全球载人潜水器发展综述

目录
全球载人潜水器发展综述 (2)
第一部分大深度作业型载人潜器 (2)
一、深海载人潜水器发展现状 (2)
（一）深渊区概念界定 (2)
（二）国外深海载人潜水器 (3)
（三）国内深海载人潜水器 (9)
二、载人潜水器在深海科考中的应用 (11)
（一）深海地质 (11)
（二）深海生物 (13)
（三）物理海洋 (17)
三、深海载人潜水器的发展趋势 (17)
（一）面向科学应用，形成作业能力 (17)
（二）面向深海探险和观光，探索极限海底奥秘 (18)
（三）构建深海装备体系，实现载人与无人装备之间相互支持和协同作业 (19)
（四）重视新技术及新装备的开发 (19)
四、“彩虹鱼”号万米级载人潜水器 (20)
（一）现有万米级载人潜水器概况 (20)
（二）现有万米级载人潜水器存在的问题 (21)
（三）“彩虹鱼”号载人深潜器的创新之处 (21)
第二部分观光型载人潜器 (22)
一、观光潜水器发展历程 (22)
（一）观光潜水器概念界定 (22)
（二）观光潜水器发展历程 (23)
二、全球主要观光潜水器概览 (24)
（一）小型观光潜水器（载人＜6人，下潜深度＞100米） (25)
（二）大型观光潜水器（载人≥6人，下潜深度＜100米） (30)
全球载人潜水器发展综述
第一部分大深度作业型载人潜器
一、深海载人潜水器发展现状
（一）深渊区概念界定
国际海洋科学界通过初步调查，发现位于6000～11000m的海斗深度(hadal depth)区间内的生物与6000m以浅的生物有明显的不同，因此，把这个深度区间内的海沟命名为深渊区，把专门研究深渊区内的海洋科学称为深渊科学(hadal science)，它包含深渊生态学、深渊生物学和深渊地质学等。

2007年国际海洋科学家在墨西哥城召开一次大会，对深度区间的划分又作了一次新的统
一(图1)，把深渊区的深度由原来的6000m修改为6500m。

由于对海洋高技术的依赖，深渊区是目前海洋科学研究中最为薄弱的环节，因此，深渊科学也被认为是海洋科学的前沿。

图1：国际海洋界对于深度区间的划分
（二）国外深海载人潜水器
深海载人潜水器的研制从上世纪60年代开始，发展至今，中国、美国、法国、俄罗斯、日本已具备深海载人潜水器自主研发的能力。

根据国际载人潜水器委员会统计，2015年较为活跃的载人潜水器共46艘，其中下潜深度超过1000米的共10艘（表1），下潜深度250—1000米的36艘。

从用途上看，主要包括科学研究、深海探险、观光旅游和军事应用等几大类。

本部分重点介绍用于科学研究的下潜深度超过4500米的深海载人潜水器。

表1：下潜深度超过1000 米的深海载人潜水器（目前较为活跃）
1、美国
美国是较早开展载人深潜的国家之一，早在1960年1月23日，瑞士探险家Jacques Piccard以及美国海军中尉Don Walsh驾驶深海潜艇“的里雅斯特(Trieste)”号在世界上最深的马里亚纳海沟下潜了10910米，创下了载人潜水器下潜深度的世界纪录。

当时的潜水器驾驶空间直径仅有1.09米，在马里亚纳海沟底部也仅呆了12分钟，但却第一次留下了人类的足迹。

由于该潜水器无航行和作业能力，极大限制了它的使用性能，而且潜器采用汽油作为浮力舱，体积较大，其建造与运输均不方便。

因此，此类深潜器后续未得到进一步发展。

图2：“的里雅斯特”号载人深潜器
美国具有代表意义的一艘第二代载人潜水器是在1964年建造的4500米级“Alvin（阿尔文）”号，它是目前世界下潜次数最多的载人潜水器，迄今，约15000 人次参与了“阿尔文”号5000次的下潜，为深海科学研究、考古等应用做出卓越贡献。

