向海洋最深处进发 ——中国深潜五十年风雨路 - 深海潜水技术

编者荐语：

本文由云海科普团队原创，首发于《知识就是力量》

作者：张鼎 杨阳（云海科普团队）王俊龙（天津大学海洋学院融媒体中心）

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来源：《知识就是力量》杂志

9998，9999，10000！2020年11月10日早7时42分，随着显示器上的数字正式突破一万大关，探索一号下潜指挥室中传来了一阵短促却又热烈的掌声，“奋斗者”深潜器突破了万米大关！兴奋但却并不十分激动的笑容在场的科研人员脸上浮现——中国人第一次在世界的最深处留下来过的印记自然可喜可贺，可这在大家的眼中真的只是一件水到渠成的事情。这笑容背后蕴含着的，是我国船舶工程团队、海洋科研工作者半个世纪的辛劳与汗水，也是一段从追赶到超越的风雨荆棘路。

奋斗者号，来源：人民日报英文版（http://language.chinadaily.com.cn/a/202011/11/WS5fab5a73a31024ad0ba936d2.html）

蹒跚前行——先解决有没有的问题

受限于科技水平，人类在20世纪30年代才正式展开对深海的探索。1932年，美国工程师巴顿和博物学家比伯乘坐他们自己设计的一个球状潜水器下潜到了923米的深度，还把他们的经历写成了一本书。一时间洛阳纸贵，人们争相传阅，一时间吸引了来自社会各界好奇的目光。

巴顿和比伯（左）<br>来源：（https://app.bjtitle.com/new/newshow.phpnewsid=5651149&src=stream&typeid=99）

美国军界迅速意识到深潜器所蕴含的巨大价值——失事潜艇救援、海底地形勘探、海洋资源开发……不管哪一项都有着巨大的经济和军事潜力。1970年，世界第一艘深潜救生艇“Mystic”号（神秘客号）下水试航，引起了各国军界的关注，我国自然也不例外。

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神秘客号，图片来源，国外论坛

就在“Mystic”号下水的当年，时任中国海军副司令员的周希汉将军对哈尔滨工程大学下达指示，要研发我国自己的深潜救生艇。然而我国当时社会环境特殊，经济条件较差，在深海环境所需的特种设备和抗压材料方面的研究更是几乎空白，再加上西方发达国家那时正对我国实施严格的科技封锁，困难之大可想而知。但是以罗培林为代表的老一辈船舶人不怕苦更不畏难，用15年的时间摸索、研究出了中国第一艘载人潜水器——7103救生艇。虽然它的下潜深度只有美国“Mystic”号1500米的五分之一，但它却使我国深潜技术实现了从0到1的突破，让我国科研人员初步认识到了深潜器需要怎样设计、要使用什么样的材料。

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7103救生艇

随着“863计划”（国家高技术研究发展计划）的实施、海底丰富矿产资源的逐步发现，我国在20世纪90年代开始逐渐拥有了“潜得再深一点”的动力与科技条件，而联合国批准15万平方千米的多金属结核开辟区给我国的消息更是进一步激励了我国的有识之士。不过，之前“863计划”为我国带来的机器人多为有缆遥控水下机器人，受限于电缆的长度和强度，它们潜得不够深，探索的范围也不够大。而太平洋的平均深度足足有3957米深，海域广阔程度更是世界之最。不过没关系，有了技术的初步积累和研究动力，这对勤劳智慧的中国人来说不是问题，没有经验我们就去学。“863计划”再次出马，组织了一批科研院所，并请来了俄罗斯海洋技术研究所的专家做老师。经过了六年的艰苦研发，终于在1994年，“探索者号”甩掉了与母船之间联系的电缆，实现了我国深潜器从有缆到无缆的飞跃。有了经验，剩下的只需时间。

探索者号<br>(图片来源/中国科学院沈阳自动化研究所，http://cmite.sia.cn/explorer)<br>

1997年，在烟波浩渺的北太平洋上，大洋一号科考船将名为“CR-01”号的深潜机器人轻柔地放入水中，几小时后，一面鲜艳的五星红旗便在5179米深的太平洋海底静静飘扬，中国的潜水器第一次突破到如此深度。“CR-01”号的面世，标志着我国成为世界上拥有潜深6000米自治水下机器人的少数国家之一，世界上关于深海的话语权中开始出现了中国人的声音。

CR-01号深潜机器人<br>(图片来源/中国科学院沈阳自动化研究所，http://cmite.sia.cn/CR-01)<br>

奋起直追——承上启下的三龙探海

进入21世纪，“863计划”在深潜器领域继续发力。2002年，中国科技部将深海载人潜水器研制列为“863计划”的重大专项，“蛟龙号”载人深潜器的研制启动。载人深潜器的研发难度相较于之前的无人水下机器人完全不可同日而语：水下机器人不用担心乘员安全问题，不需要载人舱和复杂的生命维持系统；此外由于机器人内部与海洋环境联通，内外压力平衡，一定程度上降低了深海巨大压强的考验，它所需要考虑的更多还是深海低温高压条件下如何做到电气设备的密封和防水。无数新课题、新挑战摆在了科研人员的面前。

