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利器善事：深海潜水器发展简史

2023-01-29 16:45

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

以下文章来源于海洋世界文化无限，作者向思源

海洋世界文化无限.

《海洋世界》杂志1975年创刊，由中国科学技术协会主管，中国海洋学会主办。致力于“宣传海洋科学普及知识，树立国民海洋意识”。

大年初一上映了一部电影《深海》。

可是，水深多少才能算深海？

怎么去深海？

人类靠什么探索深海？

我这就带大家去深海一探究竟。

↑电影《深海》剧照

水深多少算深海？

由于深海本身的复杂性及其研究者的思维范式、价值观甚至政治立场不同，不同学科结合自身专业特点对“深海”的范围作出了不同的解释。

从自然地理属性而言，世界石油大会依据深海勘探实践将深水具体细分为超深水、深水和常规深水三类，自水平面以下400米为深海域的始端。

根据阳光的可穿透范围，在海洋生物学中，200米以下的海洋即被认为是深海区；

而在海洋工程领域中，通常认为3000米～6500米是深海区，超过6500米的海域是超深区，也即深渊区。

从国际制度层面而言，按照海洋资源及海洋工程的分布情况，将水平面1000米以下称为深海域。

第59届联合国大会公布的《关于海洋和海洋法的报告》指出，深海包括国家管辖范围之外的“公海”及其水域之下的“国际海底区域”，分别以专属经济区和大陆架为界限。

怎么去深海？

人类靠啥探索深海？

靠深潜器。

深海潜水器是探索深海资源的重要装备。

探索深海的环境特征，搜集深海数据主要依靠载人潜水器（HOV）、远程遥控潜水器（ROV）和自主式潜水器（AUV）3种类型的探测器。随着长航程长航时AUV的发展，AUV中又演化出水下自主滑翔机（AUG）类型。水下滑翔机作为一种靠浮力驱动的新技术平台，适用于长时间、大范围海洋环境观测，技术逐渐成熟。

HOV能发挥人的主观性，操作灵活，多数海底采样都是通过HOV完成；ROV依靠脐带电缆提供动力，水下作业时间长，能够实现数据实时传输，作业能力较强，但作业范围有限；AUV自带能源，可以自主航行，能够执行大范围探测任务，但作业时间、数据实时性、作业能力有限。

近年来发展的混合式水下机器人——自主遥控水下机器人（ARV）结合了AUV和ROV的优点，自带能源，通过光纤微缆实现数据实时传输，既可实现较大范围探测，又可实现水下定点精细观测及轻作业，是信息型 AUV 向作业型AUV发展过程中出现的新型水下机器人。

去深海看一看

载人深潜器（HOV），是满足人类探索深海好奇心的利器。

目前，中国、美国、俄罗斯、法国和日本都有自己的HOV深潜器，其中美国伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）主持的“阿尔文”号研制于1964年，设计深度4500米，可以在水下工作8小时，已经完成了包括沉船搜索、海底探测等5000多次潜航探索。

↑美国“阿尔文”号（Alvin）

2005年，由好莱坞电影导演卡梅隆资助的单人“深海挑战者”号开始研制建造。2012年，卡梅隆完成了单人操控下潜到10898米的挑战，2013年，“深海挑战者”号被转送给美国伍兹霍尔海洋研究所，为进一步推进深海科学和勘探做贡献。

↑“深海挑战者”号

法国“鹦鹉螺”号可下潜至6000米的深度，已经完成了1500多次的下潜，可用于海底生态调查、沉船搜索等任务。

↑法国“鹦鹉螺”号（Nautile）

俄罗斯“和平”号（“和平1”号与“和平2”号）于1987年建成，可下潜至6000米，维持约12小时的水下操作。

↑俄罗斯“和平”号（MIR）

日本的“深海6500”号建成于1989年，潜深达6500米，可容纳成员3人，主要用于探测研究海底地震与海底火山。据报道，在“深海6500”基础上发展的“深海12000”也将在2023年进行海试。以上国家均在20世纪90年代前完成了现代载人深潜器的制造。

