[专题]中国载人深潜：不追求100%国产促成功 -中国载人深潜事业

亿脉 · 发表于海洋技术专业 2024-4-7 00:07:08

海底探测船的机械手臂与停止喷发的多金属硫化物图片。海底金属矿产被誉为海中的潘多拉魔盒。

5 B* R6 L& ?1 P$ t 深海矿产资源勘探需要耐高压复杂设备5 @/ u& g N3 l* j/ k9 S/ _+ W

要弄明白中国为什么设计蛟龙号，就要先明确潜水器的用途是什么？

随着人类社会发展对化石能源的消耗不断增加，陆地和浅海地区的油气田陆续面临着产量下降的问题。人们将目光转向了长期以来很少涉足的深海，那里有很多的油气层和锰结核等海底矿床。由于大洋深处的海洋环境极其复杂，高海况，高压等特征使一般的探测设备无法涉足，而深海载人潜水器正是一种可以运载科学家、工程技术人员和各种电子装置、特种设备快速、精确地到达各种深海复杂环境，进行高效勘探、科学考察和近海底作业的装备，是和平开发和利用深海资源的重要技术手段。

5 c% H7 m; D: J: ~; p. u( R/ \) P 90年代中国对深海资源勘探无能为力* s$ v7 y" Y* |4 `/ V) b6 F4 u& e% g

蛟龙号的研制也是起源于对深海矿藏的开发。从上世纪80年代开始，中国在国际海底开展了系统的多金属结核资源勘查活动。1991年3月，中国获准在东太平洋拥有了15万平方公里的多金属结核开辟区，但如何去调查这一海底矿藏的具体情况却难倒了海洋局的专家们——当时我们拥有的载人潜水器最大潜深也只有300米，根本无法深入金属结合区实施探查。直到1999年，国家海洋局向科技部提出发展深海装备建议。鉴于中国获批的海底矿区普遍深度在4000米以下，有人提出研制4000米级潜水器就够用了。但以刘峰为首的七零二所研究人员认为中国在未来将大力探测深海资源，不能以眼前的这一点锰结核矿床来指导潜水器的技术定位。经过缜密论证，他们依然提出了“7000米载人潜水器”的方案。

, F: ]8 t. k; u2 i 2000年后中国正式决定研制载人深潜器- m1 p2 }9 b8 L, h; X

2001年，中国与国际海底管理局签订了《勘探合同》，使中国在东太平洋海域获得了7.5万平方公里、拥有专属勘探权和优先开采权的多金属结核矿区。这一合同的签署，标志着中国正式拥有了自己的海底矿区，开发潜水器已经刻不容缓。同年底，科技部高技术司组织专家论证，决定研制7000米级潜水器。2002年4月国家海洋局向科技部报送了“关于启动7000米载人潜水器重大专项的请示”。2002年6月，科技部正式把“蛟龙”号载人潜水器列为863计划“十五”期间重大专项。

蛟龙号载人潜水器总师徐芑南决定蛟龙号在研制过程中不片面追求100%国产，而是抓住自主知识产权的关键——设计与总体集成优化技术。

: |3 w/ P, @& Q9 L 蛟龙号研制过程中与俄美英法广泛合作, N$ `5 k/ o' o+ w0 O% z1 k5 I

蛟龙号载人潜水器于2003年课题立项后，作为中国首次对大深度潜水器的探索，最重要的目的是尽快突破7000米级潜水器的相关技术。为了控制整个项目的研制进度，为中国探索深海资源争取时间，中国并不打算闭门造车，而是与俄罗斯、美国、英国和法国等有关机构进行了广泛的交流与合作。“蛟龙”号上大约有40%的部件是委托国外加工或研制的。但为了在日后使用中不受制于人并将同类技术及时运用于其他级别潜水器的研制，各个参研单位也同步安排重要设备的国产化研究。

: B6 q$ ^4 C: r) ?9 t& ~! F 中国仍掌握了整个潜水器系统制造技术 8 b! I( H5 u4 u" o0 p$ r( ?; w j+ h' n

蛟龙号载人潜水器总师徐芑南曾说，“设计与总体集成优化技术是自主知识产权的关键”，“从方案设计，到潜水器的初步设计和详细设计，全部由中国工程技术人员自主完成，总装联调和海上试验也是我们独立完成的。”所以说，虽然蛟龙号上应用了大量国外的成熟技术和工艺，但我们依旧掌握了整个潜水器系统的相关设计、制造技术和经验，并可以有力的指导其他型号的研制。