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经过近10年的潜心研制，功夫不负有心人，蛟龙号项目取得了丰硕的成果：从2009年至2012年，蛟龙号接连取得1000米级、3000米级、5000米级和7000米级海试成功，尤其是在2012年6月，蛟龙号在马里亚纳海沟创造了下潜7062米的世界同类作业型潜水器最大下潜深度纪录，这意味着从此世界上99.8%的海域向中国敞开了大门。

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为了应对7000米水深的复杂环境，蛟龙号在4个领域取得了突破：抗压、续航、通讯以及浮力材料。抗压方面，7000米的水深不仅意味着1.5℃的低温，还意味着潜水器的外壁每平方米要承受7000吨的巨大压力，在这么高的压力下，几毫米厚的钢制容器会像鸡蛋壳一样被压碎。因此国际通用的潜水器制造材料是高强度、高韧性且十分耐腐蚀的特种钛合金，蛟龙号也不例外，它的耐压壳体由国内研究团队设计，采用了先进的瓜瓣焊接技术，应对7000米的水深绰绰有余。

续航能力方面，以传奇深潜器“的里雅斯特”号为例，它在1960年下潜至马里亚纳海沟底部所用时长为4小时43分钟，所以，我们的潜水器如果想要在7000米深的深海中展开科研活动，算上下潜上浮的时间再加上为科研任务预留的时长，续航能力必须保持在10小时以上。蛟龙号由于使用了新型充油银锌蓄电池，它的水下工作时间长达12个小时，是目前国际上同类型潜水器中最强的。

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通讯技术上，在7000米级的深潜器上要是继续使用过时的通讯电缆毫无疑问是既不经济又不安全。为此蛟龙号使用了一种名为“高速水声通信”的技术，将电信号通过转换器变为声波频率在4000赫兹左右、能在水中高速传播的声信号，最大程度上避免了海洋生物、复杂洋流以及过路船舶可能造成的干扰，实现了与母船之间的实时通讯。

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至于浮力材料，深潜器所使用的浮力材料不仅必须能承受住深海巨大的压力，而且要求它的渗水率极低，以保证其密度不变，否则深潜器就有可能因为浮力丧失而沉入海底。蛟龙号采用了一种玻璃微珠聚合物，针对作业目标具有稳定的悬浮定位能力，再搭配上先进的悬浮作业技术和自动航行技术，蛟龙号在实现了完全依靠自身重量的无动力下潜与上浮这一技术突破的同时，还具备了无需固定支点就能在深海任意一点停留作业的本领。

具备了“十八般武艺”的蛟龙号固然是我国潜水设备中耀眼的明珠，但与它同时期的“潜龙”与“海龙”家族也值得大家的关注。

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潜龙一号、二号兄弟俩继承了CR-01号无缆自治水下机器人前辈的衣钵，成为了我国开发水下资源的利器。大哥潜龙一号在2013年完成了海上试验，它的外形像一根粗短的雪茄，最大工作水深超过6000米。与前辈CR-01号相比，潜龙一号具备更加先进、持久的水下巡航能力，可实现三维坐标下5个自由度的连续运动控制，自持时间长达24小时，其装载的浅地层剖面仪等探测设备也让它看得更细，海底微地形地貌的探测信手拈来。

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潜龙一号<br>(图片来源/中国科学院沈阳自动化研究所，http://cmite.sia.cn/qianlong-1)

二弟潜龙二号2015年开始投入使用，算上细长的尾部只有3.5米长，与大哥4.6米的粗长体型相比迷你得多。不过块头小了本领却一点也没小，它的水下自持时间超过了30小时，所装备的探索设备除了常见的前视声纳之外，还多了能够探测精细地形地貌的测深侧扫声纳以及一条长长的磁力探测仪“尾巴”，能够探测大哥探测不了的多金属硫化物和多金属结壳资源。此外，潜龙二号还是世界上第一个采用非回转体立扁鱼形设计的深潜器，这种构造极大地加强了它在复杂海底地形中的作业能力。因为这看上去有些呆萌的体型，科研人员还亲切地给他起了一个“黄胖鱼”的绰号。

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潜龙二号（左），潜龙一号（右）<br>(图片来源/中国科学院沈阳自动化研究所)