↑日本“深海6500”号

↑日本深海12000概念图

我国的载人潜器起步较晚，具有标志性的事件是，2002年，载人深潜器作为“十五”期间“863”重大专项计划被立项，属于深空计划的一部分，在国家的大力支持下快速发展。2012年，由中国船舶科学研究中心主持研究设计的“蛟龙”号通过了7062米的潜深测试“蛟龙”号的成功研制振奋人心，为我国载人深潜器的快速发展奠定了基础。

↑中国“蛟龙”号

目前，除“蛟龙”号外，我国还有“深海勇士”号、“奋斗者”号和“彩虹鱼”号等国产深潜器，其中：

“深海勇士”号设计深度4500米，参与了多次冷泉、海底矿物和海底生物等的探查。

↑“深海勇士”号

“奋斗者”号于2020年在深度10909米的马里亚纳海沟成功坐底，刷新了我国载人深潜的记录。

↑“奋斗者”号

“彩虹鱼”号设计深度11000米，主要借助社会力量自主建造。

↑“彩虹鱼”号

水下机器人

与载人深潜器（HOV）相比，远程遥控潜水器（ROV）没有载人舱，不需要生命维持系统，并且由脐带缆供应电能，可以在水下工作更长的时间。ROV的应用非常广泛，世界范围内已经形成了几百种型号，但具有3000米以下深潜能力的不多。深潜ROV工作深度大，与母船距离远，通常需要释放器或中继器辅助信号传输并辅助ROV的定位。

深潜ROV中有代表性的是日本的“KAIKO”ROV,“KAIKO”于1995年在马里亚纳海沟成功下潜至10911米，1996年又在深度10898米的马里亚纳海沟完成了海底采样，是当时世界上ROV的潜深记录。但在2003年的一次海洋探测中，由于连接ROV和释放器的2次线缆故障导致ROV丢失。

↑日本的“KAIKO”ROV

美国也有多种深海ROV，美国伍兹霍尔海洋研究所研制的双体式“JASON／MEDEA”ROV，潜深可达6500米，“JASON”ROV通过携带的传感器和机械手完成主要任务，工作时通过“MEDEA”进行信号中继，并且，“MEDEA”可以隔绝船舶运动对“JASON”的影响。

↑美国“JASON／MEDEA”ROV

美国蒙特利湾海洋研究所（MBARI）研制的“DOC RICKETTS”和“VENTANA”ROV潜深都可达4000米，其中“DOC RICKETTS”尺度较大，两种ROV都已完成了多次水下采样任务。

↑美国DOC RICKETTS

↑美国“VENTANA”ROV

法国“VICTOR 6000”ROV，设计深度6000米，质量约4吨，装配有2个机械手，每一个机械手可举升约100千克重的物体。

↑法国“VICTOR 6000”ROV

我国在上世纪70年代末便开始了ROV研究，经过多年发展，研制成功了深潜型、重载型等有代表性的ROV型号。

“海马”号是我国首台自主研制的深海作业型ROV，由广州海洋地质调查局牵头，联合上海交通大学、浙江大学、哈尔滨工程大学和同济大学等单位研制，设计深度4500米，注重功能多样性与操作稳定性，完成了多次试验。

↑中国“海马”号

2015年3月，“海马”号在地勘应用中首战告捷，在中国南海北部陆坡西部海底首次发现双壳类生物群、甲烷生物化学礁、碳酸盐结壳、菌席和气体渗漏等活动性“冷泉”标志（该“冷泉”被命名为“海马冷泉”），并获取高清视频记录和实物样品，同时记录了海底低温异常和超高甲烷含量异常，这些成果都显示出该海域具有良好的天然气水合物赋存前景。“海马冷泉”成为中国海洋资源与生态环境前沿科学研究的重要海域。

“海龙”号系列由上海交通大学牵头研制，自2003年立项以来，经过3代发展，在2018年成功挑战6000米级潜深。“海龙”号配置有7功能和5功能机械手、取样器、岩石切割机、沉积物保压取样器等，已经完成了生物取样、沉积物采集、水下黑烟囱口区域采样等科学任务。

↑中国“海龙”号

“海星”号由中科院沈阳自动化研究所牵头研制，潜深达6000米，进行了多次海底取样、生物调查和冷泉探索等科考任务。2018年“海星6000”完成了深海生物、沉积物、水样、岩石等系列化取样及激光拉曼的原位测量等作业，最大下潜深度6001米，创造了中国深海ROV最大深潜纪录，填补了中国深海ROV6000米级深度科考的空白。

