载人深潜技术的发展与应用

依存妄想症候群 · 发表于水下机器人&ROV&AUV&UUV 2022-11-13 15:31:28

「本文来源：中国工程院院刊」

一、前言

21 世纪是海洋的世纪，海洋资源的开发与利用已成为全球竞争的焦点领域：世界各国纷纷加快海洋油气开发进程，从浅海逐步走向深海；海底可燃冰资源丰富，开发利用技术获得重大突破；深海多金属结核、水下富钴结壳、深海热液硫化物等矿产资源开辟了战略金属资源储备的新通道。

受战略需求牵引，海洋强国正在形成从先进水面支持母船，到可下潜 1000~11 000 m 的载人 / 无人深海潜水器，以及探测、作业技术与装备的综合谱系。人在现场的直接面对、感受、分析、判断和操作，始终是认知复杂海洋，尤其是未知深海最为有效的方式。

载人潜水器作为一种深海运载工具，可将科学技术人员与工程技术人员、各种电子装置与机械设备等快速、精确地运载到目标海底环境中，遂行高效勘探测量和科学考察任务，已经成为人类开展深海研究、开发和保护的重要技术手段和装备。载人潜水器与搭载人员配合，可以有效地收集信息、详细地描述周围环境、快速地在现场做出正确的反应。过去的 50 年中，载人潜水器的安全运行、关键技术的逐渐完善，支撑并推动了深海探测领域的重大进步 [1]。

本文从国内外载人深潜装备与技术发展历程、发展现状的角度进行了系统梳理，重点阐述我国载人潜水器的应用情况及技术成就。以“蛟龙”号和“深海勇士”号的研制与应用为例，凝练我国载人深潜关键技术体系，分析未来装备与技术发展趋势。

二、国外发展现状

（一）载人潜水器产业

在强劲市场需求和先进技术进展的共同推动下，载人潜水器产业发展势头强劲（见表 1）。2018 年，海洋技术协会载人潜水器委员会的研究数据表明 [2]，全球载人潜水器活跃数量为 160 艘，可提供 1624 个载人座位；其中 38 艘应用于援潜救生，122 艘应用于科学研究、商业作业、观光旅游等。

表 1 现役载人潜水器（工作深度＞ 1000 m）

载人潜水器产业包括制造商、运营者、研究船、行业协会等。2000 年以来，新成立了以载人潜水器设计、制造和运营为主业的众多商业公司。截至目前，载人潜水器保持着良好的安全记录，这和船级社在安全设计和建造认证等方面的努力密不可分，例如，经由第三方船级社进行认证的载人潜水器比例高达 92%。

（二）深海载人潜水器

1. 发展历程

1960 年 1 月，瑞士人皮卡德父子乘坐“的里雅斯特”号载人深潜器，到达了太平洋的马里亚纳海沟（深度 10 913 m），自此拉开了向深海进军的序幕。彼时虽然人类已经能到达海洋的绝大部分深度，但这距离认识深海、利用深海尚有较大距离。

随着计算机、材料、水声、图像等技术的发展，以法国、苏联 / 俄罗斯、日本、美国为代表，海洋大国从 20 世纪 80 年代起，完成了多艘 6000 m 级深海载人潜水器的研制（见图 1） [3~6]。这些运载器的应用，充分显示了专业人员亲临深海和洋底现场进行直接观察和勘查的优越性，到达范围遍及大陆坡、2000~4000 m 深度的海山、火山口、洋脊以及 6000 m 深度的洋底，获得了大量的地质、沉积物、生物、地球化学和地球物理的重要发现。

图 1 世界主要深海载人潜水器的发展历程

2000 年以来，有关深海载人潜水器的研究重新活跃起来，特别是全海深（11 000 米级）载人潜水器的研制，引发了新一轮行业技术发展 [7]。2012 年 3 月，美国卡梅隆团队研制的载人潜水器Deepsea Challenger 号创造了单人下潜的深度记录（10 898 m）。尽管不是一艘作业型的载人潜水器，但一些技术特点准确契合了载人潜水器技术的发展趋势，如：载人舱大内径（1.1 m）、以高强度钢作为建造材料、潜浮速度大（150 m/min）、新型照明布局（LED 光源，最长 2.4 m）等。

