潛水器是深海資源勘查和科學研究的基本運載工具，在未來的深海科學研究體系中將處于核心地位。潛水器分為載人和無人兩大類。在無人潛水器中，遙控式潛水器（ROV）可以進行大功率、長時間的水下工作；自治式潛水器（AUV）適合于大面積海底勘測，并提供準確、高質量的有效數據。

    載人潛水器（HOV）則可以運載科學家和工程技術人員安全抵達深海現場，充分利用人的感官，即眼、耳和身體感知深海環境，還可以操作機械手進行海底作業，具備其他類型潛水器沒有的優點。HOV、ROV 和 AUV 等可以充分利用先進的傳感器技術和遙控技術，發揮各自的特點和優勢，協同作業、開展深海科學研究。

    二十一世紀前后大深度載人潛水器發展迅速，現在世界約有 100 艘載人潛水器活躍于海底。大深度載人潛水器承受巨大的外壓，復雜水下環境對其耐壓殼體結構、生命支持、潛浮與應急拋載、導航通訊以及作業等系統都有著特殊要求。

    1    大深度載人潛水器研究進展

    代表當前國際水平的在役大深度載人潛水器主要有：美國的阿爾文（Alvin）號，法國的鸚鵡螺  （Nautile）  號  ,前蘇聯的和平（Mir）I、和平 II  號  ,日本的深海 6500（Shinkai 6500）號  以及中國的蛟龍號等。Shinkai 6500 號重量輕、尺寸小，具有靈活的操縱性和先進的觀測系統，保持了 20年來載人潛水器最大潛深的記錄。

    2012 年 6 月，太平洋的馬里亞納海溝見證了屬于中國人的深藍夢想--蛟龍號載人潛水器成功下潛 7062m,創造了世界同類作業型載人潛水器下潛深度之最；2012年 3 月，美國 Deepsea Challenger 重現了 50 年前人類到達馬里亞納海溝 10898m 的壯舉。目前許多國家都在進行大深度載人潛水器相關研制：美國已完成 New Alvin  6500 米載人潛水器的設計、制造和試驗，并投入使用；日本計劃開展 12000 米潛深、6 人座深海載人潛水器 Shinkai  12000 的研制，預計 2025 年完成研發；國內 4500 米載人潛水器已完成初步設計，進入詳細設計階段，其載人艙球殼已完成建造和試驗。

    （1）New Alvin 號載人潛水器

    2004 年，美國伍茲霍爾海洋研究所（WHOI）提出了建造 6500 米級載人潛水器 New Alvin,以取代現役 Alvin 號潛水器（如圖 1 所示）的建議，分別從最大潛深、耐壓殼體、浮力材料、可變壓載、推進系統、能量供給、安全措施、研究設備等方面進行了探討和設計。它與現役的 Alvin 號相比具有更大的球殼內部容積、更舒適的內部環境、更大的觀察窗視野，使用更先進的導航設備和圖象采集顯示系統，而且具有更高的機動性、更大的上浮和下潛速度，其特性對比參數見表。

    （2）4500 米級  HOV

    4500 米級載人潛水器如圖 2 所示，是我國 863 計劃支持的海洋技術領域的項目，由蛟龍號研發團隊承擔研制任務。其耐壓球殼內直徑 2.1m,殼體材料為高強度鈦合金，具有 5 個觀察窗，數量與 NewAlvin 相同。該潛水器全面應用國產化技術和裝備，在鈦合金載人艙球殼設計、材料及工藝、低噪聲一體化磁耦合電動推進器、充油耐壓鋰電池組及超高壓海水泵等一系列關鍵技術上攻關，預計于 2017 年投入應用。

    （2）Deepsea Challenger 號載人潛水器

    深海挑戰者（Deepsea Challenger）號是一艘由加拿大導演詹姆斯·卡梅隆帶領澳大利亞工程師團隊及其電影制作團隊打造的全海深載人潛水器，如圖 3 所示。其耐壓球殼內直徑為 1092.2mm,壁厚達到63.5mm,設有一個觀察窗。該潛水器除了配置沉積物取樣設備、機械抓手和一臺專門用于捕捉小型海底生物的設備外，還攜帶測量海水溫度、鹽度和壓強的各種儀器、高清晰度立體攝像機和龐大的照明陣列，用于全程 3D 攝像。Deepsea  Challenger 的外形像一顆垂直的魚雷，采用鋰離子電池提供動力，配備 12 只推進器，采用"直上直下"的方式上浮、下潛，大約需要兩小時到達海底。通過釋放鋼丸，減輕潛水器重量，以減緩下降速度。

    2012 年 3 月 26 日，詹姆斯·卡梅隆乘坐 Deepsea Challenger 成功下潛至馬里亞納海溝底部，最大下潛深度為 10898m,在海底逗留 3 小時左右，創造了單人下潛深度的世界記錄。現在，卡梅隆將 DeepseaChallenger 捐獻給美國的伍茲霍爾海洋研究所，用于海洋研究。

    （3）Shinkai 12000 號載人潛水器

    2015年2月，日本海洋科技中心（JAMSTEC）提出了世界上潛水最深的新型載人潛水器深海12000（Shinkai 12000）號（如圖4所示）的構想方案，預期在資源探測以及深海生物調查方面發揮積極作用。

    該潛水器外部的機械探測臂頂端將安裝傳感器。超高精度的相機、高性能燃料電池、浮力材料等多項新技術有望得到應用。潛水器內還會配備有休息空間，能保證6人潛航2天，預計2025年完成研發。