为了顺应深海开发的深远化趋势，美国伍兹霍尔海洋研究所在2004年提出了建造升级版“New Alvin（新阿尔文）”号的设想。

“新阿尔文”号的亮点在于容积大、舒适性好、视野好、设备更先进、机动性强、上浮下潜速度快等。

图3：“阿尔文”号载人深潜器
美国第三代载人潜水器正在研制中，下潜深度定位于全海深，如“Deepsea Challenger”、Triton 36000/3号和“Deep Search”号等。

“Deepsea Challenger”（深海挑战者）号是美国导演卡梅隆团队用于电影拍摄而研发的一艘全海深载人潜水器。

于2012年3月26日，成功下潜至马里亚纳海沟10898m深处，创造了单人下潜记录，成为50年来第一位到达此处的人。

但“Deepsea Challenger”号作业能力有限，安全可靠性不足，可用性较差。

一些设备在到达万米水深后出现故障，无法按计划完成任务。

考虑到玻璃窗的承受能力，卡梅隆让潜水器提前上浮。

如今，“深海挑战者”号已被捐献给美国的伍兹霍尔海洋研究所，用于海洋科学研究。

“Triton 36000/3”号是由美国佛罗里达州一家名为“Triton”的私人潜艇制造商制造的3人座深海潜水器装备，设计的最大下潜深度为11000米，设计的核心亮点是玻璃球载人舱，提供360度全景观看海洋最深处景象的视野。

目前，它最深的一次下潜在巴哈马群岛附近进行，深度为1000m，但冲击万米深马里亚纳海沟的深潜器雏形已经形成，有望在未来得到完善。

据预计，该潜器将以每个座位25万美元的售价向爱冒险的人群推广。

美国DOER Marine海洋科技公司研制的“Deep Search”号全海深载人潜水器，最大工作深度为11000米，在上浮下潜机制、舱体材料、浮力材料等方面具有创新性。

它采用推进器系统、可移动纵倾质量块以及可调浮力系统来控制潜水器姿态。

这种混合动力模式可以使下潜速度达到6kn，而且能让潜水器在任意深度悬停，还可通过控制潜水器姿态增大可观察范围。

图4：“Deepsea Challenger”号、“Deep Search”号（研制中）、“Triton
36000/3”号（研制中）深潜器
2、法国
法国在1961年建造了一艘万米载人潜水器“阿基米德（Archimède）”号，是第一代无航行能力的载人潜水器，因为种种原因没有下到挑战者深渊，而是下到日本海沟的最深处，其深度记录是9500m。

“Archimède”号总共下潜139
次，于1981年退役。

法国具有代表性的一艘深海载人潜水器是6000米级的“Nautile”（鹦鹉螺）号，它在1985年研制成，目前已完成下潜1500余次。

“Nautile”号的工作主要是深海矿产探查、深海海底生态环境调查以及其他搜索任务。

图5：“阿基米德（Archimède）”号、“Nautile”（鹦鹉螺）号载人潜器
3、俄罗斯
俄罗斯是目前世界上拥有载人潜水器数量最多的国家，“MIRⅠ（和平一号）”和“MIRⅡ（和平二号）”是俄罗斯具有代表性的载人潜水器，它们由苏联和芬兰于1987年联合研制，是仅有的两艘用马氏体镍钢制造载人球壳的潜水器，具有充足的能源和带有十二套检测深海环境的先进设备。

这两艘潜水器在太平洋、印度洋、大西洋和北极海底进行了上千次的科学考察，包括对海底热液硫化物矿床、深海生物及浮游生物调查和取样，大洋中脊水温场测量，失事核潜艇“共青团员”号核辐射检测，以及“泰坦尼克”号沉船的水下拍摄等。

在2007年8月两艘深海载人潜水器联合完成的“北极－2007”海洋科学考察，使这两艘潜水器再次引起世人瞩目，并由此正式引发了国际社会在北极的利益之争。

图6：“MIRⅠ（和平一号）”和“MIRⅡ（和平二号）”
4、日本
日本在深海潜水器研制方面处于国际先进水平，最具代表性的一艘载人潜水器1989年日本科学技术厅建成了6500米级的“SHINKAI 6500（深海6500）”潜水器。

