戴上VR眼镜，在2018年全国科技活动周暨北京科技周活动主场，体验者可以跟随我国4500米级载人潜水器“深海勇士”号，一同下潜至4500米深海，体验深海科考作业场景，探索热液和冷泉的地理奥秘。

在我国南海，真正的“深海勇士”号正在执行我国“南海深部计划”西沙深潜航次任务。

我国自主研制的“深海勇士”号，它有哪些看家本领呢？

海面示位装置变身移动“灯塔”

静谧的南海之夜，繁星点点。5月19日晚，“回家”不到5个小时的“深海勇士”号载人深潜器，连续作战，在近1400米深的海马冷泉区，展开夜潜作业。

这并不是“深海勇士”号第一次夜潜。

“我们研发了海面示位装置，该技术可以让潜水器浮出水面时把位置信息通过卫星发送到母船上，母船上的水面监控系统会将潜水器实时水面位置信息显示在监控界面上。即使海面光线很暗，水面支持人员也知道潜水器在哪，从而完成高效回收。”中国科学院沈阳自动化研究所高级工程师、“深海勇士”号控制系统负责人祝普强说，该装置被安装在应急浮标上，当潜水器出现紧急状态时，母船可以根据漂浮到水面的应急浮标位置，采取进一步的应急措施。

“回家”不到5个小时缘何能连续作战？祝普强解释，这是因为潜水器采用了多传感器、双网冗余设计，进一步提高了潜水器的安全性、可靠性，让大频率使用环境下的控制系统全程无故障。此外这与整个团队对潜水器技术掌握更加深入、国产设备技术成熟度大大提高直接相关。

高精度组合导航实现重复定点作业

在陆地上开车需要卫星定位系统导航，在卫星定位系统并未覆盖的深海，如何判断潜水器的运动速度与环境情况？多普勒测速仪类似于陆地上的定位导航系统，借助它，潜航员可以判断潜水器开到哪了、通过现有行驶路线是否到达目的地。

中船重工702所研究员、“深海勇士”号载人潜水器总设计师胡震说，很多应用场景要求潜水器在不同潜次，可以到某一个固定的点作业。要让潜水器具备重复到达指定地点的能力，需要提高导航定位系统的高精度。

“深海勇士”号装备了可以实现超短基线和长基线两种定位模式的综合水声系统，其中长基线可以让潜水器知道自己在哪儿，超短基线可以让母船知道潜水器在哪儿。

胡震告诉科技日报记者，基于国产化的多普勒测速仪、惯导传感器、综合水声系统，“深海勇士”号的高精度组合导航系统，将定位能力提高到亚米级，可实现多次“踩”在某个固定点。

深海电池寿命实现数量级式增长

依据经费额度计算，4500米载人潜水器国产化率达到95%。国产化率的提高也大大降低了运行成本，提高了科考性价比。

胡震告诉记者，“深海勇士”号下潜成本降低，与改用锂电池直接相关。以前其他潜水器使用的银锌电池可用次数为50次，锂电池将这一数字提升到500次，使用寿命长达5年。

无动力下潜、无动力上浮，在国际深潜界以前的概念里，这两个过程不用电，但耗时较长。

深海锂电池的使用颠覆了这个理念，潜水器可借助电力快速上浮和下潜，增加在深海作业时间。

“深海勇士”号还突破了钛合金载人舱、超高压海水泵、低噪声推进器、浮力材料等关键技术。胡震表示，通过研制“深海勇士”号，我国大深度载人深潜技术和装备制造取得突破性进展，全面具备了自主研发和制造深海载人潜水器的能力。

近日，在中央电视台播出的《大国重器》第五集中，展示了“深海勇士号”在南海4500米深海下潜任务的过程，引发关注。“深海勇士号”是继“蛟龙号”后的，我国深海装备的又一里程碑，与“蛟龙号”相比，“深海勇士号”的最大突破，就是国产化程度达到百分之九十五，在“蛟龙号”研制与应用的基础上，成功实现了潜水器核心关键部件的全部国产化，在研制过程中先后突破总体设计与优化、大厚度钛合金载人舱设计制造、大深度浮力材料、低噪声深海推力器等一系列关键技术，降低了运维成本，有力推动深海装备功能化、谱系化建设。

钛合金载人舱

深海下潜，水下压强随着深度增大，达到一万米的海底后，潜水器承受的压力相当于将一辆轿车的重量，压在小拇指的指甲盖上。而载人舱是潜水器的心脏，要保证球舱里的3位潜航员的安全，球舱的薄厚、尺寸、性能、甚至圆度都有严苛的要求，容不得半点的马虎和疏漏。

2015年5月，我国首个国产4500米潜深载人潜水器耐压壳在洛阳船舶材料研究所出厂。该球壳与“蛟龙号”所采用的耐压壳尺寸相当，不同的是，“蛟龙号”的耐压壳是俄罗斯制造，钛合金焊接工艺难度极高，此前只有俄罗斯掌握。现在，我国也独立掌握了此项技术。

