一、深海海底大寶庫——強國開發海底礦產戰略的原動力
在海洋深處的海底,是一片廣闊與更具經濟價值的土地,除了已在開採的石油與天然氣外,還有更多的資源等待人們去探索與開採。
在世界大洋底部水深3500~6000公尺海底表層,散佈著一些直徑介於5至10公分之間、大小如同馬鈴薯一般的黑色團塊狀物體,經過科學分析,發現它居然富含錳、鐵、鎳、銅、鈷等幾十種元素,它們被稱之為錳結核(manganese nodules),也被稱為多金屬結核(Polymetallic nodules)。據估計,世界上各大洋中錳結核的總儲藏量約為3萬億噸,按照錳結核中各種金屬元素的平均含量計算,僅太平洋的錳結核中就含有錳2000億噸,鎳為90億噸,銅為50億噸,鈷為30億噸,大約相當於陸地儲量的幾十至幾千倍。更令人驚訝的是,這種礦床不僅儲量很大,而且還在繼續成長中,仿佛就是一種可再生資源。
海底的另一項資源是富含多種金屬的「熱液沉積物(Hydrothermal deposits)」。海洋底部有些是溝壑縱橫,由於活躍的海底擴張帶受到構造運動的影響還常常會產生了斷裂和裂縫,有些裂縫深達數千公尺。大量的海水從裂隙滲入至地殼內部,一旦遭遇到熾熱的熔岩,便會瞬間加熱成熱氣,向上噴出,當熱液從海底噴發或溢出時,隨物理化學環境的變化會對應析出黃鐵礦、黃銅礦、磁黃鐵礦、方鉛礦、閃鋅礦等不同類型的礦物組合,遇到上部的冰冷海水逐漸凝固沉澱,時間久了就在海底泉附近形成了一個個的沉積物堆。並且這種海底熱液噴發時常發生,富含多種金屬的熱液沉積物也就會不斷產生,有研究顯示,它的生成速度比錳結核的生成速度還要快100多倍!2005年10月,中共的「大洋一號」遠洋科學考察船在大西洋首選調查區的第一個作業點,獲得了200多公斤海底熱液沉積物樣品,通過化驗發現,這種沉積物種富含銅、鉛、鋅、金、銀等多金屬元素,是一種極具開發價值的潛在資源。
近期,日本東京大學加藤泰浩副教授的研究小組、分析在太平洋採集的海底地層樣本,研究結果顯示這些深海淤泥中含有大量稀土資源,這些稀土資源分佈在包括夏威夷群島在內的太平洋中部約880萬平方公里海域、以及太平洋東南部大溪地島(Tahiti)附近約240萬平方公里海域、水深3500至6000公尺的海底淤泥中,稀土估算儲量約為1000億噸!稀土資源十分稀少,當前陸地稀土儲量僅為1.1億噸,中國大陸是世界上稀土資源儲量最大、出口量最多的國家。美國、加拿大、澳大利亞、韓國、日本等國家深知稀土資源的戰略意義與重要性,除了不開採本國稀土礦與從國外大量進口外,並積極覓尋新的稀土來源。太平洋深海的海底淤泥將成為各強國積極設法開採的稀土資源。
由於深海海底是個大寶庫,促使各強國競相建構開發海底礦產的科技能量,越來越多的國家逐漸將海底探測目標放在深海領域,深海探測成為當前海洋科學研究的熱點之一。深海潛水器(簡稱「深潛器」)是深海探測的主要利器,近十年來中共也研製多型深潛器,積極強化深海探勘能力與參與深海探勘作業。
二、中共深海潛水器的發展情況
深海潛水器與配套的作業支援母船是深海探勘的重要設備。深海潛水器可概分為無人深潛器與載人深潛器兩大類。無人深潛器又可分為有纜和無纜兩種。
無人有纜深潛器通過臍帶纜與水面作業母船連接,母船上的操作人員透過安裝在深潛器上的攝影機、聲納等設備實時觀察海底狀況,並遙控操縱深潛器的機械手和配套的作業工具進行水下作業,因此也被稱為深海「遙控無人潛水器作業系統(Remotely Operated Vehicle,簡稱ROV)」。無人有纜深潛器具有作業能力強,作業時間不受能源限制,沒有下潛人員風險等優點。
