中国网/中国发展门户网讯海洋是人类生命的起源，其蕴含的丰富资源是支持人类持续发展的宝贵财富，开发和利用海洋资源成为各国发展的必然趋势。深海区域是探索生命起源和地球演化等重大科学问题的必由之路。尽管人类已经实现遨游太空，但对近在咫尺的海洋却知之甚少。一方面由于深海环境具有无光、高压、水温低、地形复杂等特殊属性，另一方面则因缺乏进行深海科考和海洋资源开发利用的有效作业工具——载人潜水器。
本文主要介绍深海科考中的载人型深海运载器技术。从1964年“阿尔文”号载人潜水器（美国）研制以来，全球发达国家开始致力于载人潜水器的研究，目前已经取得了重大成果。我国对载人潜水器的研究虽然起步较晚，但近年来所取得的突破和成就却举世瞩目。在长期遭遇技术封锁的情况下，我国先后开展“蛟龙”号、“深海勇士”号到如今的“奋斗者”号载人潜水器的研制，使得我国载人深潜技术逐步达到了世界一流水平。
载人潜水器发展现状
深海运载器是可以方便携带各种声呐设备、机械采集装置、潜航员及科学家，并且能够快速、准确地到达各种深海环境进行精确科考和科学研究的装备平台。深海运载器主要分为载人型潜水器（HOV）和无人型潜水器（UUV）2个大类；其中，无人型潜水器又可分为遥控式水下航行器（ROV）、自主式水下航行器（AUV）和最新出现的混合型遥控潜水器（ARV/HROV），以及无动力潜水器等多种类型。作为使用综合性的水下机动平台，深海运载器自身可以搭载设备用于开展各种精细化作业，从而成为深海科考领域的“集大成者”。
国外载人潜水器发展现状
世界上第一艘载人型深海潜水器——“曲斯特I”号于1960年研制成功，在挑战者深渊下潜最大深度达到10916m，成为世界下潜最深的载人潜水器。尽管已经取得了令人瞩目的成就，但该潜水器的排水量超过50t，体积过于庞大，建造和运输都极其不便；再者，受当时技术条件的限制，该潜水器并没有水下航行和作业的能力。因此，除了打破人类下潜纪录及用于探险之外，该潜水器在科学研究领域并没有得到实际应用。从20世纪60年代开始，潜水器的配置也在进行不断改进和完善，并且大都安装有操作机械手、科学仪器设备，并扩大了观察窗口等。
1964年以美国“阿尔文”号为代表的现代载人潜水器真正开始了人类在海底科考的活动。此时，“阿尔文”号已经具备了观察窗、高清摄像机和声学扫描等先进探测设备（图1a）。“阿尔文”号在应用型航次中进行了多次重要且有重大影响的作业，从而奠定了美国在世界现代型载人潜水器领域的霸主地位。例如，最为典型的是1966年在“阿尔文”号的直接参与下，成功完成了美国海军失事氢弹的打捞；1977年，在加拉帕戈斯洋脊断裂带首次发现了海底热液区，同时对其周围典型的生物群落进行了科学研究；1985年，成功调查并找到了“泰坦尼克号”沉船残骸。迄今，“阿尔文”号已经成功完成了5000次的下潜，是全球应用最为频繁和成功的载人潜水器，其有力地带动了载人潜水器在深海科学研究、深海调查及军事等领域的应用。
在“阿尔文”号巨大价值的影响下，许多国家开始陆续研发自己的载人潜水器，日本“深海6500”号载人潜水器于1989年建造完成并进行了一系列载人潜水试验，下潜深度最大到6527m，是日本下潜深度最大、作业能力最强的载人深潜器。自1991年开始服役以来，“深海6500”号载人潜水器在太平洋、印度洋和大西洋从事海底地形地貌、地质结构和海洋生物的调研，共下潜了1300多次。
俄罗斯比较著名的载人潜水器是1987年建成的6000m级的MIR-1号（图1b）和MIR-2号，其可以搭载3人，带有12套可以检测深海环境参数和海底地形地貌的探测设备；其最突出的特点就是动力能源比较充足，工作能源是美国“海涯”号和法国“鹦鹉螺”号的2倍，可以在水下待17—20h。近年来，MIR系列载人深潜器在深海勘探中总走在世界前列。自1987年投入使用以来，MIR系列载人潜水器在印度洋、太平洋、大西洋和北冰洋一直从事各种各样的科研任务及国际探险活动，特别是成功完成了“共青团”号核弹潜艇的核辐射探测。同时，MIR系列载人潜水器被多次用于探查和记录第二次世界大战中沉没的战船，以及执行“北极-2007”海洋调查等任务，充分体现了其卓越的技术能力。
我国载人潜水器发展现状
在“蛟龙”号的成功研制与良好应用基础上，2014年在“十二五”国家“863”计划重大专项支持下，我国启动了第二台4500m级载人潜水器——“深海勇士”号的研制。通过利用前期积累的技术和成功经验，大幅提升了中国载人深潜核心技术及关键部件自主创新能力，降低了运维成本，攻克了以固体浮力材料、深海锂离子电池、作业机械手为代表的深海核心技术及关键部件自主研发，为后续我国载人潜水器的功能化、谱系化建设打下坚实的基础。
