1、目录全球载人潜水器发展综述2第一部分大深度作业型载人潜器2一、深海载人潜水器发展现状2(一)深渊区概念界定2(二)国外深海载人潜水器3(三)国内深海载人潜水器7二、载人潜水器在深海科考中的应用9(一)深海地质9(二)深海生物11(三)物理海洋14三、深海载人潜水器的发展趋势15(一)面向科学应用,形成作业能力15(二)面向深海探险和观光,探索极限海底奥秘15(三)构建深海装备体系,实现载人与无人装备之间相互支持和协同作业16(四)重视新技术及新装备的开发16四、“彩虹鱼”号万米级载人潜水器17(一)现有万米级载人潜水器概况17(二)现有万米级载人潜水器存在的问题17(三)“彩虹鱼”号载人深
2、潜器的创新之处18第二部分观光型载人潜器19一、观光潜水器发展历程19(一)观光潜水器概念界定19(二)观光潜水器发展历程19二、全球主要观光潜水器概览20(一)小型观光潜水器(载人6人,下潜深度100米)21(二)大型观光潜水器(载人6人,下潜深度100米)25全球载人潜水器发展综述第一部分大深度作业型载人潜器一、深海载人潜水器发展现状(一)深渊区概念界定国际海洋科学界通过初步调查,发现位于600011000m的海斗深度(hadaldepth)区间内的生物与6000m以浅的生物有明显的不同,因此,把这个深度区间内的海沟命名为深渊区,把专门研究深渊区内的海洋科学称为深渊科学(hadal
3、science),它包含深渊生态学、深渊生物学和深渊地质学等。2007年国际海洋科学家在墨西哥城召开一次大会,对深度区间的划分又作了一次新的统一(图1),把深渊区的深度由原来的6000m修改为6500m。由于对海洋高技术的依赖,深渊区是目前海洋科学研究中最为薄弱的环节,因此,深渊科学也被认为是海洋科学的前沿。图1:国际海洋界对于深度区间的划分(二)国外深海载人潜水器深海载人潜水器的研制从上世纪60年代开始,发展至今,中国、美国、法国、俄罗斯、日本已具备深海载人潜水器自主研发的能力。根据国际载人潜水器委员会统计,2015年较为活跃的载人潜水器共46艘,其中下潜深度超过1000米的共10艘(表1)
4、,下潜深度2501000米的36艘。从用途上看,主要包括科学研究、深海探险、观光旅游和军事应用等几大类。本部分重点介绍用于科学研究的下潜深度超过4500米的深海载人潜水器。表1:下潜深度超过1000米的深海载人潜水器(目前较为活跃)1、美国美国是较早开展载人深潜的国家之一,早在1960年1月23日,瑞士探险家JacquesPiccard以及美国海军中尉DonWalsh驾驶深海潜艇“的里雅斯特(Trieste)”号在世界上最深的马里亚纳海沟下潜了10910米,创下了载人潜水器下潜深度的世界纪录。当时的潜水器驾驶空间直径仅有1.09米,在马里亚纳海沟底部也仅呆了12分钟,但却第一次留下了人
5、类的足迹。由于该潜水器无航行和作业能力,极大限制了它的使用性能,而且潜器采用汽油作为浮力舱,体积较大,其建造与运输均不方便。因此,此类深潜器后续未得到进一步发展。图2:“的里雅斯特”号载人深潜器美国具有代表意义的一艘第二代载人潜水器是在1964年建造的4500米级“Alvin(阿尔文)”号,它是目前世界下潜次数最多的载人潜水器,迄今,约15000人次参与了“阿尔文”号5000次的下潜,为深海科学研究、考古等应用做出卓越贡献。为了顺应深海开发的深远化趋势,美国伍兹霍尔海洋研究所在2004年提出了建造升级版“NewAlvin(新阿尔文)”号的设想。“新阿尔文”号的亮点在于容积大、舒适性好、视野
