徐紀偉 翁震平 司馬燦 馬偉鋒

海洋工作潛器與人類發(fā)展

徐紀偉 翁震平 司馬燦 馬偉鋒

從2010年4月墨西哥灣漏油事件發(fā)生到2010年8月，事故油井共向墨西哥灣泄漏490萬桶原油，造成了墨西哥灣的巨大環(huán)境災(zāi)難，這次事件引發(fā)了人們對海洋開發(fā)的擔(dān)憂與思考。海洋占據(jù)著地球面積的71%，其蘊藏的資源更是陸地?zé)o法比擬的，大洋底有豐富的錳結(jié)核、富鈷結(jié)核、熱液硫化物、生物基因、可燃冰、石油和天然氣。

中國海域遼闊，有長達1.8萬千米的海岸線和300平方千米的藍色海疆，不但提供給國民豐富的漁業(yè)資源，還有待開發(fā)的海底寶庫。南海海域的石油儲量大約在230億~300億噸，占全國總資源量的1/3，是世界四大海洋油氣聚集中心之一。探測證據(jù)表明，僅南海北部的可燃冰儲量，就已達到我國陸上石油總量的一半左右；全世界范圍內(nèi)可燃冰的總能量是石油、煤、天然氣總和的2倍，而可燃冰大多數(shù)都蘊藏在大洋海底。根據(jù)對西沙海槽和東沙群島附近海域的預(yù)測，天然氣水合物資源量為83億噸石油當(dāng)量。東海的能源儲量也相當(dāng)驚人，東海大陸架原油儲量約1000億桶，而世界最大產(chǎn)油國沙特原油儲量為2671億桶；東海天然氣儲量約為5萬億立方米，是美國氣儲量的1.5倍，是沙特氣儲量的8倍。1999年3月5日，聯(lián)合國確認中國在北太平洋的克拉里昂-克林伯頓斷裂帶海域擁有7.5萬平方千米的專屬礦區(qū)，初步估算有4.2億噸多金屬結(jié)核，可滿足年產(chǎn)300萬噸、開采20年的需求。

海洋如此豐富的海底資源與我國短缺的能源現(xiàn)狀形成鮮明的對比。1993年我國從油氣輸出國轉(zhuǎn)變?yōu)閮暨M口國，2010年石油缺口約2億噸。對海洋的研究開發(fā)已經(jīng)關(guān)乎國家的能源安全和人類的可持續(xù)發(fā)展，海洋能源一旦得到有效的開發(fā)可以滿足人類幾百年的能源需求，可以極大地緩和能源問題造成的國際矛盾。

海洋開發(fā)的技術(shù)支持

人類對深海的了解還比不上月球，對大多數(shù)的海洋還是未知，因此開發(fā)深海是一把雙刃劍。墨西哥灣漏油事件就給我們敲響了警鐘：深海的能源開發(fā)并不是無風(fēng)險的，沒有雄厚的技術(shù)支持，一旦出現(xiàn)事故，就會對人類自己以及海洋生物造成巨大的災(zāi)難?？扇急?水合甲烷)一旦開采不當(dāng)造成的危險不亞于海洋石油開發(fā)，甲烷的溫室效應(yīng)是二氧化碳的20倍，可燃冰礦藏哪怕受到極小的破壞，都足以導(dǎo)致甲烷氣體的大量泄漏；陸緣海邊的可燃冰開采十分困難，一旦發(fā)生井噴事故，就會造成海嘯、海底滑坡、海水毒化等災(zāi)難。

開采海底資源必須對其有明確的了解，對資源的勘探便是其中的首要環(huán)節(jié)。資源的勘察手段有三種：實地觀察、獲取樣品和物理與化學(xué)量的原位探測，而讓科學(xué)家和勘測人員到達海底直接對海底資源進行考察是最好的方法。工欲善其事，必先利其器，為了合理安全有效地開發(fā)和使用海底資源，就必須要有先進的技術(shù)和裝備支持。在人類向深海的挺進過程中，科學(xué)家們?yōu)榱颂綄ら_發(fā)海底資源，自20世紀以來就沒停止過研制各種海洋工作潛器，這些海洋工作潛器為海洋的開發(fā)利用提供了有利的條件。能讓科學(xué)家和勘探人員到達深海與洋底的海洋工作潛器有小型載人潛水器（HOV）和海洋空間站，它們可以發(fā)揮不同的作用，形成工作方式的互補，發(fā)揮最大的工作效益。