無人無纜深潛器的原文名字為Autonomous Underwater Vehicle,意為「自動化深潛器」,它被放入海中後是透過預編程式,在海中按照既定路徑航行,執行預設任務,不由母船的工作人員操作與控制作業,因此無纜無人深潛器在中國大陸也被稱為「水下機器人」。
無人深潛器航行與操作時,由於沒有駕駛人員與科研人員在現場參與,常有「隔靴抓癢」之感,因而產生了載人深潛器,在深海進行仔細的觀察、精密的操作與蒐集取樣。但載人深潛水器的安全性要求遠較無人深潛器為高,並且必須具備維生系統,因而研發與製造的時間與費用也較無人深潛器者為高。
中共深海探勘工作由其國家海洋局負責規劃與推動,透過「中國大洋協會」來管理、執行與對外聯絡,以及向聯合國申請「深海探礦權」,已展開深海潛水器等設備的研製、相關設施的研建,以及深海資源探勘等工作十餘年。
中共已完成研製與研發中的深潛器共有5型,它們是:海龍號3500公尺級無人有纜遙控深潛器、海馬號4500公尺級無人有纜遙控深潛器、6000公尺級潛龍一號無人無纜深潛器、7000公尺級蛟龍號載人深潛器,與彩虹魚號11000公尺級載人深潛器。
中共在研製深海探勘裝備與深海探勘累積經驗兩方面,與美、日、俄、法等國相比仍存在差距,只能列為第二梯隊。中共的科技與工業基礎實力不足是主要制約因素,例如特種材料,加工技術、機具與工藝,特殊元件、組件與分系統等方面,仍存在許多瓶頸亟待突破。
三、海龍號無人潛水器
海龍號是上海交通大學水下工程研究所、在國家重大科技專案計畫下,始自1999年歷時9年完成研製的、3500公尺級深海觀測和取樣型無人有纜遙控潛水器(Remotely Operated Vehicle,簡稱ROV),用於3500公尺級淺海海底調查。
海龍號主體數據為:長3.17公尺、寬1.81公尺、高2.24公尺、空氣中重約3.45噸(包括有效荷載);由潛水器本體、五功能機械手、有效載荷、中繼器、臍帶纜、臍帶絞車、A字架、止蕩器、操縱控制台以及動力站等多個子系統組成。有效載荷計有5台多功能攝影機和1台照相機,並裝有6個泛光照明燈和2個高亮度「氣體放電式(High Intensity Discharge ,簡稱HID)」燈,因此所攝畫質清晰,為海洋科考提供優質影像資料。
海龍號潛水器具有7個推進器,其中4個水平推進器用於產生前後和側向推力,3個垂向推進器則用於小量調節潛水器的縱橫傾度,因而潛水器能前進、後退、上下運動和側移。並且海龍號首次嘗試地安裝了中共自主研發的動力定位系統(Dynamic Positioning System),解決了它對大地的定位精度難題。
2009年11月『大洋一號』21航次第三航段的深海熱液科考任務中,海龍號在東太平洋赤道附近「洋中脊」處(水深約2500至2770公尺),成功找到熱液口「黑煙囪」(『黑煙囪』熱液是富含各種稀有金屬的硫化物,為各國都關注的礦藏資源),並對「黑煙囪」進行了自下而上、環繞式的全方位觀察,通過搭載的聲吶和高度計數據,估計「黑煙囪」的直徑和高度,並利用五功能機械手成功抓取「黑煙囪」樣品,以及作業全程進行了錄影,獲取了影像資料,水底作業持續時間約70分鐘。此一作業標誌著中共成為少數能使用無人潛水器進行「洋中脊」熱液調查和取樣研究的國家之一。
海龍號無人潛水器除了用於3500公尺深度以內的大洋海底調查活動外,還可用於海洋石油工程服務,水下管道、電纜檢測維修,以及海上救助打撈等各種水下作業。