6、好、设备更先进、机动性强、上浮下潜速度快等。图3:“阿尔文”号载人深潜器美国第三代载人潜水器正在研制中,下潜深度定位于全海深,如“DeepseaChallenger”、Triton36000/3号和“DeepSearch”号等。“DeepseaChallenger”(深海挑战者)号是美国导演卡梅隆团队用于电影拍摄而研发的一艘全海深载人潜水器。于2012年3月26日,成功下潜至马里亚纳海沟10898m深处,创造了单人下潜记录,成为50年来第一位到达此处的人。但“DeepseaChallenger”号作业能力有限,安全可靠性不足,可用性较差。一些设备在到达万米水深后出现故障,无法按计划完
7、成任务。考虑到玻璃窗的承受能力,卡梅隆让潜水器提前上浮。如今,“深海挑战者”号已被捐献给美国的伍兹霍尔海洋研究所,用于海洋科学研究。“Triton36000/3”号是由美国佛罗里达州一家名为“Triton”的私人潜艇制造商制造的3人座深海潜水器装备,设计的最大下潜深度为11000米,设计的核心亮点是玻璃球载人舱,提供360度全景观看海洋最深处景象的视野。目前,它最深的一次下潜在巴哈马群岛附近进行,深度为1000m,但冲击万米深马里亚纳海沟的深潜器雏形已经形成,有望在未来得到完善。据预计,该潜器将以每个座位25万美元的售价向爱冒险的人群推广。美国DOERMarine海洋科技公司研制的“Dee
10、,是仅有的两艘用马氏体镍钢制造载人球壳的潜水器,具有充足的能源和带有十二套检测深海环境的先进设备。这两艘潜水器在太平洋、印度洋、大西洋和北极海底进行了上千次的科学考察,包括对海底热液硫化物矿床、深海生物及浮游生物调查和取样,大洋中脊水温场测量,失事核潜艇“共青团员”号核辐射检测,以及“泰坦尼克”号沉船的水下拍摄等。在2007年8月两艘深海载人潜水器联合完成的“北极2007”海洋科学考察,使这两艘潜水器再次引起世人瞩目,并由此正式引发了国际社会在北极的利益之争。图6:“MIR(和平一号)”和“MIR(和平二号)”4、日本日本在深海潜水器研制方面处于国际先进水平,最具代表性的一艘载人潜水器1989
11、年日本科学技术厅建成了6500米级的“SHINKAI6500(深海6500)”潜水器。它的特点在于灵活的操纵性和先进的观测系统,主要用于6500米深海地质探查等,目前已经完成下潜1000余次。目前日本深海载人潜水器的研制目标是“SHINKAI12000(深海12000)”载人深潜器,该潜水器在2013年立项研制,预计2025年左右完成研发。“SHINKAI12000”潜水器将具有较好的续航能力,能保证6人在深海潜航2天,预期将用于海洋资源探测和深海生物调查等方面。图7:“SHINKAI6500(深海6500)”和“SHINKAI12000(深海12000)”(研制中)(三)国内深海载
12、人潜水器中国最具代表性的深海载人潜水器是“蛟龙”号,它是中国第一台自行设计、自主集成研制的载人潜水器,主要用途是深海勘探、海底作业等。2012年6月,“蛟龙”号载人潜水器的最大下潜深度到达7062米,标志着我国深海载人潜水器研发水平达到世界先进水平。迄今,“蛟龙”号已经累计完成100次下潜。目前,“蛟龙”号研发团队正在全力研制4500米级载人潜水器,该潜水器全面应用国产化技术和装备,其载人舱球壳已完成建造和试验,预计于2017年投入应用。“彩虹鱼”号是我国正在自主研发的世界首个作业型万米级载人深潜器(将在本部分第四章着重介绍)。图8:我国“蛟龙”号载人潜水器表2几种作业型深海载人潜水器功能对
