本月，国际知名学术期刊《细胞》上发表了中国科学家关于马里亚纳海沟生态环境科研计划的最新进展。在我国自主研发的“奋斗者”号载人潜水器帮助下，人类首次系统性地研究了深渊生命。

　　可上九天揽月，可下五洋捉鳖，人类探索地球的征程离不开载人潜水器的技术创新。海底两万里，书写新传奇。

　　本报记者 彭德倩

“奋斗者”号下水前留影。 新华社 图

　　提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，保护海洋生态环境，已成为当前许多国家的发展共识。其中，对深海区域的探索和研究不可或缺。

　　科技发展史上，载人潜水器的节节突破一次次推动着人类破解地球、生命奥秘，成为担当深海科考和海洋资源开发利用的“国之重器”。

　　时隔73年

　　为“泰坦尼克号”拍照

　　载人潜水器是由人员驾驶操作，配置生命支持和辅助系统，具备水下机动和作业能力的装备。该装备可运载科学家、工程技术人员和各种电子装置、机械设备，快速、精确地到达各种深海复杂环境，进行高效的勘探、科学考察和开发作业，是人类实现开发深海、利用海洋的重要技术手段。

　　它的研制与应用始于20世纪30年代，应用目的主要在于追求人类潜入海底的深度，潜水器一般不具备动力，功能仅限于水下观察。

　　Argonaut the First作为全球首艘载人型潜水器，研制于1890年。在此基础上，1932年“弗恩-1”号载人潜水器问世。1934年，美国动物学家彼比和工程师巴顿钻进直径为1.37米的“彼比”号钢质圆球，通过与圆球连接的缆绳下潜到水深922米处，观察到一些未曾见到的海底生物。“彼比”号表面外部配置有两个观察窗和一个250瓦的照明灯，没有动力及推进器，潜水器的上浮和下潜依赖于母船端控制绳索的收放。

　　1948年瑞士物理学家奥古斯·皮卡尔在气球设计原理基础上研制了全球首台不用钢索也能独立行动的“的里雅斯特”号潜水器。12年后，世界上第一艘真正意义上的载人型深海潜水器——“曲斯特I”号研制成功。1960年1月，美国海军唐·沃什和雅克·皮卡德乘坐它成功下潜至马里亚纳海沟著名的“挑战者深渊”，创造了10916米的下潜纪录。

　　与“彼比”号相比，“曲斯特I”号从结构和功能上都进行了诸多改进，为了潜得更深，排水量超过50吨，体积庞大，建造和运输都极其不便，也无法频繁下水；受当时技术条件的限制，它与“彼比”号一样，没有水下航行和作业能力，可以说在科学研究领域并没有得到实际应用。

　　这一局面很快被打破。4年后，美国开始建造“阿尔文”号载人潜水器。它最初的设计工作深度为2000米；1974年改装后，其工作深度达到4500米，空气中重量17吨，采用铅酸电池作为动力，可搭载3人正常水下工作6—10小时；2014年全面升级后，它有了直径更大的载人球，最大下潜深度达到6500米，具有5个观察窗，并采用了复合泡沫塑料浮力材料，照明、成像、指挥、控制等系统也进一步完善。

　　“阿尔文”号的下水标志着现代载人潜水器真正开始了人类在海底的科考活动。多年的应用航次中，它已成功完成超过5000次下潜，并进行了多次有重大影响的作业。

　　1966年，“阿尔文”号直接参与了美国海军失事氢弹的打捞。1977年在加拉帕戈斯洋脊断裂带，它首次发现了冰冷深海中的“高温黑烟囱”——海底热液区，同时对其周围典型的生物群落进行了科学研究，震动科学界。

　　令其扬名世界的是发现“泰坦尼克号”沉船残骸的过程。1985年，一支由美国、法国科学家共同组成的探险队带着“阿尔文”号在北大西洋深处探索，在找到沉船残骸的同时，还拍摄了大量高清晰度的照片和视频。那是自1912年4月14日“泰坦尼克号”消失后的首次珍贵影像。

　　深度6527米

　　23年纪录的保持与打破

　　如今，发展以载人潜水器为代表的高技术装备群成为海洋强国的共识。无论是在印度洋洋中脊海域、大西洋热液海域、太平洋深渊海域，还是在中国南海海域、墨西哥湾采油海域、伊豆·小笠原海域，载人潜水器都获得了广泛的应用，其搭载人员现场观测的技术优势大大拓展了深海科学研究的视界。

　　载人潜水器按照潜深大致分为重型深海型（超过1000米级）和轻型中浅海型（低于1000米级）。据统计，全球目前有100艘左右的载人潜水器正在服役，比较活跃的深海型潜水器约有17艘。

　　受制于造价及运行费用，全球范围内仅有美国、中国、日本、俄罗斯、法国拥有和运营深海型载人潜水器，西班牙、加拿大和葡萄牙等国正在发展浅水型潜水器。

　　1971年，很早便在海洋科研领域深耕的日本成立了统筹全日本海洋科学技术研究与发展机构的核心机构——日本海洋地球科学技术中心，并在1989年完成了深海6500载人潜水器的研制。

　　它在空气中的重量为26吨，长9.7米，宽2.8米，高4.3米，可搭载3人正常水下工作8小时，最大生命维持时间高达129小时，最大航速2.5节，在技术性能上超过了“阿尔文”号。2012年3月，这个潜水器经历了大规模升级改进，配置了两个中型尺寸的摆式船尾推进器和一个水平船尾推进器，大幅提升了运动性能和作业能力。