我国首个4500米深潜器耐压壳出厂现场

该钛合金载人球舱，尺寸大（内径达2.1米，壁厚53mm，重量超过4吨），结构复杂，真球度及尺寸精度要求高，大壁厚多焊缝，焊缝各项性能指标要求与母材相当。其中大规格超厚钛合金板材研制、半球整体成型、电子束焊接技术及合作方式均为项目独创。

大深度浮力材料

深海装备用固体浮力材料是海洋勘察及深海工程中极为关键的核心材料，主要由空心玻璃微球与树脂基材热固化成型制得，具有综合性能要求苛刻、制备难度大的特点。

中科院理化所从上世纪九十年代至今一直从事微米级球形粉体材料的研究。在863计划的支持下，“十五”期间，国内率先开展原创性“高性能空心玻璃微珠产业化关键技术”研发，掌握了原位气化成形的核心技术。将高性能空心玻璃微珠用于固体浮力材料研究，利用致密堆积技术解决了微球在聚合物基材中的密堆积无缺陷的技术难题，研制出密度低、性能优的样品。“十二五”期间，采用自主知识产权的软化学制备技术，突破传统固相法制备工艺的技术壁垒，解决了产品批次稳定性的技术问题，为固体浮力材料的规模生产奠定了坚实的技术基础；2013年，自主研制的固体浮力材料模块在南海成功进行了长达155天的海试试验，样品吸水率小于1%，性能达到国际水平，标志着我国自主掌握了4500米浮力材料的重要核心关键技术。

深潜用固体浮力材料产品

2016年，研究团队在极短时间内进行了大量的技术攻关和条件改造，完成了4500米级载人潜水器用固体浮力材料生产线的筹建及调试，突破了生产过程中残存应力释放等关键技术，生产出批产稳定的产品，性能达到国际先进水平；2016年12月已将产品交付4500米载人潜水器总体集成，使我国成为世界上为数不多的生产深潜用固体浮力材料的国家之一；打破了国外对我国固体浮力材料禁运的被动局面，实现了关键核心材料自主保障能力，为万米载人潜水器用浮力材料的国产化研制提供了重要的依据和可能。

深潜用固体浮力材料进行海上试验

蛟龙号想必大家都很熟悉，在2012年它的下潜深度就已经达到7000米，也是目前世界上下潜能力最深的作业型载人潜水器。在拥有7000米级作业深潜器之后，为何还要研制4500米级作业潜水器？这是出于海洋科学考察、勘探和开发海洋资源的需要。

海底蕴藏着丰富的资源，已探明的锰结核、热液硫化物、天然气水合物等的储量远远超过陆地，有数不清的秘密和宝藏等待人类去发现。当前国际深海科学前沿的热液硫化物一般分布于2000米到3000米之间，4500米的设计深度可以满足大部分深海科学研究，是一个更为经济实用的选择；更重要的是，4500米载人作业潜水器国产化率达到92%至95%，不仅极大降低了运行成本，而且具备更高的可靠性。

去年夏天，“深海勇士”号在南海进行了为期46天的海上试验之后，高频率下潜28次，最大下潜深度达到4534米，共完成388项测试，还创下52小时连续下潜4次的记录。

同时，中国万米级载人潜水器的研制正有条不紊地进行着，预计将在2020年完成研制。万米级载人潜水器建成投入使用后，将会创造新的“中国深度”。

深海载人潜水器的开发意义

要介绍载人潜水器之前，要先说明一下，为什么要去做这样一个载人深潜的装备，它的目的和意义是什么？下图是一张标准的世界地图，跟平时看得不太一样的是，它的海水已经被抽掉了，可以很清楚地看到，海底的地形起伏，实际上它跟陆地是一样的，有高的山基，也有山谷。

具体看它们的面积的话，地球的面积70.8%都是海水，整个海洋的平均深度到了3680米，所以地球上70%的面积还都是未知，这70%的面积里面，到底都有什么样的东西，是否有很好的资源，能够供我们人类以后的使用。

实际上整个海底资源的储量，是陆地储量的几十倍，例如可燃冰，如果燃烧的话，会生成非常干净的水和二氧化碳，是一种非常清洁的能源，而且可燃冰的储量是煤炭石油天然气总和的两倍，所以如果能够有效地利用海底下资源的话，未来的生活一定会变的更好。

深海载人潜水器的技术奥秘

实际上很多国家都对载人深潜做了非常多的工作。美国的“阿尔文号”载人潜水器，1964年诞生，到今天的2017年，实际上已经经历了50多年的使用，而且一直在进行升级改造，来提升水下的作业能力。左下角这张图，是俄罗斯的“和平一号”，它带着普京总统，下到过贝加尔湖。右上角的这张黄色的载人潜水器是法国的“鹦鹉螺号”，最大的下潜深度是6000米。右下角是日本的“深海6500”号，最大下潜深度6500。

所以无论美国俄罗斯，还是法国、日本的载人潜水器，他们最大一般都是6000米深度，而“蛟龙号”载人潜水器，它的最大下潜深度可以到7000米，中国已经处于世界非常好的技术状态了。

