中國網/中國發展門戶網訊 海洋是人類生命的起源，其蘊含的豐富資源是支持人類持續發展的寶貴財富，開發和利用海洋資源成為各國發展的必然趨勢。深海區域是探索生命起源和地球演化等重大科學問題的必由之路。盡管人類已經實現遨游太空，但對近在咫尺的海洋卻知之甚少。一方面由于深海環境具有無光、高壓、水溫低、地形復雜等特殊屬性，另一方面則因缺乏進行深海科考和海洋資源開發利用的有效作業工具——載人潛水器。

本文主要介紹深海科考中的載人型深海運載器技術。從1964年“阿爾文”號載人潛水器（美國）研制以來，全球發達國家開始致力于載人潛水器的研究，目前已經取得了重大成果。我國對載人潛水器的研究雖然起步較晚，但近年來所取得的突破和成就卻舉世矚目。在長期遭遇技術封鎖的情況下，我國先后開展“蛟龍”號、“深海勇士”號到如今的“奮斗者”號載人潛水器的研制，使得我國載人深潛技術逐步達到了世界一流水平。

載人潛水器發展現狀

深海運載器是可以方便攜帶各種聲吶設備、機械采集裝置、潛航員及科學家，并且能夠快速、準確地到達各種深海環境進行精確科考和科學研究的裝備平臺。深海運載器主要分為載人型潛水器（HOV）和無人型潛水器（UUV）2個大類；其中，無人型潛水器又可分為遙控式水下航行器（ROV）、自主式水下航行器（AUV）和最新出現的混合型遙控潛水器（ARV/HROV），以及無動力潛水器等多種類型。作為使用綜合性的水下機動平臺，深海運載器自身可以搭載設備用于開展各種精細化作業，從而成為深海科考領域的“集大成者”。

國外載人潛水器發展現狀

世界上第一艘載人型深海潛水器——“曲斯特I”號于1960年研制成功，在挑戰者深淵下潛最大深度達到10916m，成為世界下潛最深的載人潛水器。盡管已經取得了令人矚目的成就，但該潛水器的排水量超過50t，體積過于龐大，建造和運輸都極其不便；再者，受當時技術條件的限制，該潛水器并沒有水下航行和作業的能力。因此，除了打破人類下潛紀錄及用于探險之外，該潛水器在科學研究領域并沒有得到實際應用。從20世紀60年代開始，潛水器的配置也在進行不斷改進和完善，并且大都安裝有操作機械手、科學儀器設備，并擴大了觀察窗口等。

1964年以美國“阿爾文”號為代表的現代載人潛水器真正開始了人類在海底科考的活動。此時，“阿爾文”號已經具備了觀察窗、高清攝像機和聲學掃描等先進探測設備（圖1a）。“阿爾文”號在應用型航次中進行了多次重要且有重大影響的作業，從而奠定了美國在世界現代型載人潛水器領域的霸主地位。例如，最為典型的是1966年在“阿爾文”號的直接參與下，成功完成了美國海軍失事氫彈的打撈；1977年，在加拉帕戈斯洋脊斷裂帶首次發現了海底熱液區，同時對其周圍典型的生物群落進行了科學研究；1985年，成功調查并找到了“泰坦尼克號”沉船殘骸。迄今，“阿爾文”號已經成功完成了5000次的下潛，是全球應用最為頻繁和成功的載人潛水器，其有力地帶動了載人潛水器在深海科學研究、深海調查及軍事等領域的應用。

在“阿爾文”號巨大價值的影響下，許多國家開始陸續研發自己的載人潛水器，日本“深海6500”號載人潛水器于1989年建造完成并進行了一系列載人潛水試驗，下潛深度最大到6527m，是日本下潛深度最大、作業能力最強的載人深潛器。自1991年開始服役以來，“深海6500”號載人潛水器在太平洋、印度洋和大西洋從事海底地形地貌、地質結構和海洋生物的調研，共下潛了1300多次。

