本文来自微信公众号：高山书院（ID：gasadaxue），授课老师：崔维成（西湖大学深海技术讲席教授，“蛟龙”号总体与集成项目负责人，第一副总设计师），整理：邱施运，编辑：朱珍，头图来自：视觉中国
上一堂课《打破世界纪录的“蛟龙号”，是怎样制造出来的？》，崔维成教授谈到各国深海科学/技术研究的意义，以及竞争情况。
在我们7000米级的“蛟龙号”成功之后，日本在2013年马上宣布了他们在2023年前完成12000米潜水器的计划，而美国如今也有两个公司要做多人作业型的全海深载人潜水器可以简称“载人深渊器”。
一、向水下11000米进发
对于这样一个复杂、处于国际前沿的系统，真正关键的技术究竟有哪些？分解起来，基本上就三个层次的问题：
层次1：潜器总体设计
潜器究竟要配哪一些部件？所有部件要怎么布置才能变成一个功能协调的潜水器？
层次2：部件制造
单个设备（如载人球、浮力块、推进器、高压海水泵、机械手、摄像机、照相机、水声通信机、成像声纳、多普勒流速计、避碰声纳、高度计、深度计、液压系统、水下电机等）要如何设计？设计好了以后，如何制造？由国外或本地制造？
其中一些技术在陆上已经相当成熟，如电机、泵、阀之类；但到了水下，因为需要体积小、重量轻、耐海水高压和抗海水腐蚀，难度就骤增。
层次3：总装集成及测试、海试
也就是上一篇提到的很多曲折（详见《打破世界纪录的“蛟龙号”，是怎样制造出来的？》）。
我们可以看到，层次1和层次3的问题其实与深度无关，“蛟龙号”的经验、教训可以直接沿用。惟有层次2是跟深度有关，但它更多是设备制造商的问题，只要钱到位了，很多时候就能解决。比如电池，前面蛟龙号做了7000米的电池，现在11000米基本就是提一个新的订单。
所以整体上，对于潜器设计团队来说，主要是聚焦在层次1。我重点说一下其中4个系统的技术问题：
1. 总体性能与总布置
一个核心要求是：缩短下潜上浮时间，最好可以达到11km/h的速度。像蛟龙号的情况，下去、上来各要5个小时，大大压缩了海底的作业时间。
这一点，我们可以通过优化线型、引入飞行或滑翔原理进行优化。卡梅隆当时用了一个鱼雷式的下潜器，90度上下，速度固然很快，但里面的人不舒服。我们则进行了折衷处理，保持鱼雷的纤瘦外形，把角度改成45度——据当时估算，可以实现单程两小时。
当然，还有很多其他的技术手段，比如气泡减阻、有动力以及这几种手段的结合。这对搞水动力学的人来说是令人兴奋的挑战。
2. 载体结构
这包括了载人舱、耐压舱和耐压罐、框架、浮力材料、轻外壳、稳定翼等等，我们挑重点的来详细了解下。
载人舱
其中最为复杂而关键的还是载人舱的设计与制造，焊接过程稍有闪失，舱体就容易渗水；而一旦出现问题，则就艇毁人亡。好在耐压舱的抗压能力都是在实验室里就可以验证，并不需要去海上解决。
载人舱如果用蛟龙号牌号的钛合金，太重太厚，超过了我们轧制厚板的能力。但如果用更高牌号的超高强度钛合金（屈服强度1000MPa级以上），我们国家没有相关经验，所以需要研制很长时间——但无疑这又将会把我们的材料与制造工艺推进到更高一个水平。
另外一个可行的选择是马氏体镍钢（屈服强度1700MPa以上）。俄罗斯当年请芬兰人用马氏体镍钢做过两个6000米的载人舱，用了二三十年不错，技术成熟度高，很快就可以实现。
最后，科技部11000米载人舱选用了超高强度钛合金，直径做到1.8米，可以搭载2人；而我们彩虹鱼11000米载人舱选用了马氏体镍钢。因为马氏体镍钢不能焊接，而由螺栓将两个半球紧紧合并，内径做到2.1米，可以搭载4人。
观测窗
载人舱还有一个比较关键的部分，就是往外看的观测窗。它是用有机玻璃来做的，如果要做到11000米深度的话，有机玻璃厚度将达到400多毫米，特别重，对结构支撑是一个问题。
2014年，我们与俄罗斯、芬兰专家讨论，芬兰的总设计师认为美国的规范太保守，估算可以降到200毫米，2015、2016年我们进行了两批次观察窗试验，由于多种原因，试验结果不理想。第三批次的试验做了10个模型，最后发现需要把厚度做到240毫米就可以。
浮力材料
再一个是浮力材料，一般有固体浮力材料、陶瓷球、玻璃球等。
美国的一个无人潜水器采用了陶瓷球，特别轻。但当陶瓷球像糖葫芦一样串起来以后，有可能发生内爆，产生一个冲水波并造成连锁反应。因为它的高风险，我们最后还是用了传统的玻璃微珠和环氧树脂做成的固体浮力材料。
第一批固体浮力材料，我们是请一个美国公司制造的；但后来它达不到强度要求，我们又让他们作了改进，同时我们也进行了国内的研制。但不管是美国或国产的浮力材料，都没有办法满足1.5倍的安全性规范——规范要求172MPa，国内目前最好的水平是压溃强度150-155MPa，国外则160-165MPa。