2. 发展现状

（1）升级改造

美国“阿尔文”号载人潜水器自 1964 年交付以来完成了多次大修，2013 年启动了最全面的升级改造（见图 2），包括：全新的载人球内径更大，潜深可达 6500 m；先进的数字指挥与控制、推进、高清照像 / 视频成像、数字科学仪器交互等子系统；全新的科学工作空间和机械手配置。

图 2 美国“阿尔文”号升级改造历程

（2）全新研制

针对印度洋 1000~5500 m 深处矿产资源的探测需求，印度国家海洋技术研究所研发了深海载人潜水器，工作深度为 6000 m，具有大于 30 m/min 的上升和下降速度，3 h 到达工作深度。潜水器采用传统结构设计，总质量小于 20 t，钛合金载人球舱直径为 2.1 m，可搭载 3 人，标准 / 紧急生命支持时间分别为 12 h 和 72 h。

（3）商业观光型

国外商业公司的观光与探险型载人潜水器发展也独具特色。尽管潜深指标一般，但在材料、总体结构、动力、操纵性能、布放回收、生命支持与应急自救等方面都有新的突破，为深海载人潜水器发展提供了样板。

1995 年，美国 SEAmagine 公司研制的商业型潜水器，可搭载 2~6 人，深度级别为 150~1500 m。2005 年起，荷兰 U-Boat Worx 公司发展了系列产品：2 人型号深度级别为 3000 m、3 人型号深度级别为 2500 m、5~11 人型号深度级别为 200~1700 m。2008 年以来，美国的 Triton 公司发展了覆盖全海深范围、搭载 1~7 人的多类潜水器。此外，加拿大和俄罗斯等国均有各自的小型观察型载人潜水器，已投入市场应用。

（4）新技术发展型

2018 年，美国 OceanGate 公司完成了 Titan 载人潜水器的建造，可搭载 5 人潜入 4000 m 水深，用于深海的商业探索和研究冒险。Titan 载人潜水器主要分为两部分：可搭载 5 人的潜水器本体，集成式布放回收平台（见图 3）。

Titan 载人潜水器的亮点设计包括：复合材料耐压壳体、大型丙烯酸观察窗、集成式布放回收平台。集成式布放回收平台将用于布放回收载人潜水器，同时还可作为运行维护的浮动平台，运行在偏远地区实现更简单、低成本的部署。Titan 载人潜水器采用了新型的实时船体健康监测（RTM）系统，利用部署在压力边界上的 9 个声学传感器和 18 个应变计，能够分析潜水器下潜时压力变化对壳体的作用力并准确评估结构的完整性。

此外，美国 Triton Submarines 公司和 EYOS 考察公司牵头开展了万米深度极限探险活动，建造了Triton LF 全海深载人潜水器，选择了较大高宽比的立扁型方案（见图 3）。

图 3 代表性的新技术发展型载人潜水器

三、国内发展情况

（一）整体情况

我国在“八五”和“九五”期间开始了载人潜水器技术的研究、开发与应用，集中在援潜救生潜水器方面，包括：200 米级单人常压潜水装具、600米级深潜救生艇、200 米级救生钟等。

2000 年以来，我国载人潜水器领域发展迅速。2012 年，研制 7000 米级作业型载人潜水器“蛟龙”号，在马里亚纳海沟最大下潜深度达 7062 m。2015 年，研制 500 米级作业型、仿人形的单人常压潜水器装具（ADS）；研制 2 台“寰岛蛟龙”型全通透载客潜水器，工作深度为 40 m，载员 12 人，商用载客运行获得国家批准试点。2016 年，启动研制全海深（11 000 m）载人潜水器，预计 2020 年开展海上试验。2017 年，研制 4500 米级作业型载人潜水器“深海勇士”号，国产化率达 95%。2018 年，世界首台大坝深水检测载人潜水器通过中期检查，工作深度为 300 m，即将开始总装联调及示范性应用。此外，研制了多型移动型救生钟和机动型救生钟，为海军援潜救生提供了国产化装备。

