万米级潜水器现状及发展重点

中船重工经济研究中心 赵羿羽

当前，人类正在大力对深海特别是6500米以深的深渊开展科学研究。作为深渊科考的重要工具，面向全海深的作业型万米级有/无人潜水器的研制已成为深海潜水器的重要发展方向。下潜至万米水深并不是天方夜谈，人类早在几十年前就实现了万米载人下潜，只不过当时的潜水器需要携带浮力舱，不具备作业能力和航行动力，属于第一代载人潜水器。现在建造和在役的载人潜水器不需要携带浮力舱，可以自由航行和运动，属于第二代载人潜水器。在第二代深海载人潜水器的基础上，很多国家正在积极研发新一代万米级载人潜水器，这类载人潜水器可称为第三代载人潜水器。万米级无人潜水器作为有人潜水器作业的重要补充，近年来也发展迅速。本文将对万米级潜水器发展情况进行论述。

已建万米级载人潜水器

当前世界上已建的具备万米级下潜能力的载人潜水器有4艘，分别是美国海军的“的里雅斯特（Trieste）”号、法国海军的“阿基米德（Archimède）”号、电影导演卡梅隆出资打造的“深海挑战者（Deepsea Challenger）”号、英国维珍航空公司老板理查德·布兰森支持研发的“深海飞行挑战者（DeepFlight Challenger）”号。

“的里雅斯特”号

“的里雅斯特（Trieste）”号起初由瑞士科学家奥古斯特·皮卡德在1952年研制，之后美国海军在1958年收购了“的里亚斯特”号并开展了万米级技术升级。1960年，奥古斯特·皮卡德的儿子雅克·皮卡特和美国海军上尉唐·沃尔什搭乘“的里雅斯特”号首次成功下潜至马里亚纳海沟水深10913米处。下潜过程时间为9小时，在海底停留20分钟，由于海底能见度问题未能有任何发现。“的里雅斯特”号是一个固定在储油器（即浮力舱）上的球型钢制吊舱，储油器中装有铁砂，通过铁砂的装载和卸载可实现潜水器的下沉与上浮。载人舱采用钢制球壳，直径为2米。“的里雅斯特”号是典型的第一代载人潜水器，在1963年退役。

图1 “的里亚斯特”号万米级载人潜水器

图2 “阿基米德”号万米级载人潜水器

图3 “深海挑战者”号万米级载人潜水器

图4 “深海飞行挑战者”号万米级载人潜水器

“阿基米德”号

法国海军在1961年研制了一艘全海深载人潜水器“阿基米德（Archimede）”号。1962年以后，“阿基米德”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，但最大下潜深度9500米，始终未能到达挑战者深渊。“阿基米德”号与“的里雅斯特”号一样，都是固定在一个浮力舱上，同属于第一代载人潜水器。“阿基米德”号载人球壳内径为2.1米，球壳厚度为150毫米，有三个观察窗。“阿基米德”号在1981年退役，总共下潜139次。

“深海挑战者”号

“深海挑战者（Deepsea Challenge）”号是美国导演卡梅隆资助、澳大利亚团队设计/制造的全海深载人潜水器。该潜水器的研制耗时7年，其结构沿垂向设置，载人舱球壳仅可进入一名潜水员，载人舱底部安装有摄像机、取样装置、机械手等，不再需要携带浮力舱来实现潜浮。“深海挑战者”号在2012年3月成功下潜至马里亚纳海沟，最大深度10898米，并完成了科学考察、3D电影拍摄等作业。但同时暴露出来了安全性和可靠性低等问题，例如在到万米海底时，推进器等设备出现故障。当前，卡梅隆已将“深海挑战者”号捐献给伍兹霍尔海洋研究所用于海洋研究。

“深海飞行挑战者”号

“深海飞行挑战者（DeepFlight Challenger）”号是一艘探险型全海深载人潜水器，由美国霍克斯海洋技术公司（Hawkes Ocean Technologies)于2005年 开 始 设计，中途因投资人美国探险家史蒂夫·福斯特意外身亡导致项目一度中断。2010年，英国维珍集团老板理查德·布兰森等人重新资助使得该项目继续开展。“深海飞行挑战者”号载人舱采用圆柱耐压壳体结合玻璃球顶的形式，耐压壳体为高强度的碳纤维/环氧树脂复合材料，玻璃球顶采用石英玻璃制造，耐压壳和玻璃球顶之间用钛合金环连接。“深海飞行挑战者”号将水翼应用于载人潜水器，实现潜水器的快速潜浮，适合大范围水下观察、测量工作。“深海飞行挑战者”号在2011年海试过程中载人舱受大浪拍击而发生破坏，因此又重新优化、建造新的载人舱，现在正开展海试，尚未下潜至万米海底。

表1 已建万米级载人潜水器存在的问题

尽管部分已建万米级载人潜水器到达过万米海底，但是仍存在较大的问题，具体如表1所示。

在研万米级载人潜水器

目前正在开展设计或研制的万米载人潜水器包括美国DOER公司的“Deepsearch”号、美国Triton公司的“Triton 36000/3”号、日本的“深海12000”号、中国船舶科学研究中心的全海深载人潜水器及上海海洋大学深渊科学与技术研究中心的“彩虹鱼”号。