    日本目前在役的 Shinkai  6500 可潛至水下 6500m,載人球殼材料為鈦合金，僅有較小的觀察窗，這不利于科學家對海底環境的勘察和機械手操作。為改善這些現狀，Shinkai 12000 將使用直徑約 2m、厚約 5 至 10cm 的強化玻璃球殼，可以大幅度改善觀察范圍、提高操作以及調查的效率。此外，玻璃表面上的極小傷痕都有可能導致潛水器損壞，因此如何確保強度等將成為研發的關鍵。

    2  大深度載人潛水器耐壓殼體材料的選用

    耐壓殼體材料的選用與潛水器的先進性和可靠性密切相關。可選用的材料有高強度鋼、鈦合金、高強度鋁合金、復合材料、陶瓷材料、透明玻璃等。高強度鋼的比強度高、價格適中，但其密度較大，造成整體重量偏重，影響大深度載人深潛器重量及浮力的控制。鈦合金相對較輕（重量只有鋼的 60%）、強度高（可達到 1000MPa 以上）、低磁性、耐化學腐蝕、表面易產生堅固的純態氧化膜，具有較好的機械性能。

    鋁合金重量輕、有較高的強度，但是可焊接性能差、應力腐蝕敏感。陶瓷是一種應用于水下耐壓罐的新型耐壓材料，有較高的強度與重量比，具有耐腐蝕、耐磨損、耐高溫和密度低的優點，但陶瓷固有的脆性使其應用范圍受到很大的限制。透明玻璃材料具有耐腐蝕、重量輕、透光性好等優勢，且具有電磁惰性，可為載人潛水器駕駛員提供優越的水下視野，但建造工藝流程難以控制。

    觀察型載人潛水器 Deep  Flight  I（作業深度為 1000m）耐壓殼體材料采用高強度的玻璃纖維/環氧樹脂復合材料，大幅降低了潛水器的重量；Deep Flight II 的耐壓殼體選用新型陶瓷材料  .

    值得注意的是，全海深作業型混合式遙控潛水器海神（Nereus）號的殼體材料亦為陶瓷材料，該潛水器曾在 2009年 5  月成功下潛至馬里亞納海溝 10902m  的海底，但于 2014 年 5 月丟失在新西蘭東北的克馬德克海溝 9990m 的深度，有專家分析可能是陶瓷材料的耐壓殼體出了問題。這種材料在使用壽命期間的性能變化還需進一步探索  .

    美國 Ocean Gate 公司正在研制的 3000 米潛深 Cyclops 2 和 Triton 公司的 11000米潛深 Triton 36000/3 載人潛水器均計劃采用透明玻璃作為耐壓殼體材料。

    選用大深度載人潛水器殼體材料時，不僅要考慮材料的比強度、比剛度，同時還要考慮耐腐蝕性能、制造性能、焊接性能、與材料適應的結構形式、經濟性等。與其他材料相比，鈦合金具有明顯的優勢，被譽為"海洋金屬"  .盡管鈦合金加工焊接要求高、造價相對較高，但仍然是大深度載人潛水器耐壓殼體的首選材料。載人潛水器耐壓殼體材料的選用經歷了從高強度鋼向鈦合金的發展歷程，美國的阿爾文號載人潛水器采用鈦合金替代HY-100鋼后，其作業深度從1800m增加到4500m,而且重量-排水量比還有下降。從表2可以看到，大部分大深度載人潛水器為鈦合金制造。隨著鈦合金機械性能的進一步完善、加工工藝的改進和費用的降低，鈦合金較其它材料的優勢將更加明顯。

    3  大深度載人潛水器耐壓殼體的結構形式

    載人潛水器的耐壓殼體是浮力的主要提供者，它的重量約占整個潛水器系統的 1/5~1/4.在耐壓殼結構設計中，要考慮工作深度、水動力特性、內部和外部布置、材料的可獲得性、成本及制造工藝等因素。常見的結構形式有圓柱形、球形、橢球形以及它們的組合形式。目前國際上對于不足 800m 水深的耐壓殼體一般選用圓柱形，超過 800m 水深的耐壓殼體則選用球形或組合形式；軍用潛水器一般選用圓柱形，將圓柱形殼體平行連接，組合成一個整體，以充分利用其寬度優勢。用于深海研究的潛水器則采用在結構有效系數上具有明顯優勢的球形耐壓殼體。一些深海下潛裝備將球體串聯起來增加其內部容積  .綜合考慮重量-排水量比值和空間利用率，出現了藕節形耐壓殼體，

    Ross 提出了一種新的耐壓殼體結構型式--褶皺型耐壓殼體，在相同的重量和排水體積下，這種耐壓殼體比傳統加筋耐壓殼體更有效。張建根據仿生學原理提出了另一種新型的殼體形式--蛋殼形耐壓殼體。這種殼體具有連續變化的厚度  ,在強度、穩定性、浮力儲備和空間利用率方面均優于球形殼體，并且對初始缺陷不敏感，便于殼體的加工、開口等。

    與相同質量的其他復雜結構相比，球殼具有容重比高、承載能力強的特點；外表面受力均勻，有相同的周向和徑向應力值，薄膜應力僅為圓柱殼體的一半，且結構簡單，已成為大深度潛水器耐壓殼體的首選。

    國內外現有4500米潛深及以上的載人潛水器均為球形殼體，對這些耐壓球殼的設計特性進行統計，包括工作深度、載人球內徑、壁厚、觀察窗透光直徑和數量、觀察視野等，如表 2 所示。

    我國相關研制單位現已經具備制造高強度鈦合金球形耐壓球殼的能力，表 3 列出了國內外部分大深度載人潛水器鈦合金板材尺寸、成型工藝及材料特性。

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責任編輯：周婭

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