四、海馬號無人潛水器
海馬號是中共國家863計劃「十一五」重點項目《4500公尺級深海作業系統》、「4500公尺ROV本體和關鍵配套設備」課題的研製成果,由上海交通大學科研院和海科院相關科技人員組成的研發團隊,以交大海科院水下環境條件模擬實驗室為研發基地,進行海馬號潛水器的總體設計,掌握了深海無人遙控潛水器的設計與製造、系統控制與線上檢測、遠端高壓電力傳輸與分配、長距離資訊傳輸與實時數據分析處理、大深度水下液壓動力源研發、觀通導航與多向自動推進控制、大深度浮力材料製造、多功能機械手和作業工具設計製造、大負荷升沉補償系統製造、系統整合和聯調等核心關鍵技術,歷經6年的研發與製造而完成,是中共迄今自主研發的下潛深度最大、國產化率最高的無人有纜遙控潛水器(ROV)。
2014年2月20日至4月22日,海馬號分三個航段進行海試。期間海馬號共完成17次下潛,3次到達南海中央海盆底部進行作業試驗,最大下潛深度4502公尺,達到設計需求;並完成水下布纜、沉積物取樣、熱流探針試驗、海底地震儀海底布放等任務,成功實現水下升降裝置聯合作業,通過了定向、定高、定深航行等91項技術指標的現場測試,通過驗收考核,海馬號成為中共探索深海最新的遙控作業裝備。此次海試的成功標誌著中共已掌握了大深度無人遙控潛水器的各項關鍵技術,並在關鍵技術國產化方面取得實質性的進展,實現了中共在大深度無人遙控潛水器自主研發領域的技術突破,是繼蛟龍號載人潛水器之後、中共在深海高技術領域另一突出性成果,有助於中共推動深海科學研究的發展。中共國土資源部和科技部已經初步制定了今後三年海馬號深潛器的深潛作業任務,海馬號的作業團隊正緊張地進行著2016年海上應用作業的各項準備工作。
五、潛龍一號無人潛水器
潛龍一號係6000公尺級無人無纜「自動化深潛器」(AUV,Autonomous Underwater Vehicle),是中共《國際海域資源研究開發「十二五」規劃》重點項目之一,「中國大洋協會」為履行與國際海底管理局簽署的多金屬結核勘探合同,委託「中國科學院瀋陽自動化研究所」主導,聯合「中國科學院聲學研究所」、哈爾濱工程大學等單位共同研製,以海底多金屬結核資源調查為主要設計功能。
潛龍一號的外形是一個長4.6公尺、直徑0.8公尺、空氣中重約1500公斤的圓柱形封閉體,最大工作水深6000公尺,巡航速度2節,最大續航能力24小時,配有淺地層剖面儀等探測設備、通訊系統、聲學設備系統、長基線水下定位系統(為深潛器提供定位)等,可進行海底多金屬結核豐度測定、海底地形地貌、地質結構、海底流場、海洋環境參數等精細調查,為海洋科學研究及資源勘探開發提供必要的科學數據。
研製於2011年11月啟動,2013年3月完成湖上試驗及湖試驗收,5月搭乘海洋六號作業母船在南海進行首次海洋試驗,累計完成7次下潛,最大下潛深度4159公尺,獲得了海底地形地貌等一批探測數據,設備布放與回收成功率100%。2013年10月6日至10日間,潛龍一號無人潛水器在東太平洋連續3次、在多金屬結核區5200公尺海底成功進行自主潛行作業,水下作業時間總計近30個小時,各項設備性能指標穩定,試驗性應用工作進展順利。
六、蛟龍號載人深潛器
蛟龍號係中共第一具自主研發、設計、整合與製造的載人深海潛水器,於2002年在「國家高技術研究發展計畫(863計畫)」下研製的深海探勘裝備。在「中國國家海洋局」安排下,「中國大洋協會」以業主身份具體負責蛟龍號深海載人潛水器專案的研製,在整合中船重工集團公司702所、「中國科學院瀋陽自動化所」和聲學所等、約100家國內科研機構與企業聯合研發下,突破了深海技術領域的一系列關鍵技術與整合了12個系統,經過6年努力,完成蛟龍號載人深潛器本體研製,並完成水面支援系統研製和試驗母船改造,以及完成潛航員選拔和培訓,而達到具備進行海上試驗的技術條件。