“Deepsearch”号

“Deepsearch”号是美国Deep Ocean Exploration and Research（DOER)公司正在研制的全海深载人潜水器，但计划将更多地在5000米级作业。“Deepsearch” 可搭载3人（1名驾驶员，2名科学家），采用以垂直的推进器为主、纵倾调节结构和可调浮力系统为辅的方式，实现万米载人潜水器的快速上浮和下潜，下潜至11000米仅需90分钟。

“Triton 36000/3”号

“Triton 36000/3”号由美国佛罗里达州一家私人潜艇制造商Triton公司制造，可载3人（2名乘客+1名驾驶员），用于科学研究、商业工作以及海底观光旅游，设计的核心是玻璃球载人舱，可提供360度全景观察视野，在2小时内可以潜入11000米深度。

表2 国外万人载人潜水器参数对比情况

图5 “Deep Search”号万米级载人潜水器

图6 “Triton 36000/3”号万米级载人潜水器

图7 “深海12000”号万米级载人潜水器

图8 “彩虹鱼”号万米级载人潜水器

“深海12000”号

“深海12000（SHINKAI 12000）”号万米载人潜水器由日本海洋科技中心（JAMSTEC）研发，计划在2023年进行海试（2014年提出的计划）。“深海12000”号的球壳可能采用强化玻璃，为搭乘人员提供更好的视野，有可能由2个压力球壳组成，一个球壳用于操作、观察；另外一个专供休息。在2个压力球壳的前提下，下潜时间将能够达到24小时以上，搭乘的人数短时也可由传统的3人变为5人。“深海12000”号潜航时间可达24小时，建造费预计300亿日元（约18亿人民币）。

中国船舶科学研究中心全海深载人作业潜水器

当前，中船重工702所自主研制的全海深载人作业潜水器已经完成了初步设计，载人球舱主体为钛合金，进入到关键设备的研发阶段，计划到2020年后进行正式海试。

“彩虹鱼”号

上海海洋大学深渊科学与技术研究中心（HAST）正在研发“彩虹鱼”号万米载人潜水器，主要由载人舱、机电设备、外部设备、重量与浮力调节系统以及观察与作业模块5个部分构成，采用马氏体高强度镍钢制造载人舱，可搭载一名驾驶员和两名科学家，预计2020年完成万米海试。

万米级无人潜水器

无人潜水器可在深海完成许多科学任务和水下作业，其研发和使用过程中出现的问题也能够给载人潜水器提供借鉴。但无人潜水器也存在作业效率和精度等问题。未来，无人潜水器将会更多地配合载人潜水器开展水下任务。国内外已经使用或正在研发多艘万米级无人潜水器。

美国“海神”号

图9 “海神”号万米级无人潜水器

图10 “N11k”号万米级无人潜水器

图11 “海沟”号万米级无人潜水器

由美国伍兹霍尔海洋研究院（WHOI）研制的“海神（Nereus）”号是世界上首个全海深的复合型无人潜水器，采用新型高强度陶瓷材料，具有无缆AUV大规模海底探测模式和携带轻质光纤缆的ROV作业模式，AUV模式下最大航速2米/秒，所需的额外浮力由中空的轻型陶瓷材料浮力球提供。完成任务后，“海神”号可以自动切断光纤，抛弃压载，自由上浮到水面回收。2009年5月，“海神”号成功下潜至马里亚纳海沟10902米的海底。“海神”号于2014年5月在新西兰东北面的克马德克海沟9990米深度丢失，原因可能是潜水器的陶瓷层在深海中发生爆裂。

美国“N11k”号

“海神”号丢失后，美国施密特海洋研究所联合伍兹霍尔海洋研究所研制另一艘全海深混合型水器“N11k”号，使其成为“海神”号的替代者。该潜水器装有两条机械臂，可实现更大范围和更高效的作业，能够先用一条机械手抓紧海床，然后用另一条机械手进行挖掘。这艘潜水器目前正在研制过程中，母船是“Falkor”号调查船。

日本“海沟”号

“海沟（Kaiko）”号是有缆无人潜水器，下潜深度可达11000米，1990年由日本海洋科技中心（JAMSTEC）完成设计，经过6年制造完成，配有2个7自由度的机械手。1995年3月，“海沟”号下潜至马里亚纳海沟底部，首次精确测得该海沟底部的深度为10911.4米。2003年5月29日，“海沟”号在日本高知地区Moroto海角东南方向约130千米的Nankai峡谷完成4675米水下作业任务后，由于中继站与潜水器之间连接的二级缆突然断裂而丢失。

中国“海斗”号

“海斗”号自主遥控复合型无人潜水器（ARV），由中国科学院沈阳自动化研究所研发，2016年最大潜深达10767米。“海斗”号是我国首次实现下潜深度超过万米并进行科考应用的无人自主潜水器，使我国成为继日、美两国之后第三个拥有研制万米级无人潜水器能力的国家。