在前两个载人潜水器的研制基础上，我国向全海深载人潜水器发起了挑战。2016年，在“十三五”国家重点研发计划重点专项支持下，我国启动了全海深载人潜水器及其关键技术的研制工作。以“蛟龙”号和“深海勇士”号载人潜水器的研发力量为主的研发团队，历经5年艰苦攻关，在耐压结构、钛合金材料、浮力材料、声学系统、智能控制技术、锂离子电池、海水泵、作业机械手等方面实现多项重大技术突破。2020年11月10日，“奋斗者”号成功下潜10909m（图2b），创造了我国载人深潜的新纪录，这标志着我国在大深度载人深潜领域达到了世界领先水平。“奋斗者”号配备有高清摄像机及水下电动观测云台、高分辨率测深侧扫声呐、组合导航系统、高速水声通信系统和作业机械手，采用了安全稳定、动力强劲的能源系统，拥有先进的控制系统和定位系统，以及耐压的载人球舱和固体浮力材料。“奋斗者”号核心部件技术的国产化率达到了96.5%，具备了全海深进入、科考和作业的能力，2020年11月19日起其正式转入试验性应用阶段。“奋斗者”号全海深载人潜水器已于2021年3月正式交付中国科学院深海科学与工程研究所。
载人潜水器工作性能和关键技术
载人潜水器的构造参数和装备性能
表1对现有影响范围比较广的大深度载人潜水器（下潜深度大于4500m）的构造参数和装备性能进行了比较[7,14]，为后续我国载人潜水器的谱系化、功能化提供参考依据。
我国万米载人潜水器的关键核心技术
2016年，自全海深载人潜水器立项以来，研发团队经过艰苦攻关，在多个核心部件领域实现了多项重大技术突破，核心部件国产化率超过96.5%。助力“奋斗者”号成功坐底马里亚纳海沟，深度超过10909m，创造了我国载人深潜的新纪录。其中，中国科学院作为“科技国家队”，贡献了最强中国智慧。
（2）精准操控的控制系统。中国科学院沈阳自动化研究所针对深渊复杂环境下“奋斗者”号的可靠运行进行了技术攻关，让“奋斗者”号的控制系统实现了智能化控制。此外，还为“奋斗者”号量身打造了一双高度灵活且有力的“手”。在万米海底，“奋斗者”号凭借这双“手”，顺利完成了岩石、生物抓取及沉积物取样器操作等各种精细化作业任务，显著提高了载人潜水器的水下作业能力。
（3）“耳聪目明”——水声通信系统助力万米海底信息实时传输。由中国科学院声学研究所牵头研制的声学系统，成功实现了“奋斗者”号从遥远的万米海底至海面母船“探索一号”的文字、语音和图像的实时传输。在“蛟龙”号与“深海勇士”号载人潜水器之后，“奋斗者”号的声学系统突破了全海深难关，实现了完全国产化。由声学多普勒测速仪、定位声呐及惯性导航等设备相集成的高精度水下定位导航系统，为后续潜水器在全海深范围内的持续巡航作业提供了可靠的技术保障。
（5）高效组织管理能力——“大管家”。中国科学院深海科学与工程研究所作为“奋斗者”号的业主单位负责牵头执行海试任务。为了确保顺利完成“奋斗者”号各个设备的成功研制及海试验收任务，该所牵头建成了国际上超大型深海超高压压力试验装置，从而保障钛合金载人球舱、固体浮力材料等核心大部件的压力测试工作的及时、顺利完成；建成的“探索一号”“探索二号”2艘载人潜水器支持保障母船，均具备同时携载2艘载人潜水器作业的能力，为潜水器的海试成功提供了稳定可靠的水面支持、应急保障条件，从而完成了从技术到装备整个应用体系的搭建。
潜水器关键技术及后续的发展方向
表2对我国载人潜水器的技术要点进行了整理，及对后续发展方向进行了梳理和总结。
结合国内外载人潜水器发展现状、潜水器的构造参数和装备性能及万米载人潜水器的核心关键技术来看，我国自主研发的深海载人潜水器的技术水平与国际先进水平基本持平。下一步将依托深海载人潜水器的技术装备优势和高效的组织管理模式去探索更多海洋的奥秘。主要体现在4个方面。
（1）深海生物及其基因资源的研究与应用。依托深海载人潜水器，获取足够的深海生物科研样本对于进一步的科学研究至关重要。对深海海洋生物的研究不仅具有重要的科学意义，而且具有巨大的实际应用价值。由于深海生物捕捞、保存的难度极大，其基因资源的应用就显得格外重要。特别是深海极端环境下海洋生物基因资源的研究和利用，对于揭示人类生命起源的奥秘，探究海洋生物与海洋环境相互作用下特有的生命过程和生命机制，以及有效发挥基因资源在工业、医药、环保和军事等方面的用途，具有十分重要的现实意义。