海洋空間站可以用于開發(fā)海底資源，彌補陸地油、氣、礦等資源的不足；長遠考慮為人類拓展新的居住空間，緩解人口壓力；用于海底觀光旅游，為科技愛好者們提供一個接觸海洋、了解海洋的窗口；用于軍事國防，偵測非法進入領(lǐng)海的船只，防止敵國潛艇到我國海域海底搜集情報和破壞海底通行設(shè)施等；為海洋天然氣水合物的開發(fā)和工業(yè)化開采創(chuàng)造條件，為深水油氣資源和海底礦藏開發(fā)提供技術(shù)平臺。

小型載人潛水器使用靈活多變、用途廣泛?？梢院秃Ｑ罂臻g站結(jié)合起來，自主航行用于勘探海洋礦產(chǎn)，如可燃冰、稀有金屬錳結(jié)核、富鈷結(jié)核和熱液硫化物等。西沙群島是中國古代的海上絲綢之路，50多萬平方海里水域下面有數(shù)量眾多的沉船遺址，留下無數(shù)的珍貴文物，載人潛水器可以用于探測和保護性打撈有價值的歷史文物。海底煙囪自從1977年被美國“阿爾文號”在水下2500米處發(fā)現(xiàn)以來，就成為科學(xué)家們研究的熱點，載人潛水器可用于觀察研究海底煙囪附近的生物群落，研究煙囪的特性，對煙囪噴出的多金屬軟泥和煙囪進行采樣分析，研究其利用價值。

海洋空間站

科學(xué)家們?yōu)榱诉M行各類基礎(chǔ)研究，研制了很多小型的水下固定式的水下工作站，研究人類在水下生活的生理和心理反應(yīng)、珊瑚礁魚類生態(tài)系統(tǒng)，模擬太空環(huán)境，以及開展各種水下技術(shù)作業(yè)和廣泛的海洋學(xué)研究等。典型的有法國的“大陸架”1號、2號和3號，美國的“海中實驗室”1號、2號和3號，最著名的為美國“水下實驗室”（Hydrolab）。它們一般都是采用水面船或者浮標臍帶供應(yīng)能源、食品和進行通信，或者從岸上鋪設(shè)電纜供應(yīng)電能和光纜通信。這類小型水下工作站工作深度普遍較淺、受天氣影響嚴重而且移動不便。

各國的海洋科研人員為了深海資源的開發(fā)也提出了一些合理可行的大型海洋空間站設(shè)想。

法國建筑師雅克·魯熱里設(shè)計出一種名為“海洋空間站”(Sea Orbiter)的新型海洋科學(xué)考察船，他現(xiàn)在正在為建造第一艘籌集資金?！昂Ｑ罂臻g站”和普通的船舶設(shè)計理念大為不同，可以看成是一種“豎著的船”，除了導(dǎo)航、通信設(shè)備和一個望平臺處于海面之上以外，其余部分都在水下。總高度為51米，科研和生活設(shè)施位于海面以下，船身下部設(shè)有一個加壓層，以便潛水員實施考察任務(wù)，科學(xué)家和其他人員可以透過船身的窗戶觀察水中的生物?！昂Ｑ罂臻g站”類似太空船，船上的防碰撞系統(tǒng)也源自國際空間站的類似設(shè)計。按照設(shè)想，“海洋空間站”首航將搭載18人，其中6名船員、6名科學(xué)家和6名乘客。魯熱里希望“海洋空間站”能為探索海洋世界提供一扇窗和一個科考的平臺，同時幫助科學(xué)家們研究海洋與全球氣候變化之間的聯(lián)系。魯熱里希望建造6艘“海洋空間站”，第一艘預(yù)計耗資大約5200萬美元。建造“海洋空間站”的計劃得到法國海軍造船局、大型軍工企業(yè)泰雷茲阿萊尼亞宇航公司等企業(yè)的支持。

法國“ 海洋空間站”

美國“ 深海空間站”

中國“海洋空間站”構(gòu)想

美國康涅狄格州的國家研究中心主管庫伯教授和其他科學(xué)家合作在夏威夷康涅狄格州等處研發(fā)深?？臻g站（Ocean Base One）。該海洋基地將占地2380平方米，建在水下約180米的大陸架上，預(yù)計工程需耗資6000萬美元，包括水上建筑、中部和海底基地。海面平臺可以起降直升機，可以布置船舶碼頭。一個水密式的常壓電梯在直柱式的升降平臺中運送科學(xué)家、學(xué)生、游客和物資往返水面和海底艙室。升降平臺外面連接有觀察室，可以通過觀察窗觀察水中的生物。除了電梯之外，還有帶有觀察窗的吊鐘通過拉索升降與海底艙對接。深?？臻g站很好地把海洋空間站和載人潛水器結(jié)合起來，海底艙可以配套機器人和兩個Manta載人潛水器，Manta載人潛水器可以和海底居住艙對接，可以從空間站自航出去進行觀察和勘探。海洋基地將要開展研究的內(nèi)容涉及氣候變化、海水-空氣交換、生態(tài)系統(tǒng)模型確認、檢測系統(tǒng)研發(fā)、人類居住、海上水產(chǎn)品、人在極限環(huán)境下的反應(yīng)等。