（二）标志性成就

经过近 20 年的跨越式发展，我国在载人潜水器领域已经建成了完整的技术链条和应用体系，形成了三大里程碑。

1. “蛟龙”号载人潜水器创造 7062 m 中国载人深潜记录

2002 年，国家 863 计划启动了 7000 m 载人潜水器“蛟龙”号的研制工作（见图 4 和表 2）。通过全国近百家优势科研机构的联合攻关，历经方案设计、加工制造、总装联调、水池功能性试验等阶段，于 2008 年初具备了出海试验的技术条件。2009 年 8—10 月、2010 年 5—7 月、2011 年 7—8 月和 2012 年 6—7 月，分别完成了 1000 米级、3000 米级、5000 米级和 7000 米级海上试验任务，最大下潜深度达到了 7062 m。2013 年，7000 m 载人潜水器开始投入应用，在中国南海、东太平洋锰结核区、西太平洋富钴结壳区、马里亚纳海沟、西南印度洋、西北印度洋等海区完成了百余次下潜，取得了大量生物、矿物、沉积物、岩石等样品，拍摄了高清晰海底影像资料，为开展深海资源和环境评价提供了重要依据 [8]。2019 年，完成大修与技术升级后的第一个测试下潜。

图 4 “蛟龙”号大修与技术升级

表 2 “蛟龙”号载人潜水器基本参数

2. “深海勇士”号载人潜水器实现 4500 m 深度的高频次应用

2017 年，国产化达到 95% 的“深海勇士”号载人潜水器完成了研制和海试，成功交付用户（见图 5 和表 3）。该潜水器最大作业深度为 4500 m，广泛采用国产化技术，包括载人舱、浮力材料、定位声呐、推力器、液压源、机械手、充油锂电池组、超高压海水泵、水下照明、声学设备等，重点提升了实用性、经济性和可维护性。

图 5 “深海勇士”号与 ROV 联合作业

表 3 “深海勇士”号载人潜水器基本参数

2018 年，“深海勇士”号投入实际应用，在中国南海、西南印度洋累计下潜超过 100 次，承担了科学调查、海洋考古、水下打捞、热液考察等深海际先进水平的真空电子束焊接方法，使焊接精度大幅提高。

四、关键技术及发展趋势

（一）我国载人潜水器技术现状分析

载人潜水器对深海技术与装备具有全面的带动作用。经过长期技术积累与重点任务攻关，特别是“蛟龙”号和“深海勇士”号载人潜水器的成功研制与应用，我国载人深潜技术总体上已处于国际前列。

在两型载人潜水器的研制过程中，突破的关键技术有 [10,11]：大深度载人潜水器总体优化设计与集成、复杂线型水下航行体水动力性能预报与优化、功能模块化 / 结构分块化总体布置设计、运载器无动力下潜 / 上浮、大深度载人钛合金球壳设计及制造、高能量密度深海动力能源、针对作业目标的稳定悬停定位、以人为中心的信息与自动化系统、高速水声通信和高分辨率测深侧扫声纳、大深度载人潜水器应急安全与生命支持、轻小型化水下电机、深海高压海水泵和阀、复杂线型耐海水高压复合材料轻外壳的设计与制造等。

充分发挥社会主义市场经济条件下科技创新的新型举国体制优势，组织国内优势技术单位进行联合攻关，突破了“载人深潜”关键技术体系，辐射带动了深海装备领域的技术发展。例如，通过“蛟龙”号的研制，带动了我国以下技术的大幅度提升：①材料领域中的高强度钛合金厚板制造、钛合金焊接工艺、基于玻璃微珠的浮力材料制造与加工、高强度复合材料等；②电子领域中的深海充油银锌蓄电池、水密电缆和接插件、深海高性能电机等；③深海方向的推进器、液压、水压、通信、潜水器控制等。

