深海载人潜水器技术的发展现状与趋势
崔维成，胡震，叶聪，潘彬彬
(中国船舶科学研究中心，江苏 无锡，214082)
摘要：2010年，“蛟龙号”载人潜水器的3 000 m级海上试验取得圆满成功，使中国成为世界上第5个掌握3 500 m以上载人深潜技术的国家，这一技术成就入选“2010年中国十大科技进展新闻”，同时，也使全国人民对载人深潜技术的兴趣大为增加。结合“蛟龙号”载人潜水器的研制经历，简要介绍载人潜水器的发展历史，重点介绍载人潜水器的技术发展现状，“蛟龙号” 载人潜水器的技术水平，最后，对载人潜水器技术的未来发展趋势作出展望。
关键词：载人潜水器；海上试验；技术现状；发展趋势
中图分类号：U674.941 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)S2-0013-08
Current status and future trends for deep manned submersibles
CUI Wei-cheng, HU Zhen, YE Cong, PAN Bin-bin
(China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China)
Abstract: In 2010, “JIAOLONG” submersible has been successfully finished the 3 000 m class sea trials test. This makes China be the fifth country who grasps the deep diving technology more than 3 500 m in depth. This achievement has been entered into “The Ten Scientific and Technological Progresses in 2010 in China”. This arouses the interest to the deep sea technology of the ordinary Chinese people. In conjunction with the development experience of the authors，the development history of the manned submersible is first briefly introduced. The main focus of the paper is dedicated to the introduction of the current status of technology and the comparison of the technological status of “JIAOLONG” deep manned submersible with the latest. Finally, attempts are made to point out the future development trends for the deep manned submersibles. It is expected that this paper can answer some of the public curiosity and have some reference value to those who engaged in this research field.
Key words: manned submersible; sea trials; current status of technology; future trends
“可上九天揽月，可下五洋捉鳖”是中华民族五千多年的梦想。就在嫦娥二号探月卫星飞天之前月余，我国首台7 000 m深海载人潜水器“蛟龙”号下潜到了3 759 m的海底，并完成了海底取样、海底微地形地貌探测等任务[1]。“蛟龙号”载人潜水器3 000 m级海上试验取得圆满成功，使中国成为世界上第5个掌握3 500 m以上载人深潜技术的国家，实现了中华民族“可下五洋捉鳖”的长久梦想，这一技术成就入选“2010年中国十大科技进展新闻”，同时，也使全国人民对载人深潜技术的兴趣大为增加。
本文作者从2002年起参加了“蛟龙号”载人潜水器的研制，亲身经历了攻克载人深潜技术的过 程[2-7]。本文结合“蛟龙号”载人潜水器的研制经历，首先简要介绍载人潜水器的基本概念和发展历史，然后重点介绍载人潜水器的技术发展现状和“蛟龙号”载人潜水器的技术水平，最后，对载人潜水器技术的未来发展趋势作出展望。对希望从事这一领域研究的科研技术人员起到一定的指导作用。
1 载人潜水器的基本概念和简要发展历史
深海潜水器作为海洋探查和资源开发利用不可或缺的手段，同时也是制约“开拓深海和大洋”的瓶颈，其技术水平在一定程度上标志着国家海洋资源勘探开发甚至海洋权益维护能力和科技水平，发展该项技术不仅对国民经济和社会发展以及国家军事安全有极为重大的意义，还对未来的海洋空间利用、海洋旅游业、深海打捞、救生等有着不可估量的价值和战略意义。
