“蛟龍號”之後，中國如何向更深的海底進發？

授課老師：崔維成，

西湖大學深海技術講席教授，“蛟龍”號總體與整合專案負責人，第一副總設計師。

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注：

全文共2篇，本文為第2篇

第1篇見，《

打破世界紀錄的“蛟龍號”，是怎樣製造出來的？

》

在載人深淵器的研發過程中，目前，中、美、日之間的競賽已經悄然展開。

而我們的最新目標是：

向水下最深處11000米進發。

這樣一個複雜、處於國際前沿的系統，真正關鍵的技術究竟有哪些？在蛟龍號的成功基礎上，挑戰最大的就是潛器總體設計。

在總體效能上，一個核心的要求是要縮短下潛上浮的時間，如今我們已經可以實現單程兩小時的水平了，當然還有很多其他的技術手段正在研究中。

在載體結構方面，載人艙我們選用了超高強度鈦合金，內徑做到了2。1米，可以搭載4人；觀測窗正在測試將厚度從400多毫米壓縮到240毫米的；浮力材料我們採用了傳統的玻璃微珠和環氧樹脂做成的固體，但就目前的水平而言可能涉及超規範使用問題，所以正在做壓力測試。

除此之外，還有機械系統和電力電氣系統，都存在各個不同層面的挑戰。但科學家都在努力一一攻克中。

從上世紀30年代起，潛水器的發展已經經歷了兩代。但不管是現在的載人或無人潛器，跟海洋裡經過億萬年進化的魚類相比，都有很大的差距。那麼下一代的潛器要想實現質的突破，必須搞清楚魚這些特性的秘訣和原理，並融入我們的深潛技術中。

這也是第三代智慧仿生軟體魚型水下

（深海）

航行器。仿生魚型潛水器研發當中的每一個環節，還有很多關鍵技術需要突破，但也代表著當前國際前沿技術的爭奪點。

上一堂課《

打破世界紀錄的“蛟龍號”，是怎樣製造出來的？

》，崔維成教授談到各國

深海科學/技術研究的意義，以及競爭情況。

在我們7000米級的“蛟龍號”成功之後，日本在2013年馬上宣佈了他們在2023年前完成12000米潛水器的計劃，而美國如今也有兩個公司要做多人作業型的全海深載人潛水器可以簡稱“載人深淵器”。

向水下11000米進發

對於這樣一個複雜、處於國際前沿的系統，真正關鍵的技術究竟有哪些？分解起來，基本上就三個層次的問題：

層次1：潛器總體設計

潛器究竟要配哪一些部件？所有部件要怎麼佈置才能變成一個功能協調的潛水器？

層次2：部件製造

單個裝置

（如載人球、浮力塊、推進器、高壓海水泵、機械手、攝像機、照相機、水聲通訊機、成像聲納、多普勒流速計、避碰聲納、高度計、深度計、液壓系統、水下電機等）

要如何設計？設計好了以後，如何製造？由國外或本地製造？

其中一些技術在陸上已經相當成熟，如電機、泵、閥之類；但到了水下，因為需要體積小、重量輕、耐海水高壓和抗海水腐蝕，難度就驟增。

層次3：總裝整合及測試、海試

也就是上一篇提到的很多曲折

（詳見

《

打破世界紀錄的“蛟龍號”，是怎樣製造出來的？

》）

我們可以看到，層次1和層次3的問題其實與深度無關，“蛟龍號”的經驗、教訓可以直接沿用。惟有層次2是跟深度有關，但它更多是裝置製造商的問題，只要錢到位了，很多時候就能解決。比如電池，前面蛟龍號做了7000米的電池，現在11000米基本就是提一個新的訂單。

所以整體上，對於潛器設計團隊來說，主要是聚焦在層次1。

我重點說一下其中4個系統的技術問題：

1、總體效能與總佈置

一個核心要求是：縮短下潛上浮時間，最好可以達到11km/h的速度。像蛟龍號的情況，下去、上來各要5個小時，大大壓縮了海底的作業時間。

這一點，我們可以透過最佳化線型、引入飛行或滑翔原理進行最佳化。卡梅隆當時用了一個魚雷式的下潛器，90度上下，速度固然很快，但裡面的人不舒服。我們則進行了折衷處理，保持魚雷的纖瘦外形，把角度改成45度——據當時估算，可以實現單程兩小時。