俄羅斯比較著名的載人潛水器是1987年建成的6000m級的MIR-1號（圖1b）和MIR-2號，其可以搭載3人，帶有12套可以檢測深海環境參數和海底地形地貌的探測設備；其最突出的特點就是動力能源比較充足，工作能源是美國“海涯”號和法國“鸚鵡螺”號的2倍，可以在水下待17—20h。近年來，MIR系列載人深潛器在深海勘探中總走在世界前列。自1987年投入使用以來，MIR系列載人潛水器在印度洋、太平洋、大西洋和北冰洋一直從事各種各樣的科研任務及國際探險活動，特別是成功完成了“共青團”號核彈潛艇的核輻射探測。同時，MIR系列載人潛水器被多次用于探查和記錄第二次世界大戰中沉沒的戰船，以及執行“北極-2007”海洋調查等任務，充分體現了其卓越的技術能力。

歐洲在載人潛水器的研制方面也具備雄厚的基礎和能力，其中主要核心國家為法國、德國和英國。比較典型的是，1985年法國研制的“鸚鵡螺”號6000m級潛水器。其活動范圍可以遍及全球海域的97%，目前已累計下潛1700多次。“鸚鵡螺”號可實現深海海底生態等相關調查，以及沉船、有害廢料等相關搜索任務，而且在軍事領域應用最為頻繁。“鸚鵡螺”號具有眾多技術優點，如相對于其他潛水器重量輕、升沉速度快、水下移動高、本體配置小型水下機器人系統等，因此可實現多維度的深海科考。

我國載人潛水器發展現狀

我國于20世紀80年代就開展了載人潛水器的相關研究工作，并于1986年研制成功了首艘載人潛水器——“7103”救生艇。該救生艇的研制成功，填補了我國深潛技術的空白，是一項重大的科研成果。該潛水器長15m，重35t，下潛深度300m，航速4節，是當時我國最先進的救援型載人潛水器。1996年，根據海試與應用經驗，對該潛水器進行了大修及升級改裝，為其配置了四自由度動力定位系統和集中控制與顯示系統。之后，針對軍方水雷打撈需求，中船重工750實驗場先后裝備了我國自行研制的Ⅰ型載人潛水器、Ⅱ型載人潛水器，兩者均在水下打撈與作業中發揮了巨大作用。

在前期潛水器研制技術和經驗基礎上，為推動中國深海運載技術發展，加快建成海洋強國。在國家“863計劃”重大專項支持下，中船重工集團公司七〇二所、中國科學院聲學研究所和中國科學院沈陽自動化研究所等約100家國內科研機構與企業聯合攻關，開始了7000m級載人潛水器^[10]的自行設計、自主集成研制工作，攻克了中國在深海技術領域的一系列技術難關。2012年6月，“蛟龍”號在馬里亞納海溝創造了7062m的中國載人深潛紀錄（圖2a），也打破了現代載人潛水器——日本“深海6500”號保持了長達23年的作業型深海載人潛水器的世界下潛紀錄。2013年起，“蛟龍”號正式進入試驗性應用階段，取得了舉世矚目的成果：先后在南海、東太平洋多金屬結核勘探區、西太平洋海山結殼勘探區、西南印度洋脊多金屬硫化物勘探區、西北印度洋脊多金屬硫化物調查區、西太平洋雅浦海溝區、西太平洋馬里亞納海溝區七大海區進行科考作業任務；在海試任務過程中，其優異的技術指標和性能得到了良好的驗證。截至2018年11月，“蛟龍”號已成功下潛158次：主要在各種復雜海底執行海洋地質、海洋地球物理、海洋地球化學和海洋生物等科學考察，并獲得了海量高精度定位調查數據和高質量的珍貴地質與生物樣品，極大地推動了我國深海相關領域的科學研究。其中，“蛟龍”號成熟的布放回收作業模式、成套的安全保障制度體系及一大批專業的潛航員與技術、后勤保障隊伍，推動著中國載人深潛事業的快速發展。

在“蛟龍”號的成功研制與良好應用基礎上，2014年在“十二五”國家“863”計劃重大專項支持下，我國啟動了第二臺4500m級載人潛水器——“深海勇士”號的研制。通過利用前期積累的技術和成功經驗，大幅提升了中國載人深潛核心技術及關鍵部件自主創新能力，降低了運維成本，攻克了以固體浮力材料、深海鋰離子電池、作業機械手為代表的深海核心技術及關鍵部件自主研發，為后續我國載人潛水器的功能化、譜系化建設打下堅實的基礎。

