0 引　言

21世纪是海洋的世纪，而极地地区在地缘战略、自然资源、航运及科研方面的价值日益凸显，作为目前国际上的研究和关注热点，越来越成为国际争夺的战略要地^[1-2]，且国际间急剧升温的南、北极战略利益的博弈，与我国的战略利益和长远发展密切相关^[3]。随着极地科考规模的发展和目标的提升，在科考手段中引入高技术装备，为更深层次的极地科考寻找新的突破点已经成为迫切需求。目前国际上用于极地研究的装备以无人为主，而我国尚未成熟开展专用于极地环境的深海装备，其中载人潜水器作为能携带科学家到达海底的潜水器^[4]，对于研究和开发极地这一特殊区域有重要作用。

目前有多个国家都拥有1台或多台大深度载人潜水器，主要包括俄罗斯、美国、法国、日本、中国等，但已知的载人潜水器在北极的下潜只有1次。2007年8月，俄罗斯“和平1”号和“和平2”号载人潜水器在2 m厚的冰层条件下实施了下潜，支持母船为Arktika级核动力破冰船Rossiya号，下潜时通过寻找50×50 m的冰窟窿进行布放，最终下潜深度4302 m，水下时长9 h，主要进行了取土样和海底动物，并在海底插俄罗斯国旗，回收时由于有冰下回流的影响具有较大的困难，最终通过导航等方法成功回收。

可见，对于海洋包围陆地的南极洲和陆地包围海洋的北冰洋，其共同存在低温、高纬度^[5]、大范围冰盖和复杂水声环境^[6]等特点，在极地开展科考作业具有高风险性和局限性^[7]，研制载人潜水器有较大难度，需要结合环境特点和其系统组成设备进行关键技术研究。

1 载人潜水器系统组成

对于深海载人潜水器，以“蛟龙”号为例（见图1），整体按功能可划分为多个子系统，包括水动力性能和总体布置、结构、电力和配电、控制、压载和平衡、导航和通信、液压和取样、生命支持、应急抛载、操纵模拟器^[8]。

水动力性能和总体布置主要进行总体优化设计和集成、水动力性能预报和优化、模块化和分块化总布置、无动力下潜上浮和系统安全可靠性技术，结构子系统包括大深度载人钛合金球壳和低密度耐高压浮力材料技术，电力和配电包括高能量密度深海动力和高功率密度水下电机技术，控制子系统包括稳定悬停定位、故障诊断与容错和良好的人机交互技术，压载和平衡主要涉及深海高压海水泵阀技术，导航和通信导航包括高速水声通信和高分辨率测深侧扫声呐技术，液压和取样子系统主要是大深度载人潜水器作业工具技术，生命支持子系统主要是大深度载人潜水器生命支持技术，应急抛载子系统包括大深度载人潜水器应急安全和在母船的布放回收技术^[9]。

每个子系统其中包含相关具体的设备和相关关键技术^[10]，而各种关键技术支撑着相关设备和系统的稳定工作，最终保障潜水器的可靠运行。

载人潜水器各子系统主要设备如表1所示。总体子系统主要包括水动力性能设计和总体布置，结构子系统包括主框架、耐压壳体、浮力块、轻外壳、稳定翼和结构附体等设备，电气子系统包括电池、配电板、配电箱、水密电缆、水密接插件、电机等设备，控制子系统主要是舱内控制系统，压载平衡子系统包括主压载舱、可调压载、纵倾调节等设备，通信导航子系统包括VHF、超短基线、多普勒、光纤陀螺仪、深度传感器、照明等设备，液压取样子系统包括液压源、机械手、采样篮、作业工具等设备，生命支持子系统包括供氧、去除二氧化碳、应急设备等设备，应急抛载子系统主要是可释放压载的脱离装置。

2 极地环境载人潜水器发展关键技术

由于极地环境存在低温、高纬度、大范围冰盖和复杂水声环境等特点，同时考虑极地脆弱的环境，载人潜水器的设计亟需解决极地环境下的总体、动力、液压、导航、通信、布放回收和安全等关键技术。

通过结合极地特殊环境和载人潜水器系统组成与主要设备，详细分析低温对液压、能源、可调压载，高纬度对定位导航，大范围冰盖对航行控制、布放回收，复杂水声环境对声学通信、探测的影响。

2.1 极地环境载人潜水器总体设计及安全评估技术

针对极地冰盖和低温环境，在进行总体概念设计时需要考虑布放回收、近冰近底作业、分系统可靠工作等。针对极地特殊环境进行水动力学设计，对于所有结构材料进行低温设计和考核，对可调装置等涉及到水路的装备加装加热系统，同时需要配置更多的避碰声呐用于海冰和冰脊的避障，又要增配用于冰面追踪的多普勒计程仪，同时需要配置高精度的导航设备和有效的冰下校准声呐，以解决潜水器上浮至水面进行位置校准的问题，还需要配置引导声呐，实现潜水器冰下的快速回收引导，还要能够搭载多波束声呐，实现海底地形的探测，又要能够改变多波束声呐安装方向，实现冰貌的探测。

此外，结合极地特殊环境，需要重点进行安全评估，主要包括潜水器中人员安全、潜水器本体安全、极地环境安全等，分析布放回收方式对潜水器及人员安全的影响，分析近冰层时的避碰机制和航行控制策略。