當然，還有很多其他的技術手段，比如氣泡減阻、有動力以及這幾種手段的結合。這對搞水動力學的人來說是令人興奮的挑戰。

2、載體結構

這包括了載人艙、耐壓艙和耐壓罐、框架、浮力材料、輕外殼、穩定翼等等，我們挑重點的來詳細瞭解下。

載人艙

其中最為複雜而關鍵的還是載人艙的設計與製造，焊接過程稍有閃失，艙體就容易滲水；而一旦出現問題，則就艇毀人亡。好在耐壓艙的抗壓能力都是在實驗室裡就可以驗證，並不需要去海上解決。

載人艙如果用蛟龍號牌號的鈦合金，太重太厚，超過了我們軋製厚板的能力。但如果用更高牌號的超高強度鈦合金

（屈服強度1000MPa級以上）

，我們國家沒有相關經驗，所以需要研製很長時間——但無疑這又將會把我們的材料與製造工藝推進到更高一個水平。

另外一個可行的選擇是馬氏體鎳鋼

（屈服強度1700MPa以上）

。俄羅斯當年請芬蘭人用馬氏體鎳鋼做過兩個6000米的載人艙，用了二三十年不錯，技術成熟度高，很快就可以實現。

最後，科技部11000米載人艙選用了超高強度鈦合金，直徑做到1。8米，可以搭載2人；而我們彩虹魚11000米載人艙選用了馬氏體鎳鋼。因為馬氏體鎳鋼不能焊接，而由螺栓將兩個半球緊緊合併，內徑做到2。1米，可以搭載4人。

觀測窗

載人艙還有一個比較關鍵的部分，就是往外看的觀測窗。它是用有機玻璃來做的，如果要做到11000米深度的話，有機玻璃厚度將達到400多毫米，特別重，對結構支撐是一個問題。

2014年，我們與俄羅斯、芬蘭專家討論，芬蘭的總設計師認為美國的規範太保守，估算可以降到200毫米，2015、2016年我們進行了兩批次觀察窗試驗，由於多種原因，試驗結果不理想。第三批次的試驗做了10個模型，最後發現需要把厚度做到240毫米就可以。

浮力材料

再一個是浮力材料，一般有固體浮力材料、陶瓷球、玻璃球等。

美國的一個無人潛水器採用了陶瓷球，特別輕。但當陶瓷球像糖葫蘆一樣串起來以後，有可能發生內爆，產生一個沖水波並造成連鎖反應。因為它的高風險，我們最後還是用了傳統的玻璃微珠和環氧樹脂做成的固體浮力材料。

第一批固體浮力材料，我們是請一個美國公司製造的；但後來它達不到強度要求，我們又讓他們作了改進，同時我們也進行了國內的研製。但不管是美國或國產的浮力材料，都沒有辦法滿足1。5倍的安全性規範——規範要求172MPa，國內目前最好的水平是壓潰強度150-155MPa，國外則160-165MPa。

這麼一來，就涉及一個超規範使用的情況，壽命會有所降低，而這就需要另外製定一套裝置更換的評估標準。最後經過研究，一個可靠的指標是浮力材料的吸水率——當吸水率達到一定數值，再用就容易損壞。現在我們正在結合測試結果，解決吸水率預報到壓潰破壞的理論預報模型。

3、機械系統

機械系統裡有各種各樣小裝置，如壓載水箱、可調壓載、縱傾調節、推進、液壓、作業、拋載機構、應急浮標等等。

其中最核心也最難的，是高壓海水泵的研製。海水泵，顧名思義，需要將海水匯入排出；在巨大的海水壓強下，海水泵不光要防止水透進來，還要將水高壓打出去，這難度就比較大。

過去蛟龍號的高壓海水泵是請俄羅斯某個公司幫我們做的。後來，國內也支援了兩個單位同步研製，核心的部件我們一定要有備份，所以一般都安排兩家單位同步做。

其它如液壓系統、水下電機、水下推力器、機械手的研製，在蛟龍號國產化的資源基礎上已經解決了，下一步是提高可靠性。

4、電力與電氣系統

如果沿用蛟龍號中的銀鋅電池，技術是成熟的，不過成本相對貴——一套電池將近500萬，而且一旦開啟不管用不用，一年肯定作廢，如果用的話，30-40次也基本上壽終正寢了。

