萬米級潛水器現(xiàn)狀及發(fā)展重點

中船重工經(jīng)濟研究中心 趙羿羽

當(dāng)前，人類正在大力對深海特別是6500米以深的深淵開展科學(xué)研究。作為深淵科考的重要工具，面向全海深的作業(yè)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(fā)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(xiàn)了萬米載人下潛，只不過當(dāng)時的潛水器需要攜帶浮力艙，不具備作業(yè)能力和航行動力，屬于第一代載人潛水器。現(xiàn)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(chǔ)上，很多國家正在積極研發(fā)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(yè)的重要補充，近年來也發(fā)展迅速。本文將對萬米級潛水器發(fā)展情況進行論述。

已建萬米級載人潛水器

當(dāng)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(dǎo)演卡梅隆出資打造的“深海挑戰(zhàn)者（Deepsea Challenger）”號、英國維珍航空公司老板理查德·布蘭森支持研發(fā)的“深海飛行挑戰(zhàn)者（DeepFlight Challenger）”號。

“的里雅斯特”號

“的里雅斯特（Trieste）”號起初由瑞士科學(xué)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(shù)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(fā)現(xiàn)。“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(xiàn)潛水器的下沉與上浮。載人艙采用鋼制球殼，直徑為2米?！暗睦镅潘固亍碧柺堑湫偷牡谝淮d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(zhàn)者”號萬米級載人潛水器

圖4 “深海飛行挑戰(zhàn)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(zhàn)者深淵?！鞍⒒椎隆碧柵c“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?！鞍⒒椎隆碧栞d人球殼內(nèi)徑為2.1米，球殼厚度為150毫米，有三個觀察窗?！鞍⒒椎隆碧栐?981年退役，總共下潛139次。

“深海挑戰(zhàn)者”號

“深海挑戰(zhàn)者（Deepsea Challenge）”號是美國導(dǎo)演卡梅隆資助、澳大利亞團隊設(shè)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(jié)構(gòu)沿垂向設(shè)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(xiàn)潛浮?！吧詈Ｌ魬?zhàn)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(xué)考察、3D電影拍攝等作業(yè)。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(shè)備出現(xiàn)故障。當(dāng)前，卡梅隆已將“深海挑戰(zhàn)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(zhàn)者”號

“深海飛行挑戰(zhàn)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(shù)公司（Hawkes Ocean Technologies)于2005年 開 始 設(shè)計，中途因投資人美國探險家史蒂夫·福斯特意外身亡導(dǎo)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(xù)開展?！吧詈ｏw行挑戰(zhàn)者”號載人艙采用圓柱耐壓殼體結(jié)合玻璃球頂?shù)男问剑蛪簹んw為高強度的碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)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(huán)連接?！吧詈ｏw行挑戰(zhàn)者”號將水翼應(yīng)用于載人潛水器，實現(xiàn)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(zhàn)者”號在2011年海試過程中載人艙受大浪拍擊而發(fā)生破壞，因此又重新優(yōu)化、建造新的載人艙，現(xiàn)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(shè)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(xué)研究中心的全海深載人潛水器及上海海洋大學(xué)深淵科學(xué)與技術(shù)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(yè)?！癉eepsearch” 可搭載3人（1名駕駛員，2名科學(xué)家），采用以垂直的推進器為主、縱傾調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)和可調(diào)浮力系統(tǒng)為輔的方式，實現(xiàn)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(xué)研究、商業(yè)工作以及海底觀光旅游，設(shè)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(nèi)可以潛入11000米深度。

表2 國外萬人載人潛水器參數(shù)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(fā)，計劃在2023年進行海試（2014年提出的計劃）?！吧詈?2000”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(shù)短時也可由傳統(tǒng)的3人變?yōu)?人?！吧詈?2000”號潛航時間可達24小時，建造費預(yù)計300億日元（約18億人民幣）。

中國船舶科學(xué)研究中心全海深載人作業(yè)潛水器

當(dāng)前，中船重工702所自主研制的全海深載人作業(yè)潛水器已經(jīng)完成了初步設(shè)計，載人球艙主體為鈦合金，進入到關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)階段，計劃到2020年后進行正式海試。

“彩虹魚”號

上海海洋大學(xué)深淵科學(xué)與技術(shù)研究中心（HAST）正在研發(fā)“彩虹魚”號萬米載人潛水器，主要由載人艙、機電設(shè)備、外部設(shè)備、重量與浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及觀察與作業(yè)模塊5個部分構(gòu)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(xué)家，預(yù)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(xué)任務(wù)和水下作業(yè)，其研發(fā)和使用過程中出現(xiàn)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(yè)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(wù)。國內(nèi)外已經(jīng)使用或正在研發(fā)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(fù)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(guī)模海底探測模式和攜帶輕質(zhì)光纖纜的ROV作業(yè)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(wù)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(fā)生爆裂。