目前，深海潜水器技术领域主要包括载人潜水器(Human occupied vehicle，简称HOV)，遥控潜水器(Remotely operated vehicle，简称ROV)和自治式潜水器(Autonomous underwater vehicle，简称AUV) 3种类型。这3种类型的潜水器，从使用角度来讲，各具特征。AUV可实施长距离、大范围的搜索和探测，不受海面风浪的影响；ROV可将人的眼睛和手“延伸”到ROV所到之处，信息传输实时、可以长时间在水下定点作业；HOV可以使人亲临现场进行观察和作业，其精细作业能力和作业范围优于ROV。根据目前的技术水平，3种不同的潜水器各有使命，互相不能替代，特别是无人潜水器还替代不了人在现场的主观能动作用。因此，载人潜水器的发展仍然受到发达国家的高度重视，被称为“海洋学研究领域的重要基石”[8-9]。
一支优秀的水下科研或者工程队伍，往往需要配备多种潜水器，依靠他们之间的相互配合，优势互补，才能完成各项水下作业任务。往往是先通过AUV进行大范围的目标搜索，然后通过载人潜水器进行短时间，小功率的作业，或者通过ROV来进行长时间、大功率的作业。
有关潜水器的早期发展历史在朱继懋教授主编的《潜水器设计》[10]一书中有详细介绍(第1章)，在此不作重复，这里只介绍人类挑战极限海深。
载人潜水器是最早出现的潜水器。人类为了满足了解深海的欲望，采用深水球和浮力舱相结合的方式逐步进入深海。这种无航行和作业能力的潜水器的最杰出代表是美国的“曲斯特I”号。1960年1月23日，由美国人唐·华尔什和深潜器发明者的儿子丁·毕卡第乘坐“曲斯特I”号，在太平洋马里亚纳海沟下潜到深度为10 916 m(海沟最深点为11 034 m)，夺得了下潜深度的冠军，创造了人类进入深海大洋的辉煌，这一深度也被称作为太平洋挑战者深度。2010年是人类进入深海50周年，美国进行了隆重的纪念活动，很多当事人撰写了回忆性论文，透露了当年先驱者们是如何在科学、技术和冒险精神(Science, technology and the spirit of adventure)的驱动下完成这一人类壮举的[11]。
这种类型的大深度载人潜水器，由于它有很大的浮力舱，又要在海上装载大量的汽油，所以建造与使用均很不方便，而且它在水面和深水的操纵都很困难，活动范围亦非常有限。基于上述原因，此类深潜器以后就没有发展，人们将视线转向自由自航式潜水器。
如果把带浮力舱的深潜器作为第1代载人潜水器的话，那么从20世纪50年代末到60年代中期得到迅猛发展的自由自航式潜水器就可以作为第2代载人潜水器。我们现在所说的载人潜水器，一般均指第2代载人潜水器。自由自航是十分重要的发展，就是说，它不需要其他水面舰艇或其他潜器的帮助便能够在水下自由地航行和运动，既可以自由地上浮，也能够自由地下潜，还可以左右前后地进行水平运动。第一艘自由自航式潜水器名字叫潜碟(Diving Saucer)，后改叫SP-350，是在1959年下水的，可以下潜到305 m，质量不到4 t。它的诞生标志着第2代载人潜水器的正式发展。深潜器的发展以及“长尾鲨”号核潜艇的失事，使人们把注意力集中到海洋，使人们认识到，对于海洋人类了解得是多么肤浅。其次也使人类有了一个新的科学目标，知道了我们应该去做点什么。因此，从20世纪60年代中期，载人潜水器的发展非常迅速，差不多每年就增加10艘左右的潜水器。
人类利用第2代深海载人潜水器征服海洋已经走过了50年的历程，下潜深度从几十米到6 500 m，特别是法国、前苏联、日本、美国等均已经研制成功当前世界仅有的五艘6 000 m级深海载人潜水器。这些装备到达的范围遍及大陆坡、2 000~4 000 m深的海山、火山口、洋脊以及6 000 m的洋底，充分发挥了科学家在现场的主观能动性和创造力，在地质、沉积物、生物、地球化学和地球物理等方面获得了大量的重要发现。有关第2代载人潜水器的详细发展史可以阅读文献[12]。
2 载人潜水器技术的发展现状
根据深潜第一人唐·华尔什的估计，从20世纪60年代以来，全世界共建造了200多条载人潜水器[13]。但代表当前国际水平的大深度载人潜水器也就是法国的“鹦鹉螺”(Nautile)号[14]、前苏联的“和平I号”(MIR)和“和平II号”[15-16]、日本的“深海6500”( SHINKAI 6500)[17-18]以及美国的“阿尔文”号(ALVIN)[12]。在前苏联的后期，据说还建造了2艘钛合金载人球的“俄罗斯”(RUS)号和“领事”(CONSUL)号[19]。因此，下面先对这7条载人潜水器的基本概况作一介绍，然后从各分系统涉及到的技术角度来介绍当前的国际技术水平。
美国早在1961年就开始深海载人潜水器论证工作[12]。1964年，研制成功了工作深度为1 829 m的“阿尔文”号深海载人潜水器。在1966年，配合CURV无人遥控潜水器，打捞出美战略轰炸机失落的一颗氢弹，其影响极大。1968年在吊放时沉没，1969年捞起。在1974年，“阿尔文”号经改装后，采用钛合金载人球壳，工作深度逐渐增至为4 500 m，已进行过4 600多次深海科学考察。1968年美国还建造了28 t的6 000 m潜深的“海崖(Seacliff)”号深海载人潜水器，现已退役。
