4500米级的“深海勇士”号在载人深潜装备关键技术和配套设备自主可控上取得突破（图5）。2009年立项,历经8年攻关,实现了深海钛合金载人舱、充油耐压锂电池、超高压海水泵、低噪声推进器、浮力材料、机械手、液压系统、控制软件、水下定位、声学通信10大核心关键技术的自主化,为深海载人深潜高端装备实现“中国制造”探索了一条切实可行的路径,拓展了中国企业相关领域的制造能力。“深海勇士”号于2017年交付至今,已累计安全下潜450余次,开展了中国首次深海考古等工作,创造了中国载人深潜作业的一系列新纪录。

3）“奋斗者”号载人潜水器

“奋斗者”号载人潜水器（图5）瞄准全球海洋最深处,完成了集基础研究、技术攻关、应用示范为一体的全链条创新,通过极致设计和极限制造,形成适用于极端环境的应用能力,实现了载人深潜技术的跨越发展和超越引领。

（1）首次研制出国际上唯一能同时携带3人多次往返全海深作业的载人深潜装备,攻克了多目标、多功能、多需求的总体设计技术,形成了覆盖全海深环境的全系统技术解决方案以及设计、材料、制造、测试考核标准,在同类潜水器中具有潜浮速度最快、海底作业时间最长、作业能力最强的技术优势。

（2）创新建立了全海深中厚壳耐压结构设计计算方法,制定了全海深耐压结构强度和稳定性的标准体系;建立了极限耐压结构安全性评估方法;攻克了观察窗有机玻璃局部应力集中难题,揭示并系统研究了观察窗应变回复规律。

（3）掌握了极端高压环境下动、静密封技术,通过理论和试验研究得到了极端高压环境下的油浸元器件动态响应规律,研制了系列具有完全自主知识产权的关键部件。

（4）突破了快速稳定控制、自适应控制等关键技术,有效提升了潜水器的航行效率和复杂环境下的响应能力,在全球海洋最深处实现了高精度自动定深、定高、定向控制。

（5）高速数字水声通信在万米深度实现图像、数据、文字和语音等信息的传输,采用多进制不规则低密度奇偶校验码算法和稀疏化自适应Turbo均衡算法,提高了水声通信纠错能力和可靠性,实现作用距离12 km、峰值速率10 kbps的可靠通信。

截至目前,“奋斗者”号累计安全下潜作业超过100次,其中共有21次下潜、搭载共计27名科研人员抵达万米深度,使中国成为世界上万米下潜次数和人数最多的国家。2021年“奋斗者”号科考期间,科学家团队发起了《马里亚纳共识》倡议,启动了“马里亚纳海沟生态环境科研计划”,邀请国内外科学家针对深海地球科学系统形成与演化、生命起源与环境适应、生物多样性与气候变化等重大科学问题协力攻关,为深海重大原创和颠覆性科学发现提供共享平台。

4）技术带动与产业辐射

中国载人深潜装备研发与工程应用团队协同打造技术与产业链条,形成了优势互补、强强联合的产学研用创新体系,激活了全海深装备设计制造、常规应用、实时监测、定时检测、性能评估、运维管理和人员培训的全寿命周期技术服务产业,吸引了原服务陆、空、天的光电缆、复合材料、合金制造等高科技企业下海,带动了深海领域材料、动力、通信、定位等核心配套产业的自主发展和重大进步。

依托载人深潜技术的发展,全国潜水器标准化技术委员会（SAC/TC306）和国际标准化组织海洋技术分委会潜水器工作组（ISO/TC8/SC13/WG1）承担了海洋潜水器标准体系及相关标准的建立工作,目前已获颁多项ISO国际标准、国家标准和船舶行业标准,为潜水器装备领域的持续发展创造了有利条件。

1.3 载人深潜技术特点及发展方向

载人深潜装备的设计和建造在市场趋势和新技术的驱动下不断发展。从研制目标来看,载人潜水器主要由需求牵引,服务于深海勘探、探测、开发、环保等应用需求。同时,载人潜水器的发展又有明显的技术引领作用,如新材料应用、新设备更替、新能源利用等,又如数据化、现役监测、健康管理等新技术的涌现^[4]。

载人深潜作业最关注的是提高载人作业效率、增强载人作业能力,同时需要兼顾操控性和舒适性。载人深潜装备的特色技术包括：快速潜浮及水动力综合优化、狭小空间的人机工效及生命支持、耐压结构设计、制造及评估,冗余应急自救,均衡及姿态调节,高压环境的动密封及补偿,低温高压环境的动力,绝缘检测及应力监测,高速水下通信和高精度航行控制等。