2.2 低温环境下的高效能源动力技术

目前应用在载人潜水器上的动力源主要使用锌银电池、锂离子电池等，以逐渐技术成熟且大范围采用的锂离子电池为例，作为极地环境下潜水器水下工作的唯一动力来源，低温是其在极地使用的正常工况。

不同类型锂离子电池低温性能参数虽不同，但整体均表现为随环境温度的降低锂电池各项性能出现不同程度的衰减，且温度越低对锂电池伤害越大^[11-13]。通过开发新的锂离子电池负极材料、电解质等需要较长一段时间，现阶段要解决锂离子电池低温适应性能，需设计适用于极地低温环境的充油锂电池热管理系统，构筑与环境温度对应的实时温度管理策略，显著提高锂电池低温放电能力，改善电池外部工作环境，使载人潜水器在极地环境具有高效的能源动力。

2.3 极地高精度冰下定位导航技术

导航定位系统的核心技术在于给水下机器人提供实时的三维定位信息、速度信息、加速度信息、航向姿态信息，如果没有这些导航信息潜水器几乎不可能完成高精度作业及安全返航。极区导航难题主要包括3点：难以使用GPS进行校正、随着纬度升高根据自身内部设备测得航向或根据外部条件测得航向的航向传感器精度大幅度降低、极点附近难以确定航向^[5]。

针对极地环境下水面母船无法尾随跟踪、水底无法布设定位系统的现实问题，需要研究基于冰上声学定位系统的声学定位技术，实现载人潜水器的高精度冰下定位。针对常规惯性导航系统无法导航计算的现实问题，需要研究基于适用于极地高纬度的导航技术，同时组合对冰/对底定位导航方法，实现载人潜水器的高精度组合导航。针对水面回收母船位置与载人潜水器作业区域之间的大范围冰盖阻隔，需要研究适用于冰下的远距离引导技术，实现载人潜水器的安全回收。

2.4 大范围冰盖环境载人潜水器布放回收技术

极地被广阔的冰覆盖，在布放潜水器的时候需要在冰面开一定尺寸的冰孔，所以回收时潜水器需要精确回到冰孔的位置，还要求效率高，尽量少地消耗能源，同时还需要母船具有相应的特殊布放回收装置，并具有破冰能力。

经过“蛟龙”号和“深海勇士”号的技术积累，我国在载人潜水器布放回收方面也有了丰富的设计及实际工程经验，但极区特殊的大范围冰盖环境对于体积重量较大的载人潜水器的布放回收还是有非常大的难度，甚至传统的无动力上浮也不适用于极地。其主要难点在于布放位置大范围冰盖的开孔，从母船长期冰站的位置移动载人潜水器到布放点并进行安全准确布放，载人潜水器精确上浮到布放位置，将载人潜水器从水中回收到冰盖及母船上，同时精确回收也对导航定位提出了非常高的要求。

2.5 极地环境液压装置零泄漏技术

极地气候的恶劣和环境的脆弱，对该地区近乎空白的船舶航行管理提出了更高要求^[14]，载人潜水器作为在极地水下作业的装备，其液压源、电池箱、机械手中使用了液压油，此类物质若泄漏到极地水域对于其环境是极大的影响，因此需要进行特殊设计避免环境污染。

目前载人潜水器上液压装置主要利用液压油驱动，针对极地环境，需要设计完备的液压油监测系统，发现泄漏立即关闭开关阀，设计适应低温环境的液压密封件，设计吸附装置吸附泄漏的液压油，并探索水液压和气液压在载人潜水器上工作的可能性。

2.6 冰下稳健水声通信技术

北极地区地理位置独特、气候寒冷，北冰洋的大部分区域终年被海冰覆盖，形成了独特的水声环境，由于冰盖的作用，很难直接利用卫星系统进行通信，造成冰下噪声剧烈起伏以及强混响效应，形成了北冰洋独有的半波导声道^[15]。

因此，应加快收集水声数据资料，掌握北极地区海域水声环境规律及机理，建立北极背景场、声信道模型，利用北极海洋环境水声效应，开展北极水声环境适配处理理论与方法研究，提高载人潜水器声呐装备环境适应性。针对冰下移动通信中面临的复杂多普勒效应等科学问题，通过通带和基带联合的多普勒估计与补偿等实现冰下稳健的移动水声通信。

在极地环境下，载人潜水器组成设备及关键技术需进行特殊设计，图2为极地环境特点与载人潜水器关键技术及主要设备的对应关系。

极地低温环境影响潜水器电池低温放电性能、液压密封件性能和可调压载等设备水结冰，极地高纬度环境影响潜水器的冰下高精度导航定位，极地大范围冰盖环境影响载人潜水器的高效布放回收和冰下定位导航，极地冰下复杂水声环境影响潜水器的稳健水声通信，极地相关准则要求潜水器本身对极地污染较小，极地多重环境因素要求对潜水器进行特殊的总体设计与安全评估。

3 结　语

我国目前在极地水下装备的研发水平与国外有较大差距，为了发展极地载人潜水器，需重点关注极地低温、高纬度、大范围冰盖和复杂水声环境的特殊性，针对每个因素溯源到对应的关键技术，并定位到具体设备，开展极地环境载人潜水器总体设计及安全评估技术，低温环境下的高效能源动力技术，极地高精度冰下定位导航技术，大范围冰盖环境载人潜水器布放回收技术，极地环境液压装置零泄漏技术和冰下稳健水声通信技术等关键技术研究。