图12 “海斗”号万米级载人潜水器

中国在研的万米级无人潜水器

为了更好的辅助“彩虹鱼”号万米级载人潜水器作业以及为其研发提供借鉴，上海海洋大学深渊科学与技术研究中心开展了“彩虹鱼”号万米级全海深复合型无人潜水器（ARV）和3台全海深着陆器的研发。2016年12月3日至2017年2月16日期间，研究团队搭乘4800吨级“张謇”号科考母船，在挑战者号深渊对着陆器和无人潜水器进行了测试，其中3个着陆器都到达了万米海底，但无人潜水器在恶劣海况回收时发生损伤，下潜水深为6300米。

此外，上海交通大学正在开展“海龙11000”万米级无人遥控潜水器，目前已通过2000米级深水试验，潜深2605米，预计在3年之内完成11000米级海试和验收；青岛海洋科学与技术国家实验室“海燕-11000”水下滑翔机下潜深度到达8213米，逐步向万米进军。

发展重点及趋势

总结国内外万米级潜水器发展重点，主要包括如下几个方面：

提高设备可靠性。“深海挑战者”号载人潜水器下潜至万米时，由于关键的部件（如推进器等）故障只能在海底停留20分钟就即刻上浮；“深海飞行挑战者”号载人潜水器初次海试就发生结构破坏；“海神”号无人潜水器发生爆裂而丢失，“海沟”号无人潜水器缆绳断裂而丢失，“彩虹鱼”号无人潜水器海试时也出现损伤而终止万米下潜。由此可见，设备的可靠性对于万米级潜水器是至关重要。

减轻重量。随着水压的增加，潜水器全部耐压壳体的重量就会增加，整体的重量也会再一步增加。在保证万米级潜水器上所有子系统可靠性、高效性和不对其他设备造成影响的前提下，应该尽量实现潜水器轻量化。“深海飞行挑战者”号、Deep Search的设计质量在20吨左右，“深海挑战者”号的质量只有11.8吨，而“蛟龙”号的质量为22吨，升级到万米级潜水器必须采用轻量化设计。

提高潜浮速度。潜水器在水下活动的总时间是确定的，扣除下潜和上浮所需时间，剩下的时间可用于潜水器在海底作业、探测等。实现潜水器的快速上浮和快速下潜，可明显提高潜水器在水中的时间利用率，万米级载人潜水器对此方面的需求更未突出。当前，国外研发的万米级载人潜水器的下潜和上浮速度大概为4～6节。

提高电池性能。目前潜水器均使用电池作为动力源，包括铅酸电池、银锌电池、锂离子电池和燃料电池等，电池的性能对于潜水器的水下活动时间、速度及安全性等方面具有重要意义。长远来看，研发运行寿命长、比能量和比功率高、工作电流大、价格适度的电池是万米级潜水器研发的关键方向之一。

提升通讯能力。当前研发的万米级载人潜水器与母船的通讯主要采用的是声学通讯，随着海水深度的不断增加，声学设备的通讯距离变得更远，通讯损失也将会变得更大。因此，进军万米深渊，一方面对部件的噪声提出了更高的要求，另一方面也要研发适用于万米水深的全海深通讯设备及技术。

提高舒适度。载人舱是潜航员和乘客、科学家在深海中工作和休息的空间，需要提供必要的设备设施及舒适的环境。未来，基于人—机—环境的设计技术将更多的应用在万米级载人潜水器上，充分考虑人机工程学、心理学、行为学、噪声学和色彩学等方面，将极大地提高人员操作的准确度和舒适度，降低误操作的可能性和操作的疲劳度。

新型材料。水下万米深度对潜水器耐压结构设计和制造的要求更加严格，特别是作为载人舱的生命支持耐压结构，体积较大，对材料和工艺要求较高。目前潜水器耐压结构较多采用钢、钛合金等金属材料；未来，玻璃、陶瓷、复合材料这些新型材料也将更多的应用到万米潜水器的制造。

谱系化有无人潜水器协同作业。世界深海潜水器技术发展重要方向是大型有人装备技术与智能无人装备技术的结合，谱系化的深海载人潜水器、深海无人潜水器成为深海作业主力。未来，万米级载人潜水器和无人潜水器将突破各自限制，优势互补，相互协同配合，显著提升深海探测与作业时间和作业能力，更加有效地提高万米深渊科考、作业的效率和安全性。

目前，万米级潜水器是深海装备的重要发展方向，并且正成为各海洋国家竞相研发的热点。美国、日本及我国已经研发了万米级无人潜水器并都成功下潜至万米深渊，万米级载人潜水器的研发也集中在美国、日本及我国。美国私人企业是万米潜水器研发的重要力量，值得我国借鉴。

尽管美国“深海挑战者”号已经下潜到万米，但距离实现万米深渊作业还很遥远。未来几年将成为万米级载人潜水器海试的密集期，从各万米级载人潜水器研发进度来看，我国在万米级载人潜水器的研发方面后劲足、水平高，相信万米级潜水器将成为我国建设海洋强国道路上一张靓丽的名片。