我國的科學(xué)家也對海洋空間站進行了方案構(gòu)思。這個海底空間站包括水面系統(tǒng)和水下系統(tǒng)兩部分：水面部分由水面支撐設(shè)施和陸上終端組成；水下系統(tǒng)根據(jù)在海底的工作模式分為干式工作區(qū)、濕式工作區(qū)和生產(chǎn)/輸送區(qū)。主要關(guān)鍵技術(shù)有水面支撐系統(tǒng)、水下駐留區(qū)、水下電力供應(yīng)模塊、水下生產(chǎn)設(shè)施、水下控制模塊、水下熱站和熱力配置系統(tǒng)。這個深?？臻g站的構(gòu)思是為了對我國深海油氣田、礦場資源和可燃冰的工業(yè)化開采提供良好的技術(shù)支持和平臺。

小型載人潛水器

爭奪海洋資源的深潛器之戰(zhàn)早已打響，生于1858年的老羅斯?？偨y(tǒng)就參加過潛水器的設(shè)計，日本裕仁天皇在1975訪美時專程參觀了美國海洋研究所了解深潛技術(shù)，1987年平成皇太子參觀并鉆進了“阿爾文號”。

1960年1月23日，瑞士人雅克·皮卡德和美國海軍軍官唐納德·沃爾什駕駛著深海潛水器“的里亞斯特號”下潛到10916米，創(chuàng)下了迄今人類到達海底的最深記錄，他們的目的就是證明人類能夠到達地球最深處。

現(xiàn)在載人潛水器的設(shè)計更多地考慮潛水器對海洋勘探、認識、開發(fā)的實用功能上，各國爭先恐后地研發(fā)載人潛器就是為了獲得海底資源爭奪戰(zhàn)的主導(dǎo)權(quán)。法國、日本、美國、俄羅斯、中國都對載人潛水器進行了研究和制造。

皮卡德和“的里亞斯特號”模型

“阿爾文號”水下作業(yè)

美國——“阿爾文號”(Alvin)

1964年美國將“阿爾文號”投入使用，當(dāng)時它是唯一能夠輕松在深海海域?qū)崿F(xiàn)漫游的載人潛水器， 1974年改裝后可以下潛到4500米，平均每年進行150~200次水下作業(yè)，可以在5級海況下工作，直到現(xiàn)在依然是深海研究的主力，可搭乘1名駕駛員和2名乘客?！鞍栁奶枴庇蛇h洋輪攜帶到下潛海域，由9~10人協(xié)作用起重機把其放入水中，一般下潛8小時，包括4小時作業(yè)、4小時往返，使用的是鉛酸蓄電池?！鞍栁奶枴斌w重17噸，有效載荷205千克，尺寸7.1×3.7×2.6米，鈦合金耐壓球殼直徑2米；航行半徑6英里，最高航速可達2節(jié)，由5個推進器驅(qū)動，用蓄電池供電；船身的左右兩側(cè)和正前方共配置了3個可視舷窗，在特制的大燈照明下可用兩個液壓機械手、沉積物挖掘器和海水取樣器采集生物、地質(zhì)及水樣，并放入采樣籃；還可以通過電極感應(yīng)器即時獲取現(xiàn)場的化學(xué)信息?！鞍栁奶枴庇猛緩V泛，1996年幫助美國海軍找回了一枚丟失的氫彈，也成功搜索了“泰坦尼克號”，主要工作是海底勘探和探索深海熱液噴口處的奇特生命。

“阿爾文號”已進入老年期，下潛深度也不及俄羅斯和日本。美國國家科學(xué)基金會（NSF）決定建造更先進、潛深更深的載人潛器新“阿爾文號”。新“阿爾文號”將會下潛至6500米，水下作業(yè)時間長至10小時，速度更快、操縱性更好、艙容變大、儀器更先進和更加安全。