法国在1985年研制成工作水深为6 000 m的“鹦鹉螺”(Nautile)号载人潜水器[14]。质量为18.5 t，可载3人，水下作业时间5 h，装有2只分别为6自由度和5自由度的机械手以及用作工具箱样品库的能收起的采样篮，并有水质取样器、沉积物取芯器、岩石取芯器、真空取样器、温度测定器、液压锤和其他切割工具等，可以进行多种海底样品的采集和其他复杂的作业任务，还能随时获得潜水器所处的精确位置。它具有质量轻、上浮/下潜速度快、能侧向移动、观察视野好、可携带一个小型ROV等特点。已完成过多金属结核区域、海沟、深海海底生态等调查和沉船、有害废料等搜索任务，至今已下潜过1 000余次。
日本在1981年建成的潜深为2 000 m的载人潜水器样机基础上，于1989年建成了潜深为6 500 m的“深海(Shinkai) 6500”载人潜水器[17]。质量为26 t，水下作业时间8 h，装有三维水声成像等先进的研究观察装置。可旋转的采样篮使得操作人员可以在2个观察窗的任何一个进行取样作业，这是其他载人潜水器所无法做到的。它已对锰结核、热液矿床、钴结壳和水深达6 500 m的海洋斜坡和大断层进行了调查，并从地球物理角度对日本岛礁沿线所出现的地壳运动以及地震、海啸等进行了研究，还在4 000余m深海处发现了古鲸遗骨及其寄生的贻贝类、虾类等典型生物群。自投入使用以来已下潜了1 000余次。
前苏联和芬兰于1987年联合研制了2艘6 000 m载人潜水器“和平1号”和“和平2”号[15-16]。质量各为19 t。它们是仅有的2艘用马氏体Ni钢来制造载人球壳的潜水器，其Fe-Ni电池所供的总能量为美国“海涯(Seacliff)”号和法国“鹦鹉螺”号的2倍，水下总时间长达17~20 h，水下瞬时航速高达5节，潜水器垂直潜浮速度可从每分钟几厘米到每分钟35~40 m，并备有高分辨率的主体摄像系统；配有两只多自由度机械手及一套取样装置，还带有12套检测深海环境参数和海底地形地貌的科学研究设备。30年来，它在太平洋、印度洋、大西洋和北极海进行了上千次的科学技术考察，包括对海底热液硫化物矿床、深海生物及浮游生物的调查和取样；大洋中脊水温场的测量；俄罗斯失事核潜艇“共青团员”号核辐射的检测和泰坦尼克(Titanic)号沉船的水下摄影等。在2007年8月2日由2艘“和平”号载人潜水器联合完成的俄罗斯“北极－2007”海洋科学考察，又使得这2艘载人潜水器引起世人瞩目，并由此正式引发了国际社会在北极的利益之争。
在20世纪90年代中期，俄罗斯在载人潜水器技术的发展方面一直处于领先地位，到20世纪90年代后期又研制成新的6 000 m载人潜水器“俄罗斯”号。世界技术评估中心认为该艘潜水器具有先进的自动驾驶系统，能自动接收导航系统提供的参数，沿设定路径自主航行，它的特点是耐压球壳内空间大、潜水器的机动性好、具有动态载荷调整能力。为了能供海底勘查用，后来又建造一艘这种性能的6 000 m载人潜水器，取名为“领事”号，这2艘潜水器是用高强度钛合金来建造载人球壳的。2002年10月，本文第一作者去俄罗斯访问时，见到过“领事”号，因为缺乏经费，只完成大约80%的建造工作，据当时陪同我们参观的俄方人员介绍，“俄罗斯”号已经交付海军使用。但迄今为止，没有这2艘载人潜水器投入使用的任何报 道，也无法知道它们的真实技术水平。
从技术角度来说，最为核心的就是总体设计和集成的问题，潜水器究竟配备什么部件，这些部件是什么样子的，所有这些部件怎么布置才能变成一个功能协调的潜水器，潜水器在航行和作业时的性能怎么样等。其次，就是这些设备的加工制造，如载人球、浮力材料、动力源、电机、泵、阀等。从功能角度来说，载人潜水器可以划分为12个分系统：总体性能与总布置、载体结构、舾装、压载与纵倾调节、推进、电力与配电、观察、液压与作业、生命支持、潜浮与应急抛载、控制和声学。下面对这些技术的现状进行描述。
从设计方法来说，20世纪80年代研制的几台载人潜水器均是基于经验性设计的，现在的技术发展趋势是基于多学科设计优化理论来进行各系统和性能之间的平衡。我国在“蛟龙号” 载人潜水器研制时也主要是采用基于经验性的设计方法，但开始探索基于多学科设计优化理论的设计方法[20-24]，建立了多学科的优化分析模型[25-26]。另外，为了解决各系统之间的接口问题，在总结过去设计经验的基础上，进一步完善了四要素法[27]。在总体性能方面，潜水器设计过程中也需要解决一系列的水动力学问题[28]。设计方法的另一个发展就是采用基于风险分析的设计理念，这在美国的“新阿尔文”项目上开始应用[8]。
结构系统按承载方式可分为耐压结构和非耐压结构。耐压结构提供密闭常压腔体，其关键部件是为乘员和仪器设备提供常压空间载人球。此外，耐压结构还包括五只小直径耐压罐、一只可调压载水舱和一只高压气罐等。非耐压结构由框架结构和外部结构组成。框架结构，可分为主框架和辅助框架。它既为潜水器内部各类耐压结构和仪器设备等提供安装基础，又为外部结构中的浮力块、轻外壳、稳定翼和外部设备提供支撑，而且还是潜水器吊放、回收、母船系固和坐底时的主要承载结构，是各类设备总装集成的载体。外部结构主要有浮力块、轻外壳、稳定翼、压载水箱等。浮力块一方面为潜水器提供水下浮力，同时也形成潜水器的外部线型。轻外壳提供部分流线型的外形，保护内部设备免受外物碰撞；稳定翼用于提高潜水器的稳定性和水动力性能。压载水箱主要用于潜水器浮出水面时提供浮力，以保证潜水器的干舷高度。