蛟龍號由中共科技人員負責研發、設計、整合與製造,但多項重要組件係外國提供的——蛟龍號深潛器的钛金屬耐壓艙是俄羅斯銲製提供,機械手和控制單元是美國製造的,超高壓海水泵是法國造的,成像系統是日本的,定深浮體¬是英國供應的。中共官方的資料:蛟龍號深潛器的自製率為58.6%。雖然蛟龍號的多項組件係向外國洽購或合作製造的,但卻是中共擁有自主智慧財產權的重大科學研究成果。
蛟龍號的技術數據:長、寬、高分別為8.2公尺×3.0公尺×3.4公尺;空氣中重量約22噸;有效酬載220公斤(不包括乘員重量);設計最大下潛深度7000公尺;航速為最大2.5節,巡航1節;載員3人(1名潛航員和2名科學家);生命支持能力(為載員提供水下的供氧與收集呼出的二氧化碳),正常:3×12人時,應急:3×84人時;正常水下工作時間12小時。
蛟龍號深潛器的主要技術特色有五項:一、具有最大下潛深度7000公尺,可在世界海洋面積99%的廣闊海域使用;二、具備定向、定高、定深3種自動航行功能;三、具有針對作業目標實施「懸停定位」的能力,能由駕駛員將蛟龍號「懸停」於適當置而與目標保持固定的距離,方便機械手進行操作;四、具有先進的水聲通信和海底微地形地貌探測能力,可以高速傳輸圖像和語音,探測海底的小目標;五、配備多種高性能作業工具,確保蛟龍號載人深潛器在特殊的海洋環境或海底地質條件下、完成保真取樣和潛鑽取芯等複雜任務。
2010年8月,蛟龍號載人潛水器3000公尺級海試獲得成功,最大下潛深度達到3759公尺;2011年7月31日,蛟龍號下潛深度到達5182公尺,標誌著中共已經進入載人深潛技術的全球先進國家之列;2012年6月27日,蛟龍號7000公尺級海試,最大下潛深度達7062公尺,創下中共與世界載人深潛的新新里程碑,中共繼美、法、俄、日之後成為世界上第五個掌握大深度載人深潛技術的國家。。
七、彩虹魚號載人深潛器
世界大洋最深的馬里亞納海溝之最大深度為11034公尺,而中共載人潛水器蛟龍號的最大下潛深度為7062公尺,還有世界海洋面積1%的深淵海溝區域不能作業;中共為了在大洋深潛方面爭取世界領先水準,成為一個無可爭議的海洋高技術強國,因而展開研製11000公尺級全海深的載人潛水器。
「11000公尺級全海深潛水器研製計畫」是一個由上海海洋大學深淵科學技術研究中心負責、採「民間資金+國家支援」新模式推動的研製專案,內容十分龐大,共將研製3具11000公尺級的著陸器,一具11000公尺級的自主/遙控式複合型無人潛水器,一具11000公尺級的載人潛水器(命名為「彩虹魚號」,可搭載3人下潛),以及一艘4000噸級的張謇號新型科考作業母船,經費共約5億元人民幣。
蛟龍號屬於第二代載人深潛器,彩虹魚號載人深潛器則屬於第三代深潛器,後者的研發難度更大。研製人員先研製3具11000公尺級著陸器和1具11000公尺級無人潛水器,作為11000公尺級載人潛水器的關鍵技術之海上驗證平台,並可用為日後載人深潛器海試時的救援工具,以及用為日後海上作業的協同裝備。首先,3具著陸器將用為無人深潛器的試驗平臺;繼而無人深潛器將用為載人深潛器的試驗平台,用以驗證後續研發的載人深潛器之無動力上浮下潛技術、水下控制技術、觀通技術、推進技術、水下配電技術等關鍵技術(載人艙技術與生命支援技術除外)。