15、基础理论研究提供有效的证据。如我国“蛟龙”号载人潜水器自2009年海试以来,对我国东北太平洋多金属结核合同矿区、西北太平洋富钴结壳矿区及西南印度洋多金属硫化物矿区,以及中国南海发现的冷泉区的部分区块进行了较为详尽的地质调查,开展了卓有成效的底质地形勘测、矿物丰度评估等科考工作。图10为“蛟龙”号搭载海洋地质学家在2013年度西南印度洋航次中拍摄的低温弥散流喷口。2、海底地质取样深海作业型载人潜水器均配置有先进的多功能机械手以及保真取样、潜钻取芯工具等作业工具,使科学家在海底非常方便地进行沉积物或岩石取样。如1977年,美国的“阿尔文”号在东太平洋加拉帕斯裂谷发现海底热液喷口的同时,直接抓取到了
16、热液硫化物样品,开启了海底热液硫化物研究的时代。在海试和试验性应用航次中,“蛟龙”号利用机械手或铲斗等作业工具也取得了大量的地质样品。图11为“蛟龙”号在西南印度洋我国多金属硫化物矿区采集硫化物烟囱体时的照片。图10:“蛟龙”号发现的低温弥散流喷口图11:“蛟龙”号采取硫化物烟囱体样3、深海地球物理调查载人潜水器可搭载先进的深海多波束及侧扫声纳系统,贴近海底目标区进行详细勘测,这样不仅避开了海面各种干扰的影响,而且提高了勘测的分辨率,从而可以获得精细的海底地貌形态。在1974年的FAMOUS项目和1979年的RITA项目中,利用搭载在“阿尔文”号上的多波束测深和侧扫声纳系统,对大西洋中脊和东
17、太平洋海隆进行了精细勘测(见图12),获得了大量有价值的海底地形地貌数据,为研究各种地质现象提供了重要依据。1999年,美国和日本两国利用“深海6500”号,对夏威夷群岛海底火山进行了联合勘查,并获得了海底火山的精细地貌特征,为研究这些海底火山的成长及衰亡规律提供了第一手的资料。图12:“阿尔文”号载人潜水器测得的洋中脊地形图(二)深海生物载人潜水器及其搭载的探测和取样设备,可以到达海洋深处,方便地对深海底栖生物进行直接观察、拍照,还可以对目标物进行保真取样,回到实验室对其进行分析和培育,揭示深海生物生存和演化之谜。1、深海热液区生物群落深海热液区是目前国际上开展深海生物勘察研究最为活跃的区域
18、,主要存在于水深2000m左右的大洋中脊和活动断裂带上。深海热液区附近生物群落物种及数量极为繁盛,这些生物从热液化学物质中摄取营养和能量,比如H2S、CO2、H2和CH4等,它们具有独特的生存代谢机制。自从在海底热液喷口附近发现生物群落以来,逐渐掀起了深海生物研究的热潮。在过去的30多年间,对热液喷口生物的新种发现速度一直维持在平均每个月描述两种的水平。目前已描述的热液生物新种已有近600种,包括了原生动物门和12个后生动物门,其中超过85的热液生物为地方特有种(见图13)。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,
20、蟹、深海虾、贻贝等构成的冷泉生物群落(图14)。科学家通过对冷泉区生物生存方式和状态的各项研究,了解该冷泉区生物群落结构的独特性以及与其他冷泉区生物群落的异同点,这对保护海洋生物多样性和海洋生态环境具有积极的促进作用。图14:“蛟龙”号机械手采集贻贝等冷泉区生物样品3、深海大生物除了对深海生物群落开展综合研究外,国内外生物学家还搭乘载人潜水器,对生活在深海中的大生物进行了重点研究。对深海大生物的研究不仅是对现存的深海生物进行研究,还包括对生物遗骨及其附近生物的研究。1992年,“深海6500”号载人潜水器在日本鸟岛海域4146m深处发现了古鲸遗骨,在22块古鲸骨附近发现了大量寄生的贝类和小虾。
