深海載人原位研究裝備發展概述

渠繼東，周念福，張亦馳，劉樂

(1.中國船舶科學研究中心,江蘇 無錫 214082；2.深海載人裝備國家重點實驗室,江蘇 無錫 214082)

0 引言

世界上90%面積的海洋水深超過1 000 m，深海是對科學研究和資源開發均具有戰略意義的處女地。在深海生物、地質、物理海洋等諸多領域存在大量尚未觸及的、研究價值極大的科學問題亟待發現、探索和解決[1–2]。

深海極端復雜的環境條件致使深海觀測與研究開發技術難度遠遠大于陸域。目前深海原位長周期觀測、深海原位取樣實驗是制約深海資源開發利用的薄弱環節和瓶頸問題，如獲取深海樣品后，航行數千里帶回實驗室研究，耗時長，航行中樣品微環境容易遭到破壞，樣品很難實現全程“無縫”轉移，采集上岸的樣品測定參數不準確、深海取樣手段多為“粗放型”等。最好的解決方式是充分利用深海“載人”平臺有選擇性的觀測、任務規劃、判斷決策和應急處置等優勢，讓科學家親臨深海，利用深海環境條件，開展原位觀測、現場取樣和實驗研究，從而全面掌握深海真實、動態的客觀規律。本文對深海原位研究裝備的應用需求、技術現狀及發展方向進行梳理和總結。

1 應用需求

深海載人原位研究裝備可為深海典型生態系統原位長周期連續觀測、深海樣品保真取樣、深海原位培養與實驗等深海資源研究、開發和利用提供前所未有的先進手段。

1）深海典型生態系統原位長周期連續觀測

深海中大部分的區域壓力大、食物少，沒有光線等，是營養匱乏的“荒漠”，在這個廣袤的荒漠中，也存在一些“生命綠洲”，如深海熱液區、深海冷泉區、深海冷水珊瑚區、海山區、深淵區等特殊的生態系統，這些生態系統具有與海洋上層不同的生物種類、生物群落和生態關聯方式，具有重要的生態研究價值[3]。

深海典型生態系統，是由于其自身特殊性質引起海底地形、物理化學因子的變化，進而影響海洋動力、熱力等過程而孕育出來的獨特的生態群落[3]。研究深海典型生態系統的發育動力機制及其發育周期和特征，探究影響深海典型生態系統發育的作用機制和影響因素，需要定點、長周期連續觀測裝備，為基礎科研提供準確的數據。

2）深海樣品保真取樣

深海高質樣品的獲取、有效保藏和轉移是從事深海科學研究與資源開發的重要需求之一。深海環境條件主要包括物理環境條件和化學環境條件兩大類，其中物理環境條件包含壓力、溫度、電導率等，化學環境條件包含pH 值、營養鹽、甲烷、硫化氫、氨氣等成分和濃度。

深海樣品從深海環境轉移至陸地實驗室的過程中，樣品很難實現全程“無縫”轉移，一旦脫離深海的原始環境極有可能導致樣品活性降低、性質變異。例如在使用傳統取樣設備采集海底天然氣水合物及其上覆沉積物時，由于其不能保壓保溫取樣、造成沉積物樣品中甲烷以及其他氣相溶解組分由于壓力、溫度等條件的變化而散失，沉積物的原始成分與狀態難以得到準確的反映。因此，隨著海洋科學研究的要求，必須擁有適當的技術手段和裝備，以獲得原狀（低擾動、保壓、保溫）海底沉積物樣品[4]。

3）深海原位培養與實驗

人工培養與實驗是深海生物資源開發利用的重要環節。隨著研究的深入，發現深海不同環境中的營養鹽濃度和成分對分離培養的效率具有更關鍵的影響。但由于缺乏相應的環境參數監測手段，對營養鹽濃度的模擬更多地建立在推測的基礎上，更難以進行成分的模擬。因此，進行深海原位實驗研究是國際上發展的趨勢[5]。利用深海載人原位實驗研究裝備進行深海原位培養與實驗是解決上述問題的最佳途徑。通過深海載人原位實驗研究裝備，科學家可以開展各種原位實驗，對樣品進行深海原位培養，在其過程中即時獲取實驗數據，并根據數據的變化進行后續實驗的設計和操作。

2 技術現狀

近年來，針對深海載人原位觀測與研究開發等方面科學研究需求，世界上各海洋強國逐步建立及完善了深海載人原位研究技術及裝備體系。多種水下實驗室、載人潛水器、深海移動工作站等已被國內外海洋研究機構用于深海載人原位科學研究和探測。