载人球的设计和建造均是难点。从设计来说，尽管很多船级社均有设计标准，但互相之间差别很 大[29]。对于载人球极限承载能力的预报方法，船级社之间也没有统一[30]，我们在大量有限元分析的基础上给出了一组新的载人球极限承载能力的预报公式[31]，它能很好地与有限元分析结果吻合。以此为基础，提出了一套新的设计标准，已经提供给中国船级社作为设计标准更新的依据[32]。在载人球设计过程中，观察窗的变形协调[33-35]、疲劳载荷谱的确定[36]、疲劳寿命可靠性分析[37]、多目标的优化设计[38]等，均是需要解决的技术问题。在满足安全性的前提下，载人球设计优劣的评价主要就是观察窗的数量和它们之间视野的覆盖程度。最先进的载人球设计当数美国的“新阿尔文”号[8]。它由5个观察窗，科学家和主驾驶员有较多的视野覆盖面，有利于科学家指挥主驾驶员进行作 业。
载人球的制造有3种思路：无焊接、半球焊接和瓜瓣焊接。无焊接工艺：采用铸造制成2个半球，然后机加工成型，再采用螺栓连接。俄罗斯的“和平”号2个载人潜水器就采用这种工艺，主要是担心焊接质量不过关[16]。半球成型工艺：采用大规格厚板直接冲压成型半球，再采用电子束焊接2个半球赤道环缝。如日本的“深海6500”[17]和美国制造的钛合金球壳均采用该工艺[8]。分瓣成型工艺：将每个半球分为7瓣，每个球瓣分别成型后，采用窄间隙焊接将7个瓣组焊成半球，再焊接两个半球的赤道环缝。如俄罗斯制造的钛合金球壳就采用该工艺，包括“俄罗斯”号、“领事”号和“蛟龙号”[4]。第3种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。目前我国也只能采用第3种工艺。如果焊接质量过关，则载人球的安全性是一样的。
框架，又可分为主框架和辅助框架。它既为潜水器内部各类耐压结构和仪器设备等提供安装基础，又为外部结构中的浮力块、轻外壳、稳定翼和外部设备提供支撑，而且还是潜水器吊放、回收、母船系固和坐底时的主要承载结构，是各类设备总装集成的载体。无论从设计还是加工角度，框架结构没有难度，但设计得好，对潜水器的可维性以及使用安全性均有十分重要的作用。在“蛟龙号”载人潜水器研制过程中，我们也对框架结构进行了优化设计[39]，并且进行了2倍自重载荷下的应变测量试验，用于评估框架结构的安全性[40]。
为了使载人潜水器在海水中实现均衡，需要使用浮力材料。浮力材料的先进性是用给定承压能力的条件下它的密度和吸水率来表示的，密度和吸水率越低越好。目前在潜水器上使用的浮力材料有两种类型，一种是玻璃微珠掺杂环氧树脂制成的可机加工型浮力材料，这种能承受7 000 m高压的浮力材料的最先进水平的密度为481 kg/m3，但美国允许出口我国的浮力材料的密度是561 kg/m3。另一种是陶瓷球[41-42]，这种浮力材料的密度更小，全海深的密度只有340 kg/m3，但它只在无人潜水器上使用过。为了减轻“蛟龙号”载人潜水器的质量，浮力块一方面为潜水器提供水下浮力，同时也形成潜水器的外部线型。这样，对浮力块的设计和加工提出了很高的要求，这些技术难点在我国已经解决[43]。轻外壳提供部分流线型的外形，保护内部设备免受外物碰撞[44]；稳定翼用于提高潜水器的稳定性和水动力性能。压载水箱主要用于潜水器浮出水面时提供浮力。为了节省能源，载人潜水器一般采用无动力上浮下潜的方式，与国外的螺旋形轨迹不同，“蛟龙号”载人潜水器是直上直下的稳定运动[45]。如何分析潜水器在坐底时的受力状况，设计出合适的坐底支架是一个实用性的问题，文献[46]对此问题也有研究。
动力源对载人潜水器来说是十分重要的，早期用铅酸电池，后来改用能量密度更高的银锌电池，未来的发展趋势是锂离子电池[47]。
水下电机、高压海水泵、一体化推力器是几个重要的设备，这些设备在陆上是相当成熟的技术，到了水下要求体积小、质量轻、耐海水高压和腐蚀，就变得比较困难。目前这3个设备的国产化基本实现，对于水下电机来说，发展方向是提高功率；对于高压海水泵的主要发展方向是提高流量，如果有大流量的高压海水泵，则可以把纵倾调节用的水银取消，甚至也不需要用固定压载，载人潜水器可以在任何深度实现均衡。对于一体化推力器来说，发展方向是降低噪声，目前我国自行研制的一体化推力器的噪声水平已经明显地低于美国Technadyne公司的产品。
潜水器的水动力特性和自动控制相结合就构成了载人潜水器的控制系统，在“蛟龙号”载人潜水器上，马岭等[48-52]探索了多种不同的控制方法。对于载人潜水器的导航与定位能力来说，比较先进的是同时具备超短基线和长基线两种功能，对于水声通信来说，最先进的是能同时传输语音、文字、图像，目前我国的“蛟龙号”载人潜水器在水声通信和定位能力方面已处于国际先进水平。
应急抛载和生命支持系统从技术上来说，没有特别的困难，但必须要求非常可靠。从应用角度来说，观察、照明和摄像的质量非常关键，也是衡量一个载人潜水器作业能力的重要方面，目前美国的“新阿尔文”和俄罗斯的“和平”号处于比较领先的水平，“蛟龙号”载人潜水器也在努力朝这个方向改进。
3 “蛟龙号” 载人潜水器的技术突破及与国际先进水平的比较
在国际上，除美国的“阿尔文”是20世纪60年代开发的外，其他3个国家的大深度载人潜水器均是80年代后期的产品。反映当代最先进技术的当数美国目前正在研制的6 500 m级别的“新阿尔文”。美国在论证时对应用科学家作了一个调研，提出了如下衡量载人潜水器技术先进性的指标[8]：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；在工作深度更长的工作时间；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。