载人深潜装备的发展趋势主要体现在以下4个方向。

1）安全保障多样化

利用数字化技术实现载人潜水器健康管理,包括设备状态实时监测、故障预测、维修分析等。在现有自救措施的基础上,建立载人潜水器他救体系,包括运行数据处理、故障风险分析、应急信号标准、救援措施接口等,进一步提高载人潜水器的安全等级。

2）运载本体轻量化

开发新型高强度金属及非金属结构材料,如更高强度钛合金、陶瓷、碳纤维等耐压结构材料和更低密度的浮力材料,配合相应的结构设计、建造、检测及评估技术,降低潜水器本体的重量。通过线型优化和流体性能提升,进一步缩短载人潜水器潜浮时间。

3）作业能力重载化

通过探索多舱连接等新结构形式,利用多学科优化及应用系统模型等新设计方法,采用大流量液压供能、快速注排水、新型能源深海应用、水下能源补充等新技术,开发更有力的专用作业工具以实现载人潜水器容纳更多人员、增加作业载荷、延长作业时间。

4）操纵控制智能化

发展复杂海底环境下的高精度航行控制技术、可视化的综合信息显控技术、载人潜水器控制仿真技术以及驾驶辅助等,使得载人潜水器的操作过程更简便,数据显示更实用,驾驶场景辨别和信息反馈更准确,实现对载人潜水器的高水平智能控制。

2 载人深潜应用场景研究

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载人潜水器不仅在科学考察、环境调查、资源勘探等深海应用领域取得系列重大发现,而且在失事舰艇调查、坠海对象打捞等特殊应用任务中也大显身手。在竞逐全海深这一赛道的同时,各国也持续发力,积极拓展载人潜水器的新应用领域,部分商业公司也在载人深潜领域崭露头角,载人/无人潜水器协同作业的模式也具备了一定的应用基础。

2.1 海洋环境科学考察

载人潜水器的科学考察范围遍及全球大陆坡深水区、洋中脊、海山、海沟和洋盆等海底区域,获得了大量的深海地质、地球物理、生物、化学和环境方面的信息或样品,取得了一批重大的发现和创新性的研究成果,推动了深海科学的发展。

科学家可以搭乘载人潜水器近距离观测各种地质现象,还能将观测信息进行记录,从而为深海地质学基础理论研究提供有效的证据。1971—1975年,美国的“Alvin”号和法国的“Cyana”号载人潜水器共执行57次下潜,对洋中脊谷底进行了超过200 h的观察、照相等作业,并通过机械手取得了大量的海底沉积物、岩石和矿物样本。直接观察到了新生的洋壳和转换断层,在洋中脊谷底发现了新鲜的熔岩和年轻的火山,以及平行于裂谷延伸的正断层、张性裂隙和岩墙露头等,证明了大洋中脊的确是洋壳生长和扩张的场所,为板块构造理论提供了最直接、最可靠的证据^[5]。中国的“蛟龙”号首次在马里亚纳海沟发现活动泥火山地质新现象（图6）,对研究深渊板块构造活动、俯冲与沉积物作用具有重要意义。“奋斗者”号自2020年海试以来对马里亚纳海沟“挑战者”深渊最深处的西区和东区以及俯冲缝合线的南坡和北坡进行了考察、取样和原位试验,揭示了深渊发生的独特地质、生命与环境现象及过程^[6]（图6）。

2.2 深海矿产资源开发

海底矿产资源勘探是“蛟龙”号载人潜水器的主要使命,“蛟龙”号首次在西北太平洋采薇海山区5000 m以深的海底发现了大面积的高品位富钴结壳,首次在西北印度洋热液区获取了高质量海底矿物样品（图7）。“蛟龙”号应用以来,累计获得了1200 kg岩石和结壳、结核样品,为中国精准选划和申请新的矿区勘探合同提供了核心调查资料,助力中国成为国际上海底勘探合同数量最多、矿种最全、矿区面积最大的国家^[7]。

2020年,搭载于“探索二号”科考船上的“深海勇士”号载人潜水器与深海采矿车首次开展单船联合作业试验^[8]。期间,“深海勇士”号在采矿试验区连续进行原位实时监测和取样,富钴结壳采矿车则分别完成海底行走、切削破碎、获取样品等海底功能测试的单独作业。同时,“深海勇士”号分别对采矿车试验前、试验后的环境进行了采样调查。

