潛水器是深海資源勘查和科學(xué)研究的基本運載工具，在未來的深海科學(xué)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(zhì)量的有效數(shù)據(jù)。

    載人潛水器（HOV）則可以運載科學(xué)家和工程技術(shù)人員安全抵達深海現(xiàn)場，充分利用人的感官，即眼、耳和身體感知深海環(huán)境，還可以操作機械手進行海底作業(yè)，具備其他類型潛水器沒有的優(yōu)點。HOV、ROV 和 AUV 等可以充分利用先進的傳感器技術(shù)和遙控技術(shù)，發(fā)揮各自的特點和優(yōu)勢，協(xié)同作業(yè)、開展深海科學(xué)研究。

    二十一世紀前后大深度載人潛水器發(fā)展迅速，現(xiàn)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(fù)雜水下環(huán)境對其耐壓殼體結(jié)構(gòu)、生命支持、潛浮與應(yīng)急拋載、導(dǎo)航通訊以及作業(yè)等系統(tǒng)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(lián)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?zhí)柕取hinkai 6500 號重量輕、尺寸小，具有靈活的操縱性和先進的觀測系統(tǒng)，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?zhí)栞d人潛水器成功下潛 7062m,創(chuàng)造了世界同類作業(yè)型載人潛水器下潛深度之最；2012年 3 月，美國 Deepsea Challenger 重現(xiàn)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(guān)研制：美國已完成 New Alvin  6500 米載人潛水器的設(shè)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(yù)計 2025 年完成研發(fā)；國內(nèi) 4500 米載人潛水器已完成初步設(shè)計，進入詳細設(shè)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(xiàn)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(tǒng)、能量供給、安全措施、研究設(shè)備等方面進行了探討和設(shè)計。它與現(xiàn)役的 Alvin 號相比具有更大的球殼內(nèi)部容積、更舒適的內(nèi)部環(huán)境、更大的觀察窗視野，使用更先進的導(dǎo)航設(shè)備和圖象采集顯示系統(tǒng)，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(shù)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(shù)領(lǐng)域的項目，由蛟龍?zhí)栄邪l(fā)團隊承擔研制任務(wù)。其耐壓球殼內(nèi)直徑 2.1m,殼體材料為高強度鈦合金，具有 5 個觀察窗，數(shù)量與 NewAlvin 相同。該潛水器全面應(yīng)用國產(chǎn)化技術(shù)和裝備，在鈦合金載人艙球殼設(shè)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(guān)鍵技術(shù)上攻關(guān)，預(yù)計于 2017 年投入應(yīng)用。

    （2）Deepsea Challenger 號載人潛水器

    深海挑戰(zhàn)者（Deepsea Challenger）號是一艘由加拿大導(dǎo)演詹姆斯·卡梅隆帶領(lǐng)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(nèi)直徑為 1092.2mm,壁厚達到63.5mm,設(shè)有一個觀察窗。該潛水器除了配置沉積物取樣設(shè)備、機械抓手和一臺專門用于捕捉小型海底生物的設(shè)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(chuàng)造了單人下潛深度的世界記錄。現(xiàn)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(gòu)想方案，預(yù)期在資源探測以及深海生物調(diào)查方面發(fā)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(shù)有望得到應(yīng)用。潛水器內(nèi)還會配備有休息空間，能保證6人潛航2天，預(yù)計2025年完成研發(fā)。

    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(xué)家對海底環(huán)境的勘察和機械手操作。為改善這些現(xiàn)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(diào)查的效率。此外，玻璃表面上的極小傷痕都有可能導(dǎo)致潛水器損壞，因此如何確保強度等將成為研發(fā)的關(guān)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(guān)。可選用的材料有高強度鋼、鈦合金、高強度鋁合金、復(fù)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(xué)腐蝕、表面易產(chǎn)生堅固的純態(tài)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(yīng)力腐蝕敏感。陶瓷是一種應(yīng)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(yōu)點，但陶瓷固有的脆性使其應(yīng)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(yōu)勢，且具有電磁惰性，可為載人潛水器駕駛員提供優(yōu)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(yè)深度為 1000m）耐壓殼體材料采用高強度的玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)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(yè)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(yīng)的結(jié)構(gòu)形式、經(jīng)濟性等。與其他材料相比，鈦合金具有明顯的優(yōu)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(jīng)歷了從高強度鋼向鈦合金的發(fā)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(yè)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(yōu)勢將更加明顯。

    3  大深度載人潛水器耐壓殼體的結(jié)構(gòu)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(tǒng)的 1/5~1/4.在耐壓殼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要考慮工作深度、水動力特性、內(nèi)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(jié)構(gòu)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(yōu)勢。用于深海研究的潛水器則采用在結(jié)構(gòu)有效系數(shù)上具有明顯優(yōu)勢的球形耐壓殼體。一些深海下潛裝備將球體串聯(lián)起來增加其內(nèi)部容積  .綜合考慮重量-排水量比值和空間利用率，出現(xiàn)了藕節(jié)形耐壓殼體，

    Ross 提出了一種新的耐壓殼體結(jié)構(gòu)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(tǒng)加筋耐壓殼體更有效。張建根據(jù)仿生學(xué)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(xù)變化的厚度  ,在強度、穩(wěn)定性、浮力儲備和空間利用率方面均優(yōu)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(zhì)量的其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(yīng)力值，薄膜應(yīng)力僅為圓柱殼體的一半，且結(jié)構(gòu)簡單，已成為大深度潛水器耐壓殼體的首選。

    國內(nèi)外現(xiàn)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(shè)計特性進行統(tǒng)計，包括工作深度、載人球內(nèi)徑、壁厚、觀察窗透光直徑和數(shù)量、觀察視野等，如表 2 所示。

    我國相關(guān)研制單位現(xiàn)已經(jīng)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(nèi)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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