“蛟龍”號載人潛水器關鍵技術研究與自主創新

崔 維 成

（702研究所，無錫 214082）

0 引 言

為了實現我國搶占國際海底資源的目標、贏得“藍色圈地運動”的勝利，保衛我國海洋國土、維護祖國統一，推動我國前沿科學與高新技術的發展，國家科技部在“十五”期間立項支持了《“蛟龍”號載人潛水器》項目，中國大洋礦產資源研究開發協會（COMRA）被指定為項目的管理協調機構和該潛水器的最終用戶，中國船舶科學研究中心（CSSRC）、中科院沈陽自動化研究所、中科院聲學研究所、中國船舶開發和設計中心被選定為該項目的主要參研單位，國內100個研究機構和企業也參加了該項目的部分研究和研制工作。為了提高研究起點，建造出高質量和高性能的產品，還與俄羅斯、美國、英國和法國等有關機構進行了合作。因此，該項目是國內外大協作的一個成果，突現出當今世界深海技術領域的先進水平。

2010年7月，“蛟龍”號載人潛水器下潛到了3759m的海底，完成了海底取樣、海底微地形地貌探測等任務[1]。2011年7月，“蛟龍”號載人潛水器又在東北太平洋中國多金屬結核合同區西區成功進行了5000米級海上試驗與應用，取得了一系列技術和應用成果[2]，使中國成為世界上第五個掌握5000m以上載人深潛技術的國家，實現了中華民族“可下五洋捉鱉”的長久夢想。

作者從2002年起參加了“蛟龍”號載人潛水器的研制，親身經歷了攻克載人深潛技術難關的過程[3-6]。本文重點闡述在研制過程中的關鍵技術以及自主創新情況。期望對同行的專業技術人員有一定的參考作用。

1 “蛟龍”號載人潛水器研制概況

“蛟龍”號載人潛水器的研制目標是：根據中國大洋礦產資源研究開發協會勘查錳結核、富鈷結殼、熱液硫化物和深海生物等資源的計劃目標及要求，完成一臺采用多種高新技術、新材料和新工藝集成的、擁有自主知識產權的 7000m載人潛水器，其總體技術指標達到國際領先水平，滿足我國海洋開發及大洋礦產資源調查的需要，使我國深海運載技術進入世界先進行列。其使命是能在水深不超過 7000m以內的海域完成以下任務：

1)運載科學家和工程技術專家進入深海，在海山、洋脊、盆地和熱液噴口等復雜海底地形進行機動、懸停、正確就位和定點坐坡，有效執行海洋地質、海洋地球物理、海洋地球化學、海洋地球環境和海洋生物等科學考察的配套任務；

2)實施對鈷結殼的勘查，測量鈷結殼礦床的覆蓋率和厚度，并能利用潛鉆進行鉆取芯樣作業；

3)進行熱液噴口的溫度測量，采集熱液噴口周圍的水樣，并能保真儲存樣本；

4)有效完成上述環境內對沉積物、浮游生物、吸附在巖石上的生物和微生物的定點采樣；

5)執行水下設備定點布放（包括換能器、聲信標及采樣器等）、海底電纜和管道的檢測，完成其他深海探詢及打撈等各種高難度作業。

“蛟龍”號載人潛水器必須滿足在4級海況下進行水下作業，在5級海況下進行回收。 其主要技術指標如下：

最大工作深度：7000m

主尺度：8.3m×3.0m×3.4m

載人艙內徑：2.1m

空氣中重量：22t

乘員：1名駕駛員，2名科學家

生命支持時間：12h（正常），72h（應急）

有效載荷：220kg

水下時間：12h

動力：銀鋅蓄電池，110kW·h

速度：巡航1kn，最大2.5kn

控制：自動定高、定向、定深，懸停，手動

導航：超短基線聲納，長基線聲納，激光陀螺

作業：7功能主從式和開關式機械手各1只

觀通：6臺攝像機，1臺照相機，17盞水下燈

通信：高速水聲通信，VHF通信

中國船舶科學研究中心作為“蛟龍”號載人潛水器本體研制的技術責任單位，在接到任務后首先提出設計的總體思路，細化出需要攻克的關鍵技術，然后組織國內100家優勢科研院所聯合攻關，先后完成了方案設計、初步設計、詳細設計、加工制造、總裝聯調、水池功能性試驗等研制階段，于 2008年初具備了出海試驗的技術條件[3～5]。從2009年開始正式進行海上試驗，目前已經完成了5000米級深度[2,6]，還剩最后的設計深度7000m的海上試驗，計劃在2012年的6～7月份進行。