蛟龙号载人潜水器项目主要涉及到研制水面支持系统和新型潜水器两大块任务，分别由中船重工七零一所和七零二所抓总。而这其中的重中之重就是新型潜水器的设计和研制。

蛟龙号各部分组成示意图。其中蛟龙号载人潜水器乘员系统的核心是一个钛合金耐压球壳。该壳由中国设计俄罗斯制造。（点击可看大图）

从功能上我们可以将蛟龙号载人潜水器分成四大部分：乘员系统，动力系统，通信探测系统和水下作业系统。

' \' Z0 O0 P+ w5 T 乘员系统8 W( {# \' o; O7 U1 \4 I

蛟龙号载人潜水器乘员系统的核心是一个钛合金耐压球壳，这个球壳就是潜航员工作的乘员舱，其设计强度必须能承受700个大气压才能实现潜水器下潜7000米深海的目标。由于中国缺乏钛合金构件加工成型的技术和经验，蛟龙号的乘员舱是根据中国的设计方案，委托俄罗斯制造。具体的制造工艺被称为瓜瓣焊接，这种焊接工艺对于大规格钛合金厚板轧制能力、冲压能力的要求较低，但对焊接的要求较高。目前，中国已经能够利用这种工艺制造 4500米级的乘员舱。

而围绕这个球壳所涉及到的环境控制与生命保障系统必须保证有效过滤球壳内的二氧化碳，并维持一定的舱压、温度和湿度。该系统在正常情况下可保证3人12小时生命安全，应急情况下提高到3人84小时。

, z$ l6 Z& o: X' w) ?" ?. W/ ^ 动力系统9 N7 q2 d% j; I# B) u: A

在动力系统中，动力源是核心。中国的潜水器在早期用铅酸电池，后来改用能量密度更高的银锌电池，并成功在蛟龙号上应用了充油式银锌电池作为电源。未来的发展趋势是锂离子电池，中国也已在4500米载人潜水器研制项目中安排研究。此外，科研人员对国际领先的水下电机、水下推进系统、液压源、高压海水泵等引进技术进行了研究，并积极开展了国产化试制。目前，水下电机、高压海水泵、一体化推力器等3 种设备的国产化已基本实现。

% z/ [% u8 j, ^1 s8 z6 [9 n 通信探测系统 $ y9 M4 g9 U! |2 G, ?9 c

“蛟龙”号载人潜水器在研制时就瞄准了国际上最先进的高速水声通信技术，通过对相干通信和非相干通信算法的研究，制定了处理算法。采用在混合激励线性预测算法基础上改进的算法，降低了编码后的数据率，并研究了一种鲁棒的图像压缩编码算法，对误码的敏感程度低，应用于水声通信。“蛟龙”号载人潜水器能够实时传输彩色电视图像和声学图像的功能是国外绝大多数潜水器所没有的。

蛟龙号2010年在南海海试时拍摄的海底图片，图中展现的机械臂就是引进自美国。

5 F, z" [! D0 v9 E6 ?0 j% { 水下作业系统5 O) S) k/ H1 a5 a( \

蛟龙号载人潜水器的声纳系统由中科院声学所负责研制。声学所的研究人员在该项目上采用高分辨率测深侧扫声呐，可以对如岩浆流、裂缝、断崖等细微尺寸地貌进行精准探测，并形成高分辨的成像图片。在2010年的海试中，蛟龙团队依靠该型声纳在3759米海底获得了等深线间隔为1米的精细三维海底地形图和地貌图。这也成为了部分国外媒体称中国潜水器有军事用途的理由之一。

作为蛟龙号水下作业系统主要部件的机械手、灯光设备等引进自美国，而成像设备等引进自日本。其中机械手和采样篮都采用了可抛弃设计，如果在作业时被水草缠住，可起爆电爆螺栓抛弃这些部件使潜水器得以逃生。

蛟龙号载人潜水器最终设计集成了12个系统。其中，关系到乘员安全的生命支持系统、关系到整个潜水器安全的抛载机构等关键部件，是中国自行研制的，并为此获得了授权专利45项，受理专利25项，软件著作权3项。

中国在1995年研制成功了“CR-01”6000米自治水下机器人，并对深海资源进行了先期考察。图为即将进行深潜的“CR-01”6000米自治水下机器人。

& z( H) p' j5 m' Q3 J& H 无人潜水器对深海资源展开先期考察 ' s" L( {5 N/ K$ N# `* M5 m

其实，在蛟龙号项目启动之前，中国已经于1995年研制成功了“CR-01”6000米自治水下机器人，并利用这个无人潜水器在太平洋中进行了深海资源考察，为中国争得了对多金属结核矿产资源丰富的7.5万平方公里海域优先开采权起了积极推进作用。该项目为日后研制蛟龙号载人潜水器积累了大量工程实践经验。用该项目总师徐芑南的话说，“水下机器人和载人潜水器的关系，就像卫星和飞船的关系一样。有了卫星发射的经验，载人飞船才成为可能。”