2.1 水下實驗室

海底實驗室是固定在海底或漂浮于水下一定深度供科學家和潛水員休息、居住和工作的海底科學研究平臺。目前運行的水下實驗室主要是運用飽和潛水技術原理設計，在水下有效完成海洋地質、海洋生態、海洋污染、海洋考古、湖沼或海洋藥物研究、海洋救助及打撈研究等海洋科學研究的現代化裝置。

1）“寶瓶宮”水下實驗室

該實驗室建于1986 年，隸屬于美國國家海洋與大氣管理局（NOAA），位于佛羅里達群島國家海洋保護區深水珊瑚礁附近的水面以下20 m 左右，如圖1 所示[6]。“寶瓶宮”實驗室的尺寸與國際太空空間站大小相當，實驗室通過線纜與水面實驗室控制中心相連，線纜可以提供電源和通信保障。實驗室包括生活區和實驗區，生活區有6 張床鋪、空調等生活保障設施，還有一個配有熱水器、微波爐和冰箱的小型廚房。通過飽和潛水技術，科學家潛水員可長期連續每天24 h 在水下生活和工作。

圖1 美國的“寶瓶宮”水下實驗室Fig.1 America's Aquarius underwater laboratory

“寶瓶宮”水下實驗室主要參數如表1所示。實驗室可以在水下不受水面風浪環境、特別是天氣狀況的影響開展海底原位科學研究和實驗，主要功能為研究氣候變化和海洋污染對珊瑚礁、魚類、水生植物海洋生態的影響，同時實驗室可以開展飽和潛水技術訓練，研究飽和潛水人員在海底生活的各種生理變化。后期，實驗室經過改造可以在海底模擬太空生活，演練太空行走、出艙執行維修、作業任務等[7]。

表1 “寶瓶宮”水下實驗室主要參數Tab.1 The main parameters of the Aquarius underwater laboratory

2）“黑海”號水下實驗室

“黑海”號水下實驗室是由蘇聯科學院希爾紹夫海洋研究所設計建造的海底固定式載人實驗室，由水下實驗室、漂浮基地、岸上觀通站組成。水下實驗室內部空間分為休息區、工作區、潛水區3 個主要功能區域。休息區布置有人員休息的吊床，吃飯用的折疊桌和存放個人物品的柜子，工作區布置有2 個實驗桌用于艙外采集樣品進艙原位分析研究，3 個儀表盤用于監測艙內環境狀況，潛水區布置存放潛水設備用的架子和維修裝備的工作臺。實驗室生命支持系統由氧氣生成系統、二氧化碳吸收系統、通風系統、保暖系統、干燥系統等組成[8–9]。

“黑海”號水下實驗室的主要參數如表2 所示。

表2 “黑海”號水下實驗室主要參數Tab.2 The main parameters of the Black Sea underwater laboratory

“黑海”號水下實驗室主要功能為在水下進行原位長期綜合性海洋調查，科學家在水下實驗室內通過直接觀測或者利用各種監測儀器進行海洋地質學、海洋生物學、水下光學和水下物理學等方面的長周期連續觀測與實驗活動[10]。

3）“赫爾戈蘭”水下實驗室

“赫爾戈蘭”（Helgoland）水下實驗室1968 年建于德國，工作于赫爾戈蘭島附近的北海，如圖2 所示。實驗室內部劃分為休息區、實驗區和工作區，實驗室內備有充足的補給品，可以在不依賴外界補給的情況下能夠保持至少14 天的人員自持能力。實驗室可以不需要輔助起重設施的幫助下自主下潛和上浮，并且能夠在水面異常氣候環境下在水下正常運行[11–12]。

圖2 “赫爾戈蘭”水下實驗室Fig.2 Helgoland underwater laboratory

“赫爾戈蘭”水下實驗室主要參數如表3 所示。水下實驗室的設計初衷是為了水下海洋醫學研究及北海海洋生物研究，在后續的使用中不斷擴大實驗室的海洋生物研究計劃。實驗室在飽和潛水減壓方面的研究為世界飽和潛水技術的進步做出了極大的貢獻，水下實驗室研究了艙內空氣壓力不斷增大的情況下，不同氣體組分對人體心理、生理機能的影響，這些研究對于指導潛水員進行飽和潛水訓練具有很好的指導意義[13]。

表3 “赫爾戈蘭”號水下實驗室主要參數Tab.3 The main parameters of the Helgoland underwater laboratory