如果把我们的“蛟龙号”载人潜水器与美国的“新阿尔文”相比，在下潜深度方面，我们比他们还深500 m，两个载人球的内径是一样的，配备的电池功率略大于“新阿尔文”。在水下工作时间均已达到载人潜水器的极限，能够携带的科学有效负载也相当，操纵性能和悬停作业能力相近。“蛟龙号”改进后的照明和成像系统接近“新阿尔文”。在基于大量应用经验的基础上，“新阿尔文”在载人舱观察窗设计、舱内人－机－环设计、数据采集和仪器接口设计方面更加优秀。“蛟龙号”的自动驾驶水平、水声通信功能要略胜一筹，特别是“蛟龙号”水声通信传输图像的能力和微地形地貌的探测能力是“新阿尔文”所不具备的。
尽管“新阿尔文”目标艇设计采用的技术在有些方面比目前的“蛟龙号”要高，但他们由于受到经费的制约，要分两个阶段才能全部实现。在第1阶段他们只更新载人球及舱内设计，更新指挥控制系统，更新录像系统，增加有效负载，但其他设备均用老“阿尔文”的，因此，最大下潜深度仍只有4 500 m。第1阶段预计到2011年11月底完成。第2阶段再采用锂离子电池，新的推进系统，改进的压载系统以及把其它设备均升级到6 500 m，第2阶段最早要到2015年才能实现。因此，从总体上来说，目前的“蛟龙号”的技术水平高于第1阶段的4 500 m级的“新阿尔文”的水平。
4 载人潜水器技术的未来发展趋势
有人在潜水器内的作用是无人潜水器所无法替代的，这是一种最有效的深海取样和测绘平台。为了保持美国在深海研究领域中处于领先地位，美国海洋领域的科学家认为，在21世纪必须建立一支包括载人潜水器在内的潜水器“联队”，并对此进行了具体规划。2000年，美国成立一个由海洋工作者、教育家和科学家组成的领导小组，统一制定了发展国家海洋资源勘查的战略决策。同年6月，经过反复论证，伍兹霍尔(Woods Hole)海洋研究所建议美国建造一艘新型的 6 500 m载人潜水器——“新阿尔文”号，与“阿尔文”和“海涯(Sea cliff)”号相比，“新阿尔文”号载人潜水器具有较大的载人球壳内部容积，舒适的内部环境，很大的观察窗视野，同时提高了潜水器的机动性，加大了上浮和下潜的速度，使用了先进的导航设备和图像采集显示系统[37]。
日本认为，未来在深海进行研究的需要与日俱增。仅靠目前几个在用的潜水器，无论从数量上还是质量上都无法满足日益增长的研究的需要。在研究未来载人潜水器时，不应忽视无人潜水器的作用，但是，人仍然是重要的。在自然科学研究领域，当人原地下潜至深海环境时，他完全利用“人的传感器”，人的存在将继续成为开阔思维、形成革新的知识与假设、建立使用无人潜器有效操作程序的一个重要因素。可以认为，在未来开发与使用深海科研系统时，载人深潜器将是主要的工具和中央部件。日本深海技术协会的一个“特色委员会”结合日本未来深海科研的需要，提出了一个有5个不同最大作业深度和最大巡航时间的载人潜水器计划[53]：11 000 m全海深级别、6 500 m级别、4 000 m级别、2 000 m级别和500 m级别。其中，11 000 m全海深级别是一个纯粹的载人潜水器，6 500 m级和4 000 m级本身带机械手可以作业外，也能作为一个水下空间站操控小型无人潜水器进行作业。 2 000 m级和500 m级则完全是一个水下空间站，主要靠操控无人潜水器进行作业。因此，日本的发展思路是建立全海深系列，不同的深度用不同的潜水器；其次，是由单纯的载人潜水器发展成深海空间站，把载人潜水器和无人潜水器的协同作业统一于一体，同时，还可以减少对水面支持母船的依赖。
印度认为[54]，载人潜水器比遥控潜水器具有更多的优点，印度国家海洋技术研究所(NIOT)在2009年正式立项研制一台4 000 m级的载人潜水器，从而也使他们挤入目前只有美俄日法组成的俱乐部。NIOT将邀请国际上的有关制造公司一起参与研制，计划用4~5年完成。
美国在“新阿尔文”载人潜水器的研制上，一直遵循着以实用性和经济性为主的指导思想[8]。在将新潜水器的最大工作深度定为6 500 m，满足大深度作业要求的同时，时刻不忘经济性目标，降低运营成本。
作为载人潜水器技术的未来发展趋势，主要是在经济性、舒适性和环保性上来体现。如何大幅度降低使用成本，使其与无人潜水器具有可比性[55]；如何把进舱的设备小型化，让舱内人员更舒适[56]；这两个要求需要对载人潜水器的设计理念作一些革命性的变革。至于环保的考虑，主要是指不用水银作为纵倾调节的介质和应急安全的抛弃手段，如有条件，甚至不用压载铁作为无动力上浮下潜的手段。这两个要求主要取决于大流量高压海水泵的技术，美国的“新阿尔文”潜水器在设计之初曾有打算，但终因技术难度大，研制经费缺乏而放弃，但它毕竟是一个技术发展方向而应该得到重视。
5 总结
深海资源开发和利用、深海科学研究必须依靠潜水器，在3种类型的潜水器中，载人潜水器可以使人亲临现场进行观察和作业，其精细作业能力和作业范围优于无人潜水器。因此，载人潜水器的发展仍然受到发达国家的高度重视，被称为“海洋学研究领域的重要基石”。
本文作者结合“蛟龙号”载人潜水器的研制经历，简要介绍了载人潜水器的发展历史，重点介绍了国内外载人潜水器的技术发展现状，我国研制的“蛟龙号” 载人潜水器的技术水平。最后，对载人潜水器技术的未来发展趋势也作出了展望。
参考文献：
[1] 刘峰, 崔维成, 李向阳. 中国首台深海载人潜水器—蛟龙号[J]. 中国科学: 地球科学, 2010, 40(12): 1617-1620.