在國際上，除美國的“阿爾文”是上世紀60年代開發的外，其他3個國家（法國、俄羅斯、日本）的大深度載人潛水器均是80年代后期的產品。反映當代最先進技術的當數美國目前正在研制的6500米級別的“新阿爾文”號。美國在論證時對應用科學家作了一個調研，提出了如下衡量載人潛水器技術先進性的指標[7]：更大的下潛深度；更大的載人球，更好的艙內人-機-環設計；電池功率更大；在工作深度更長的工作時間；更好的觀察視野，駕駛員和科學家的觀察視野有重疊；更好的內部電子電路；更大的科學有效負載；更好的照明和成像系統；更強的推進馬力（更好的操縱性）；更好的數據采集和儀器接口；更好的懸停作業能力。

如果把“蛟龍”號載人潛水器與美國的“新阿爾文”號相比，在下潛深度方面，我們比他們還深500m，兩個載人球的內徑是一樣的，配備的電池功率略大于“新阿爾文”。在水下工作時間均已達到載人潛水器的極限，能夠攜帶的科學有效負載也相當，操縱性能和懸停作業能力相近。“蛟龍”號改進后的照明和成像系統接近“新阿爾文”。在基于大量應用經驗的基礎上，“新阿爾文”在載人艙觀察窗設計、艙內人-機-環設計、數據采集和儀器接口設計方面更加優秀。“蛟龍”號的自動駕駛水平、水聲通信功能要略勝一籌，特別是“蛟龍”號水聲通信傳輸圖像的能力和微地形地貌的探測能力是“新阿爾文”所不具備的。

盡管“新阿爾文”目標艇設計采用的技術在有些方面比目前的“蛟龍”號要高，但由于受到經費的制約，要分兩個階段才能全部實現。第一階段只更新載人球及艙內設計，更新指揮控制系統，更新錄像系統，增加有效負載，其他設備均用老“阿爾文”的，因此，最大下潛深度仍只有4500m。該階段預計到2012年6月底完成。第二階段采用鋰離子電池，將新的推進系統，改進的壓載系統以及其他設備均升級到6500m，該階段何時實現還是一個未知數。因此，從總體上來說，目前的“蛟龍”號的技術水平高于第一階段的4500m級的“新阿爾文”的水平。

2 “蛟龍”號載人潛水器的關鍵技術

“蛟龍”號載人潛水器立項之前，我國曾經研制過的最深載人潛水器只有數百米，從數百米一步跨到7000m，是一個非常大的技術跨越。因此，“蛟龍”號載人潛水器研制過程中需要解決的技術難點相當多，有些在陸上相當成熟的技術，如電機、泵、閥之類，到了水下要求體積小、重量輕、耐海水高壓和腐蝕，技術難度變得很高。

就技術面而論，最為核心的是總體設計和集成，潛水器配備的部件，這些部件采用什么形式和布置才能成為一個功能協調的潛水器，潛水器在航行和作業時的性能又是如何。還有，這些設備的加工制造，如載人球、浮力材料、動力源、電機、泵、閥等。總之，與總體設計相關的一些關鍵技術包括：

1)大深度載人潛水器的總體優化設計和集成技術；

2)大型復雜系統的安全可靠性技術；

3)高能量密度的深海動力技術；

4)以人為中心的信息與自動化系統技術；

5)高速水聲通信技術和高分辨率測深側掃聲納技術；

6)大深度載人潛水器的生命支持技術；

為了方便設計，將潛水器分解成了12個分系統，另外，為了驗證潛水器的設計性能和故障處理功能，還開發了一個仿真模擬器，在文獻[4]中，闡述了每個分系統設計中遇到的問題及解決方法。