这么一来，就涉及一个超规范使用的情况，寿命会有所降低，而这就需要另外制定一套设备更换的评估标准。最后经过研究，一个可靠的指标是浮力材料的吸水率——当吸水率达到一定数值，再用就容易损坏。现在我们正在结合测试结果，解决吸水率预报到压溃破坏的理论预报模型。
3. 机械系统
机械系统里有各种各样小设备，如压载水箱、可调压载、纵倾调节、推进、液压、作业、抛载机构、应急浮标等等。
其中最核心也最难的，是高压海水泵的研制。海水泵，顾名思义，需要将海水导入排出；在巨大的海水压强下，海水泵不光要防止水透进来，还要将水高压打出去，这难度就比较大。
过去蛟龙号的高压海水泵是请俄罗斯某个公司帮我们做的。后来，国内也支持了两个单位同步研制，核心的部件我们一定要有备份，所以一般都安排两家单位同步做。
其它如液压系统、水下电机、水下推力器、机械手的研制，在蛟龙号国产化的资源基础上已经解决了，下一步是提高可靠性。
4. 电力与电气系统
如果沿用蛟龙号中的银锌电池，技术是成熟的，不过成本相对贵——一套电池将近500万，而且一旦打开不管用不用，一年肯定作废，如果用的话，30-40次也基本上寿终正寝了。
现在国际趋势是锂离子电池；如果改用锂离子电池，充放次数可以到达500次。这在国际上日本、美国已经解决，而我国在“深海勇士号”项目上也做了不少研究，应用锂离子电池的关键技术问题基本解决。
至于灯光、摄像与机械手等工具，是国外公司的成熟产品，也不存在技术封锁，所以原则上我们都是以采购为主，不过自研的机械手也已完成。水下3D摄像技术目前则是等待开发。
二、下一代潜器：仿生鱼型
从上世纪30年代起，潜水器的发展已经经历了两代。
第一代依靠航空汽油提供浮力，载人舱体用普通的高强度钢，一个双人的载人潜水器达到150吨左右，几乎没有自航能力，也没办法吊到船上进行维护。
第二代采用了固体浮力材料，载人舱进一步用了高强度的钛合金铝合金或超高强度钢，实现了小型、轻型化，提高了自航能力。人类从探索浅海到抵达地球上海洋最深处，在海洋科学与技术两方面取得了重大进展。
第一代，贫穷的中国缺席了。第二代的研发后期，我国奋起直追，一批蛟龙、潜龙、海马、深海勇士、奋斗者等优秀潜器纷纷研制成功，成功跻身深海技术发达国家之列。
到现在这个时候，我们的载人与无人潜水器在科技部大力的支持下，中国在深潜领域里拥有最多的11000米的深潜设备，科研调查能力最强，从技术上来说应该达到了国际领先。
下一步要思考的是怎么领跑。
不管是现在的载人或无人潜器，跟海洋里经过亿万年进化的鱼类相比，无论是导航能力、快速性、机动性、推进效率等特性，都有很大的差距。那么下一代的潜器要想实现质的突破，必须搞清楚鱼这些特性的秘诀和原理，并融入我们的深潜技术中。
这是第三代智能仿生软体鱼型水下（深海）航行器。对于仿生鱼的研制，实际上早在上世纪九十年代中期就开始。最早是MIT的一个教授提出，当时以金枪鱼为参考对象，后来不同国家、机构也仿了其他的鱼类，每一种都有自己的特点。
仿生鱼型潜水器的整体特点在于，以软体材料替代固体金属和浮力材料，以三D打印替代传统焊接和断除，以人工智能替代传统控制，以纳米传感器替代传统传感器。当中的每一个环节，显然还有很多关键技术需要突破，但也代表着当前国际前沿技术的争夺点。
仿生鱼可以完成海底环境3D测绘、洋流数据采集、环境勘察、海底资源调查等科学研究，还可以开展深海救援与打捞、海洋工程设备安装、检测与维修、水下考古和电影拍摄，深海探险与观光等，在探索、开发、利用和保护海洋资源与环境方面具有极广阔的应用空间。
三、提问
Q：研究海底生态，如果把生物带到海面上，它们难免要经历巨大的环境变化。那么科学家是怎样把它们带回到实验室进行研究？
崔维成：现在科学家能够带上来研究的都是尸体。所有的生物都能抓到，但上去之后面对巨大的压力和温度差很难存活下来。
到目前为止，国际上还没有解决的一个难题就是保压保温舱，怎么在回到水面的过程中保持舱内压力和温度两者同时不变。而且单有保压保温舱还不够，还需要解决把生物移到实验室，这个转换过程还要另一番研究。因此，把宏生物保活是一项很有挑战性的技术难题。
所以现阶段研究深海活体，更现实的方案是在它们身上贴芯片，接着放它们回到海里，通过回传的真实数据去了解生物野生状态下的交流。另外我们现在也在做仿生鱼，其中一个功能是通过跟踪一条鱼来长期观测和记录它的行为。
不过这也涉及到潜水器水下充电的问题，要去研究这些，每一环我们要想很多这种招数应对。
本文根据崔维成于2021年7月8日在高山书院山东·青岛站的部分课程内容整理而成，经老师审核后公开发布。
本文来自微信公众号：高山书院（ID：gasadaxue），作者：崔维成（西湖大学深海技术讲席教授，“蛟龙”号总体与集成项目负责人，第一副总设计师）