↑中国“海星”号

龙入深海任遨游

自主式潜水器（AUV）是根据设定任务在水下自主完成任务的潜水器，通常需要潜入水底通过搭载的传感器进行地形扫描、地质探测、海底结构扫描建模和水质信息采集等操作，有大量的深潜需求，世界各国研制了多种性能出色的深潜AUV。

美国伍兹霍尔海洋研究所研制的“REMUS6000”计潜深6000米，净重862千克，可以连续工作约22小时，最大速度2.6米／秒。

↑REMUS6000

此外，另一种“SNETRY”AUV采用立扁体外形，特点是垂直投影面积小，拥有快速上浮与下潜的能力，可以较快的达到指定深水区作业，减小投放布置等待时间，并且机动灵活，可以在海底火山口和海底断崖等复杂环境中运行。

↑美国“SENTRY”

美国蓝鳍金枪鱼机器人公司的“BLUEFIN-21”可潜深至4500米，净重750千克，最大航速2米／秒，2014年参与了MH370的搜索。

↑美国“BlUEFIN 21”

加拿大“EXPLORER”系列AUV最大潜深达5000米，常规巡航速度1.5米／秒，最大速度2.5米／秒，设计之初是为了高纬度海域的探测，可搭载多种传感器。

↑加拿大“EXPLORER”

英国南安普顿国家海洋中心水下系统实验室的“AUTOSUB6000”设计潜深6000米，已在包括南极海域世界范围内完成了多次探测任务。

↑英国“AUTOSUB 6000”

挪威的“HUGIN 6000”AUV可潜深至6000米，搭载有地形辅助定位系统，可以在地形图已知的区域精确定位，主要用于海底矿藏探测及快速环境评估等任务。

↑挪威“HUGIN 6000”

日本“URASHIMA”设计深度3500米，长10米，干重约7吨，除常规的锂电池外，还可以携带为燃料电池增加航程，在2005年，创造了AUV单次317千米的航行记录。

↑日本“URASHIMA”

我国深潜AUV的研制起步较晚，上世纪90年代，沈阳自动化所和俄罗斯联合研制的“CR”系列AUV为我国深潜AUV的研制积累了丰富经验。之后，沈阳自动化所自主研发了“潜龙”系列深潜AUV，到目前为止，已经发展出了4个型号，“潜龙”号的研制目的是调查太平洋的金属硫化物矿区，已经多次达成了海底矿物区监测的目标。其中，“潜龙一号”和“潜龙四号”的潜水深度达到6000米，“潜龙二号”和“潜龙三号”是立扁体外形，设计深度4500米，浮潜速度快。

↑中国“潜龙四号”

2020年，“潜龙一号”和“潜龙四号”联合完成太平洋科考航次任务，两型装备的成功研制，使中国具备了对占世界海洋面积97%的海域进行大范围精细探测的能力，标志着中国深海资源勘查自主装备已达到实用化水平。

2018年，在中国科学院战略性先导科技专项的支持下，面向海底“冷泉”科学探测的需求，中国科学院沈阳自动化研究所联合中国科学院海洋研究所等成功研制“探索4500”AUV。

经过两年的适应性改造，“探索4500”于2021年参加了中国第12次北极科考，在北纬85°完成北极高纬度海冰覆盖区科学考察任务。这是中国首次利用自主水下机器人在北极高纬度地区开展近海底科考应用。

↑中国“探索4500”AUV

“探索4500”在海底连续工作，成功获取了近底高分辨多波束、水文及磁力数据，为超慢速扩张的加克洋中脊地形地貌、岩浆与热液活动等北极深海前沿科学研究提供了一种先进的探测技术手段。

在科技部国家重点研发计划项目支持下，哈尔滨工程大学成功研制“悟空”号全海深自主水下机器人。继2021年初“悟空”号创造了7709米的亚洲深潜纪录后，2021年10月在马里亚纳海沟完成了4次超万米深度下潜——10009、10888、10872和10896米，超过国外AUV于2020年5月创造的10028米的AUV潜深世界纪录，并顺利完成海试验收。

↑中国“悟空号”