3 “蛟龍”號載人潛水器的自主創新

3.1 大深度載人潛水器的總體設計與集成技術

經過對任務使命和總體技術指標的深化歸納，提出了“蛟龍”號載人潛水器必須具備的5個重大關鍵性能：

1)載人潛水器最大的工作深度7000m；

2)針對作業目標的穩定懸停就位能力；

3)實時高速傳輸圖像和語音及探測海底小目標的能力；

4)配備多種高性能作業工具，包括潛鉆取芯器、沉積物取樣器和具有保壓能力的熱液取樣器；

5)安全可靠性能。

前4個性能是“蛟龍”號載人潛水器的標志性成果，而安全可靠性能是實現標志性成果的基礎和保障。

對5個重大關鍵性能細化分析后，確定了“蛟龍”號載人潛水器研制過程中需要突破的重點關鍵技術，結合總體技術指標，擴展分解為12個分系統，通過四要素法[8]明確了相應的技術指標和關鍵技術。在設計過程中始終遵循以下4項基本準則，即：

1)載體性能與作業要求一體化準則——以獲得產品實用性；

2)技術先進性和工程實用性統一化準則——以獲得產品先進性；

3)技術要素規范化準則——以中國船級社1996頒發的“潛水系統和潛水器入級與建造規范”為基本依據，獲得產品可靠性；

4)結構分塊化、功能模塊化準則——以獲得產品可維性。

針對載人潛水器的線型及水動力布局綜合優化設計問題，首先收集了國內外載人潛水器的相關資料，分析了其外形及水動力性能特點，提出了載人潛水器操縱性評估指標，建立了載人潛水器水動力性能（包括快速性和操縱性）的理論與試驗預報方法。其次明確了載人潛水器水動力性能的主要設計變量，確定了綜合水動力性能的主要評判屬性，提出了約束條件下載人潛水器水動力性能優化設計方法。在進行復雜非線性深海環境下深海載人潛水器空間運動水動力特性研究時，通過風洞、旋臂水池及拖曳水池模型試驗以及深入地研究分析，得到了載人潛水器六自由度空間運動水動力特性，建立了載人潛水器六自由度空間運動方程并確定了相應的水動力系數及數學模型，在此基礎上對載人潛水器空間運動操縱性能進行了全面的預報分析[9]。

功能模塊化和結構分塊化有機結合是總布置優化的準則。在建立載人潛水器性能優化的數學模型時，采用功能模塊化的辦法，對潛水器所涉及的子系統，確定不同的布置要求，形成不同的模塊；另外，針對潛水器的結構特點進行分塊，不同空間位置布置特定的設備和系統。設計中引入了多學科設計優化的方法，選擇了合適的優化算法[10～12]，建立較為完整的 7000m載人潛水器的多學科優化設計數學模型[13,14]，并以有效負載比和作業巡航時間為設計目標，采用基于Parato的多目標遺傳算法對載人潛水器的四個多學科分析模型進行優化計算，得到了有效負載比和巡航作業時間。Parato設計前沿逐漸由內向外擴展，巡航作業時間和有效負載比同時增大，設計向優化方向發展，為設計者提供了非常重要的且足夠多的設計信息，設計者可以根據設計對象的實際需要和自己的偏好從中選擇。

設計結果的合理與否再用1∶1的模型進行檢驗，確認布置的合理性和維修保養的方便性后，經過反復嘗試和不斷修改，最終設計制造出了一臺性能優良的載人潛水器。

3.2 大型復雜系統的安全可靠性技術

“蛟龍”號載人潛水器既是一個大型的復雜系統，又是一個實用的產品，而且要載人進入深海，因此，它最需要的是安全可靠性。在借鑒國外載人潛水器的成功經驗基礎上，通過采用“冗余設計”的理念，設計了一套完整的應急自救手段：

1)可棄壓載拋載機構：可棄壓載的最大重量有1.3t，只要它能全部拋棄，潛水器就肯定變成正浮力而上浮。具有2套獨立的電磁鐵和1套液壓拋棄功能，只要3套拋棄功能中有一個完成動作便可實現拋棄，而且在電源故障時會自動將壓載拋棄。