2.3 海洋生物基因研究

载人潜水器在深海生物基因研究领域也展现出其重要性。广袤的深海区域孕育了地球上最大的生态系统,生物数量最多、生物种群最多、生物基因资源最丰富^[9]。同时,极端的深海环境孕育着地球上最神秘的生态系统,其独特的代谢特征、调控机制、环境适应性及深海生物所包含的深海极端酶具有广泛的直接和间接经济价值。例如,从寄生在热液喷口附近的嗜热微生物中提取的嗜热菌,可用于细菌浸矿、石油及煤炭的脱硫;在发酵工业中,可以利用其耐高温的特性,提高反应温度,增大反应速度,减少中温型杂菌污染的机会^[5]。载人潜水器及其搭载的探测和取样设备,可以方便地对深海底栖生物进行直接观察、记录（图8）,还可以对目标物进行保真取样,进行分析和培育,揭示深海生物生存和演化之谜。其中,热液区和冷泉区是深海生物研究最为活跃的区域。美国的“Alvin”号、法国的“Nautile”号、中国的“蛟龙”号和“深海勇士”号均开展了相关科学应用。

2.4 极区运载探测

极区具有极为重要的战略地位,蕴藏着丰富的资源。2007年,人类首次抵达北冰洋深海海底^[10]。这次考察活动名为“北极-2007”,由破冰船开道,紧随其后的科考船搭载有俄罗斯“MIR-1”号和“MIR-2”号深海载人潜水器。潜水器从一块大约100 m×50 m的未冻水面布放,以30 m/min的速度下潜,在深度4300 m的海底着陆,随后采集了海水和沉积物的样品（图9）。这次下潜为载人深潜在极区深水作业、建设冰上平台以及冰下救助任务中的应用积累了成功的经验。

2.5 深海救援、调查、打捞

1963年,美国海军“长尾鲨”号核潜艇失事,沉没深度2300 m,“Trieste”号载人潜水器完成了水下全面调查并打捞了管路等关键残骸。1968年,美国海军“天蝎”号核潜艇失事沉没,“Trieste II”号载人潜水器再次完成了水下全面调查并打捞了关键残骸。2009年,法航AF447失事坠海,深度3800 m,法国“Nautile”号载人潜水器参与救援,最终成功搜寻、打捞黑匣子和飞机残骸,查清了事故真相。

1986年,美国“Alvin”号载人潜水器抵达“泰坦尼克”号沉船遗址,这是人类首次造访这一船难现场（图10）。1987—2004年,法国“Nautile”号载人潜水器开展了7次探险活动,并获取约1500件沉船文物。1997年前后,因拍摄电影《泰坦尼克号》的需要,俄罗斯“MIR”号载人潜水器曾多次抵达遗址现场,装载特制的小型摄像机进行拍摄。2019年起,美国“Titan”号载人潜水器也多次到达遗址残骸现场,开展图像收集、视频拍摄、激光扫描等勘探任务。

2021年,印度尼西亚“南伽拉”号常规潜艇失事,沉没于海底838 m处。应印度尼西亚政府请求,中国派出“深海勇士”号载人潜水器前往救援,共计下潜20次,通过潜水器的测深侧扫设备获得了失事潜艇主要残骸部件精确的形态及位置信息;对失事潜艇散落的艇艏、舰桥、艇艉进行了细致的水下拍摄（图10）,基本摸清了3个主要部位的水中状态、地形地貌及由此形成的海底冲击坑。通过挂钩挂缆等精细作业,辅助舰船打捞出共58件物品。

2.6 深海考古

自1960年代开始,考古学家对以沉船为代表的深海考古遗存的探索一直持续进行,现已积累了大量的深海考古案例,主要集中在地中海、黑海、墨西哥湾、波罗的海等海域。1964—1967年,考古学家利用世界上专门为水下考古设计的首台载人潜水器“Asherah”号在土耳其海域的多处水下遗址进行了试验性应用,便捷地开展对水下沉船的立体摄影测量,这标志着深海考古与科学意义上的水下考古学正式起步。

2018年,中国国家文物局深海考古调查队选定南海北礁东北缘区域,利用“深海勇士”号载人潜水器执行了考古调查任务,同时结合机载超短基线定位系统（USBL）以表格、影像等方式进行考古记录（图11）。最终,此次调查共完成312 km多波束测量,7次载人下潜作业,最大调查深度1003 m,累计下潜时间66 h,积累了一大批基础数据与影像资料。此次考古实践纠正、深化、完善了既有的观念与方法,据此开展的思考、形成的结论将成为探讨中国深海考古未来发展的重要基础。