在前兩個載人潛水器的研制基礎上，我國向全海深載人潛水器發起了挑戰。2016年，在“十三五”國家重點研發計劃重點專項支持下，我國啟動了全海深載人潛水器及其關鍵技術的研制工作。以“蛟龍”號和“深海勇士”號載人潛水器的研發力量為主的研發團隊，歷經5年艱苦攻關，在耐壓結構、鈦合金材料、浮力材料、聲學系統、智能控制技術、鋰離子電池、海水泵、作業機械手等方面實現多項重大技術突破。2020年11月10日，“奮斗者”號成功下潛10909m（圖2b），創造了我國載人深潛的新紀錄，這標志著我國在大深度載人深潛領域達到了世界領先水平。“奮斗者”號配備有高清攝像機及水下電動觀測云臺、高分辨率測深側掃聲吶、組合導航系統、高速水聲通信系統和作業機械手，采用了安全穩定、動力強勁的能源系統，擁有先進的控制系統和定位系統，以及耐壓的載人球艙和固體浮力材料。“奮斗者”號核心部件技術的國產化率達到了96.5%，具備了全海深進入、科考和作業的能力，2020年11月19日起其正式轉入試驗性應用階段。“奮斗者”號全海深載人潛水器已于2021年3月正式交付中國科學院深海科學與工程研究所。

載人潛水器工作性能和關鍵技術

相比其他深海科學考察裝備，載人型潛水器有諸多的實際應用優勢：①現代載人潛水器都配備了完善且充足的動力和便攜的操作系統，推進器可實現潛水器在水下自由航行；駕駛員可根據事先給定的坐標，駕駛潛水器到達預定目標進行科考作業。②可攜帶大量的采樣裝置進入深海環境進行作業取樣，配備機械手的靈活操作可實現在萬米海底的實時采樣與裝置的回收。③可搭載多名科學家進入深海環境。通過觀察窗，科學家可以近距離觀測真實的深海環境，對海底地質結構、生物目標等進行長時間、連續觀測。④潛航員與科學家相互配合，可實現駕駛操作與觀察同步進行，靈活自如的執行海底作業任務。⑤搭載有先進的地形地貌探測設備，可對未知區域的環境進行精細測量。

載人潛水器的構造參數和裝備性能

表1對現有影響范圍比較廣的大深度載人潛水器（下潛深度大于4500m）的構造參數和裝備性能進行了比較^[7,14]，為后續我國載人潛水器的譜系化、功能化提供參考依據。

我國萬米載人潛水器的關鍵核心技術

2016年，自全海深載人潛水器立項以來，研發團隊經過艱苦攻關，在多個核心部件領域實現了多項重大技術突破，核心部件國產化率超過96.5%。助力“奮斗者”號成功坐底馬里亞納海溝，深度超過10909m，創造了我國載人深潛的新紀錄。其中，中國科學院作為“科技國家隊”，貢獻了最強中國智慧。

（1）新型鈦合金材料載人球艙。“奮斗者”號的載人艙呈球形，可搭載3名潛航員。中國科學院金屬研究所聯合國內多家企業和研究所，經過一系列技術論證及相關試驗，攻克了載人艙從圖紙設計到材料選擇及研制、加工成型和焊接工藝等一系列關鍵技術瓶頸和難題。

（2）精準操控的控制系統。中國科學院沈陽自動化研究所針對深淵復雜環境下“奮斗者”號的可靠運行進行了技術攻關，讓“奮斗者”號的控制系統實現了智能化控制。此外，還為“奮斗者”號量身打造了一雙高度靈活且有力的“手”。在萬米海底，“奮斗者”號憑借這雙“手”，順利完成了巖石、生物抓取及沉積物取樣器操作等各種精細化作業任務，顯著提高了載人潛水器的水下作業能力。