但无人潜水器毕竟不需要考虑乘员的工作及生命支持问题，而蛟龙号载人潜水器的最大难点就是要为潜航员提供一个可供其在深海工作生活的空间，并安全的完成任务返回母船。耐压构件密封、控制、水声通信等无人潜水器不会涉及或者是涉及面较浅的领域则成为了中国人研制蛟龙号的拦路虎。

" ?9 M9 [; T. A. `% t, L0 S 中国载人深水潜水器2006年首次亮相 * h% n) k/ n6 d2 @% ]

由于历史原因及科技实力、工业基础较为落后。作为总师单位的七零二所在人力物力极度缺乏的情况下开始了蛟龙号项目的研发工作。

“海极一号”载人潜水器在2006年4月24日在中华世纪坛举行的“中国大洋资源研究开发15年内成果展”上首次亮相。

2007年11月27日，7000m载人潜水器命名仪式在江苏无锡举行，7000m载人潜水器更名为“和谐号”。同时7000m载人潜水器水中试验启动。

2009年8月6日，和谐号载人潜水器极其母船在江苏江阴启航，奔南海海区进行海试。在8―10月间，和谐号在南中国海首次开展了1000米载人深潜试验。载人潜水器1000米海上试验中，完成20次下潜试验，其中，最大下潜深度达1109米，实现了预定的试验目标，全面完成了试验任务，使中国继美国、俄罗斯、日本和法国之后成为世界上第五个具备1000米深度载人深潜能力的国家，是中国迈向深海的一大步。

在2009年8月15日至24日50米级海试时，水声通信一直不能建立，海试母船无法找到潜水器；8月28日，300米级海试时，一只主蓄电池爆裂；1000米级海试期间，遭遇恶劣天气，只能选择10月3日下水，这一天进行了高速水声通信的试验；2010年6月，3000米级海试例行检查中，发现几滴海水进入高度计中造成绝缘故障。此轮海试中，尽管部件的压力测试全部通过，但潜水器作为一个整体还要接受7000米压力的考验。此外，密封性能、电机运转、水下摄像机、热液取样器等应用设备还需要进一步调试。

2010年5月―7月间，蛟龙号在南中国海成功完成了3000米级海上试验。在这段海试期间，蛟龙号曾到达南海海底并插上中国国旗，在国内国际造成了广泛影响。

! G0 t9 `3 s/ k/ ~0 Q( D 2010年蛟龙号海试到达南海海底影响广泛! x# g ^- x8 d2 l# P

2009年年底，和谐号被国家命名为蛟龙号。

2010年5月31号，3000m级海试启动。在5―7月间，蛟龙号在南中国海成功完成了3000米级海上试验。海试过程中，蛟龙号共完成17次下潜，其中7次穿越2000米深度，4次突破3000米，最大下潜深度3759米。先后进行了包括耐压结构及设备、水面支持系统、无动力下潜上浮系统、蓄电池及供电设备等18个项目的测试，并完成了坐底、巡航、插国旗、布放标志物、海水和生物取样、海底高精度测绘等多项海底作业，创造了水下和海底作业9小时零3分的记录。而且在这段海试期间，蛟龙号曾到达南海海底并插上中国国旗，在国内国际造成了广泛影响。

2011年7―8月，蛟龙号在东北太平洋中国大洋协会多金属结核勘探区成功开展了5000米级海上试验。蛟龙号共完成了5次下潜，最大下潜深度5188米，验证了蛟龙号载人潜水器在5000米级水深的各项性能和功能指标。5000米级海试的成功实现了中国载人深潜的历史性跨越，使中国成为继美、日、俄、法后第五个具备5000米级下潜能力的国家，标志着中国具备了载人到达全球70%以上海洋深处进行作业的能力。这一深度的突破体现了中国在深海技术领域的重大进步。

在6月15日的第一次7000米级海试试验中创造了下潜深度达6671米的纪录。图为当时潜航员出舱的情景。

! n! L, C/ c4 ` 第一次7000米级海试试验下潜深度达6671米5 w, B1 b" j# K/ R

2012年5月底，蛟龙号的试验母船“向阳红09”船从青岛起航，赶赴无锡江阴搭载蛟龙号。6月3日上午试验船队从江苏江阴苏南码头起航，奔赴马里亚纳海沟区域执行“蛟龙”号7000米级海试任务。