（二）核心关键技术梳理

（1）载人潜水器优化设计、安全性评估及应用技术，具体包括：载人潜水器型线、总体布局、载人舱布局、功能特性等的优化设计技术，载人潜水器服役期间各种设备的安全性、可靠性设计与评估技术，载人舱内人因工程设计评估技术，载人潜水器应用模式及相关体系设计技术等。

（2）载人舱设计、建造及评估技术，具体包括：金属及非金属材料载人舱的设计技术，球形、柱形及其他形状载人舱设计技术，各种材料及形状的载人舱建造技术，建造完成后载人舱的检测及其使用安全性的评估技术等。

（3）高能量密度动力技术，具体包括：充油锂电池设计、建造及管理技术，水下燃料电池设计、建造及管理技术，水下能源安全性评估技术，水下能源补充技术，新型能源深海应用技术等。

（4）水声技术，具体包括：各种声学设备在潜水器上的集成设计技术，船载高速水声通信系统设计及其装备制造技术等。

（5）导航定位技术，具体包括：高精度、高可靠性的水声定位技术，水下复杂环境下连续高精度导航技术，水下作业目标搜索及作业点重返技术等。

（6）浮力材料技术，具体包括：大深度低密度浮力材料的设计、制备、成型技术，浮力材料的测试与安全性评估技术等。

（7）载人潜水器安全体系技术，具体包括：载人潜水器技术安全体系设计技术，潜水器状态检测与安全性评估技术，各种抛载机构可靠性设计、评价技术等。

（8）载人潜水器控制技术，具体包括：载人潜水器在复杂海底环境下的航行控制技术，可视化的综合信息显控技术，载人潜水器控制仿真技术等。

（三）前沿技术趋势判断

着眼国际前沿，近年来私营资本的注入，为海洋大国新型载人潜水器的研制注入了新的活力。载人潜水器装备的主要发展方向是全海深载人潜水器和专用载人潜水器。可以预判，未来 15 年将是载人潜水器装备和技术更新换代的集中时期。

（1）非金属材料载人舱设计建造技术。以美国OceanGate 公司的 Titan 载人潜水器为例（见图 6），技术突破重点是复合材料圆柱形耐压壳体 + 钛合金材料前后端盖这一新型结构形式，在承载和减重方面取得很好的平衡。

图 6 复合材料耐压壳体

（2）全透明材料应用于大视野观察窗的设计、建造技术。观光型载人潜水器已大量采用全透明材料应用于大视野观察窗的设计与建造（见图 7），美国 SEAmagine 公司 AURORA 系列的工作深度达到1000 m。

图 7 全透明大视野观察窗

（3）以水动力外形设计技术为主的高速无动力潜浮技术。美国 DeepFlight 公司的有翼潜水器采用了“主动上浮”设计理念（见图 8），利用机翼的水动力来改变潜水器的水下运动。美国 Triton 公司的Triton LF 潜水器则采用了高宽比较大的垂直立扁型设计（见图 3），仅约 2.5 h 即可到达海洋最深处。

图 8 潜水器新概念外形设计

（4）新型高密度耐压蓄电池组技术。西班牙和美国合作，开发能在全海深运行的电池模块，免维护、循环周期达 4000 次、即插即用。

（5）多人多舱技术。日本提出的全海深载人潜水器研究计划，将为 6 名船员提供舒适的乘坐体验和长达 48 h 的任务时间，设置有休息和盥洗空间。

五、结语

我国载人深潜领域经过近 20 年的跨越式发展，在 4500~7000 m 深度工作范围，整体上已处于国际前沿，基本构建了具有自主知识产权的载人深潜关键技术体系。

未来，我国载人深潜技术向着全海深、全海域的谱系化发展思路已经逐渐明朗。依托新一代载人潜水器装备，有望在 15 年内，巩固并提升全海深、江河水库、油气矿产、热液冷泉的作业能力，有效拓展搜索、打捞、考古、观光、极地、核能等新应用领域。同时，不断革新载人潜水器的智能化、轻量化、重载化和集群协同水平，培育打造产业链条，支撑海洋强国建设。

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