空间与海洋技术

空间与海洋技术_自然科学概论

第五节　空间与海洋技术

一、空间技术

空间技术是一项探索、开发和利用太空以及地球以外天体的综合性工程技术，又称为太空技术和航天技术。目的是利用空间飞行器研究发生在空间的物理、化学和生物等自然现象。

空间技术是当代科学技术中发展最快的尖端技术之一。空间技术是一个国家科学技术综合发展水平的重要标志，开发和应用空间科技已成为世界各国现代化建设的重要手段。

(一)空间技术的发展历程

二战后，空间技术经历了三个发展阶段。

1.试验阶段，1950年代末到1960年代中期

2.应用阶段，1960年代中期到1970年代末

3.提高阶段，1980年代开始至今

1957年，第一颗人造卫星上天，成为人类进入宇宙空间时代的标志。迄今人类已将3000多颗人造卫星与星际探测器送入太空。

(二)空间技术的核心领域

1.航天器研制

亦称空间飞行器。包括各种功能的人造地球卫星、载人飞船和航天飞机，专用的航天救助、拖运、供应船，供人类在太空长期使用的空间站、空间实验室、空间工厂、仓库和电站，以及飞向其他星球、飞出太阳系的星际探测器。

(1)人造地球卫星

第一颗人造地球卫星上天以来，按人造地球卫星在轨道上的功能，已经发展了以下四大类:

·观测站

侦察卫星，气象卫星，地球资源卫星，海洋卫星、预警卫星、核爆炸探测卫星、天文预测卫星(如美国的“哈勃”太空望远镜)等。

·中继站

通信卫星，广播卫星，跟踪和数据中继卫星，海事卫星，卫星商业系统，搜索和营救系统等。

·基准站

导航卫星，测地卫星等。

·轨道武器

拦截卫星，轨道轰炸系统等。

1970年4月24日，中国第一颗人造地球卫星在酒泉卫星发射中心成功发射，开创了中国航天史的新纪元，使中国成为继苏、美、法、日之后世界上第五个独立研制并发射人造地球卫星的国家。东方红1号卫星重173千克，由长征一号运载火箭送入近地点441千米、远地点2368千米、倾角68.44度的椭圆轨道。它测量了卫星工程参数和空间环境，并进行了轨道测控和《东方红》乐曲的播送。

英国于1971年10月28日成功地发射了第一颗人造卫星“普罗斯帕罗”号，发射地点位于澳大利亚的武默拉(Woomera)火箭发射场，运载火箭为英国的黑箭运载火箭。近地点537公里，远地点1593公里。该星重66公斤(145磅)，主要任务是试验各种技术新发明，例如试验一种新的遥测系统和太阳能电池组。它还携带微流星探测器，用以测量地球上层大气中这种宇宙尘高速粒子的密度。

1980年7月18日，印度从斯里哈里科塔发射场用自制的SLV—3火箭把35公斤重的“罗希尼”卫星送入轨道。

1988年9月19日，以色列用自己的Shavit火箭发射了第一颗人造卫星“奥菲克—1”号，重155千克。

1993年，巴西利用美国的“飞马”运载火箭，巴西将自己的第一颗人造卫星送入了太空。

2009年2月3日，伊朗用本国“使者2”号火箭，将25公斤的“希望”号卫星送上太空。

(2)载人飞船

世界上只有三个国家能发射载人飞船，分别是前苏联/俄罗斯、美国和中国。

前苏联/俄罗斯有东方号、上升号、联盟号三种系列的载人飞船，美国有水星号、双子星座号和大名鼎鼎的阿波罗号，中国的神舟系列飞船是世界上第七种载人宇宙飞船。

2003年10月15日，中国“神舟”五号载人飞船在酒泉卫星发射中心发射升空。这是中国首次进行载人航天飞行。乘坐“神舟”五号载人飞船执行任务的航天员是杨利伟。他在太空围绕地球飞行14圈，经过21小时23分、60万公里的安全飞行后，成功着陆返回。

2008年9月25日，中国第三艘载人飞船神舟七号成功发射，三名航天员翟志刚、刘伯明、景海鹏顺利升空。27日，翟志刚进行了19分35秒的出舱活动。中国随之成为世界上第三个掌握空间出舱活动技术的国家。

2012年6月16日，神舟九号飞船在酒泉卫星发射中心发射，第一次将中国女航天员刘洋载入太空。6月18日神舟九号飞船与天宫一号实施自动交会对接，这是中国实施的首次载人空间交会对接。

(3)空间站

前苏联是首先发射载人空间站的国家。

其礼炮1号空间站在1971年4月发射，后在太空与联盟号飞船成功对接，有3名航天员进站内生活工作近24天，完成了大量的科学实验项目，但这3名航天员乘联盟11号飞船返回地球过程中，由于座舱漏气减压，不幸全部遇难。