燕翔海中展英姿

水下滑翔机（AUG）是浮力驱动的航行器，在水下以锯齿型的轨迹运行，不需要实时信号交互能力，在浮出水面时通过卫星进行对外数据交互。

第一代水下滑翔机是美国研制的Spray、Seaglider和Slocum等3种型号，该3种型号尺度与功能均相似，质量约52千克，设计深度约1200米，持续航行时间超过2个月。

水下滑翔机设计之初，主要用于搜集水体的温度、盐度和深度数据，因此，运行区域以温度和盐度梯度变化较大的200米深度以内的浅海为主。随着水体监测目标的多样化，以及对深海环境探索研究的迫切需求，逐渐发展出了潜水能力超过3000米的深潜滑翔机。

我国在深潜滑翔机的研制上处于国际领先地位，中科院沈阳自动化所的“海翼7000”深潜型滑翔机长3.3米，质量140千米，在2017年的海试中，达到了6329米的深度，该深度范围可覆盖全球98%的海域。天津大学“海燕X”深潜型滑翔机在2020年的海试中，达到了10619米的深度，这是目前水下滑翔机的潜深记录。

↑中国“海翼 7000”号

国外对深潜滑翔机的研究较少，美国华盛顿大学在Seaglider滑翔机上做进一步升级，提升潜深能力，发展出了Deep-Seaglider滑翔机，设计深度达到6000米。

↑中国“海燕 X”号

↑美国“DEEP-SEAGLIDER”

法国整合多家院所的研究力量，在Sea Explorer滑翔机的基础上，研制了深度达到6000米的“ULTRA-DEEPEXPLORER”滑翔机。

日本设计了单次浮潜滑翔机“TSUKUYOMI”，设计深度3000米，工作时以较大的滑翔角下潜和上浮，可以较快的收集水体剖面数据。

万米深渊“海斗”量

面向深渊探测，在中国科学院战略性先导科技专项支持下，由中国科学院沈阳自动化研究所自主研发的“海斗”号全海深自主遥控水下机器人于2016年研制成功。

“海斗”号是一种新型的混合式水下机器人，用于开展全海深无人潜水器关键技术研究及验证。2016—2018年，“海斗”号连续3年参加马里亚纳海沟深渊科考航次，11次到达万米以下深度，最大下潜深度10905米，获得中国首批全海深温盐数据和视频直播影像，实现中国首次全海深高清视频现场直播。

在科技部国家重点研发计划支持下，中国科学院沈阳自动化研究所牵头，联合国内10余家科研单位共同攻关，研制出全海深自主遥控水下机器人——“海斗一号”，其具有独特的“三合一”多模式操控（AUV、ROV、ARV）和作业模式，既能大范围自主巡航探测，又能实现实时定点精细观测，还能够通过所携带的机械手采集样品。

↑中国“海斗一号”

2020年，“海斗一号”在马里亚纳海沟实现4次万米下潜，最大下潜深度10907米，刷新了当时中国潜水器最大下潜深度纪录。2021年，“海斗一号”在马里亚纳海沟10800米以深深渊海区成功实现多次万米下潜及科考应用，完成了深渊海底样品抓取、沉积物取样、水样采集等科考作业。在无缆自主（AUV）模式下，最大下潜深度达到10908米，海底连续作业时间超过8小时，填补了中国全海深AUV技术与装备空白。

在国际上首次对“挑战者”深渊西部凹陷区进行大范围的全覆盖声学巡航探测。在自主遥控混合（ARV）模式下，“海斗一号”在万米海底连续工作超过10小时，创造了中国潜水器万米海底最长工作时间的纪录，实现了万米海底定点实时高清精细观测。

来源：海洋世界文化无限

作者：向思源

未来两天海洋环境预报

预计明天，

渤海、黄海北部有0.7到1.5米的轻浪到中浪；

黄海南部有1.4到2米的中浪区；

东海北部、南部、钓鱼岛附近海域有1.8到2.7米的中浪到大浪区；

台湾海峡、台湾以东洋面有2.3到3米的中浪到大浪区；

巴士海峡、南海北部有2.8到4.2米的大浪到巨浪区；

南海中部、南部有4到5.8米的巨浪区；

北部湾有1.5到2.3米的中浪区。