2)主蓄電池箱拋棄機構：主蓄電池箱的重量有1.2t，在可棄壓載拋不掉的情況下，如果能把主蓄電池箱拋掉，潛水器也會變成正浮力而上浮。主蓄電池箱拋棄機構是由電爆螺栓實施的，為了提供冗余度，在連接桿上采用兩個電爆螺栓串聯，只要兩個之中有一個工作就能達到有效拋棄的目的。

3)縱傾調節水銀的拋棄：縱傾調節用的水銀重量有480kg，可以很方便地被拋棄。只是水銀拋棄后會對環境帶來污染，因此，一般情況下不鼓勵使用。但為了緊急逃生，也可以使用。通過拋棄水銀，可以獲得430kg的浮力，很多情況下即使其他東西拋不掉，只要拋棄水銀，潛水器已可以上浮。

4)機械手拋棄機構：在機械手被纏繞的情況下實施，如果只有手爪被纏住，則只斷手爪；如果整個手臂被纏住，則可以拋棄整個手臂。

5)壓載水箱排水：當潛水器已上浮到離水面只有10m的距離時，應啟動壓載水箱排水系統，可再提供最大達1.8t的浮力，確保潛水器在水面有較大的干舷。

6)應急浮標：當潛水器被困于海底無法上浮時，可以通過電爆螺栓釋放應急浮標。應急浮標和潛水器相連的系索長度最長可以達到9000m，由浮標上的頻閃燈顯示浮在水面上的位置，支持母船可直接抓取浮標，提升潛水器至水面，再進行掛鉤回收至甲板。

7)采樣籃拋棄裝置：采樣籃的安裝采用電爆螺栓，在采樣籃被纏繞的情況下可以實施拋棄。

“蛟龍”號載人潛水器具有國外同類型大深度載人潛水器所具備的各種應急手段，并且通過3個階段的海上試驗，充分證明應急拋棄系統是可靠的。因此，“蛟龍”號載人潛水器“下得去，上得來”的設計理念是成功的，具有充分的安全可靠性。

3.3 高能量密度的深海動力技術

動力源是潛水器的心臟，其本身必須具備無水下排放、無水下噪聲、不依賴于空氣、無重心漂移等特點，為水下照明、儀器設備、推力器及作業工具等提供能源保障。經過反復調研和技術論證，在 7000m載人潛水器上最終決定采用充油式銀鋅電池作為電源。

為了減輕潛水器的重量，銀鋅蓄電池采用充油的方式放在蓄電池箱內。但如何解決在高壓環境下銀鋅蓄電池的大容量低析氣量技術是一個關鍵。為了保險起見，采用濾膜和氣帽等創新技術，選用2種產品進行試驗，把試驗結果返回生產廠家，改進單體電池的性能。通過反復的壓力筒試驗，使銀鋅蓄電池組的析氣量最終小于0.1ml/Ah，確保了蓄電池組在供電時不會產生大量氫氣而導致危險，保證潛水器的安全。

3.4 信息與自動化系統技術

7000m載人潛水器研制時采用了將人、機與整個客觀環境聯系在一起考慮的新理念，把人、機、環境看作是一個系統的3大要素，強調從全系統的整體性能出發，通過三者間的信息傳遞、加工和控制，形成一個相互關聯的復雜系統，并貫穿于潛水器設計、研制、建造、使用的全過程中。

在7000m載人潛水器研制過程中，強調的“人”是指作為工作主體的人即潛水器的駕駛員和乘員；“機”是指人所控制的設備和部件即潛水器本體及所攜帶的各類部件、設備；在“機”的設計方面，也強調了信息的綜合集成和操作的自動化程度，盡量降低艙內駕駛員和乘員的工作量。“環境”是指人、機共處的特定工作條件，即載人艙內的溫度、濕度、艙壓、氧濃度、二氧化碳濃度、噪聲、有害氣體等，載人艙外的海面、風、浪、流、深水壓力、海底等。從“蛟龍”號載人潛水器的海試操作效果來看，以人為中心的信息與自動化系統技術高于國外的部分載人潛水器。