礼炮2号发射到太空后由于自行解体而失败。

苏联发射的礼炮3、4、5号小型空间站均获成功，航天员进站内工作，完成多项科学实验。

其礼炮6、7号空间站相对大些，也有人称它们为第二代空间站。它们各有两个对接口，可同时与两艘飞船对接，航天员在站上先后创造过210天和237天长期生活记录，还创造了首位女航天员出舱作业的记录。

1986年2月20日，和平号空间站发射入轨。和平号是前苏联/俄罗斯的第3代空间站，亦为世界上第一个长久性空间站。和平号空间站全长32.9米，体积约400立方米，重约137吨，其中科研仪器重约11.5吨。它在高350至450公里的轨道上运转，约90分钟环绕地球一周。和平号空间站工作了15年，共绕地球飞行8万多圈，行程35亿公里，有31艘联盟号载人飞船、62艘进步号货运飞船与空间站实现对接，宇航员在空间站上进行了78次太空行走，在舱外空间逗留的时间长达359小时12分钟。有前苏联/俄罗斯、美国、英国、法国、德国、日本、叙利亚、保加利亚、阿富汗、奥地利、加拿大、斯洛伐克12个国家的135名宇航员在空间站上工作过，这些宇航员进行了1.65万次科学实验，完成了23项国际科学考察计划。和平号是载人空间站研制与运行的一个里程碑。人类在和平号计划中所掌握的太空舱建造、发射、对接技术，载人航天及太空行走技术，太空生命保障技术，航天医学、生物工程学、天体物理学、天文学知识，以及商业航天开发经验，正在或将在国际空间站计划及未来的太空城和月球、火星基地规划中发挥不可替代的作用。和平号的光辉业绩将永载史册。

1973年5月14日，美国把名为“天空实验室”的重达80多吨的空间站送入轨道。它先后接待了3批9名宇航员。他们在太空进行了天文、地理和医学等共270多项科学研究。

目前在轨的国际空间站是迄今为止最大的载人空间站。该空间站以美国、俄罗斯为首，包括加拿大、日本、巴西和欧空局(11个国家)共16个国家参与研制。其设计寿命为10～15年，总质量438吨，长108米，宽(含翼展)88米，运行轨道高度为397千米，载人舱内大气压与地表面相同，可载7人。国际空间站结构复杂，规模大，由航天员居住舱、实验舱、服务舱，对接过渡舱、桁架、太阳电池等部分组成。国际空间站的主要功能是作为在微重力环境下的研究实验室，研究领域包括生物学、人类生物学、物理学、天文学、地理学等。

天宫一号是中国第一个空间实验室，属载人航天器，2011年9月29日在酒泉卫星发射中心发射，飞行器重8吨，全长10.4米，最大直径3.35米，由实验舱和资源舱构成。2012年6月18日，与神舟九号成功实现首次载人空间交会对接。按照计划，神舟十号飞船也将在接下来的时间里与天宫一号完成交会对接任务。

中国最终将建设一个基本型空间站，计划于2014年用“长征五号”把它送上太空。中国首个空间站大致包括一个核心舱、一架货运飞船、一架载人飞船和两个用于实验等功能的其他舱，总重量在100吨以下。其中核心舱长期有人驻守，能与各种实验舱、载人飞船和货运飞船对接。我国正在海南文昌新建第四个航天发射场，以发射大吨位空间站。

(4)航天飞机

1972年，美国又全面开展了航天飞机这一新型空间飞行器的研制工作。

它先后研制成了两架样机。

1981年4月12日，航天飞机“哥伦比亚”号首次绕地球36圈试飞成功，它标志着人类空间旅行新时代的开端。

之后，美国又研制了“挑战者”号、“发现”号、“阿特兰蒂斯”号和“奋进”号航天飞机。

5架航天飞机的基本情况:

·“哥伦比亚”号

重约8.01万千克，1981年4月12日首航，飞行28次。

2003年2月1日，“哥伦比亚”号在返回地面过程中于空中解体，7名宇航员全部罹难。

·“挑战者”号

重约7.88万千克，首航于1983年4月4日，飞行10次。

1985年4月29日，第一位华裔宇航员王赣骏(Tayler Wang)乘挑战者号上天参加科学实验活动。

1986年1月28日，起飞后空中爆炸，7名宇航员罹难。

·“发现”号

重约7.7万千克，首航于1984年8月30日，创造了执行39次太空任务、飞行2.37亿公里、绕地球轨道5830圈、在太空停留365天的最高纪录。

1990年4月24日，“发现”号航天飞机将“哈勃”太空望远镜送上轨道，人类有了观察遥远宇宙的“火眼金睛”。

1998年10月29日，“发现”号搭载着77岁的参议员约翰·格伦起飞。格伦是曾搭乘“水星”飞船升空的美国首名宇航员，他成为最高龄的“太空人”。

·“亚特兰蒂斯”号

重约7.7万千克，首航于1985年10月3日，飞行37次。

1995年6月27日，“亚特兰蒂斯”号发射，实现了航天飞机和俄罗斯的“和平号”轨道空间站首次对接，美国和俄罗斯宇航员在外太空互相“串门”。

2011年7月8日，“亚特兰蒂斯”号航天飞机作了美国30年历史的航天飞机项目中的第135次升空，也是美国所有航天飞机的最后一次飞行。

2011年7月21日，“亚特兰蒂斯”号航天飞机在佛罗里达州肯尼迪航天中心安全着陆，结束其“谢幕之旅”，美国30年航天飞机时代宣告终结。

·“奋进”号

重约7.74万千克，首航于1992年5月7日，飞行25次。

1992年9月12日，“奋进”号升空，这架航天飞机成为马克·李和简·戴维斯的“婚礼特快”，这两位宇航员是第一对在太空缔结良缘的夫妇。

1988年11月15日，前苏联“暴风雪”号航天飞机从拜科努尔航天中心首次发射升空，它绕地球飞行两圈，在太空遨游三小时后安全返航，完成了一次无人驾驶的试验飞行。

“暴风雪”号航天飞机大小与普通大型客机相差无几，起飞重量105吨，返回后着陆重量为82吨。头部有一容积70立方米的乘员座舱，可乘10人，设计飞行寿命100次。由于不久之后前苏联解体，这架航天飞机一直未再升空。

(5)星际探测器

1970年代末，美国分别发射了“旅行者—1”和“旅行者—2”号两艘星际探测器，对木、土、天王星进行联测，在探测天王星之后将飞离太阳系，进入茫茫的宇宙，继续寻觅人类的太空知音。

2.跟踪测控

亦称制导。测控技术是有关各种航天飞行器安全、可靠的发射和回收的一项重要技术。在航天器上安装收发机和天线，在地面则对其进行跟踪、遥测、遥控和保持无线通讯联系。

由于卫星与地球各自运行的轨道所形成的相对运动非常复杂，是绕地飞行的封闭曲线，这样地面站要与其保持联系，必须布置大量的跟踪站(陆面，海面，甚至飞机)，即测控技术必须具备跟踪、遥控和遥测三种功能。以保证飞行按预定轨道进行及安全准确地回收。

中国是继美苏之后第三个掌握卫星返回技术的国家，尤其是对“神舟”号载人飞船测控技术的成功实施，表明我国测控能力、测控精度、自动化程度和可靠性等整体技术已达到国际先进水平。

3.空间开发、利用与科研

空间技术的发展，促进了人类对外层空间的工业开发与科学研究。

(1)材料加工

如特种工厂。在距地面200公里的外层空间，是一个微重力(仅为地球表面的万分之一)，、高真空(气压仅为100万分之一毫米汞柱)的极端环境。在这样的环境中，地外特种加工厂可以拉制出大块无缺陷、均匀超纯度的单晶半导体材料，这种高品质材料可提高集成电路的集成度和工作速度。在这种环境下生产的液态金属，经冷凝后成为理想滚球，是地面上永远也达不到的精圆效果。太空条件下制成的合金及其产品，可多达400多种。

(2)太空制药

在太空的特种工厂，可以进行各种酶和血细胞的分离、合成等科研活动。培养各种疫苗和抗生素，避免药物表面吸附尘埃、微生物和气体等物质，能制造出地面上难以合成和无法达到的极高纯度的药物。

1975年，美国阿波罗飞船和前苏联“礼炮”4号空间站共同进行了一项科学实验——从肾细胞中分离尿激素酶，大获成功，为治疗血栓病找到了特效药。

1982年，美国“哥伦比亚”号航天飞机第三次飞行时进行了太空乳胶分析实验，获得了大小极均匀且比在地面上个头大得多的乳胶球。据估计，生物医药制剂在太空中生产，纯度可提高5～9倍，生产效率可提高3个数量级。

(3)太空育种

也称空间诱变育种，就是将农作物种子或试管种苗送到太空，利用太空特殊的、地面无法模拟的环境(高真空、宇宙高能离子辐射、宇宙磁场、高洁净)的诱变作用，使种子产生变异，再返回地面选育新种子、新材料，培育新品种的作物育种新技术。太空育种具有有益的变异多、变幅大、稳定快，以及高产、优质、早熟、抗病力强等特点。其变异率较普通诱变育种高3～4倍，育种周期较杂交育种缩短约1倍，由8年左右缩短至4年左右。

目前，世界上只有美国、俄罗斯、中国成功地进行了卫星搭载太空育种。

在这方面，中国走在世界前列。通过太空育种，水稻出现了大穗、大粒、优质、高产新品系，增产5%～10%。通过太空育种还获得矮秆、丰产、早熟的小麦新品系，其产量较一般品种高10%～15%。在青椒育种方面，通过太空育种培育出一批高产、优质、抗病的新品系，太空椒的果实比在陆地上培育的果实要大得多，单果重量超过半斤，产量也大量提高，维生素C含量增加20%。在太空甜椒中获得了1个黄色后代和1个红色后代，获得了太空五彩椒系列。太空黄瓜航遗一号最大单果重1800g，长52 cm，VC含量提高了30%，可溶性固形物含量提高了20%左右，铁含量提高了40%。此外，太空搭载的长形茄子，单果重达350 g，口感非常鲜嫩。还有当今被称为能源植物的油料植物，其中部分品种已经大面积推广。