美國“N11k”號

“海神”號丟失后，美國施密特海洋研究所聯(lián)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(xiàn)更大范圍和更高效的作業(yè)，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(diào)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(shè)計，經(jīng)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(qū)Moroto海角東南方向約130千米的Nankai峽谷完成4675米水下作業(yè)任務(wù)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(fù)合型無人潛水器（ARV），由中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研發(fā)，2016年最大潛深達10767米?！昂６贰碧柺俏覈状螌崿F(xiàn)下潛深度超過萬米并進行科考應(yīng)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(yè)以及為其研發(fā)提供借鑒，上海海洋大學(xué)深淵科學(xué)與技術(shù)研究中心開展了“彩虹魚”號萬米級全海深復(fù)合型無人潛水器（ARV）和3臺全海深著陸器的研發(fā)。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(zhàn)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(fā)生損傷，下潛水深為6300米。

此外，上海交通大學(xué)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(yù)計在3年之內(nèi)完成11000米級海試和驗收；青島海洋科學(xué)與技術(shù)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(fā)展重點及趨勢

總結(jié)國內(nèi)外萬米級潛水器發(fā)展重點，主要包括如下幾個方面：

提高設(shè)備可靠性?！吧詈Ｌ魬?zhàn)者”號載人潛水器下潛至萬米時，由于關(guān)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(zhàn)者”號載人潛水器初次海試就發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞；“海神”號無人潛水器發(fā)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(xiàn)損傷而終止萬米下潛。由此可見，設(shè)備的可靠性對于萬米級潛水器是至關(guān)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(tǒng)可靠性、高效性和不對其他設(shè)備造成影響的前提下，應(yīng)該盡量實現(xiàn)潛水器輕量化?！吧詈ｏw行挑戰(zhàn)者”號、Deep Search的設(shè)計質(zhì)量在20噸左右，“深海挑戰(zhàn)者”號的質(zhì)量只有11.8噸，而“蛟龍”號的質(zhì)量為22噸，升級到萬米級潛水器必須采用輕量化設(shè)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(yè)、探測等。實現(xiàn)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(dāng)前，國外研發(fā)的萬米級載人潛水器的下潛和上浮速度大概為4～6節(jié)。

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(fā)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(fā)的關(guān)鍵方向之一。

提升通訊能力。當(dāng)前研發(fā)的萬米級載人潛水器與母船的通訊主要采用的是聲學(xué)通訊，隨著海水深度的不斷增加，聲學(xué)設(shè)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(fā)適用于萬米水深的全海深通訊設(shè)備及技術(shù)。

提高舒適度。載人艙是潛航員和乘客、科學(xué)家在深海中工作和休息的空間，需要提供必要的設(shè)備設(shè)施及舒適的環(huán)境。未來，基于人—機—環(huán)境的設(shè)計技術(shù)將更多的應(yīng)用在萬米級載人潛水器上，充分考慮人機工程學(xué)、心理學(xué)、行為學(xué)、噪聲學(xué)和色彩學(xué)等方面，將極大地提高人員操作的準(zhǔn)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(jié)構(gòu)設(shè)計和制造的要求更加嚴(yán)格，特別是作為載人艙的生命支持耐壓結(jié)構(gòu)，體積較大，對材料和工藝要求較高。目前潛水器耐壓結(jié)構(gòu)較多采用鋼、鈦合金等金屬材料；未來，玻璃、陶瓷、復(fù)合材料這些新型材料也將更多的應(yīng)用到萬米潛水器的制造。

譜系化有無人潛水器協(xié)同作業(yè)。世界深海潛水器技術(shù)發(fā)展重要方向是大型有人裝備技術(shù)與智能無人裝備技術(shù)的結(jié)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(yè)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(yōu)勢互補，相互協(xié)同配合，顯著提升深海探測與作業(yè)時間和作業(yè)能力，更加有效地提高萬米深淵科考、作業(yè)的效率和安全性。

目前，萬米級潛水器是深海裝備的重要發(fā)展方向，并且正成為各海洋國家競相研發(fā)的熱點。美國、日本及我國已經(jīng)研發(fā)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(fā)也集中在美國、日本及我國。美國私人企業(yè)是萬米潛水器研發(fā)的重要力量，值得我國借鑒。

盡管美國“深海挑戰(zhàn)者”號已經(jīng)下潛到萬米，但距離實現(xiàn)萬米深淵作業(yè)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(fā)進度來看，我國在萬米級載人潛水器的研發(fā)方面后勁足、水平高，相信萬米級潛水器將成為我國建設(shè)海洋強國道路上一張靚麗的名片。