（3）“耳聰目明”——水聲通信系統助力萬米海底信息實時傳輸。由中國科學院聲學研究所牽頭研制的聲學系統，成功實現了“奮斗者”號從遙遠的萬米海底至海面母船“探索一號”的文字、語音和圖像的實時傳輸。在“蛟龍”號與“深海勇士”號載人潛水器之后，“奮斗者”號的聲學系統突破了全海深難關，實現了完全國產化。由聲學多普勒測速儀、定位聲吶及慣性導航等設備相集成的高精度水下定位導航系統，為后續潛水器在全海深范圍內的持續巡航作業提供了可靠的技術保障。

（4）浮力強——固體浮力材料保障潛水器安全返回水面。固體浮力材料是深海中最普遍應用的一種材料，深海固體浮力材料制備技術長期以來被少數發達國家壟斷。在前期多年技術積累基礎上，中國科學院理化技術研究所牽頭采用具有自主知識產權的制備技術，在短時間內就研制出了核心原材料，突破了我國浮力材料研究的關鍵技術。經過一系列調試和優化，最終制備出具有高安全系數的萬米級固體浮力材料，解決了長期以來在國產固體浮力材料方面被外國壟斷的技術難題。

（5）高效組織管理能力——“大管家”。中國科學院深海科學與工程研究所作為“奮斗者”號的業主單位負責牽頭執行海試任務。為了確保順利完成“奮斗者”號各個設備的成功研制及海試驗收任務，該所牽頭建成了國際上超大型深海超高壓壓力試驗裝置，從而保障鈦合金載人球艙、固體浮力材料等核心大部件的壓力測試工作的及時、順利完成；建成的“探索一號”“探索二號”2艘載人潛水器支持保障母船，均具備同時攜載2艘載人潛水器作業的能力，為潛水器的海試成功提供了穩定可靠的水面支持、應急保障條件，從而完成了從技術到裝備整個應用體系的搭建。

潛水器關鍵技術及后續的發展方向

表2對我國載人潛水器的技術要點進行了整理，及對后續發展方向進行了梳理和總結。

結合國內外載人潛水器發展現狀、潛水器的構造參數和裝備性能及萬米載人潛水器的核心關鍵技術來看，我國自主研發的深海載人潛水器的技術水平與國際先進水平基本持平。下一步將依托深海載人潛水器的技術裝備優勢和高效的組織管理模式去探索更多海洋的奧秘。主要體現在4個方面。

（1）深海生物及其基因資源的研究與應用。依托深海載人潛水器，獲取足夠的深海生物科研樣本對于進一步的科學研究至關重要。對深海海洋生物的研究不僅具有重要的科學意義，而且具有巨大的實際應用價值。由于深海生物捕撈、保存的難度極大，其基因資源的應用就顯得格外重要。特別是深海極端環境下海洋生物基因資源的研究和利用，對于揭示人類生命起源的奧秘，探究海洋生物與海洋環境相互作用下特有的生命過程和生命機制，以及有效發揮基因資源在工業、醫藥、環保和軍事等方面的用途，具有十分重要的現實意義。

（2）挺進深海和極地。黨的十八大提出“建設海洋強國”，十九大提出“陸海統籌，加快建設海洋強國”的戰略部署。“十三五”期間，隨著萬米載人潛水器的試驗和驗收順利完成，我國已經具備了進入世界海洋最深處進行科考和作業的能力。下一步經略極地是踐行“人類命運共同體”理念的重要方向，是拓展和提升我國國際治理能力的偉大實踐。

（3）深海礦產資源的勘探開發。萬米載人潛水器的研制成功，極大提高了我國深海資源勘探的能力。由于大深度下海洋環境高壓、無光等特征，一般的科考設備無法進入，而全海深載人潛水器解決了深海進入的難題。它不僅可以運載科學家、工程技術人員和各種探測裝置，還能快速、精確地到達各種深海復雜環境進行精細化定點作業，從而進行高效的資源勘探、科學考察和近遠海底作業，是和平開發和利用深海資源的重要技術手段。

（4）形成完備的全球海洋大數據體系。對于約占地表總面積71%的海洋來說，21世紀全球已經進入海洋大數據時代。目前，全球已具備近海岸測繪、海島的可視化監視、海洋漁業資源檢測、海洋浮標監測、海洋科考、油氣平臺環境監測、衛星遙感監測等多種海洋觀測和調查手段，已經建立了非常龐大的海洋觀測、監測體系，積累了海量的海洋自然科學數據。利用載人潛水器進入深海，可彌補海洋大數據中深海環境的生物資源、礦產資源數據。