(4)能源开发

由于大气圈对地球的包裹，致使地面上太阳能利用率仅为6～10%，而在太空这个第四环境，太阳能的利用率可高达99%。

空间技术的应用之一，就是进对太阳能的开发利用。即“建立太阳能—电能转换站”，然后将“太空电”设法输送到地面。

在地球静止轨道建设太阳能电站的项目已在筹划阶段，这个项目是由日本政府发起的。计划在距地面3.6万公里的高空上建造一个太空太阳能电站。这个电站的发电量可以达到十亿瓦，将能量源源不断输向一个地面接收站，足够大约30万个家庭的用电需要。

(5)科学研究

应用科学卫星，可以从整体上考察地球，观测地质、地理、海洋、日地空间现象，开展各种形式的科研研究。

在空间站也可以开展科学研究。与导致人类肠胃炎的沙门氏菌有关的实验正在国际空间站上进行，科学家已经确认，沙门氏菌在失重环境下会变得更加恶性，而失重环境与在人体肠道内的环境非常类似。空间实验发现，沙门氏菌有167种与地面不同的基因表达。与此同时，这些实验也为科学家提供了关键线索，使他们能够更快研发出沙门氏菌疫苗来挫败这种病菌的毒性。

(三)新的运载工具

1.空天飞机

2011年7月，美国航天飞机退出现役。专家建议，与其再花费数十亿美元来建设新的航天飞机，不如把注意力放到更有前途的空天飞机上。

空天飞机是航空航天飞机的简称，它即可航空(在大气里飞行)，又可航天(在太空中飞行)，是航空技术与航天技术高度结合的飞行器，将把空间技术推向一个新的阶段。空天飞机是一种未来的飞机，这种飞机能像普通飞机一样水平起飞，以每小时1.6万～3万公里的速度在大气层内飞行，而且可以直接加速进入地球轨道，成为航天飞机;返回大气层后，又像飞机一样在机场着陆，成为自由地往返天地之间的运输工具。

空天飞机比航天飞机更高一筹的地方，在于能够在地面上像普通飞机一样水平起飞，并直接飞入太空，在外层空间轨道上运行，完成任务后，还能自行飞回地面。

美国洛克希德—马丁公司1996年开始实施空天飞机研制计划，当时研制的样机叫X33。后来波音公司对其进行了简化，成为一款仍然依靠火箭发射的太空战斗机，实际是一种“迷你航天飞机”，往返太空和地面，可重复使用，不过并不搭载宇航员。2010年4月23日，美国研制的人类首架太空战斗机X－37B从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空。X－37B进入地球轨道并在太空运行224天，12月3日以滑翔方式降落在美国加州范登堡空军基地。这是太空飞机首次自主重返大气层，创下了新的纪录，对美国太空计划的发展具有重要意义。

2.未来目标

人类已经飞出了地球并建立了空间站，未来的目标除了建立太空电站外，将是建立永久性的航天站(包括将月球作为发射基地)，建造空间自动化工厂，研制载人火箭飞行器、行星际飞船和太空梯。

(四)中国空间技术发展现状

我国空间技术起步较晚，但发展速度可观。50年代开始空间技术的实验基础研究。1965年，开始第一颗人造地球卫星和长征一号运载火箭的研制工作。1970年，第一颗人造卫星“东方红”号成功发射入轨，标志着我国跨入了世界航天活动的行列，开创了中国航天事业的新纪元。迄今为止，我国已成功地研制发射了180余颗空间飞行器。其中包括9艘神舟载人飞船和天宫一号空间站。

·运输系统

“长征”系列运载火箭型谱日趋完善。

·卫星系列

基本建成“风云”、“海洋”、“资源”、“遥感”、“天绘”、“实践”等卫星系列。

突破大容量地球静止轨道卫星公用平台、天基数据中继与测控等关键技术。

建成“北斗”卫星导航区域系统，具备向亚太地区用户提供试运行服务的能力。

·载人航天

“神舟九号”飞船与“天宫一号”目标飞行器成功实现载人空间交会对接，为后续任务奠定了基础。

·深空探测

2007年10月24日，成功发射中国第一个月球探测器——“嫦娥一号”，是继人造地球卫星、载人航天飞行取得成功之后中国空间技术的又一个里程碑。2010年10月1日，成功发射“嫦娥二号”。

·航天发射场

已有酒泉、西昌、太原三个发射场日趋完善，正在建设文昌新发射场。

·航天测控

基本建成天地一体、设备齐全的航天测控网，正在向天基、深空测控拓展。

·空间应用

对地观测卫星、通信广播卫星、导航定位卫星广泛应用于经济社会发展各领域。

·空间科学

开展日地空间探测、月球科学研究、微重力科学与空间生命科学实验、空间环境探测与预报，取得丰富成果。

二、海洋技术

面对人口、资源、环境三大社会问题，世界范围内兴起了“蓝色革命”，海洋开发成了当今国际争夺的新领域。所谓海洋技术，是研究海洋自然现象及其变化规律、开发利用海洋资源和保护海洋环境所使用的各种方法、技能和设备的总称。