21、“蛟龙”号载人潜水器自海试至试验性应用航次以来,利用高清摄像系统,也拍摄记录了众多的深海大生物系统,包括深海海参、海星、海葵、鼠尾鱼、狮子鱼、蜘蛛蟹、磷虾、毛瓷蟹、贻贝、端足类生物等(见图15)。利用机械手还获取了部分深海大生物。目前,一些深海大生物吸取、诱捕型作业工具正在被研制,潜水器有望在未来应用中获取更多的深海大生物。图15:“蛟龙”号拍摄的深海大生物(左上:海参;右上:鼠尾鱼;左下:海葵、贻贝;右下:磷虾)(三)物理海洋载人潜水器在物理海洋研究中也得到了广泛的应用,主要应用在海流热通量、大洋环流、热液口温度场分布等研究领域。1977年,“阿尔文”号在太平洋加拉帕哥斯群岛附近的海底发现了
22、第一个热液口,之后又相继在大西洋和太平洋发现了24余个热液喷口。从此,海底热液喷口附近海水的流动形态、热液喷发对大洋环流模型的影响、洋壳热通量等一大批新的科学问题成为物理海洋学研究的重要内容。1988年79月,Schultz等人利用“阿尔文”号潜水器对东北太平洋JuandeFuca洋中脊Endeavour段热液喷口热通通量进行了测量,并利用温度传感器阵列获得了热液喷口周边的温度场分布。1993年12月,“鹦鹉螺”号潜水器对大洋中脊存在的表流进行了观察。1994年,日本“深海6500”潜水器在东太平洋隆起南部进行了8次下潜,开展热液流场等方面的观察与研究。三、深海载人潜水器的发展趋势为满足勘探
23、开发利用海洋资源的迫切需求,如何发展各型深海装备技术,更好发挥载人深潜器的作用,是我们必须要思考和解决的重大课题。对于载人深潜器的未来发展趋势,应立足于应用性,兼顾经济性与舒适性等要求。在载人深潜器研制中,应根据其功能和使命的要求,提供性能更高、经济性更好的载人装备。从这个角度出发,载人潜水器的应用及发展,应重视如下几个方面。(一)面向科学应用,形成作业能力以科学作业为主要目的的载人潜水器,其任务是进行海洋探查和资源开发。对于该类载人深潜器,除了对可靠性、安全性提出更高要求外,还有一个突出要求,作业能力。以美国为例,至今“阿尔文”号载人潜水器已累计完成5000次以上的下潜作业,为深海研究工作做
25、二)面向深海探险和观光,探索极限海底奥秘伴随着深海技术的日益成熟,出现了另一种面向深海探险载人深潜器。该类深潜器以满足人类对深海世界的好奇心为主要目的,其使用对象为一些探险家。与前一类载人深潜器不同,该种潜水器以挑战极限为主要目标,因此对深度指标提出更高要求。近期出现的“DEEPSEACHALLENGE”号,“DeepFlightChallenger”号以及Triton36000/3为该类潜器的代表。2012年3月26日,美国著名导演卡梅隆驾驶研制的“深海挑战者(DEEPSEACHALLENGE)”号抵达太平洋10898m深度的马里亚纳海沟,成为一名潜入极限海洋深处的探险家。(三)
26、构建深海装备体系,实现载人与无人装备之间相互支持和协同作业面对日益增多的潜水器以及日益完备的装备体系,如何协调好载人与无人潜器的关系,发挥载人与无人潜水器的各自优势,是亟待解决的问题。在这一方面,应注重构建深海装备体系,实现载人和无人装备之间的相互支持、联合作业和协同工作,充分发挥综合技术体系的作用。西方各国已在ROV、AUV和HOV等装备方面取得了十分显著的成果。美国继续保持在海洋探测和深海矿产资源勘探、开发方面的领先地位;日本政府投入巨资建设了水面母船支持的多类型深海潜水器,其拥有的无人遥控潜器潜水深度达到11000m。基于这些装备,日本和美国、法国联合对太平洋、大西洋进行了较大范围的海底