2.7 商业观光

载人潜水器在国际上是一个活跃的产业。得益于技术的进步、自身的高安全性及高端观光市场需求,商用载人潜水器的占比正在增长^[11]。用于商业应用的载人潜水器主要包括观光潜水器和机动型潜水器等。

自20世纪80年代以来,多客位的大型观光潜水器迎来了发展的黄金时期。大型观光潜水器通常采用金属耐压球壳和透明观察窗玻璃相结合的结构形式,在100 m以浅的水下观光旅游领域有着广泛的应用^[12]（图12）。

随着透明耐压观察窗设计、制造水平的不断提升,通透、大深度的观光潜水器逐渐成为各商业公司追逐的热点（图12）。2000年以来,在强劲的市场需求驱动下,美国Triton、Seamagine,荷兰Uboat Worx等商业潜水器制造公司蓬勃发展。

在高端市场的驱动下,潜水器制造商推出了不依赖特定母船,可以在游艇、邮轮搭载的便携式潜水器（图12）,便捷、豪华、私人定制型观光潜水器也成为发展的热点方向。

2.8 海底施工维护保障

2008年,“Antares”中微子探测器建造完成,并被布放在地中海约2400 m深度的海底。“Antares”用于探测穿过大气层的中微子信号,以实现追踪海底发光生物和探测地震等功能,同时连接到岸上的观测站,可以实现实时数据监测。整套装置多样且复杂,通过法国“Nautile”号载人潜水器的保障和作业,“Antares”装置顺利完成了在海底的布放并投入使用（图13）。

2022年6月,“探索二号”科考船搭载“奋斗者”号和海底原位科学实验站,开展了海上集成测试。其中,深海基站和原位实验室是海底原位科学实验站的重要组成装备。“奋斗者”号在两型装备独立布放后,在1400 m深的海底将原位实验室与基站进行连接,实现基站向实验室供电和通信,使整个系统在海底稳定运行。

2.9 多模式协同作业

不同类型的潜水器功能定位各有差异,载人潜水器侧重于精细观察、作业,自主潜水器（AUV）侧重于大范围目标搜寻探测,遥控潜水器（ROV）侧重于长时间重复性作业,自主遥控潜水器（ARV）则兼具AUV和ROV两者的特点。通过协同作业可以充分发挥不同类型潜水器各自的优势,以达到提升作业效能的目的。

1）场景一：载人潜水器与载人潜水器协同

针对范围大、工作量大、时效性强的精细作业任务,两台载人潜水器可同时从不同角度、位置开展协同作业,具备耗时更短、效率更高,并能提供灯光等辅助功能的优点。美国“Pisces 4”号和“Pisces 5”号、俄罗斯“MIR-1”号和“MIR-2”号、俄罗斯“Rus”号和“Consul”号均有双载人潜水器协同应用案例,性能优势已被多次证明。

2）场景二：载人潜水器与无人潜水器母子式协同

载人潜水器与无人潜水器组成母子式协同作业模式,由潜航员在载人舱内对其进行遥控操作,可扩展载人潜水器观察范围,代替载人潜水器在危险或狭小复杂的区域进行探测、作业。美国“Alvin”号、法国“Nautile”号、俄罗斯“MIR”号、中国“蛟龙”号均执行过母子式协同作业任务^[13]。

2014年,“蛟龙”号在西北太平洋采薇海山区开展深海试验应用,前侧采样篮中搭载“龙珠”号ARV进行下潜作业,通过一根微细光纤相连组成母子式协同作业模式,由潜航员在载人球舱内遥控操作ARV,开创了中国载人潜水器与无人潜水器优势互补、协同作业的新模式（图14）。

3）场景三：载人潜水器与ROV协同

针对大型作业对象,开展工作量大且复杂的作业任务时,可由载人潜水器与ROV进行协同作业,充分发挥载人潜水器精细作业和ROV长时间作业、视频实时传输的优势。

2018年,“深海勇士”号与“海马”号ROV开展协同作业,共同对“海马冷泉”区开展科学考察（图15）。“深海勇士”号从“探索一号”船上布放,“海马”号从“海洋六号”船上布放,在海底开展协同作业,展示了良好的实际应用性能和可靠性,体现了中国深海能力的整体提升。