实际上前面所介绍的五款，科考型载人潜水器的结构设计，基本上都是大同小异的，以“蛟龙号”载人潜水器为例。首先在载人潜水器的头部。是有一个大概直径两米左右的载人球，这个球会承受外界的压力。 而且载人球有几个观察窗，潜航员可以通过观察窗，看到外部各种的情况。操纵机械手进行采样，器械手采样的生物，或者其他的地质样品，可以放到采样篮里，带回到水面，而在载人球的后部，有包括电池，推进器，能够保证它的移动，另外还有一系列的各种声纳。能够保证和母船的通信、定位，以及水下的探测。

整个这一套系统，构成了我们“蛟龙号”载人潜水器，“深海勇士”号，实际上也是一脉相连的。载人潜水器，是在科技部几十年的持续的支持下，逐渐地完成了我们自己国产化的这样一种技术能力，而“深海勇士”号正是我们深海装备工程化的一个集中的体现，因为这个载人潜水器，基本上都是我们国家自己制造的。

下面来看一看具体的关键设备。第一个是载人球，它有五个观察窗，除了现在新的“阿尔文号”载人潜水器以外，所有的载人潜水器只有三个观察窗，但是它在潜水器的两侧，又增加的两个观察窗，所以会有一个更好的视野覆盖，实际上在这次海事里面，整个的运行状态数据都是非常非常好的，这也体现了载人球的总体设计，工艺和技术，都是非常可靠的。

第二个就是锂电池，在4500米的大压力下要保证整个供电系统的绝对安全，以及提供充沛的电能来保证潜水器这样高效的作业能力。

下图是载人潜水器的可调压水枪和海水泵，右边的这个像花生壳这样的一个水舱，这里面的水可以通过海水泵调节，在4500米的深度，如果抓了一个220公斤的样品，那么就可以把这个花生壳里面的水排出去220公斤，这样潜水器还能保持水下零浮力的状态。

推进器，整个的载人潜水器，一共有六个水平垂直的各种方向的推进器。

机械手，在这整个50天的海事里面，28个下潜里面，它一共采集了将近30种不同的生物，包括它肩部的，肘部的，包括手腕的，各个方向的动作，可以非常自如地在水下进行取样。

还有浮力材料。钛合金的框架结构是比较重的，而浮力材料的密度差不多是水的一半，有比水重的钛合金材料，也有比水轻的浮力材料，这样，实际上潜水器在水中就能够达到一个零浮力的状态。进行比较自如的航行操作，并且非常节约能源。

一般可以通过两个种方式，实现母船和载人潜水器通信。第一种长天线的方式，就是船尾部所吊下去视频通信的砧，吊到海水里可以远离母船，在一个非常安静的环境下，与载人潜水器安静地通信，保证通信的可靠性，但是吊下去的长天线，可能会存在一定的风险。它在海里面，不管是海浪还是风，都有可能把这根长天线，搅到螺旋桨里对母船的航行带来一些安全性的干扰。

“深海勇士”号所使用的通信机是第二种，短天线的方式。它能实现和潜水器的各种高效的高速的通信。但是需要克服的一个最大的问题，就是近距离地首先母船噪声的干扰。

通过下图声纳，可以对于海底进行这种精确测绘。它在潜水器的左下，和右下，都有一个发射声纳，形成一个覆盖800米宽度的条带，进行测绘。我们可以清晰地看到，在左上角包括中间部分，都有非常微小的地形起伏，它的地形起伏的高度，差不多在1米，在4500米的深度，如果能拿到这种分米级的垂直分辨率，这也意味着我们的载人潜水器具备了水下搜寻危险目标的能力。

第三套设备就是水下定位，有点类似于GPS，就是说可以使潜水器做到指哪儿打哪儿，另外一种更方便的通信定位方式是超短基线的定位方式，就是潜水器不断地像水面母船发射定位信息。

勇士号会在深海进行哪些科学探索？

2017年“深海勇士”号，已经进行了非常成功的海事，它后面到底会有什么样的具体的应用呢？

上图实际上就是已经计划了“深海勇士”号明年要开展的科考作业。大左上角橘黄色显示的，是去我们南海的冷泉区，首先冷泉和可燃冰是有直接关系的，可燃冰在海底表面进行汽化的时候，就会形成冷泉这样的一种效果。

另外一个是去的西南印度洋的热液区，在水下，也会出现两个板块逐渐撕裂的情况，在撕裂的过程中，会产生一些地质现象。而热液的喷发，它能够揭示到很多地质学，包括地球演变的过程。所以这也是接下来的一个非常重要的科研方向。

“深海勇士”号的海事成功之后，整个的团队会转向新的目标，就是全球最深的马里亚纳海沟，在“十三五”科技部的年化计划里面，整个的团队都会去投入到万米的深海科考的载人潜水器的研究过程中。现在计划是在2021年实现我们中国人自己做的载人潜水器，下到全球最深的海沟。我们也有非常强的配合，所以我相信未来我们一定会实现我们的载人潜水器从4500米的国产化，到万米的跨越。