3.5 高速水聲通信技術和高分辨率測深側掃聲納技術

水聲通信機用于載人潛水器與水面支持母船之間建立實時通信聯系。通過它，母船向載人潛水器發出指令，載人潛水器向母船傳輸各種數據、語音和圖像。這是載人潛水器非常重要的功能，如果沒有水聲通信，潛水器就不敢下潛。同時，通信的速度和質量也反映了技術水平。因此，“蛟龍”號載人潛水器在研制時就瞄準了國際上最先進的高速水聲通信技術，通過對相干通信和非相干通信算法的研究，制定了處理算法。采用在混合激勵線性預測算法基礎上改進的算法，降低了編碼后的數據率，并研究了一種魯棒的圖像壓縮編碼算法，對誤碼的敏感程度低，應用于水聲通信。“蛟龍”號載人潛水器能夠實時傳輸彩色電視圖像和聲學圖像的功能是國外絕大多數潛水器所沒有的。

高分辨率測深側掃聲納安裝在載人潛水器的兩側，用于測量海底的微地形地貌和海底、水中的目標，實時繪制出現場的三維地圖。能在復雜的海底工作，給出目標高度，因此十分適合在鈷結殼區域勘察工作和在大洋熱液場測量熱液噴口“煙囪”的幾何尺寸。這一功能也是國外載人潛水器所沒有的。在開發這一功能時，對一系列相關技術問題進行了研究，如發射線形調頻信號的處理方法的研究，用于提高聲納的垂直與航跡的分辨率；海底自動檢測技術的研究，使聲納能夠自動判別目標數和判別海底；多子陣高分辨率波束形成技術的研究，用于提高聲納的估計精度。通過這些研究，形成了一整套針對于高分辨率測深側掃聲納的信號處理方法：多子陣海底自動檢測——信號子空間的信號參數估計技術。

3.6 大深度載人潛水器的生命支持技術

載人潛水器的生命支持系統通過控制載人耐壓艙中的氧氣濃度，吸收二氧化碳，創造一個適合乘員工作的生存環境。它包括正常工作生命支持、應急狀態開放式生命支持、應急狀態口鼻面罩式生命支持、生命支持系統監控面板4個方面。

正常工作和應急狀態開放式生命支持所需的氧氣可儲存在相應的高壓氧氣瓶中，氧氣通過氧氣瓶閥、減壓閥、流量調節閥、電磁供氧閥、流量計及管路釋放到載人耐壓球殼空間里，供乘員呼吸之用?？匮鮾x根據氧濃度計的實測數據來控制電磁供氧閥的開關。當載人耐壓艙內氧濃度低于17.5% 時，供氧閥自動打開，當氧濃度高于22.5%時，供氧閥自動關閉。為了提高可靠性，在電磁供氧閥的兩端并接一套手動閥，也可通過手動流量調節閥和手動閥來改變氧氣流量，達到控制載人耐壓艙內氧濃度的目的。

二氧化碳吸收裝置采用箱體結構，由風機、內筒、內蓋、機箱體和機箱蓋等組成。二氧化碳吸收劑選用氫氧化鋰，按照一定的要求裝在不銹鋼罐中。平時不用時，裝有氫氧化鋰的不銹鋼罐外面有塑料密封袋，并裝在一只密封箱中。需要使用時，取出氫氧化鋰罐，去掉密封袋，將罐裝入吸收裝置的內筒中，啟動風機，就能清除載人耐壓艙里的二氧化碳。

當載人耐壓艙內出現異常氣體，不再適合使用開放式呼吸時，乘員可戴上口鼻面罩式呼吸器。這是一種封閉式呼吸系統，氧氣貯存在一只容量7L的高壓氧氣瓶中，通過氧氣瓶閥、減壓閥、流量調節閥、流量計跟空氣混合后經管路送至口鼻面罩供呼吸，呼出的二氧化碳也經管路送至吸收裝置，去除二氧化碳后的空氣在該封閉式系統中反復循環使用。二氧化碳吸收裝置為單獨配置，且該裝置只和口鼻面罩封閉式系統相連，跟載人球殼空間的空氣隔絕。