LIU Feng, CUI Wei-cheng, LI Xiang-yang. Jiaolong—the first deep manned submersible of China[J]. China Sciences: Earth Sciences, 2010, 40(12): 1617-1620.
[2] CUI Wei-cheng, XU Qi-nan, LIU Tao, et al. Introduction to the development of a 7 000 m manned submersible[C]//Proceedings of Post-Symposium Workshop of Underwater Technology. Shanghai, 2007.
[3] 崔维成, 徐芑南, 刘 涛, 等. 7 000米载人潜水器研发简介[J]. 上海造船, 2008(73): 14-17.
CUI Wei-cheng, XU Qi-nan, LIU tao, et al. Brief introduction of the investigation of a 7000 meter rating manned submersible[J]. Shipbuilding of Shanghai, 2008(73): 14-17.
[4] 崔维成, 徐芑南, 刘涛, 等. “和谐”号载人深潜器的研制[J]. 舰船科学技术, 2008, 30(1): 17-25.
CUI Wei-cheng, XU Qi-nan, LIU tao, et al. Development of manned submersible—Harmony[J]. Naval Science and Technology, 2008, 30(1): 17-25.
[5] LIU Feng, CUI Wei-cheng, LI Xiang-yang. Introduction to design and construction of deep manned submersible “Harmony”[C]//Proceedings of International Conference of INMARTECH2008. Toulon, France, 2008: 8-10.
[6] 胡震, 王晓辉, 朱敏, 等. 和谐号载人潜水器水池试验[C]//第三届亚太地区潜水和水下技术会议论文集. 上海: 2008.
HU Zhen, WANG Xiao-hui, ZHU min, et al. Open Water tank test of deep manned submersible—Harmony[C]//Proceedings of the Third Asian-Pacific Region Conference of Diving and Underwater Technology. Shanghai, China., 2008.
[7] CUI Wei-cheng, XU Qi-nan, LIU Feng, et al. Design, construction and open water tank test of the deep manned submersible “harmony”[C]//Proceedings of the Sixth International Symposium on Underwater Technology UT2009. Wuxi, China, 2009.
[8] van Dover C. 6 500 m HOV project: A-4500 HOV project execution plan[M]. 2009.
[9] Future needs in deep submergence science: Occupied and unoccupied vehicles in basic ocean research[M]. The National Academies Press, 2004: 152.
[10] 朱继懋. 潜水器设计[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 1992.
ZHU Ji-mao. Design of manned submersible[M]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University Publishing House, 1992.
[11] Hardy K, Rosenthal B J. Special issue: Celebrating the golden anniversary of man’s deepest dive[J]. Marine Technology Society Journal, 2009, 43(5).
[12] Kohnen W. Human exploration of the deep seas: Fifty years and the inspiration continues[J]. Marine Technology Society Journal, 2009, 43(5): 42-62.
[13] Walsh D. In the beginning… A personal view[J]. Marine Technology Society Journal, 2009, 43(5): 9-14.
[14] Lévêque, J P, Drogou, J F. Operational overview of NAUTILE deep submergence vehicle since 2001[C]//Proceedings of Underwater Intervention Conference, 2006. New Orleans, LA: Marine Technology Society, 2006.
[15] Sagalevitch A M. Experience of the use of manned submersibles in P. P. Shirshov Institute of Oceanology of the Russian Academy of Sciences[C]//Proceeding of the 1998 International Symposium on Under-water Technology, 1998: 403.
[16] Sagalevitch A M. From the bathyscaph trieste to the submersibles mir[J]. Marine Technology Society Journal, 2009, 43(5): 79-86.
[17] Nanba N, Morihana H, Nakamura E, et al. Development of deep submergence research vehicle “SHINKAI 6500”[J]. Techn Rev Mitsubish Heavy Industr Ltd, 1990, 27: 157-168.
[18] Momma H. Deep ocean technology at JAMSTEC[J]. Mar Technol Soc J, 1999, 33: 49-64.
[19] Vadim V K, Jury K M. About designing experience of submarines and deep submersibles from titanium alloys in Bureau “MALACHITE”[C]//Proceedings of titanium’99. 1999: 1125.
[20] LIU Wei, CUI Wei-cheng. Multidisciplinary design optimization (MDO): A promising tool for design of HOV[J]. Journal of Ship Mechanics, 2004, 8(6): 95-112.