俄羅斯——“和平號”（Mir）

1987年9月，前蘇聯(lián)科學(xué)院海洋研究所與芬蘭Payma Peпола公司聯(lián)合研制成功了6000米的深海載人潛水器“和平1號”（Mir1）和“和平2號”（Mir2），它們是兩個相同的載人潛水器，并在1988年秋修改了設(shè)計，改進了潛水器的各項技術(shù)指標。鎳鋼耐壓球殼艙內(nèi)可容納三人，直徑2.1米，有1個200毫米和2個120毫米的觀察窗?！昂推?號”最深達到6170米，“和平2號”最深達到6012米。“和平號”的電池為鎘鎳蓄電池，容量是同類潛水器的兩倍，水下時間長達20小時，水下最高速度5節(jié)，重18.6噸，有效載荷290千克，兩潛水器可協(xié)同工作。2007年由俄羅斯最高杜馬副主席奇林加羅夫領(lǐng)隊用“和平1號”在北冰洋海底插上俄羅斯國旗，這引起北冰洋各國對北極圈資源爭奪的口水戰(zhàn)；俄羅斯總理普京在2009年8月1日乘“和平1號”潛入貝加爾湖以下1400米，接觸湖底的新能源“可燃冰”。“和平號”的成果有：進行了洋底熱液礦床研究，大西洋印度洋、地中海洋底山脈研究，深海生物及浮游生物的調(diào)查和取樣，包括放射性測量在內(nèi)的核潛艇“共青團員號”沉沒綜合海洋學(xué)研究，電影《泰坦尼克號》的拍攝，尋找躺在海底的物體，可燃冰的探查等。目前俄羅斯在6000米的基礎(chǔ)上進一步研究水下10000米的載人潛器。

日本——“深海6500”（Shaikai6500）

日本在深海探測領(lǐng)域走在了世界前列，由日本科技廳、海洋科學(xué)技術(shù)中心（Jamstec）和三菱重工神戶造船所共同開發(fā)并在1981年建造了“深海2000”，解決了深海載人潛器的關(guān)鍵技術(shù)難題，并在1989年建造了“深海6500”?！吧詈?500”長9.5米，型寬2.71米，高3.21米，重25.8噸，可載重200千克，鈦合金耐壓殼內(nèi)徑2米，有3個直徑120毫米的觀察窗，潛航時間為8小時，最大航速2.5節(jié)，主蓄電池為油浸銀-鋅電池；1989年成功下潛三隆沖日本海溝東側(cè)6527米，平均下潛速度為每分鐘43米，可以覆蓋97%的大洋底；裝備有最新的聲成像聲納系統(tǒng)、攝像機、電視系統(tǒng)、2只七自由度機械手、可伸縮采樣籃以及各種自動測量儀器，可以貼近海底航行，進行拍照、攝像和攜帶各種工具、設(shè)備進行勘探作業(yè)，還可以通過機械手和取樣器進行海底采樣和安裝海底觀察設(shè)備?！吧詈?500”已對錳結(jié)核、熱液礦床、鈷積殼和6500米海洋斜坡和大斷層進行了調(diào)查，以及在4000米處發(fā)現(xiàn)了古鯨遺骨及其寄生的海底生物。

日本“深海6500”

法國“鸚鵡螺號”

法國——“鸚鵡螺號”（Nautile）

“鸚鵡螺號”由法國著名的海洋開發(fā)研究所Ifremer于1985年研制成功，總重19.5噸，尺寸為8×3.7×3.7米，耐壓殼是由兩個鈦合金半球通過螺栓聯(lián)結(jié)而成，內(nèi)徑2.1米，可載2名駕駛員和1名觀察員，前部有3個直徑120毫米的觀察窗；最大航速2.5節(jié)，有效載荷200千克，潛深6000米，可以在水下作業(yè)5小時，使用鉛酸蓄電池供電。配置了對接在“鸚鵡螺號”前部的被稱為“Robin”的ROV，一根直徑19毫米，長70米的電纜連接ROV與“鸚鵡螺號”，ROV用于觀察無法達到或危險的區(qū)域?！胞W鵡螺號”目前已經(jīng)下潛1500余次。法國1970年制造了潛深3000米的“西亞納號”（Cyana），并且也完成了1300余次的潛航作業(yè)任務(wù)?！胞W鵡螺號”可以進行多種海底樣品的采集和其他復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)，已完成調(diào)查過多金屬結(jié)核區(qū)域、海溝、深海海底生態(tài)，還參與了沉船和有害廢料等搜索任務(wù)。