生命支持系統的全部監測儀表都集中安裝在一塊監控面板上，包括：數字式和模擬式氧濃度表各一只。其中數字式表的實測數據輸送給控氧儀和聲、光報警器，一方面作控制用，另一方面若氧濃度超標會發出報警信號。同時還帶有數據接口，能實時地將氧濃度數據傳送給綜合顯控計算機。

生命支持系統研制需要攻克的關鍵技術主要有載人耐壓艙內大氣環境控制技術研究和重量輕、體積小、吸收率高的二氧化碳吸收劑的研制，以及特種供氧系統設計研究。

3.7 大深度載人潛水器部件的國產化與發展

為了控制整個項目的研制進度，“蛟龍”號上大約有40%的部件是委托國外加工或研制的，但為了確保今后的使用不受制于人，在研制過程中也同步安排重要設備的國產化研究。

結構系統按承載方式可分為耐壓結構和非耐壓結構。耐壓結構提供密閉常壓腔體，其關鍵部件是為乘員和儀器設備提供常壓空間載人球。此外，耐壓結構還包括5只小直徑耐壓罐、一只可調壓載水艙和一只高壓氣罐等。非耐壓結構由框架結構和外部結構組成?？蚣芙Y構，可分為主框架和輔助框架。它既為潛水器內部各類耐壓結構和儀器設備等提供安裝基礎，又為外部結構中的浮力塊、輕外殼、穩定翼和外部設備提供支撐，而且還是潛水器吊放、回收、母船系固和坐底時的主要承載結構，是各類設備總裝集成的載體。外部結構主要有浮力塊、輕外殼、穩定翼、壓載水箱等。浮力塊一方面為潛水器提供水下浮力，同時也形成潛水器的外部線型。輕外殼提供部分流線型的外形，保護內部設備免受外物碰撞；穩定翼用于提高潛水器的穩定性和水動力性能。壓載水箱主要為潛水器浮出水面時提供浮力，以保證潛水器的干舷高度。

載人球的設計和建造均是難點。從設計來說，盡管很多船級社均有設計標準，但互相之間差別很大[15]。對于載人球極限承載能力的預報方法，船級社之間也沒有統一[16]，通過大量有限元分析，給出了一組新的載人球極限承載能力的預報公式[17]，它能很好地與有限元分析結果吻合。以此為基礎，提出了一套新的設計標準，已提供給中國船級社作為設計標準更新的依據[18]。在載人球設計過程中，觀察窗的變形協調[19]、疲勞載荷譜的確定[20]、疲勞壽命可靠性分析[21]、多目標的優化設計[22]等，都是需要解決的技術問題。在滿足安全性的前提下，載人球設計優劣的評價主要就是觀察窗的數量和它們之間視野的覆蓋程度。最先進的載人球設計當數美國的“新阿爾文”號[7]。它有5個觀察窗，科學家和主駕駛員有較多的視野覆蓋面，有利于科學家指揮主駕駛員進行作業。

載人球的制造主要有3種工藝：無焊接、半球焊接和瓜瓣焊接。無焊接工藝：采用鑄造制成兩個半球，然后機加工成型，再采用螺栓連接。俄羅斯的“和平”號兩個載人潛水器就是采用這種工藝的[23]。半球成型工藝：采用大規格厚板直接沖壓成型半球，再采用電子束焊接兩個半球赤道環縫。如日本的“深海6500”[24]和美國制造的鈦合金球殼均采用該工藝[7]。分瓣成型工藝：將每個半球分為7瓣，每個球瓣分別成型后，采用窄間隙焊接將7個瓣組焊成半球，再焊接兩個半球的赤道環縫。如俄羅斯制造的鈦合金球殼就采用該工藝，包括“俄羅斯”號、“領事”號和“蛟龍”號[4]。第三種工藝對于大規格鈦合金厚板軋制能力、沖壓能力的要求較低，但對焊接的要求較高。目前我國只能采用第三種工藝，能夠制造 4500m左右的載人球。如果焊接質量過關，則載人球的安全性是一樣的。