2.2 載人潛水器

載人潛水器是指可以攜帶海洋科學家進入海洋深處執行水下作業與觀察任務的潛水裝置。載人潛水器可以在海底現場直接觀察、分析和評估作業對象，還可以操縱機械手進行水下取樣。載人潛水器是科學家親臨深海進行原位科學考察的重要裝備[14]。

1）“蛟龍”號載人潛水器

“蛟龍”號載人潛水器是我國自主設計、自主集成的深海載人潛水器，為深海科學研究取得重要發現和進展提供了裝備支撐，如圖3 所示。2012 年6 月“蛟龍”號海試最大下潛深度達到7 062 m，創造了作業型深海載人潛水器的最大潛深記錄[15]。

圖3 “蛟龍”號載人潛水器Fig.3 Jiaolong manned submersible

“蛟龍”號載人潛水器主要參數如表4 所示。“蛟龍”號主要使命任務為攜帶科學家進入深海復雜地形（熱液噴口、海山、洋脊、盆地）執行海洋生物、海洋地質、海洋地球環境、海洋物理化學等科學考察任務，實施深海典型環境沉積物定點取樣操作，進行深海礦產資源勘查采樣操作等海洋開發研究工作[16]。

表4 “蛟龍”號載人潛水器主要參數Tab.4 The main parameters of the Jiaolong manned submersible

2）“阿爾文”號載人潛水器

“阿爾文”（Alvin）號載人潛水器為美國1964 年建造，服務于美國伍茲霍爾海洋研究所（WHOI），1974 年經過換裝之后最大潛深可達4 500 m，2012 年又進行一次改造，耐壓殼體最大承壓深度可達到6 500 m，如圖4 所示。“阿爾文”號從建造完成至今是世界上使用效率最高的深海載人潛水器[17]。

圖4 “阿爾文”號載人潛水器Fig.4 Alvin manned submersible

“阿爾文”號載人潛水器主要參數如表5 所示。“阿爾文”號主要功能為進行深海生物、地質、地球物理、地球化學等方面研究。在其從事作業任務50 多年來，進行過很多具有國際影響力深海原位探測作業。例如，1977 年在2 500 m 海底深處首次發現深海熱液及其周圍生物群落，1979 年首次發現海底黑煙囪。“阿爾文”號載人潛水器的應用為深海科學研究做出了卓越貢獻[18]。

2.3 深海移動工作站

深海移動工作站為滿足水下長時間大功率探測、作業需求而研制的水下載人平臺。深海移動工作站通過配置先進的聲、光、電磁探測儀器及多功能作業機械手、起吊布放裝置等載荷進行水下特種作業、物理海洋調查研究等工作。

1）NR-1 深海移動工作站

美國早在20 世紀70 年代就裝備了潛深914.4 m、排水量372 t的NR-1 型深海移動式工作平臺，如圖5所示。NR-1 自持力30 d、最大載員13 人，采用核動力裝置，主要用于完成深海科學研究、深海特種作業等水下任務[19]。

圖5 美國NR-1 深海移動工作站Fig.5 US NR-1 deep sea mobile workstation

NR-1 于2008 年11 月退役后，美國論證研制功能全面提升的NR-2 深海工作站，提出了潛深914.4～1 524 m、排水量828～2 062 t的NR-2 深海載人平臺的方案，其任務使命更為廣泛。

2）10 831 型深海移動工作站

10 831 型深海移動工作站是俄羅斯新型核動力移動工作站，服役于2003 年。其耐壓殼體采用鈦合金建造，由數個球殼串聯組成，所有球殼相互之間有通道相連，工作潛深3 000 m[20]。該型工作站因耐壓結構型式酷似俄羅斯動畫片“小馬駒”中的主角，因而獲得了“小馬駒”的昵稱，如圖6 所示。

圖6 10831 型深海移動工作站Fig.6 Model 10831 deep-sea mobile workstation

10831 型深海移動工作站主要參數如表7 所示。10831 型深海移動工作站使命任務為深海能源資源調查、國土權益保障、海洋環保科研及水下特種作業等。據《消息報》報道，10831 型深海移動工作站參與了2012 年9 月底進行的“北極-2012”研究考察。在長達20 晝夜的水下考察作業中，“小馬駒”在北冰洋門捷列夫大陸架上開展了大量的水下作業，在2 500～3 000 m 深度獲得了大量地質資料，通過深海鉆探獲取了3 塊長度分別為60 cm，30 cm 和20 cm的巖心樣本，以及重達500 kg的深海礦石和泥土樣本[19]。這些科考結果直接、有效地支撐了俄羅斯對萊蒙諾索夫和門捷列夫山脊等北極海底地區領土主權所有權的主張。