27、资源和环境勘探。美国、日本、俄罗斯、法国等发达国家目前已经拥有了从先进的水面支持母船,到深海(有的工作深度达11000m)遥控潜水器(ROV,ARV)、深海(6000m)自治机器人(AUV)、深海(6500m)载人潜水器(HOV)、600m单人常压潜水服(ADS)、深海(6000m)可移动长期工作站和深海(6000m)资源开采机器人等完整的技术装备体系,实现了装备之间的相互支持、联合作业、安全救助,能够顺利完成水下调查、搜索、采样、维修、施工、救捞等使命任务,充分发挥了综合技术体系的作用。(四)重视新技术及新装备的开发深海高强度材料如陶瓷材料、水下高能量密度的能源、水下微细光缆技术以及通信
28、导航等核心技术的进展,将极大提升深海装备研制能力和水平,如美国的下潜11000m的“海神号”混合型无人潜水器就采用了上述高新技术。美国的载人潜水器Alvin(HOV)、无人自治潜水器ABE(AUV)、无人遥控潜水器Jason(ROV)以及单人常压潜水服(ADS)等装备,在深海科学研究和资源勘查作业中以其技术先进性和高效率应用而著称。有关研究机构在新型深海运载器如Sentry(AUV)、Nereus(HROV)等研发方面也是不遗余力。除发展1000m以深科学探测和资源勘探开发的无人装备外,一些国家开始规划分阶段地进行居住型载人深海空间站的研究与建设,包括固定式海底观测系统和移动式载人平台。美
30、后在海试过程中因为载人舱被大浪打坏,随后又重新建造新的载人舱,现在正开展海试,究竟能否下到挑战者深渊还有待观察。目前国际上正在开展设计或研制的载人深渊器有美国DOER公司的“DeepSearch”,美国Triton公司的“Triton36000/3”,日本的“深海12000”。“载人深渊器”是目前海洋领域最有标志性且影响重大的高科技项目。(二)现有万米级载人潜水器存在的问题虽然“的里雅斯特(Trieste)”号和“深海挑战者”号能够下潜到海洋最深处,但对于海洋科学家来说,这两类载人潜水器都没有多大用途,前者因为没有航行能力,下去一次呆在原地可能发现不了什么。而后一种单人式的,则要求科学家
32、中继站系统、光纤缆、水面控制系统均实现100%国产化,潜水器本体系统国产化率达到95%。其创新之处主要体现在以下几个方面:1、在国际上首次突破3人作业型全深海载人潜水器的总体集成、总装制造和调试技术。2、在国际上首次攻克了万米超大潜深超高强度钢耐压结构设计与密封技术,包括:超大潜深、大直径、大厚板球舱结构设计准则与安全评估体系;超高压环境下有机玻璃与金属材料接触面的非线性接触和变形协调分析、疲劳载荷谱与结构响应分析技术;超大潜深多开口载人舱及其水密门、观察窗的优化设计方法等。3、突破微细光纤大深度应用技术,实现潜水器水面水下的实时多点控制。潜水器海底现场作业状态与母船、岸基实时共享。4、将国内
37、器主要用于携带普通乘客观光旅游。小型观光潜水器具有工作深度大、乘员数量少(通常为1-5名)的特点,载人舱通常都是球形耐压结构;大型观光潜水器的载人舱通常由两端半球形封头和中间圆柱耐压壳体组成。(一)小型观光潜水器(载人6人,下潜深度100米)表1全球主要小型观光潜水器基本特点序号机构名称国籍特点下潜深度(m)1TRITONSUBMARINES美国潜艇制造、改装,提供驾驶、技术、培训服务305/500/1000/2000/110002SEAMAGINE美国小型个人潜水器设计、制造300/370/15003DEEPFLIGHT美国造型独特、注重驾驶感受的潜水器,形如“水下飞机”120/26