（2）挺进深海和极地。党的十八大提出“建设海洋强国”，十九大提出“陆海统筹，加快建设海洋强国”的战略部署。“十三五”期间，随着万米载人潜水器的试验和验收顺利完成，我国已经具备了进入世界海洋最深处进行科考和作业的能力。下一步经略极地是践行“人类命运共同体”理念的重要方向，是拓展和提升我国国际治理能力的伟大实践。
（3）深海矿产资源的勘探开发。万米载人潜水器的研制成功，极大提高了我国深海资源勘探的能力。由于大深度下海洋环境高压、无光等特征，一般的科考设备无法进入，而全海深载人潜水器解决了深海进入的难题。它不仅可以运载科学家、工程技术人员和各种探测装置，还能快速、精确地到达各种深海复杂环境进行精细化定点作业，从而进行高效的资源勘探、科学考察和近远海底作业，是和平开发和利用深海资源的重要技术手段。
（4）形成完备的全球海洋大数据体系。对于约占地表总面积71%的海洋来说，21世纪全球已经进入海洋大数据时代。目前，全球已具备近海岸测绘、海岛的可视化监视、海洋渔业资源检测、海洋浮标监测、海洋科考、油气平台环境监测、卫星遥感监测等多种海洋观测和调查手段，已经建立了非常庞大的海洋观测、监测体系，积累了海量的海洋自然科学数据。利用载人潜水器进入深海，可弥补海洋大数据中深海环境的生物资源、矿产资源数据。
对我国载人潜水器未来发展建议
建设世界强国，必然要建立海洋强国。海洋不仅是生命的摇篮，也是丰富资源的宝库、水上交通运输的命脉、强国战略的要地。我国18000km的大陆海岸线、14000km的岛屿岸线，勾勒出我国辽阔的海疆。党的十八大报告中提出了“建设海洋强国”的战略目标，这是中华民族发展史上首次提出面向海洋开发利用的宏伟目标。这一目标不仅对中华民族的永续发展具有重要意义，也对中国走向繁荣富强具有重要意义，同时还对世界的和平与发展也具有重要意义。党的十九大报告中再次提出，要“坚持陆海统筹，加快建设海洋强国”“建设海洋强国是中国特色社会主义事业的重要组成部分”。
2018年6月12日，习近平总书记在山东考察时说：“建设海洋强国，我一直有这样一个信念。发展海洋经济、海洋科研是推动我们强国战略很重要的一个方面，一定要抓好。关键的技术要靠我们自主来研发，海洋经济的发展前途无量。”而要发展海洋经济、海洋科研，深海科考及载人潜水器的技术必不可少。我们站在新的历史起点上，载人潜水器在面向深海科考和海洋资源开发利用方面应该如何发展？还需要在新的历史条件下，结合已有的科技成果顺应科学的发展的规律，加快推动科技成果的进一步转化和扩大综合应用范围和领域。
（2）加快推动科技成果的进一步转化。“奋斗者”号核心部件的国产化率超过了96.5%，这离不开基础研究的布局。如何让这些基础研究发挥更好和更大的优势？要进一步推动科技成果的转化，促进民用设备的发展。鼓励社会力量积极向海洋进军，形成多元化科技成果产出机制。已有的科研成果上由数字化向智能化方向转变。
（3）打造开放、协同的数据共享平台。建立数据共享平台，将获取科研样本及各种资料进行统一管理。以深海资源开发、科考设施有效利用及数据的开放共享为手段，引导跨部门、地域、行业之间的创新协同发展，建立高效的海洋资源开发利用渠道，引导高校、科研机构广泛参与，促进产学研紧密结合，构建多主体协同互动的新发展模式。
（4）科考也需要合理开发和保护海洋资源。深海科学考察就是要探索生命起源和地球演化等重大的科学问题，所以我们要更加注重保护海洋生态环境及生态资源，合理开发和有效利用海洋，着力推动海洋科考方式向循环利用型转变。
（5）继续大力投入基础研发与创新。虽然核心部件的国产化率有明显的提高，但是也应注意到我国载人潜水器装备性能与国际顶尖水平相比仍有较大差距。要在现有技术基础上优化提升各个设备的技术指标和性能，在非核心部件上也要加大研发力度，突破国外的技术垄断和制约。
（6）科考船舶配套设施需要不断完善。现有的作业母船条件基本具备，但潜水器对母船硬件设备依赖度较高。因此，应结合深海科考的中长期发展目标，分层次考虑和推进科考船舶的可切换性，硬件条件的兼容性，不断完善科考船舶的配套设施。
（作者：杨波，中国科学院声学研究所北京海洋声学装备工程技术研究中心；刘烨瑶，中国科学院声学研究所北京海洋声学装备工程技术研究中心；廖佳伟，中国科学院声学研究所北京海洋声学装备工程技术研究中心。《中国科学院院刊》供稿）