(一)海洋资源的开发

1.生物资源的开发

生命源于海洋，地球上的物种约有80%生活在海洋中，已知海洋生物有20万种，其中动物约18万种，植物约2．5万种，鱼类约1.6万种，总蕴藏量达1350亿吨。估计有近1000万个深海生物物种，由于特殊的生存环境，将为人类提供丰富的基因资源。海洋每年生产动物蛋白约30亿吨，目前开发利用仅为1亿吨。

(1)动物资源开发

海洋渔业资源的总可捕量为2～3亿吨/年，目前，实际捕捞量不足1亿吨/年。大洋深水区蕴藏着大量的中层鱼类资源，开发潜力巨大。

20世纪70年代以来，现代海洋养殖业迅速崛起，成为一个新兴的发展领域。把沿海渔业置于人的控制管理之下，走海洋“畜牧化”道路，实践证明，鱼类的“牧场化”对增殖近海水产有十分明显的效益。中国是世界水产养殖业最发达的国家。

海洋生物基因工程始于20世纪80年代。1985年中科院水生物研究所成功地将人的生长素的基因转移到鱼的体内，培育了体大，生长周期长的“超级鱼”。日本科学家把“南极鱼”抗冻基因转移到大西洋鲑鱼的体内，培育出“抗逆鲑鱼”。

(2)植物资源开发

利用植物细胞的全能性开展植物组织培养技术。1950年代我国生物学家曾呈奎成功解决了海带、紫菜全人工栽培的一系列关键技术，对海藻养殖业产生巨大经济效益。

另一个开发方向是建立“海底农场”，培育具有富集贵重金属能力的“海草”新品种。

(3)海洋药物的开发

从海洋微生物寻找生物活性物质，开发特效药物。例如海螺中的一种毒素是有效的止痛药，海绵可以用作抗感染等。

重视海洋中成药的开发研究。我国采用现代制药技术，开发出一批技术含量高，市场容量大，高创汇，高创利的海洋中成药制品。

2.矿物资源的开发

据测算，海洋矿产资源达6000亿亿吨。

(1)海底石油和天然气

法国一个石油研究所估计，世界石油资源的最大储量为1万亿吨，而可开采石油储量为3000亿吨，其中海洋石油占45%，约1350亿吨。世界天然气的总储量约在255～280万亿立方米，海洋的天然气储量为140万亿立方米。

我国海洋石油与天然气十分丰富，经过近三十年的勘察与研究，我国海洋石油储量达到450亿吨，天然气储量达到14万亿立方米，分别占全国油气资源量的57%和33%。南海油气资源极为丰富，整个南海盆地群石油地质资源量约在230亿至300亿吨之间，天然气总地质资源量约为16万亿立方米。

海洋油气开发是一个迅速发展的产业，其产值已占世界海洋经济的60%。特别是当前的海上油气开发已经向深海延伸，更需要高技术作为支撑，包括:

·油气勘探技术

·深水海面采油技术

·水下作业技术

·深水管材技术

2012年6月21日，中国工程院院士周守为透露，目前，中国的海上油气作业能力与世界先进水平还存在差距。现在国外深水钻井装备已经钻到了3000多米，国内过去只能钻500多米，“海洋石油981”下水以后，已经钻了一口井1500米;国外的深水工程装备能在3000多米进行海底工程作业，中国的荔湾3－1油气田只能到达300米的水深;现在全球最深的油气田水深在2438米，而中国只能达到333米水深，荔湾3－1油气田假设投产以后可以达到150米。

深水钻井装置世界上只有少数几家公司有能力承建，有的公司只承接一部分建造工作量，如船体的建造。建造商不提供深水钻机及其配套设备，钻机和配套设备被美国的几家钻井设备供应商所垄断。

2008年4月29日，中国的石油公司开始涉足深水钻井装置。中海油投资60亿，动工建造世界级深水钻井平台“海洋石油981”。该钻井平台自重30670吨，甲板长度为114米，宽度为79米，甲板面积相当于一个足球场大小;从船底到钻井架顶高度为130米，相当于43层的高楼;电缆总长度650公里，相当于上海至天津的直线距离。在主甲板前部布置可容纳约160人的居住区;甲板室顶部配备有包含完整消防系统的直升机起降平台，可起降Sikorsky S－92型直升机。这座平台具有多项自主创新设计:如平台稳性和强度按照南海恶劣海况设计，能抵御200年一遇的台风;选用大马力推进器及DP3动力定位系统，可以在45海里/小时的风速下正常作业，在109海里/小时的风速下生存。1500米水深内可使用锚泊定位，甲板最大可变载荷达9000吨等;可在中国南海、东南亚、西非等深水海域作业，其最大作业水深3050米，钻井深度10000米，加上水深就是12000米左右，设计寿命30年，堪称海洋工程领域的“航空母舰”。这是我国首次自主设计、建造的当今世界上最先进的深水半潜式钻井平台，不仅填补了我国在深水钻井特大型装备项目上的空白，而且对于加速我国进军世界级海洋工程装备开发、设计和制造领域，提升我国深水作业能力，具有重要的战略意义。3000米深水半潜式钻井平台完工交付后，将使我国进入自主设计、自主制造深水海洋工程装备的高新技术领域。