該研製計畫已於2013年年初正式啟動,截至2015年年初,11000公尺級著陸器的國內外訂購設備已經全部到貨,第一具已於4月中旬完成建造與整合,已於2015年下半年赴南海展開3000公尺級的海上試驗;另外兩具11000公尺級著陸器已開始建造,訂於2015年內完工。此外,11000公尺級無人潛水器的設計和所有設備的訂貨工作已完成;11000公尺級載人深潛器的關鍵技術研究工作也已完成。同時,科考作業母船已於2015年4月20日開工建造,計畫2016年3月1日下水,5月30日試航,6月30日交付使用。
彩虹魚號載人深潛器的1:1模型於2015年4月18日首次亮相。它長約10公尺,頭部的寬和高均為3.5公尺,至尾部逐漸縮小,外形像一條張著大口的鯰魚。它由載人艙、機電設備、重量與浮力調節系統、外部設備和觀察作業模組等5個部分組成。其中,載人艙呈球體,可容納1名駕駛員和2名科研人員。位於前端的觀察作業模組包含攝影機與燈光、觀察窗、採樣籃、2具多功能機械手,能執行深淵區的攝影、採樣等工作。
按照計畫,彩虹魚號載人深潛器的研製將分兩期完成。第一期研製載人艙,第二期再安裝與整合其它設備。蛟龍號的載人艙以TC4鈦合金板採焊接製成,但若以TC4鈦合金板製造11000公尺級深潛器的載人艙,其艙壁厚度將超過110公厘,國內外均難以製造。彩虹魚號載人艙將以超高強度的麻田散鎳鋼(Martensitic nickel steel,中國大陸稱為「馬氏體鎳鋼」)鑄鍛製造,已與芬蘭一家公司洽妥技術合作共同製造(該芬蘭公司曾與俄羅斯合作,以超高強度的麻田散鎳鋼成功地製造過2個「和平號」深潛器載人艙)。研製人員爭取2018年底完成彩虹魚號載人深潛器建造,2019年前往馬里亞納海溝進行載人測試。
八、中共強化深海探勘能力之相關作為
近數十年來,由於科學技術持續進步、人口膨脹、資源短缺、環境惡化等世界性因素之影響,以及本身的國力日趨強盛,中共對海洋重要性的認識逐步深化。中共國家主席習近平提出的十八大報告之第八部分「大力推進生態文明建設」中明確指出:中共應「提高海洋資源開發能力,發展海洋經濟,保護生態環境,堅決維護國家海洋權益,建設海洋強國」,顯然是中共「海洋強國」戰略發展目標的指導原則。
大洋深處的海底散佈著儲量龐大、繼續生長的「多金屬結核」與「熱液沉積物」,這些可再生資源中蘊含著錳、鐵、鎳、銅、鈷、銅、鉛、鋅、金、銀等幾十種人類迫切需要的重要資源。這個深海海底的大寶庫是人類的最後一塊「處女地」,不僅等待人類去探索與開採,並且是「先佔先得」。
中共當然不願錯失此一機會。早在2001年中共「中國大洋協會」經聯合國國際海底管理局理事會批准,在東太平洋獲得7.5萬平方公里的「多金屬結核(即錳結核)資源礦區」勘探權。2011年7月,中共再被批准獲得位於西南印度洋的國際海底區域內、1萬平方公里「多金屬硫化物(主要包括銅、鉛、鋅、金和銀等)」礦區的勘探權。按照合約規定,15年內「中國大洋協會」可在批准礦區展開勘探活動,履行有關環境監測、環境基線調查與研究、培訓發展中國家的科技人員等義務,並在未來開發該資源時享有優先開採權。近十年中共建造多具深潛器與配套的作業船,積極強化深海探勘能力,就是為了強化深海探勘能力,以期早日能達到採取「多金屬結核」與「熱液沉積物」之目的。