海龙家族则是我国潜水器最传统家族——有缆遥控水下机器人——的后裔。可能有人会问，既然我们已经有了先进的载人深潜器和无缆自治机器人，为什么还要发展这一受电缆局限的水下机器人呢？原因很简单，尺有所长寸有所短，若论去掉潜浮之后的水下作业时间、载重和在固定海域的精细勘探，有缆遥控水下机器人仍有着巨大的优势。以海龙家族年纪最小的成员海龙三号为例，它于2018年完成首次深水实验，每次在水下的作业时间可长达6小时以上，是国内首台6000米级通用作业型遥控水下机器人，也是我国现阶段作业水深最深、作业能力最强的国产重作业型无人游缆潜水器，搭载的调查设备数量和钻机类重型取样工具是它最突出的特色。

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海龙三来源：中国海洋报

更进一步——我们要去最深处看看

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让我们把目光从过去收回到最近几年。经过三代人半个世纪的努力，我国的载人深潜“功夫”愈发精湛，“内力”也越来越深厚，但还是欠缺了一些经验与技术的积淀，蛟龙号许多关键零件与分系统装备还要从国外购买，要赶上他们的水平，我们还需要更多的专利、更多的精密制造工人、更多的潜水器、更多经验丰富的深潜员和更多的下潜次数。毕竟，我国深潜技术真正开始高速发展还是只有短短十几年。为了补短板，强弱项，性价比更高的“深海勇士号”应运而生。

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深海勇士号 http://cbe.ckcest.cn/de/7220169818894852912

有了之前蛟龙号十年研制的经验，深海勇士号从立项到2017年12月完成验收只用了八年的时间，关键零部件的国产化率也提升至91.3%，制造蛟龙号时还一定程度上需要借助外国技术的钛合金载人舱、水密接插件、浮力材料和机械手臂在深海勇士号上已经实现了完全的国产化，不仅如此，各项性能也有了显著的提升。原本的银锌电池被更耐用的锂电池所取代，一块电池的可使用次数从50次上升到500次；蛟龙号可以实现完全依靠自身重量的无动力下潜与上浮，深海勇士号则更进一步，不光具备“自动”浮沉的能力，还可以借助更加充足的电力做下潜与上浮的辅助，缩短“赶路”时间极大提升在海底的作业效率……更高的国产化率，意味着深潜器造价的大幅降低；更高的工作效率，意味着我国未来深潜经验以及对深海认识的迅速提升。虽然目前深海勇士号的下潜深度只有4500米，但这个深度已然足够应对中国主要海域和国际海域资源可开发的深度，对于主打经济实用性的深海勇士号来说已经完全足够，更何况深海勇士号在设计之初就已经预留了深潜至11000米的能力，谁又能说将来在马里亚纳海沟的底部就不会出现它的身影呢！

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蛟龙号的下潜深度可探索全球海洋99.8%的广阔区域，可海洋中最深的那0.2%对于中国依然是禁地。山就在那里，我们又怎么可能不去攀登？奋斗者的涵义就在于此。11月10日，“奋斗者”号在马里亚纳海沟成功坐底，深度达到10909米。不但刷新了我国深潜器的纪录，也是世界上首次同时将3人带到地球最深处。目前全球有记录的，成功下潜到马里亚纳海沟的载人深潜器只有三部：1960年1月20日“的里亚斯特2号”首次创造了潜入马里亚纳海沟10916米的记录；2012年3月，美国著名导演詹姆斯卡梅隆所乘坐的“深海挑战者号”；最新一部就是“奋斗者”号载人潜水器，也是世界上目前功能最强的万米级载人深潜器。

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当前世界上超过3000m深浅能力的主要深潜器，黄色表示不载人<br>（https://xw.qq.com/partner/vivoscreen/20201110A0DNVT007=1&ADTAG=vivoscreen&pgv_ref=vivoscreen&vivoRcdMark=1）

从蛟龙号的7000米级到如今奋斗者号超过10000米，要下潜的深度增加了42%。所以，奋斗者号与之前探索过马里亚纳海沟的前辈们相比，拥有的钛合金载人舱功能最为强悍：由我国宝钛集团公司制造，直径2米，能承受万米深处的水压，采用了整体冲压加电子束焊接的技术，标志着我国钛合金材料技术和焊接加工技术，已经达到了国际先进水平，这种攻克极端环境要求时诞生的尖端技术，会逐渐扩散到各个加工领域，从而提升我国高级制造业整体工艺能力。此外，它的浮力材料、充油锂电池等关键设备、子系统性能都有了更大的提升。最为值得一提的技术突破是奋斗者号的先进导航技术，依靠惯性导航装置的测算，奋斗者号能够清楚地感应自身的位置、速度、姿态和方向，即便偏移量只有一枚硬币的厚度，也能马上被检测到，极大地保障了奋斗者号在探索万米深海时的安全。

从跟跑到陪跑再到领跑，我国深潜事业的发展历程只是中国人百年来艰苦卓绝复兴路上的一个小小的缩影。乱云飞渡仍从容，风雨无阻更向前，有各位读者这样优秀的科研种子，祖国未来的道路必将更加宽阔光明！

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