2012年5月9日，“海洋石油981”在南海荔湾3－1深水气田正式开钻。之后的一周，第一艘3000米深水铺管起重船“海洋石油201”号也开赴南海作业，负责将输油管道从荔湾3－1铺到珠海。该船总投资约30亿元，船体主尺度为204米×39.2米×14米，吃水7～10.8米，作业管径6～60英寸，航速12节，最大作业水深可达3000米，铺管速度5公里/天，海上最大起重能力达4000吨，能在除北极外的全球无限航区作业。至此，我们建成了以“海洋石油981”和“海洋石油201”为首的一个系列深海作业船队，其中包括深海工程勘察船“海洋石油708”，12缆双震源深海物探船“海洋石油720”，5万吨半潜式自航工程船“海洋石油278”。

大型深水装备是“流动的国土”，是国家综合实力的一个象征，是大力推进海洋石油工业跨越发展的“战略利器”。“海洋石油981”在我国南海海域正式开钻，开启了中国海油正式挺进深水的新征程，拓展了我国石油工业发展的新空间，必将为保障我国能源安全、推进海洋强国战略和维护我国领海主权做出贡献。

(2)海洋矿砂

海洋矿砂也是宝，主要有滨海矿砂和浅海矿砂。它们都是在水深不超过几十米的海滩和浅海中的由矿物富集而具有工业价值的矿砂，是开采最方便的矿藏。从这些砂子中，不仅可以淘出黄金，还能淘出比金子更有价值的金刚石，以及石英、独居石、钛铁矿、磷钇矿、金红石、磁铁矿等，海洋矿砂成为增加矿产储量的最大的潜在资源之一，愈来愈受到人们的重视。

(3)多金属结核

据估计整个大洋底多金属结核的蕴藏量约3万亿吨。其中，太平洋的储量约1.7万亿吨。如果开采得当，将是世界上一种取之不尽，用之不竭的宝贵资源。

海底锰结核矿，它包含铁、锰、镍、铜、钴、钛等二十多种金属元素，品位很高，储量丰富。我国科学家以结核丰度10千克/平方米和铜镍钴平均品位2.5%为边界条件，估计太平洋海域可采区面积约425万平方公里，资源总量为425亿吨。其中含金属锰86亿吨，铜3亿吨，钴0.6亿吨，镍3.9亿吨，表明锰多金属结核经济价值的巨大。

目前，锰多金属结核矿成为世界许多国家的开发热点。

(4)沉积物软泥

在海洋这一表层矿产中，还有许多“海底金属软泥”，也是一种非同小可的矿产，含有丰富的金属元素和浮游生物残骸。

此外，还含金、银、铜、铂、锡等多种“金属硫化物的矿床”，贮量也很丰富，可供大量开采。

(5)“可燃冰”

近来发现海底蕴藏大量的天然气水合物——“可燃冰”，其贮存量超过已知天然气、石油和煤蕴藏量总和的2倍，是目前开发前景十分诱人的新型能源。

天然气水合物是在一定的温压条件下，由天然气与水分子结合形成的外观似冰的白色或浅灰色固态结晶物质，外貌极似冰雪，点火即可燃烧，故又称之为“可燃冰”、“气冰”、“固体瓦斯”。因其成分的80%～99.9%为甲烷，又被称为“甲烷天然气水合物”。

作为一种新型的烃类资源，天然气水合物具有能量密度高、分布广、规模大、埋藏浅、成藏物化条件好、清洁环保等特点，被喻为未来石油的替代资源，是地球上尚未开发的最大未知能源库。从能源的角度看，“可燃冰”可视为被高度压缩的天然气资源，每立方米能分解释放出160～180立方米的天然气。

科学家估计，地球海底天然可燃冰的蕴藏量约为500万亿立方米，相当于全球传统化石能源(煤、石油、天然气、油页岩等)储量的两倍以上，是目前世界年能源消费量的200倍。全球的天然气水合物储量足够供人类使用1000年。

3.海水资源的开发

(1)海水淡化

海水占地球上水量总体的97．2%。随着经济发展和人口增加，世界缺少淡水的压力越来越大。而通过淡化海水取得淡水是人类的一个自然选择。向海洋要淡水已成定势。

淡水资源奇缺的中东地区，数十年前就把海水淡化作为获取淡水资源的有效途径。全世界共有近8000座海水淡化厂，每天生产的淡水超过60亿立方米。

关于海水淡化技术已提到世界各国的议事日程。

俄罗斯海洋学家探测查明，世界各大洋底部也拥有极为丰富的淡水资源，其蕴藏量约占海水总量的20%。这为人类解决淡水危机展示了光明的前景。

(2)提取金属

海水中除含有大量盐类，还有80多种元素。据估计海水中含有的黄金可达550万吨，银5500万吨，钡27亿吨，铀40亿吨，锌70亿吨，钼137亿吨，锂2470亿吨，钙560万亿吨，镁1767万亿吨等等。这些资源，大都是国防、工农业生产及日常生活的必需品。