[21] 操安喜, 崔维成. 潜水器多学科设计中的多目标协同优化方法[J]. 船舶力学, 2008, 12(2): 294-304.
CAO An-xi, CUI Wei-cheng. Multi-objectives co-optimization in the design of manned submersible[J]. Journal of Ship Mechanics, 2008, 12(2): 294-304.
[22] 赵敏, 崔维成. BLISCO方法在载人潜水器设计中的应用[J].船舶力学, 2009, 13(2): 259-268.
ZHAO Min, CUI Wei-cheng. Application of BLISCO in the design of manned submersinle[J]. Journal of Ship Mechanics, 2009, 13(2): 259-268.
[23] 赵敏, 崔维成. 载人潜水器概念设计中的系统集成模型[J]. 船舶力学, 2009, 13(3): 426-443.
ZHAO Min, CUI Wei-cheng. An integration model of the concept design of manned submersinle[J]. Journal of Ship Mechanics, 2009, 13(3): 426-443.
[24] Gou P, Cui W C. Application of collaborative optimization in the structural system design of underwater vehicles[J]. Ships and Offshore Structures, 2010, 5(2): 115-123.
[25] 刘蔚, 操安喜, 苟鹏, 等. 基于BLH框架的大深度载人潜水器总体性能的多学科设计优化[J]. 船舶力学, 2008, 12(1): 110-117.
LIU Wei, CAO An-xi, GOU Peng, et al. The MDO of deep manned submersinle base on BLH[J]. Journal of Ship Mechanics, 2008, 12(1): 110-117.
[26] CAO An-xi, CUI Wei-cheng. Multidisciplinary design optimization method applied to a HOV design[C]//Proceedings of International Conference of INMARTECH2008. France, 2008.
[27] 崔维成, 刘正元, 徐芑南. 大型复杂工程系统设计的四要素法[J]. 中国造船, 2008, 49(2): 1-12.
CUI Wei-cheng, LIU Zheng-yuan, XU Qi-nan. Four elements method in the design of complex engineering system[J]. Shipbuilding of China, 2008, 49(2): 1-12.
[28] 崔维成, 马岭. 潜水器设计中所要解决的水动力学问题[C]// 第九届全国水动力学学术会议暨第二十二届全国水动力学研讨会文集. 北京: 海洋出版社, 2009: 9-29.
CUI Wei-cheng, MA Ling. Hydrodynamic problem in the design of manned submersible[C]//Proceedings of The Ninth National Hydrodynamic Conference. Beijing: Ocean Publishing House, 2009: 9-29.
[29] Pan B B, Cui W C. A Comparison of different rules for the spherical pressure hull of deep manned submersibles[J]. Journal of Ship Mechanics, 2011, 15(3): 276-285.
[30] Pan B B, Cui W C. An overview of buckling and ultimate strength of spherical pressure hull under external pressure[J]. Marine Structures, 2010, 23: 227-240.
[31] Pan B B, Cui W C, Shen Y S, et al. Further study on the ultimate strength analysis of spherical pressure hulls[J]. Marine Structures, 2010, 23(6): 1-18.
[32] Pan B B, Cui W C. On an appropriate design and test standard for spherical pressure hull in a deep manned submersible[C]// Proceedings of Advanced Underwater Technology for the Ocean Symposium on Underwater Technology 2011 and Workshop on Scientific Use of Submarine Cables & Related Technologies 2011. Tokyo, Japan: 2011: 5-8.
[33] LI Xiang-yang, CUI Wei-cheng. Contact finite element analysis of a spherical hull in the deep manned submersible[J]. Journal of Ship Mechanics, 2004, 8(6): 85-94.
[34] 刘道启, 胡勇, 田常录, 等. 深海耐压结构观察窗应力分析[J]. 船舶力学, 2010, 14(1/2): 121-125.
LIU Dao-qi, HU Yong, TIAN Chang-lu, et al. Stress analysis of the viewport of deep sea pressure resistant structure[J]. Journal of Ship Mechanics, 2010, 14(1/2): 121-125.
[35] 刘道启, 胡勇, 王芳, 等. 载人深潜器观察窗的力学性能[J]. 船舶力学, 2010, 14(7): 782-788.
LIU Dao-qi, HU Yong, WANG Fang, et al. Mechanic properties of the viewport of deep manned submersible[J]. Journal of Ship Mechanics, 2010, 14(7): 782-788.
[36] 李向阳, 刘涛, 黄小平, 等. 大深度载人潜水器载人耐压球壳的疲劳载荷谱分析[J]. 船舶力学, 2004, 8(1): 59-70.
LI Xiang-yang, LIU Tao, HUANG Xiao-ping, et al. Fatigue load spectrum analysis of the manned hull of manned submersible[J]. Journal of Ship Mechanics, 2004, 8(1): 59-70.
[37] 李向阳, 崔维成, 张文明. 钛合金载人球壳的疲劳寿命可靠性分析[J]. 船舶力学, 2006, 10(2): 82-86.
LI Xiang-yang, CUI Wei-cheng, ZHANG Wen-ming. Fatigue reliability analysis of titanium manned hull[J]. Journal of Ship Mechanics, 2006, 10(2): 82-86.
[38] 操安喜, 刘蔚, 崔维成. 载人潜水器耐压球壳的多目标优化设计[J]. 中国造船, 2007, 48(3): 107-114.