4）场景四：载人潜水器与AUV协同

综合利用AUV的大规模探测优势和载人潜水器的疑似点确认核实、定点精细调查优势,使用AUV初探、载人潜水器作业,能够实现深海高效率的区域搜寻、高质量的调查、高可靠的作业。例如,美国基于“Alvin”号载人潜水器和“Sentry”号AUV形成载人/无人潜水器协同搜寻探测能力。

5）场景五：载人潜水器与着陆器协同

着陆器根据具体的任务需求选择不同的搭载设备和工作模式,可完成环境监测、探测、照明、通信传输等功能。在光纤模式下,着陆器可以实时传输海底高清影像,并与载人潜水器进行信息交互,对海底作业情况进行现场直播。在非光纤模式下,着陆器可以长时间对指定区域进行环境监测、定点观察,载人潜水器可定期对着陆器采集信息及数据进行下载并辅助着陆器的回收。

“奋斗者”号在2020年海试过程中,完成了世界上首次载人潜水器与着陆器在万米海底的联合水下拍摄作业,进行了陆地演播室和深海载人舱内的视频直播对话（图16）。在2021年常规科考应用中,“奋斗者”号对被困万米海底的着陆器进行了救援。

3 中国载人深潜技术未来展望与建议

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地球上海洋的深度是有限的,但探索深海奥秘、开发海洋资源、保障深海安全的技术发展是永无止境的。未来,中国载人深潜团队将在现有自主技术链条和产业链条的基础上,以服务国家战略和深入科技创新为使命,适应新挑战、多场景及产业化发展需求。

（1）为增强经略深海的能力,在现代信息技术和新一代人工智能技术的促进下,持续巩固中国载人深潜技术在国际上的领先水平。继续做好耐压结构评估、建造工艺优化、材料服役性能提升等基础研究任务的同时,溯源求真,不断挖掘基础研究方向,系统梳理现有载人深潜装备积累的应用技术、运行数据和研发成果。同时补齐目前少量技术短板,突破大深度水密连接器、高精度传感器等关键产品技术,把这些技术牢牢掌握在自己手里。

（2）为服务于加快建设海洋强国战略和深海发展战略,不断拓展载人潜水器多作业模式的应用领域和高质量产业化发展。统筹深海资源勘探与开发、环境、安全、科考、应急救助等领域的需求,在进一步开拓载人潜水器功能和应用场景的基础上,提高综合业务水平。发展多系列、多类型载人/无人潜水器“串联”和“并联”的组网作业模式,构建强有力的载人、无人深海协同探测装备体系,实现深海精细化探测;促进载人深潜装备向多元化发展,探索新概念潜水器,形成服务国家深海、极区重大工程建设的潜水器研发能力。

（3）为实现载人潜水器全系统的高效率、低成本和对环境友善的目标,提升其全寿命安全保障和运行维护智能化管理水平。在“奋斗者”号研制的同时,探索形成了全海深载人潜水器的管理、维护、操作人员培养的机制和运行模式,建立了专业运维团队,现已进一步投入深渊科学研究的常规应用。在此基础上,建立国家深海谱系化装备的共享管理平台,形成面向全国、开放共享、共建共赢的平台运行机制,提供业务化运行、规范化技术保障服务,满足中国深海环境监测、资源探查开发、科学研究以及突发事件应急处理等应用的需要。

4 结束语

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深海大洋蕴藏着无穷的奥秘和丰富的宝藏,对未知海洋的探索是载人深潜技术发展的不竭动力。近年来,中国大深度载人潜水器研发与应用任务的实施,为加快建设海洋强国奠定了坚实的技术基础,有力服务于“深海进入、深海探测、深海开发”战略,更好地推进国际海底和深海大洋资源开发工作的可持续发展。载人深潜活动的目标是维护国家深海安全的长远利益,促进中国前沿科学与深海高技术的发展,进一步揭示生命起源、了解并保护深海、激发科学探索精神。可以预见,更多的重大科学发现将依托于载人深潜领域的进步,在已实现全海洋深度进入与探测的基础上,加速推进深海开发与应用广度的发展,为服务中国深海大洋事业、构建人类命运共同体贡献更多力量。

基金

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国家重点研发计划(2016YFC0300600)

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

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2022年第1卷第2期

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doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2022.02.003

接收时间：2022-05-20
出版时间：2022-06-20
发布时间：2022-08-18

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作者

出版历史

收稿日期：2022-05-20
修回日期：2022-06-03

基金

国家重点研发计划(2016YFC0300600)

作者信息

1.中国船舶科学研究中心,深海载人装备国家重点实验室,无锡 214082

2.深海技术科学太湖实验室,无锡 214082

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表12种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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