目前，海水提取镁技术已用于生产，海水提取铀技术各国也进入试验研究阶段。

4.海洋能源的开发

海洋蕴藏着巨大的能源，具有巨大的开发前景。

海水运动和温度、盐度的差异分布，蕴蓄着巨大的能量，温度差、盐度差、潮汐、海流均可被利用来发电。

(1)温度差

海面与海水深处间存在温度差，利用此温度差可装置热机来发电。

(2)盐度差

河流入海口地区同时存在大量淡水和海水，是取得盐度差能量的主要水域。

(3)潮汐

世界可利用的潮汐能有6.35亿千瓦。潮汐能的开发已经达到了工业应用水平。

世界最大的潮汐电站建于法国的朗斯河口，总功率24万千瓦，每千瓦时运行价格与核电、水力发电相近，低于火力发电。潮汐电站要求优越的地形和大的潮差。

我国已建成潮汐电站8个，总功率6000多千瓦。我国大的潮差主要集中在浙江、福建沿海，就全国而论，在潮差方面不具备明显优越条件，未来潮汐能的开发，需要应用高技术。

(4)海流

海流中的强流是一种潜在的能源。但海流作为能源利用，迄今仍未达到实用化、商业化水平。

20世纪60年代以来利用潮汐、波浪和海水温差发电的技术发展很快。据测定全世界可用来发电的潮汐能约有30亿千瓦，目前潮汐发电总量可达300～600亿度，

5.旅游资源的开发

随着人民生活水平的提高，旅游业已发展成国民收入的主要来源之一。

我国海上旅游近20年来有了较大发展，目前已建立了12个国家沿海旅游度假区。

(二)深海探测

深海是指深度超过6000米的海域。世界上深度超过6000米的海沟有30多处，其中的20多处位于太平洋洋底，马里亚纳海沟的深度达11000米，是迄今为止发现的最深的海域。深海探测，对于深海生态的研究和利用、深海矿物的开采以及深海地质结构的研究，均具有非常重要的意义。

美国是世界上最早进行深海研究和开发的国家，“阿尔文”号深潜器曾在水下4000米处发现了海洋生物群落，“杰逊”号机器人潜入到了6000米深处。1960年，美国的“迪里雅斯特”号潜水器首次潜入世界大洋中最深的海沟——马里亚纳海沟，最大潜水深度为10916米。2012年3月，电影《阿凡达》的导演詹姆斯·卡梅隆独自乘坐潜艇“深海挑战者”号，下潜至马里亚纳海沟10898米深海底，为他的新电影《阿凡达2》、《阿凡达3》拍摄素材，采集研究样本。由于此类潜水器是直上直下，缺乏较好的海底活动能力，卡梅隆只呆了3个小时就上来了。他后来透露，潜水器因海底巨大压力缩短了7厘米。人类上一次，也是唯一一次下潜到这一深度是在52年之前，而且几乎没有看到周围景象，因此卡梅隆这下成为了历史上第一个目击地球最深处景象的探险者。

俄罗斯是目前世界上拥有载人潜水器最多的国家，比较著名的是1987年建成的“和平一号”和“和平二号”两艘潜水器，最大下潜深度6000米级，带有十二套检测深海环境参数和海底地貌的设备，它们的最大特点是能源比较充足，可以在水下停留17小时至20小时。1997年，詹姆斯·卡梅隆拍摄的电影《泰坦尼克号》里面很多镜头就是“和平一号”和“和平二号”探测的镜头。

1997年，中国利用自制的无缆水下深潜机器人，进行深潜6000米深度的科学试验并取得成功，这标志着中国的深海开发已步入正轨。

为推动中国深海运载技术发展，为中国大洋国际海底资源调查和科学研究提供重要高技术装备，同时为中国深海勘探、海底作业研发共性技术，中国于2002年启动“蛟龙号”载人深潜器的自行设计、自主集成研制工作。“蛟龙号”载人潜水器设计最大下潜深度为7000米，是目前世界上下潜能力最深的作业型载人潜水器，工作范围可覆盖全球海洋区域的99.8%。

2012年6月27日，中国载人深潜器“蛟龙”号7000米级海试最大下潜深度达7062米，创中国载人深潜纪录。

由此中国成为继美、法、俄、日之后世界上第五个掌握大深度载人深潜技术的国家。在全球载人潜水器中，“蛟龙号”属于第一梯队。目前全世界投入使用的各类载人潜水器约90艘，其中下潜深度超过1000米的仅有12艘，更深的潜水器数量更少，目前拥有6000米以上深度载人潜水器的国家包括中国、美国、日本、法国和俄罗斯。除中国外，其他4国的作业型载人潜水器最大工作深度为日本深潜器的6527米，因此“蛟龙号”载人潜水器在西太平洋的马里亚纳海沟海试成功到达7062米海底，创造了作业类载人潜水器新的世界纪录。