現在國際趨勢是鋰離子電池；如果改用鋰離子電池，充放次數可以到達500次。這在國際上日本、美國已經解決，而我國在“深海勇士號”專案上也做了不少研究，應用鋰離子電池的關鍵技術問題基本解決。

至於燈光、攝像與機械手等工具，是國外公司的成熟產品，也不存在技術封鎖，所以原則上我們都是以採購為主，不過自研的機械手也已完成。水下3D攝像技術目前則是等待開發。

下一代潛器：仿生魚型

從上世紀30年代起，潛水器的發展已經經歷了兩代。

第一代依靠航空汽油提供浮力，載人艙體用普通的高強度鋼，一個雙人的載人潛水器達到150噸左右，幾乎沒有自航能力，也沒辦法吊到船上進行維護。

第二代採用了固體浮力材料，載人艙進一步用了高強度的鈦合金鋁合金或超高強度鋼，實現了小型、輕型化，提高了自航能力。人類從探索淺海到抵達地球上海洋最深處，在海洋科學與技術兩方面取得了重大進展。

第一代，貧窮的中國缺席了。第二代的研發後期，我國奮起直追，一批蛟龍、潛龍、海馬、深海勇士、奮鬥者等優秀潛器紛紛研製成功，成功躋身深海技術發達國家之列。

到現在這個時候，我們的載人與無人潛水器在科技部大力的支援下，

中國在深潛領域裡擁有最多的11000米的深潛裝置，科研調查能力最強，從技術上來說應該達到了國際領先。

下一步要思考的是怎麼領跑。

不管是現在的載人或無人潛器，跟海洋裡經過億萬年進化的魚類相比，無論是導航能力、快速性、機動性、推進效率等特性，都有很大的差距。那麼下一代的潛器要想實現質的突破，必須搞清楚魚這些特性的秘訣和原理，並融入我們的深潛技術中。

這是第三代智慧仿生軟體魚型水下

（深海）

航行器。對於仿生魚的研製，實際上早在上世紀九十年代中期就開始。最早是MIT的一個教授提出，當時以金槍魚為參考物件，後來不同國家、機構也仿了其他的魚類，每一種都有自己的特點。

仿生魚型潛水器的整體特點在於，以軟體材料替代固體金屬和浮力材料，以三D列印替代傳統焊接和斷除，以人工智慧替代傳統控制，以奈米感測器替代傳統感測器。

當中的每一個環節，顯然還有很多關鍵技術需要突破，但也代表著當前國際前沿技術的爭奪點。

仿生魚可以完成海底環境三D測繪、洋流資料採集、環境勘察、海底資源調查等科學研究，還可以開展深海救援與打撈、海洋工程裝置安裝、檢測與維修、水下考古和電影拍攝，深海探險與觀光等，在探索、開發、利用和保護海洋資源與環境方面具有極廣闊的應用空間。

提問

Q

研究海底生態，如果把生物帶到海面上，它們難免要經歷巨大的環境變化。那麼科學家是怎樣把它們帶回到實驗室進行研究？

崔維成：

現在科學家能夠帶上來研究的都是屍體。所有的生物都能抓到，但上去之後面對巨大的壓力和溫度差很難存活下來。

到目前為止，國際上還沒有解決的一個難題就是保壓保溫艙，怎麼在回到水面的過程中保持艙內壓力和溫度兩者同時不變。而且單有保壓保溫艙還不夠，還需要解決把生物移到實驗室，這個轉換過程還要另一番研究。因此，把宏生物保活是一項很有挑戰性的技術難題。

所以現階段研究深海活體，更現實的方案是在它們身上貼晶片，接著放它們回到海里，透過回傳的真實資料去了解生物野生狀態下的交流。另外我們現在也在做仿生魚，其中一個功能是透過跟蹤一條魚來長期觀測和記錄它的行為。

不過這也涉及到潛水器水下充電的問題，要去研究這些，每一環我們要想很多這種招數應對。

END