38、04OCEANGATE美国潜器制造,提供海洋勘探服务305/500/40005U-BOATWORX荷兰最先进的私人潜水器,体积与重量同类领先,便携100/200/300/17001、美国TRITONSUBMARINESTriton潜艇公司成立于2007年,专门为游艇设计和制造载人潜水器,Triton在深潜水工程设计、制造和运营方面已经具有全球领先水平,Triton是USSubmarinesInc.的一家子公司,该公司自1993年就开始从事载人潜水器的设计和制造工作。专注领域:潜艇制造商、潜艇改装、豪华潜水器市场、潜艇设计。表2Triton系列观光潜器型号载客数量设计下潜深度TRITON
39、36000/33人11000米TRITON6600/22人6600米TRITON1000/88人1000米TRITON1650/3LP3人1650米TRITON1000/1HS1人1000米2、美国SeaMagineSeaMagine是一家领先的小型个人潜水器设计和制造商,其为游艇和科研制造的潜水器有超过12000次的下潜。所生产的小型潜水器和私人潜水器的使用深度为150m到1500m之间。表3SeaMagine系列观光潜器型号载客数量设计下潜深度OCEANPEARL2人300米AURORA-3C3人1500米AURORA-33人1500米AURORA-44人370米AURORA-55人
41、验游市场,并计划于2017年在全球滨海旅游度假区及其他可能的地方为公众提供海洋观光探索体验服务。“SuperFalcon3S(探海先锋猎鹰3号)”则是与彩虹鱼公司合作开发的项目。“SuperFalcon3S(探海先锋猎鹰3号)”为乘客提供了舒适的独立座舱,打磨精光的玻璃穹顶让360度水下美景尽收你的眼底。在上一代具有两个座舱产品的基础上增加了一个座舱,这样一个潜航员就可以同时带着两名游客飞行到最深可达水下120m的地方。图3:在巴布亚新几内亚成功完成海下60米的下潜探索体验,DeepFlight“SuperFalcon3S(探海先锋猎鹰3号)”4、美国OceanGateOceanGat
42、e公司位于华盛顿西雅图,成立于2009年,为工业,研究和勘探提供载人潜水服务。核心能力包括提供深海技术测试平台,水下现场调查和检查,水下科学研究和数据收集,水下电影和媒体捕获。表4OceanGate系列观光潜器型号载客数量设计下潜深度AntipodesSubmersible5人305米Cyclops1Submersible5人500米Cyclops2Submersible5人4000米5、荷兰U-BoatWorxU-BoatWorx致力于开发完美而安全的潜水器,其潜水器是最先进的私人潜水器,其产品在整个私人潜水器市场处于领先地位,特点是其产品的体积和重量控制在同类中处于领先
43、地位。表5U-BoatWorx系列观光潜器型号载客数量设计下潜深度SUPERYACHTSUB33人300米HIPERSUB22人100米CRUISESUB9人1100米C-EXPLORER55人200米C-EXPLORER33人300米C-RESEARCHER33人1700米C-EXPLORER22人100米(二)大型观光潜水器(载人6人,下潜深度100米)表6全球主要大型观光潜水器基本特点序号研制单位国籍潜器名称载客数量下潜深度(m)1中船重工702所中国寰岛蛟龙1号12902武昌船舶重工中国天清号48503大连河谷海洋装备中国全涛号48304Atlantis美国Atlantis-46/64385美国凤凰10003006Mobimar芬兰Mark-65577ISE潜器公司加拿大Odyssey/II36458SUBCAT西班牙SUBCAT28309圣彼得堡红宝石设计局俄罗斯Sadko4010010韩国大宇重工韩国Yong-Googn484875