它的特点在于灵活的操纵性和先进的观测系统，主要用于6500米深海地质探查等，目前已经完成下潜1000余次。

目前日本深海载人潜水器的研制目标是“SHINKAI 12000（深海12000）”载人深潜器，该潜水器在2013年立项研制，预计2025年左右完成研发。

“SHINKAI 12000”潜水器将具有较好的续航能力，能保证6人在深海潜航2天，预期将用于海洋资源探测和深海生物调查等方面。

图7：“SHINKAI 6500（深海6500）”和“SHINKAI 12000（深海12000）”（研制
中）
（三）国内深海载人潜水器
中国最具代表性的深海载人潜水器是“蛟龙”号，它是中国第一台自行设计、自主集成研制的载人潜水器，主要用途是深海勘探、海底作业等。

2012年6月，“蛟龙”号载人潜水器的最大下潜深度到达7062米，标志着我国深海载人潜水器研发水平达到世界先进水平。

迄今，“蛟龙”号已经累计完成100次下潜。

目前，“蛟龙”号研发团队正在全力研制4500米级载人潜水器，该潜水器全面应用国产化技术和装备，其载人舱球壳已完成建造和试验，预计于2017年投入应用。

“彩虹鱼”号是我国正在自主研发的世界首个作业型万米级载人深潜器（将在本部分第四章着重介绍）。

图8：我国“蛟龙”号载人潜水器
表2 几种作业型深海载人潜水器功能对比表
图9：几种作业型深海载人潜水器下潜深度
二、载人潜水器在深海科考中的应用
载人潜水器在深海科考中主要应用在地质科学和生物科学领域。

本部分将重点从载人潜水器在深海地质、深海生物和物理海洋3个方面的应用进行论述。

（一）深海地质
1、海底地质现象观察
载人潜水器配置有先进的水下照明、照相和摄像设备，随着电子信息技术的不断改进，该类设备的性能也迅速发生着质的飞跃。

利用该类设备，科学家不仅能够在深海海底近距离观察各种地质现象，而且还能将观测信息进行记录和保存，
从而为深海地质学基础理论研究提供有效的证据。

如我国“蛟龙”号载人潜水器自2009年海试以来，对我国东北太平洋多金属结核合同矿区、西北太平洋富钴结壳矿区及西南印度洋多金属硫化物矿区，以及中国南海发现的冷泉区的部分区块进行了较为详尽的地质调查，开展了卓有成效的底质地形勘测、矿物丰度评估等科考工作。

图10为“蛟龙”号搭载海洋地质学家在2013年度西南印度洋航次中拍摄的低温弥散流喷口。

2、海底地质取样
深海作业型载人潜水器均配置有先进的多功能机械手以及保真取样、潜钻取芯工具等作业工具，使科学家在海底非常方便地进行沉积物或岩石取样。

如1977年，美国的“阿尔文”号在东太平洋加拉帕斯裂谷发现海底热液喷口的同时，直接抓取到了热液硫化物样品，开启了海底热液硫化物研究的时代。

在海试和试验性应用航次中，“蛟龙”号利用机械手或铲斗等作业工具也取得了大量的地质样品。

图11为“蛟龙”号在西南印度洋我国多金属硫化物矿区采集硫化物烟囱体时的照片。

图10：“蛟龙”号发现的低温弥散流喷口图11：“蛟龙”号采取硫化物烟囱体样
载人潜水器可搭载先进的深海多波束及侧扫声纳系统，贴近海底目标区进行详细勘测，这样不仅避开了海面各种干扰的影响，而且提高了勘测的分辨率，从而可以获得精细的海底地貌形态。

在1974年的FAMOUS项目和1979年的RITA项目中，利用搭载在“阿尔文”号上的多波束测深和侧扫声纳系统，对大西洋中脊和东太平洋海隆进行了精细勘测（见图12），获得了大量有价值的海底地形地貌数据，为研究各种地质现象提供了重要依据。

1999年，美国和日本两国利用“深海6500”号，对夏威夷群岛海底火山进行了联合勘查，并获得了海底火山的精细地貌特征，为研究这些海底火山的成长及衰亡规律提供了第一手的资料。