　　值得一提的是，深海6500曾下潜到6527米深的海底，这一纪录直到23年后才被打破——2012年6月27日12点，中国“蛟龙”号进行第五次深海下潜，创造了全新的世界同类载人潜水器下潜纪录7062米，并完成海底航行、沉积物及海水取样、固体物采集、海底地形探测、生物捕获、标志物布放、环境摄影摄像等深海科考作业。这标志着“蛟龙”号具备了在7000米深度巡航悬停并开展长时间多种科学考察的能力，使我国深海科学考察能覆盖全球99.8%的海洋面积。

　　近年来，受中国“蛟龙”号的成功研制与海试应用巨大成果影响，日本加紧开展万米级载人潜水器的研制计划，并于2013年启动了全海深潜水器“深海12000”的研究计划——预计配备有一个透明玻璃载人球壳，甚至装备休息室和浴室等设施，满足2天的任务需求。然而由于种种原因，该研究计划尚未落实。

　　相比于美国和日本，俄罗斯同样具备强大的载人潜水器研制及应用能力。后者拥有目前世界最多的大深度载人潜水器，如和平1号、和平2号、Pisces、AS—37等。

　　俄罗斯的潜水器具有显著的技术特点，最知名的莫过于1987年研制的两艘6000米级和平系列双子载人潜水器（MIR1和MIR2），其工作能源是美国“海涯”号和法国“鹦鹉螺”号的2倍，可支撑潜水器在水下连续完成长达20小时的作业任务，同时具备高机动性，水下瞬时航速高达5节。多年来，和平号双子潜水器在印度洋、太平洋、大西洋和北极海底完成了超千次科学考察，除了完成科学领域的任务以外，它还参与美国、加拿大深水电影的拍摄。

　　在载人潜水器领域，欧盟也具备雄厚的基础和能力，其中主要以法国、德国和英国为核心。1985年法国研制的“鹦鹉螺”号6000米级潜水器迄今已完成超过1000次下潜作业。相对于其他潜水器，它具备重量轻、升沉速度快、水下移速高、本体配置小型水下机器人系统等特点，已完成过资源勘探、深海环境调查等科学任务，以及军方搜救打捞等任务。

　　除了以科研为主要目的的“科学家潜水器”外，专门为电影拍摄设计、建造的“摄影师潜水器”同样功力深厚。2012年美国导演杰姆斯·卡梅隆出资、澳大利亚工程师团队研制了一台万米级观测型载人潜水器“深海挑战者”号。

　　严格来说，“深海挑战者”号不算传统意义的下潜器，但其部分设计思想也可以成为深海载人下潜技术发展的方向之一。

　　它的下潜模式采用了最新的垂直式形式理念，降低了水阻，下潜速度可达每分钟150米，相较传统下潜器，效率提高3倍以上，并配备了包括3D摄像头在内的多种摄像头。2012年，卡梅隆亲自驾驶“深海挑战者”号下到了马里亚纳海沟的10898米深渊，并完成全球首次高清电影拍摄。

　　新材料开发

　　陶瓷的成功与失败

　　近年来，随着材料学、水声通信技术、控制电子技术、视频技术、智能技术的重大发展与变革，世界范围内的深海装备水平突飞猛进。

　　传统载人潜水器囿于潜浮速度的限制，海底作业时间较短，带来了一定的问题，为此，各国研究者开展了大量研究工作。

　　由霍克斯公司创始人格拉哈姆·霍克斯研制的全海深海载人潜水器“深飞挑战者”，其载人球壳由两个透明的石英玻璃半球加工而成，具备大容量电池能源，供给水下作业长达24小时。该潜水器最新的特点在于采用了水下滑翔的运动下潜原理，可以用较少动力实现较高速度航行，下潜速度达每分钟106米。

　　在低温、高压、高盐等深海极端环境下，载人潜水器中特别是深海型的支撑框架及耐压壳体材料的选择至关重要，这也是目前全球科研领域的热点。

　　目前，深度载人潜水器耐压材料一般采用不锈钢，虽然造价适中，但密度较大，影响潜水器整体重量，制约了载人潜水器浮力的高效控制。

　　钛合金材料是目前已知最为合适的主要材料，其质量相对较轻，且强度高，但缺点是价格昂贵，加工难度大，成为广泛应用的瓶颈。

　　为此，新材料开发不断拓展。一大批复合型材料被逐步探索应用于深海装备中。

　　如今，碳纤维复合材料、强化玻璃材料已开展相关研究，成为未来载人球壳的理想材料。如日本计划未来新一代载人潜水器的载人球壳采用强化玻璃制造，这样可极大提升海底作业的视景作业效率。

　　陶瓷材料作为在陆上已研制相对成熟的材料，其优异的强度性能和力学性能近几年来逐步得到认可和重视，开始被研究并应用为水下耐压材料的基材。在同等强度条件下，陶瓷具有较低的密度，因此其做成的耐压罐体具备较小的重量，这样可以节省大量昂贵的浮力材料。它还具备天然的防海水腐蚀能力，可以更好地适应极限深潜。

　　不过，新材料的探索并非一帆风顺。2009年5月，将陶瓷材料作为主要基材的美国“海神号”深海运载器成功下潜至马里亚纳海沟，证实了其力学强度性能。然而陶瓷球本身极脆的物理特性仍有待继续改性完善，一旦一个陶瓷球发生爆裂，极易引起连锁反应。“海神号”2014年就因此发生了水下爆炸。