框架，可分為主框架和輔助框架。它既為潛水器內部各類耐壓結構和儀器設備等提供安裝基礎，又為外部結構中的浮力塊、輕外殼、穩定翼和外部設備提供支撐，而且還是潛水器吊放、回收、母船系固和坐底時的主要承載結構，是各類設備總裝集成的載體。無論設計還是加工，框架結構沒有難度，但設計得好，對潛水器的可維性以及使用安全性均有十分重要的作用。在“蛟龍”號載人潛水器研制過程中，對框架結構進行了優化設計[25]，并進行了2倍自重載荷下的應變測量試驗，用于評估框架結構的安全性[26]。

為了使載人潛水器在海水中實現均衡，需要使用浮力材料。浮力材料的先進性是用給定承壓能力的條件下它的密度和吸水率來表示的，密度和吸水率越低越好。目前在潛水器上使用的浮力材料有兩種類型，一種是玻璃微珠摻雜環氧樹脂制成的可機加工型浮力材料，這種能承受 7000m高壓的浮力材料的最先進水平的密度為 481kg/m3，但美國允許出口我國的浮力材料的密度是 561kg/m3。另一種是陶瓷球[27,28]，這種浮力材料的比重更輕，全海深的密度只有340kg/m3，但它只在無人潛水器上使用過。為了減輕“蛟龍”號載人潛水器的重量，浮力塊不僅為潛水器提供水下浮力，同時也形成潛水器的外部線型。這樣，對浮力塊的設計和加工提出了更高的要求，這些技術難點我國已經解決了[29]。輕外殼提供部分流線型的外形，保護內部設備免受外物碰撞[30]；穩定翼用于提高潛水器的穩定性和水動力性能。壓載水箱主要用于潛水器浮出水面時提供浮力。為了節省能源，載人潛水器一般采用無動力上浮下潛的方式，與國外的螺旋形軌跡不同，“蛟龍”號載人潛水器是直上直下的穩定運動[31]。如何分析潛水器在坐底時的受力狀況，設計出合適的坐底支架是一個實用性的問題，文獻[32]對此問題也有研究。

動力源對載人潛水器來說是十分重要的，早期用鉛酸電池，后來改用能量密度更高的銀鋅電池，未來的發展趨勢是鋰離子電池[33]，我國也已在4500m載人潛水器研制項目中安排研究。

水下電機、高壓海水泵、一體化推力器是幾個重要的設備。目前這3種設備的國產化基本實現，對于水下電機來說，發展方向是提高功率；對于高壓海水泵的主要發展方向是提高流量，如果有大流量的高壓海水泵，則可以把縱傾調節用的水銀取消，甚至也不需要用固定壓載，載人潛水器可以在任何深度實現均衡。對于一體化推力器來說，發展方向是降低噪聲，目前我國自行研制的一體化推力器的噪聲水平已經明顯低于美國Technadyne公司的產品。

潛水器的水動力特性和自動控制相結合構成了載人潛水器的控制系統，在“蛟龍”號載人潛水器上，馬嶺等人[34,35]探索了多種不同的控制方法。對于載人潛水器的導航與定位能力來說，比較先進的是同時具備超短基線和長基線2種功能，對于水聲通信來說，最先進的是能同時傳輸語音、文字、圖像，目前“蛟龍”號載人潛水器上的水聲通信和定位能力已處于國際先進水平。

應急拋載和生命支持系統從技術上來說，沒有特別的困難，但必須要求非常可靠。從應用角度來說，觀察、照明和攝像的質量非常關鍵，也是衡量一個載人潛水器作業能力的重要方面，目前美國的“新阿爾文”和俄羅斯的“和平”號處于比較領先的水平，“蛟龍”號載人潛水器也在努力朝這個方向改進。

4 結 語

在“蛟龍”號載人潛水器的研制過程中，正在不斷地攻克一個又一個難關，掌握了一個又一個關鍵技術，實現了原始創新、集成創新和引進消化吸收再創新的過程，才取得了這項自主創新的偉大成果。

[1]劉 峰，崔維成，李向陽. 中國首臺深海載人潛水器——“蛟龍”號[J]. 中國科學：地球科學，2010，40 (12)∶ 1617-1620.

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