對我國載人潛水器未來發展建議

建設世界強國，必然要建立海洋強國。海洋不僅是生命的搖籃，也是豐富資源的寶庫、水上交通運輸的命脈、強國戰略的要地。我國18000km的大陸海岸線、14000km的島嶼岸線，勾勒出我國遼闊的海疆。黨的十八大報告中提出了“建設海洋強國”的戰略目標，這是中華民族發展史上首次提出面向海洋開發利用的宏偉目標。這一目標不僅對中華民族的永續發展具有重要意義，也對中國走向繁榮富強具有重要意義，同時還對世界的和平與發展也具有重要意義。黨的十九大報告中再次提出，要“堅持陸海統籌，加快建設海洋強國”“建設海洋強國是中國特色社會主義事業的重要組成部分”。

2018年6月12日，習近平總書記在山東考察時說：“建設海洋強國，我一直有這樣一個信念。發展海洋經濟、海洋科研是推動我們強國戰略很重要的一個方面，一定要抓好。關鍵的技術要靠我們自主來研發，海洋經濟的發展前途無量。”而要發展海洋經濟、海洋科研，深海科考及載人潛水器的技術必不可少。我們站在新的歷史起點上，載人潛水器在面向深海科考和海洋資源開發利用方面應該如何發展？還需要在新的歷史條件下，結合已有的科技成果順應科學的發展的規律，加快推動科技成果的進一步轉化和擴大綜合應用范圍和領域。

（1）制定中長期的深海科考和海洋資源開發利用目標。充分發揮好已有的3個載人潛水器的優勢，制定整體性和系統性的規劃，按照不同深度、由近海到遠海的分層管理，形成多元化的管理機制。推動潛水器向全海深譜系化、功能化方向發展，可以根據不同的任務和目的，分時間、分階段選用不同下潛深度的潛水器，為海底豐富的資源、海洋地質和深海生物基因資源調查，以及科學研究、水下工程、打撈救援和深海考古等提供支持。

（2）加快推動科技成果的進一步轉化。“奮斗者”號核心部件的國產化率超過了96.5%，這離不開基礎研究的布局。如何讓這些基礎研究發揮更好和更大的優勢？要進一步推動科技成果的轉化，促進民用設備的發展。鼓勵社會力量積極向海洋進軍，形成多元化科技成果產出機制。已有的科研成果上由數字化向智能化方向轉變。

（3）打造開放、協同的數據共享平臺。建立數據共享平臺，將獲取科研樣本及各種資料進行統一管理。以深海資源開發、科考設施有效利用及數據的開放共享為手段，引導跨部門、地域、行業之間的創新協同發展，建立高效的海洋資源開發利用渠道，引導高校、科研機構廣泛參與，促進產學研緊密結合，構建多主體協同互動的新發展模式。

（4）科考也需要合理開發和保護海洋資源。深海科學考察就是要探索生命起源和地球演化等重大的科學問題，所以我們要更加注重保護海洋生態環境及生態資源，合理開發和有效利用海洋，著力推動海洋科考方式向循環利用型轉變。

（5）繼續大力投入基礎研發與創新。雖然核心部件的國產化率有明顯的提高，但是也應注意到我國載人潛水器裝備性能與國際頂尖水平相比仍有較大差距。要在現有技術基礎上優化提升各個設備的技術指標和性能，在非核心部件上也要加大研發力度，突破國外的技術壟斷和制約。

（6）科考船舶配套設施需要不斷完善。現有的作業母船條件基本具備，但潛水器對母船硬件設備依賴度較高。因此，應結合深海科考的中長期發展目標，分層次考慮和推進科考船舶的可切換性，硬件條件的兼容性，不斷完善科考船舶的配套設施。

（作者：楊波，中國科學院聲學研究所 北京海洋聲學裝備工程技術研究中心；劉燁瑤，中國科學院聲學研究所 北京海洋聲學裝備工程技術研究中心；廖佳偉，中國科學院聲學研究所 北京海洋聲學裝備工程技術研究中心。《中國科學院院刊》供稿）

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