图12：“阿尔文”号载人潜水器测得的洋中脊地形图
（二）深海生物
载人潜水器及其搭载的探测和取样设备，可以到达海洋深处，方便地对深海底栖生物进行直接观察、拍照，还可以对目标物进行保真取样，回到实验室对其进行分析和培育，揭示深海生物生存和演化之谜。

深海热液区是目前国际上开展深海生物勘察研究最为活跃的区域，主要存在于水深2000m左右的大洋中脊和活动断裂带上。

深海热液区附近生物群落物种及数量极为繁盛，这些生物从热液化学物质中摄取营养和能量，比如H2S、CO2、H2和CH4等，它们具有独特的生存代谢机制。

自从在海底热液喷口附近发现生物群落以来，逐渐掀起了深海生物研究的热潮。

在过去的30多年间，对热液喷口生物的新种发现速度一直维持在平均每个月描述两种的水平。

目前已描述的热液生物新种已有近600种，包括了原生动物门和12个后生动物门，其中超过85％的热液生物为地方特有种（见图13）。

从寄生在热液喷口附近的嗜热微生物中提取的嗜热菌，可用于细菌浸矿、石油及煤炭的脱硫，在发酵工业中，可以利用其耐高温的特性，提高反应温度，增大反应速度，减少中温型杂菌污染的机会。

此外，嗜热菌研究中最引人注目的方向之一是深海生物基因及其遗传工程的相关研究。

图13：深海热液区生物群落
2、深海冷泉区生物群落
在大陆坡和深海区的天然气水合物分布区域，当海底升温或减压，就会释放出大量的甲烷，在海水中形成甲烷柱，即所谓的“冷泉”。

在冷泉附近往往发育着依赖这些流体生存的冷泉生物群落，这是一种独特的黑暗生物群落，最常见的生物有靠化能合成作用生存的管状蠕虫、双壳类、腹足类和微生物菌等，因此又被称为“碳氢化合物生物群落”。

2013年，“蛟龙”号试验性应用航次在南海实施，载人潜水器首次搜索观测到了面积约为2000m2的由大量的毛瓷蟹、蜘蛛蟹、深海虾、贻贝等构成的冷泉生物群落（图14）。

科学家通过对冷泉区生物生存方式和状态的各项研究，了解该冷泉区生物群落结构的独特性以及与其他冷泉区生物群落的异同点，这对保护海洋生物多样性和海洋生态环境具有积极的促进作用。

图14：“蛟龙”号机械手采集贻贝等冷泉区生物样品
3、深海大生物
除了对深海生物群落开展综合研究外，国内外生物学家还搭乘载人潜水器，
对生活在深海中的大生物进行了重点研究。

对深海大生物的研究不仅是对现存的深海生物进行研究，还包括对生物遗骨及其附近生物的研究。

1992年，“深海6500”号载人潜水器在日本鸟岛海域4146m深处发现了古鲸遗骨，在22块古鲸骨附近发现了大量寄生的贝类和小虾。

“蛟龙”号载人潜水器自海试至试验性应用航次以来，利用高清摄像系统，也拍摄记录了众多的深海大生物系统，包括深海海参、海星、海葵、鼠尾鱼、狮子鱼、蜘蛛蟹、磷虾、毛瓷蟹、贻贝、端足类生物等（见图15）。

利用机械手还获取了部分深海大生物。

目前，一些深海大生物吸取、诱捕型作业工具正在被研制，潜水器有望在未来应用中获取更多的深海大生物。

图15：“蛟龙”号拍摄的深海大生物
（左上：海参；右上：鼠尾鱼；左下：海葵、贻贝；右下：磷虾）
（三）物理海洋
载人潜水器在物理海洋研究中也得到了广泛的应用，主要应用在海流热通量、大洋环流、热液口温度场分布等研究领域。

1977年，“阿尔文”号在太平洋加拉帕哥斯群岛附近的海底发现了第一个热液口，之后又相继在大西洋和太平洋发现了24余个热液喷口。

从此，海底热液喷口附近海水的流动形态、热液喷发对大洋环流模型的影响、洋壳热通量等一大批新的科学问题成为物理海洋学研究的重要内容。

1988年7—9月，Schultz等人利用“阿尔文”号潜水器对东北太平洋Juan deFuca洋中脊Endeavour段热液喷口热通通量进行了测量，并利用温度传感器阵列获得了热液喷口周边的温度场分布。