表6 美國NR-2的主要任務使命Tab.6 The main mission of the US NR-2

3 發展方向

隨著新材料、新技術的不斷發展和變革，不同形式的深海載人原位研究裝備（水下實驗室、載人潛水器、深海移動工作站）將呈現出不同的發展趨勢和發展方向。

3.1 水下實驗室

水下實驗室為固定式深海載人原位研究裝備。目前世界上已建和運行的水下實驗室潛深均在300m 以內，實驗室是運用飽和潛水技術原理設計，艙內氣壓與所處深度水壓力相同，人員可以通過閘室自由進出實驗室，實驗室的呼吸氣體、淡水、食物、電力等均是通過“臍帶”補給供應。隨著新技術和新裝備的應用和發展，水下實驗室將呈現以下幾個趨勢：

1）大潛深、長自持力。世界上90%面積的海洋水深超過1 000 m，典型的海洋的生態系統，例如冷泉、熱液等也都存在于1 000 m 以上的海洋深處。鈦合金、陶瓷材料、碳纖維復合材料等深海高強度耐壓材料的應用，可為水下實驗室人員和設備在深海提供常壓的工作環境。大容量電池技術和水下密閉空間環控生保技術的發展為科學家在深海長時間駐留進行長周期觀測、實驗作業提供了可能。

2）有人、無人協同作業。固定式水下實驗室通常僅能滿足在點域內進行觀察和采樣作業，通過搭載ROV，AUV 等無人研究系統，協同開展取樣、樣品分析和原位實驗研究可以有效地拓展固定式水下實驗室的觀測和取樣范圍。

3.2 載人潛水器

載人潛水器一般為小型化的深海載人原位研究裝備，載人潛水器發展方向將呈現以下幾個方面：

1）小型化的載人潛水器耐壓結構為承受更大深度的海水壓力提供了可能。海洋深度范圍6 000～11 000 m的“海斗深淵”海洋生態學、海洋地質學研究是目前國際海洋科學的研究前沿。因此，挑戰和探索全海深，拓展人類認知海洋、開發海洋的范圍是載人潛水器的一個重要發展方向[21]。

2）載人潛水器的深海作業方式主要是依靠機械手、探測傳感器、取樣器、生物捕捉器等作業工具實現。由于載人潛水器本身排水量較小，其單個潛次的作業能力比較有限。隨著載人潛水器作業任務類型的不斷拓展，為提高載人潛水器作業適應性和通用性，潛器作業工具負載模塊化技術將作為未來的重要發展方向。隨著作業功能模塊化技術的應用，載人潛器可根據不同的作業任務，選擇裝備不同的作業工具模塊，不僅增強了載人潛水器的多功能性、多用途性，而且提高了潛器的利用率的費效比[22]。

3.3 深海移動工作站

深海移動工作站屬于大型化的深海載人原位研究裝備，其具備較強的負載能力和大深度進入深海并長時間駐留的能力。深海移動工作站的發展方向將呈現以下特點：

1）深海移動工作站水下作業人員適居性提升。深海移動工作站水下作業任務時間長，長期晝夜節律變化會導致失眠、生物鐘紊亂，進而使得作業人員情緒低落、身心疲勞等，對人員作業能力的發揮造成嚴重的影響。因此，提高深海移動工作站的適居性水平是大勢所趨，對于提高深海移動工作站作業人員的工作效率和延長水下駐留時間起到非常重要的作用[23]。

2）深海智能探測作業技術。深海移動工作站相較于水下實驗室和載人潛水器具有水下大范圍走航式探測作業的能力。隨著以深度學習、大數據等為代表的人工智能技術的發展，深海移動工作站基于信息融合的分布式智能探測作業技術將得到發展[24]。深海智能探測作業技術將感知、處理、學習和反應密切結合，形成基于知識反饋信息融合的探測與作業架構和處理形式，為深海原位探測作業研究提供了新的思路和方法[25]。

4 結語

深海載人原位研究裝備是人類“深海進入、深海探測、深海開發”必不可少的手段。我國雖然在深海載人原位研究裝備上面起步較晚，隨著“蛟龍”號、“深海勇士”號和11 000 m 全海深載人潛水器的研制和應用，目前已經達到世界領先水平。隨著新材料、新技術的不斷發展，深海載人原位研究裝備將進入一個嶄新的發展階段，適合未來海洋科學考察研究的高效能深海載人原位研究裝備將繼續扮演重要的角色。