再此次海试前的数个月中，蛟龙号完成了维护维修、技术改进与水池试验等准备工作，进一步提高了作业性能和适应复杂环境的能力。同时，试验母船和水面支持系统也进行了适用性改造和维护检修，为7000米级海试顺利开展奠定了基础。

6月11日，“向阳红09”试验母船到达海试区域。6月15日7时，崔维成、叶聪、杨波三名潜航员驾驶蛟龙号开始了7000米级海试第一次下潜试验。据海试现场指挥部发布的信息，9时40分，潜水器打破去年5000米级海试时创造的5188米纪录。10时整，潜水器下潜深度超过6000米并继续下潜。潜水器并最终到达了6671米的深度，创造中国载人深潜新纪录。

第一次海试中，声学数字通信系统在潜水器下潜到6200米左右深度时意外中断，海试团队立即开启水声电话恢复潜水器与试验母船的语音通话，保证了试验顺利进行。此外，还出现了主液压源误报警、推力器故障和可调压载系统异常等故障。目前为止，试验队已经成功排除了上述故障。

6月19日“蛟龙”号载人潜水器进行7000米级海试第二次下潜试验。尽管此前受到液压系统漏油影响，但这次试验再次刷新纪录，下潜深度达到6965米。

3 C7 h1 `8 J7 ~, v 原定第二次海试试验时间因液压系统漏油推迟 # B3 d7 |8 j$ O& c* C

正当试验队筹划6月18日进行第二次海试时，潜水器主液压源一根油管发生了泄漏，第二次海试被迫推迟。

不过，这些故障并非蛟龙号的设计问题，而是蛟龙号长期试验中所必然出现的故障。试验队将第一次下潜试验的深度定为5000米也是为了测试潜水器改装后的性能，并尽早暴露缺陷和问题设备，为以后的海试铺平道路。而潜航员们能够在潜水器出现上述故障的情况下下潜到6000余米的深度，从一个侧面反映出蛟龙号潜水器优异的设计性能以及潜航员对潜水器的信心。

从目前最新的报道可以得知，工作人员更换了潜水器主、副液压源的全部１６根承压油管，并在反复充油、排气后进行了通电检查，保证潜水器重新具备下潜条件。

/ A$ g C, _" @6 r/ V 第四次7000米级海试试验下潜深度达7020米

2012年6月19日，蛟龙号载人潜水器进行7000米级海试第二次下潜试验。按照指挥部的计划，这次海试的主要任务是复核潜水器在第一次下潜试验中故障排除的效果。但在实际下潜过程中，我们的潜航员一次性下潜到6908米深度坐底，提取了水样和沉积物样品并布放标志物。之后又继续下潜至6965米深度并坐底，并开展了相关作业。由此一来，我们不但验证了故障排除的效果，也一举打破了去年创造的6671米深潜记录，蛟龙号的性能再次得到验证！

6月24日，“蛟龙”号载人潜水器7000米海试在西太平洋马里亚纳海沟进行了第四次下潜试验。据海试现场指挥部消息，北京时间6月24日5时29分潜水; F, C' T7 {+ W; d/ S; E 器开始注水下潜，6时44分，“蛟龙”号下潜深度超过3000米。7时40分，蛟龙号下潜深度超过5100米，8点54分，下潜深度首次突破7000米，达到7005米，9时15分，最大下潜深度达到7020米，并已经坐底。这也是世界同类型的载人潜水器的最大下潜深度。 1 v/ \) a3 E' }" K3 r+ j I5 t4 p

就在蛟龙号载人潜水器积极进行7000米下潜试验时，中国实际上已经启动了4500米载人潜水器关键技术攻关和研制。与技术验证性质浓重的蛟龙号相比，新型4500米级载人潜水器更具实用性，其设计下潜深度指向了相当一部分深海金属结核区的深度。预计中国将在2020年左右批量生产这一量级的潜水器，以满足中国对大洋资源的进一步勘探和开采。

在蛟龙号载人潜水器整个项目研制和推进过程中，我们同样也要看到整个项目正是由于积极与外部进行交流合作，才保证了项目的及时推进，而没有去刻意追求100%国产化，这也是以后国内更多科研项目在研发阶段可作积极参照。【网易其他相关策划— 0 }$ V% h, S4 D 深海潜水器：中国比美国晚了半世纪 T9 c3 s/ {& B- C+ l! [ 】

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