CAO An-xi, LIU Wei, CUI Wei-cheng. Multi-objectives design optimization of the pressure hull of manned submersible[J]. Shipbuilding of China, 2007, 48(3): 107-114.
[39] 洪林, 刘涛, 崔维成, 等. 基于参数化有限元的深潜器主框架优化设计[J]. 船舶力学, 2004, 8(2): 71-78.
HONG Lin, LIU Tao, CUI Wei-cheng, et al. The design optimization of the main frame of deep manned submersible based on parametric FEM[J]. Journal of Ship Mechanics, 2004, 8(2): 71-78.
[40] 胡勇, 崔维成, 刘涛. 大深度载人潜水器钛合金框架实验研究[J]. 船舶力学, 2006, 10(2): 73-81.
HU Yong, CUI Wei-cheng, LIU Tao. Test of the titanium frame of deep manned submersible[J]. Journal of Ship Mechanics, 2006, 10(2): 73-81.
[41] Pausch S, Below D, Hardy K. Under high pressure: Spherical glass flotation and instrument housings in deep ocean research[J]. Marine Technology Society Journal, 2009, 43(5): 105-109.
[42] Weston S, Olsson M, Merewether R, et al. Flotation in ocean trenches using hollow ceramic spheres[J]. Marine Technology Society Journal, 2009, 43(5): 110-114.
[43] 赵俊海, 马利斌, 刘涛, 等. 大深度载人潜水器浮力块的结构设计[J]. 中国造船, 2008, 49(4): 99-108.
ZHAO Jun-hai, MA Li-bin, LIU Tao, et al. The structural design of the buoyancy material of deep manned submersible[J]. Shipbuilding of China, 2008, 49(4): 99-108.
[44] 胡勇, 赵俊海, 刘涛, 等. 大深度载人潜水器上的复合材料轻外壳结构设计研究[J]. 中国造船, 2007, 48(1): 51-57.
HU Yong, ZHAO Jun-hai, LIU Tao, et al. Investigation and design of the composite light shell of deep manned submersible[J]. Shipbuilding of China, 2007, 48(1): 51-57.
[45] SHEN Ming-xue, LIU Zheng-yuan, CUI Wei-cheng. Simulation of the decent/ascent motion of a deep manned submersible[J]. Journal of Ship Mechanics, 2008, 12(6): 886-893.
[46] 胡勇, 沈允生, 谢俊元, 等, 深海载人潜水器的坐底分析[J]. 船舶力学, 2008, 12(4): 642-648.
HU Yong, SHEN Yun-sheng, XIE Jun-yuan, et al. Bottom sitting analysis of deep manned submersible[J]. Journal of Ship Mechanics, 2008, 12(4): 642-648.
[47] White D A. Modular design of li-ion and li-polymer batteries for undersea environments[J]. Marine Technology Society Journal, 2009, 43(5): 115-122.
[48] MA Ling, CUI Wei-cheng. Simulation of dive motion of a deep manned submersible[J]. Journal of Ship Mechanics, 2004, 8(3): 31-38.
[49] MA Ling, CUI Wei-cheng. Path following control of a deep-sea manned submersible based upon NTSM[J]. China Ocean Engineering, 2005, 19(4): 625-636.
[50] 马岭, 崔维成. 大深度载人潜水器的低速大漂角模糊滑模航向控制研究[J]. 海洋工程, 2006, 24(3): 74-78.
MA Ling, CUI Wei-cheng. Fuzzy course control of deep manned submersible under low speed and large drift angle[J]. Journal of Ocean Engineering, 2006, 24(3): 74-78.
[51] 马岭, 崔维成. 潜水器水平面动力学模型系统辩识[J]. 中国造船, 2006, 47(2): 76-81.
MA Ling, CUI Wei-cheng. System identification of the plane dynamics model of deep manned submersible[J]. Shipbuilding of China, 2006, 47(2): 76-81.
[52] XIE Jun-yuan, XU Wen-bo, ZHANG Hua, et al. Dynamic modeling and investigation of maneuver characteristics of a deep sea manned submarine vehicle[J]. China Ocean Engineering, 2009, 23(3): 505-516.
[53] 刘水庚. 日本载人深潜器的设计研究[J]. 船舶技术信息, 2005, 9(1): 8-17.
LIU Shui-geng. Development of deep manned submersible design in japan[J]. China Ship Scientific Research Center, 2005, 9(1): 8-17.
[54] 印度NIOT网站: http://www.niot.res.in. NIOT’s web site(India): http://www.niot.res.in.
[55] Hawkes G. The old arguments of manned versus unmanned systems are about to become irrelevant: New technologies are game changers[J]. Marine Technology Society Journal, 2009, 43(5): 164-168.
[56] Taylor L, Lawson T. Project deepsearch: An innovative solution for accessing the oceans[J]. Marine Technology Society Journal, 2009, 43(5): 169-177.
(编辑 陈爱华)
收稿日期：2011-06-15；修回日期：2011-07-15
基金项目：国家高技术研究发展计划(“863”计划)重大专项项目(2002AA401002，2009AA093303，2010AA093201)
通信作者：崔维成(1963-)，男，江苏海门人，研究员，博士生导师，从事载人潜水器的多学科设计优化研究；电话：0510-85555660; E-mail: wccui@sjtu.edu.cn