1993年12月，“鹦鹉螺”号潜水器对大洋中脊存在的表流进行了观察。

1994年，日本“深海6500”潜水器在东太平洋隆起南部进行了8次下潜，开展热液流场等方面的观察与研究。

三、深海载人潜水器的发展趋势
为满足勘探开发利用海洋资源的迫切需求，如何发展各型深海装备技术，更好发挥载人深潜器的作用，是我们必须要思考和解决的重大课题。

对于载人深潜器的未来发展趋势，应立足于应用性，兼顾经济性与舒适性等要求。

在载人深潜器研制中，应根据其功能和使命的要求，提供性能更高、经济性更好的载人装备。

从这个角度出发，载人潜水器的应用及发展，应重视如下几个方面。

（一）面向科学应用，形成作业能力
以科学作业为主要目的的载人潜水器，其任务是进行海洋探查和资源开发。

对于该类载人深潜器，除了对可靠性、安全性提出更高要求外，还有一个突出要求，作业能力。

以美国为例，至今“阿尔文”号载人潜水器已累计完成5000次以上的下潜作业，为深海研究工作做出了巨大贡献。

为了保持在深海研究领域中处于领先地位，美国在这方面开展了大量工作。

2004年，在美国国家科学基金会(NSF)的支持下，伍兹霍尔（Woods Hole）海洋研究所决定在现有“阿尔文”号基础上对其部分设备进行升级更新，并将新潜水器命名为“新阿尔文”号。

与“阿尔文”号相比，“新阿尔文”号具有下列特点：更大的下潜深度；更大的载人球，更好的舱内人－机－环设计；电池的功率更大；在指定的工作深度工作更长的时间；更好的观察视野，驾驶员和科学家的观察视野有重叠；更好的内部电子电路；更大的科学有效负载；更好的照明和成像系统；更强的推进马力（更好的操纵性）；更好的数据采集和仪器接口；更好的悬停作业能力。

（二）面向深海探险和观光，探索极限海底奥秘
伴随着深海技术的日益成熟，出现了另一种面向深海探险载人深潜器。

该类深潜器以满足人类对深海世界的好奇心为主要目的，其使用对象为一些探险家。

与前一类载人深潜器不同，该种潜水器以挑战极限为主要目标，因此对深度指标提出更高要求。

近期出现的“DEEPSEA CHALLENGE”号，“Deep Flight Challenger”号以及Triton 36000/3为该类潜器的代表。

2012年3月26日，美国著名导演卡梅隆驾驶研制的“深海挑战者（DEEPSEA CHALLENGE）”号抵达太平洋10898m深度的马里亚纳海沟，成为一名潜入极限海洋深处的探险家。

（三）构建深海装备体系，实现载人与无人装备之间相互支持和协同作业面对日益增多的潜水器以及日益完备的装备体系，如何协调好载人与无人潜器的关系，发挥载人与无人潜水器的各自优势，是亟待解决的问题。

在这一方面，应注重构建深海装备体系，实现载人和无人装备之间的相互支持、联合作业和协同工作，充分发挥综合技术体系的作用。

西方各国已在ROV、AUV和HOV等装备方面取得了十分显著的成果。

美国继续保持在海洋探测和深海矿产资源勘探、开发方面的领先地位；日本政府投入巨资建设了水面母船支持的多类型深海潜水器，其拥有的无人遥控潜器潜水深度达到11000m。

基于这些装备，日本和美国、法国联合对太平洋、大西洋进行了较大范围的海底资源和环境勘探。

美国、日本、俄罗斯、法国等发达国家目前已经拥有了从先进的水面支持母船，到深海（有的工作深度达11000m）遥控潜水器（ROV，ARV）、深海（6000m）自治机器人（AUV）、深海（6500m）载人潜水器（HOV）、600m 单人常压潜水服（ADS）、深海（6000m）可移动长期工作站和深海（6000m）资源开采机器人等完整的技术装备体系，实现了装备之间的相互支持、联合作业、安全救助，能够顺利完成水下调查、搜索、采样、维修、施工、救捞等使命任务，充分发挥了综合技术体系的作用。