中國——“蛟龍?zhí)枴?/h2>

我國20世紀70年代研發(fā)了7103艇，重35噸，尺寸14.88×2.6×4米，設(shè)計深度600米，可載24人，無作業(yè)能力。80年代中期研制了QSZ單人常壓潛水器，重609千克，尺寸2.08×1.3×1.5米，工作深度300米，載1人，潛水員操作機械夾持器可完成簡單水下作業(yè)。90年代開發(fā)了魚鷹-2型撈雷潛水器，載3人，最大工作深度150米，裝備有大型撈雷機械手。90年代還有移動式救生鐘，重10.5噸，工作深度200米，可載10人，可對失事潛艇中的艇員進行干式或濕式救援。

目前我國已經(jīng)研制了7000米的載人潛器“蛟龍?zhí)枴保筛采w99.8%的洋底，研制工作主要由中船重工中國船舶科學(xué)研究中心（702所）擔(dān)任?！膀札?zhí)枴敝?3噸，有效負載220千克，尺寸8.2×3.4×3米，鈦合金耐壓球內(nèi)徑2.1米，前部中間有直徑200毫米的觀察窗，兩旁各一個直徑120毫米的觀察窗，最大航速2.5節(jié)，巡航速度1節(jié)，水下工作時間可達6小時，可載3人，作業(yè)系統(tǒng)為七功能主從式機械手1只、七功能開關(guān)式機械手1只。2010年6、7月在中國南海進行了3000米海試，最深下潛到3759.39米，成功突破了世界海洋的平均深度，并要在2011年進行5000米海試。 將要完成對熱液噴口和海洋礦產(chǎn)資源的采樣和探測，考察海洋地質(zhì)，研究浮游生物、微生物和海底生物，也可以進行深海打撈等海底作業(yè)。

中國“蛟龍?zhí)枴蹦Ｐ?/p>

發(fā)展方向

隨著對海洋的進一步探索和了解，人類研究和開發(fā)海洋的愿望也越來越迫切，海洋工作潛器的開發(fā)與應(yīng)用速度將會隨著人類對海洋的進一步認識而再次提速。人類對海洋資源的需求使得未來海洋工作潛器將會以作業(yè)型的潛器為主，會以水下作業(yè)和開發(fā)海洋為主要目標，以此更好地利用海洋來為人類服務(wù)，帶來可觀的經(jīng)濟效益。

鑒于目前水下工作潛器所攜帶的能源裝置的限制，多數(shù)工作潛器只能在水下工作有限的時間，這大大降低了海洋工作潛器的水下作業(yè)能力和效率。因此，從改進能源裝置的角度出發(fā)來解決海洋工作潛器的水下作業(yè)時間將是一個亟待解決的技術(shù)問題。隨著各國對海洋權(quán)益的重視，能源裝置也會因開發(fā)海洋的需要得到提升，未來海洋工作潛器必將向著長航時作業(yè)型發(fā)展。對于載人的海洋工作潛器來說，由于航行時間長，對潛水器的研制會提出更高的要求，以適應(yīng)工作人員長時間水下工作的需求。由于在海底工作具有一定的復(fù)雜性和危險性，無人的海洋工作潛器也將會得到進一步的發(fā)展，以此與載人的海洋工作潛器形成互補。單個的海洋工作潛器功能有限，而一個系統(tǒng)工程需要具有不同功能的海洋工作潛器協(xié)同完成，因此海洋工作潛器的研發(fā)會向著多元化、系列化的方向發(fā)展，形成有主有輔、功能互補的潛器系列。同時，潛器需要強有力的水面保障，因此需要研制與海洋工作潛器相配套的水面保障系統(tǒng)，用來對海洋工作潛器進行維修、護理和補給等，這樣才可以使海洋工作潛器更好地發(fā)揮作用，為人類謀福祉。在開發(fā)海洋資源的同時，需要注重對海洋環(huán)境和資源的保護，維護和合理利用海洋的可再生資源，以促進海洋資源的可持續(xù)發(fā)展。

我國能源和礦產(chǎn)資源人均占有量遠遠不及美國、俄羅斯等大國，能源和礦產(chǎn)資源的空缺大都需要通過進口來補充。我國海域遼闊，海洋資源豐富，完全可以利用海洋這個資源寶庫來彌補我國陸地資源的不足?！膀札?zhí)枴钡难兄坪推?000米的海試成功，說明了我國對勘探和利用海洋資源的高度重視，也加快了海洋資源勘探與開發(fā)的步伐。深海裝備的研發(fā)可以很好地促進我國的海洋事業(yè)，為解決我國的能源危機和礦產(chǎn)資源的短缺等問題提供保障。我國應(yīng)該繼續(xù)加大對海洋裝備技術(shù)研究的投入，以此來鼓勵和促進我國海洋事業(yè)的加快發(fā)展。