此外,中共繼俄羅斯、美國、法國和日本之後,於2013年5月在山東省青島市鼇山灣畔開工建設「國家深海基地」。占地面積390畝,海域使用面積62.7公頃,總建築面積35076平方公尺,總投資5.12億元人民幣。第一期工程已於2015年3月17日完成,包括碼頭、廠房和實驗室等在內的基本設施建設正式投入使用,國家深海基地初步具備深潛器入駐條件與業務運行能力。
國家深海基地建成後,業務部門由船舶部、深海調查部、深潛作業部、深海技術部、醫學與訓練部、樣品管理與展覽部等7個調查研究機構組成;擁有大洋一號遠洋調查船、向陽紅9號載人深潛器試驗母船、7000公尺級載人深潛器、4500公尺級有纜無人潛水器、6000公尺級無纜無人潛水器等;業務化運行後科技人員將達300多人。
九、中共發展深海潛水器的可能軍事目的
深海潛水器的設計功能是:對深海多金屬結核、熱液沉積物與稀土原料等資源進行勘查,對海底地形地貌進行高精度測量與繪圖、深海生物考察等功能;以及定點獲取多金屬結核樣品、水樣、沉積物樣品、生物樣品;通過攝影、照相對多金屬結核覆蓋率、豐度等進行評價等;以及對多金屬熱液噴口進行溫度測量,採集熱液噴口周圍的水樣等作業,為國家的永續發展探勘與開採海底的珍貴礦產資源。
深潛器也具有衍生性功能,可用以執行水下設備——海底聽音器系統、海底地震儀系統等的定點布放、海底電纜和管道的布放與檢測,以及完成其他深海探測及打撈等各種複雜作業,協助沉船打撈,協助檢修海底電纜、海底光纜、海底輸油管路與海底輸氣管路等。研製深潛器主要是用於深海探勘與科學考察目的,但也具有強大軍事潛能——例如:搜尋與打撈墜海的飛機黑盒子、墜落深海的核彈與測試中武器、破壞他國布放的水下監聽系統等。
美軍經過數十年的發展和建設,在太平洋與大西洋建構了兩組綿密的海洋水聲監聽系統,各有3條深水聲呐陣列組成的「沉默防線」,其通信電纜總長度超過3萬海里。美軍的大西洋水聲監聽系統分別是:第一條防線是從斯匹次貝根群島(Spitsbergen)到挪威;第二條自紐芬蘭經格陵蘭、法羅群島、法國到西班牙;第三條在美國東海岸大陸架大約150海里處。太平洋水聲監聽系統的三條防線分別是:第一條由俄羅斯的堪察加外海經日本列島向南延伸到菲律賓和麻六甲海峽;第二條由阿留申群島到夏威夷群島;第三條設在美國西海岸大陸架200海里外。此外,美國海軍還在世界各主要海峽地帶部署有大、中型的深水聲呐陣列。目前,美軍太平洋水聲監聽系統對中共潛艦(尤其是核潛艦)進出與在太平洋活動,具有極大的潛在威懾。深潛器可用以探查與破壞敵方的海洋水聲監聽系統。
中共積極研製深海潛水器,企圖掌握與利用其衍生性軍事功能、可能也是其主要動機之一。
十、結 語
深海潛水器與配套作業母船是海洋深層探勘,與海底資源開發和利用不可或缺的裝備,也是制約一個國家「發掘大洋深處潛能」的主要瓶頸,其技術水準則標誌著該國海洋資源探勘開發與維護海洋權益的能力。發展該項技術不僅對國家資源、國民經濟和社會發展,以及國家軍事安全有極為重大的意義,還對未來的海洋立體利用、深海打撈、深海救生、檢修海底電纜、海底光纜等有著不可估量的價值和戰略意義,因而多年來中共積極發展,並且已有可觀的成績,其效益將逐年顯現。
在中共展開研製11000公尺級載人潛水器的「彩虹魚號」後,美國兩家企業已分別各完成一具3人座作業型11000公尺級深潛器的設計,如果研製經費到位,兩三年內即可造出其深潛器;日本政府也於2013年建立專案、研製「深海12000」載人深潛器,計劃2023年海試。顯然具有深海探勘能力各主要國家,正競相建設向更深的深海探勘能力突進,其動機與發展情況值得世人注意。
(本專欄文章作者意見不代表論壇立場)