（四）重视新技术及新装备的开发
深海高强度材料如陶瓷材料、水下高能量密度的能源、水下微细光缆技术以及通信导航等核心技术的进展，将极大提升深海装备研制能力和水平，如美国的下潜11000m的“海神号”混合型无人潜水器就采用了上述高新技术。

美国的载人潜水器Alvin(HOV)、无人自治潜水器ABE(AUV)、无人遥控潜
水器Jason（ROV）以及单人常压潜水服（ADS）等装备，在深海科学研究和资源勘查作业中以其技术先进性和高效率应用而著称。

有关研究机构在新型深海运载器如Sentry（AUV）、Nereus（HROV）等研发方面也是不遗余力。

除发展1000m以深科学探测和资源勘探开发的无人装备外，一些国家开始规划分阶段地进行居住型载人深海空间站的研究与建设，包括固定式海底观测系统和移动式载人平台。

美国在规划中也提出，应通过重视新技术及新装备的研发，确保其在深海运载器技术发展和应用方面继续保持领先地位。

四、“彩虹鱼”号万米级载人潜水器
（一）现有万米级载人潜水器概况
迄今为止，能够下潜到马里亚纳海沟的载人潜水器已经建造了4艘，分别是美国海军的“的里雅斯特”号，法国海军的“阿基米德”号，电影导演卡梅隆出资建造的“深海挑战者”号，英国维珍航空公司老板理查德·布兰森出资建造的“深海飞行式挑战者”号。

前2艘是上世纪五十年代建造的第一代无航行能力的载人潜水器，“阿基米德”号因为种种原因没有下到挑战者深渊，而是下到日本海沟的最深处，其深度记录是9500m。

“深海飞行式挑战者”号2011年建造成功后在海试过程中因为载人舱被大浪打坏，随后又重新建造新的载人舱，现在正开展海试，究竟能否下到挑战者深渊还有待观察。

目前国际上正在开展设计或研制的载人深渊器有美国DOER公司的“Deep Search”，美国Triton公司的“Triton 36000/3”，日本的“深海12000”。

“载人深渊器”是目前海洋领域最有标志性且影响重大的高科技项目。

（二）现有万米级载人潜水器存在的问题
虽然“的里雅斯特(Trieste)”号和“深海挑战者”号能够下潜到海洋最深处，但对于海洋科学家来说，这两类载人潜水器都没有多大用途，前者因为没有航行能力，下去一次呆在原地可能发现不了什么。

而后一种单人式的，则要求科学家同时具有驾驶员的能力，需要很长时间的培训才能使用。

它们未能在海底开展航行和作业活动，并且随着下潜深度的增加均出现了不同程度的技术故障。

为达到认识海洋、探索海底的目的，以现有技术制造的载人深潜器因需具备可航行作业、循环使用、安全可靠、性能稳定等要求，距离到达海底10911米，尚存在很大距离。

（三）“彩虹鱼”号载人深潜器的创新之处
“彩虹鱼”号载人深潜器是国际上首个作业型全海深载人潜水器，主要由载人舱、机电设备、外部设备、重量与浮力调节系统以及观察与作业模块5个部分构成，作为中枢的载人舱可乘坐一名驾驶员和两名科学家。

其中，“彩虹鱼”号载人潜水器除了水下摄像机、水下灯和部分电缆进口外，布放与回收系统、中继站系统、光纤缆、水面控制系统均实现100%国产化，潜水器本体系统国产化率达到95%。

其创新之处主要体现在以下几个方面：
1、在国际上首次突破3人作业型全深海载人潜水器的总体集成、总装制造和调试技术。

2、在国际上首次攻克了万米超大潜深超高强度钢耐压结构设计与密封技术，包括：超大潜深、大直径、大厚板球舱结构设计准则与安全评估体系；超高压环境下有机玻璃与金属材料接触面的非线性接触和变形协调分析、疲劳载荷谱与结。