下潜至7000米，标志着我国具备了载人到达全球99%以上海洋深处进行作业的能力，标志着“蛟龙”载人潜水器集成技术的成熟，标志着我国深海潜水器成为海洋科学考察的前沿与制高点之一，标志着中国海底载人科学研究和资源勘探能力达到国际领先水平。

与探险型潜水器不同，蛟龙号深海探测器不是单纯追求深度，其主要任务是深海科研和作业。

“蛟龙”载人潜水器能运载科学家和工程技术人员进入深海，在海山、洋脊、盆地和热液喷口等复杂海底进行机动、悬停、正确就位和定点坐坡，有效执行海洋地质、海洋地球物理、海洋地球化学、海洋地球环境和海洋生物等科学考察。

“蛟龙”载人潜水器具备深海探矿、海底高精度地形测量、可疑物探测与捕获、深海生物考察等功能，可以开展:对多金属结核资源进行勘查，对小区地形地貌进行精细测量，定点获取结核样品、水样、沉积物样、生物样，通过摄像、照相对多金属结核覆盖率、丰度等进行评价等;对多金属硫化物热液喷口进行温度测量，采集热液喷口周围的水样，并能保真储存热液水样等;对钴结壳资源的勘查，利用潜钻进行钻芯取样作业，测量钴结壳矿床的覆盖率和厚度等;执行水下设备定点布放、海底电缆和管道的检测，完成其他深海探询及打捞等各种复杂作业。

2013年3月，中国将利用“蛟龙号”开展“南海深部计划”，研究南海水下生命史。

(三)海洋遥感

海洋遥感技术，主要包括以光、电等为信息载体和以声波为信息载体的两大遥感技术。

1.海洋声学遥感技术是探测海洋的一种十分有效的手段

利用声学遥感技术，可以探测海底地形、进行海洋动力现象的观测、进行海底地层剖面探测，以及为潜水器提供导航、避碰、海底轮廓跟踪的信息。

声呐(Sound Navigation and Ranging，SONAR)技术至今已有100年历史，它是1906年由英国海军的刘易斯·尼克森所发明。他发明的第一部声呐仪是一种被动式的聆听装置，主要用来侦测冰山。这种技术，到第一次世界大战时被应用到战场上，用来侦测潜藏在水底的潜水艇。

声呐，中文意为声音导航与测距，是一种利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信息处理，完成水下探测和通讯任务的电子设备。它有主动式和被动式两种类型，属于声学定位的范畴。这种利用水中声波对水下目标进行探测、定位和通信的电子设备，是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。

目前，声呐是各国海军进行水下监视使用的主要技术，用于对水下目标进行探测、分类、定位和跟踪;进行水下通信和导航，保障舰艇、反潜飞机和反潜直升机的战术机动和水中武器的使用。

此外，声呐技术还广泛用于鱼雷制导、水雷引信，以及鱼群探测、海洋石油勘探、船舶导航、水下作业、水文测量和海底地质地貌的勘测等。

2.海洋遥感技术是海洋环境监测的重要手段

卫星遥感技术的突飞猛进，为人类提供了从空间观测大范围海洋现象的可能性。美国、日本、俄罗斯、中国等已发射多颗专用海洋卫星，为海洋遥感技术提供坚实的支撑平台。

在海洋面临挑战的20世纪，人类从海洋里取走了数十亿吨的生物资源，同时倒进了数十亿吨的有害物质。20世纪世界经济的迅猛发展和随之带来的海洋污染，使人们认识到，海洋经济的可持续发展需要对海洋资源的开发利用(包括纳污容量)进行综合管理。这不仅需要系统健全的政策法规和科学合理的规划，而且需要高科技，二者缺一不可。因此，大力发展海洋高新技术，包括微电子技术、计算机技术、生物技术、空间技术以及核技术，是认识和开发海洋必不可少的手段

可以肯定，海洋技术是21世纪新技术革命的重要取向。

(四)面对激烈的“蓝色圈地”——中国奋起直追

1.大国肆意圈地，海底资源据为己有

早在20世纪60年代，美苏两个超级大国军备竞赛从海面发展到海底，双方竞相把海底变成现代核战争的基地和战场。在对海底进行勘察和施工时，科研人员发现静卧于海底的锰结核。美国人动手最早，1962年，当其他国家尚未反应时，就秘密制定了《国际海底铁锰沉积矿产研究计划》，并通过肯尼柯铜公司、深海探险公司等四大公司，对各大洋所有国际海底进行了普遍勘察，发现位于太平洋东北即夏威夷群岛到美国本土之间的国际海底是锰结核分布最广，经济价值最高的地区。

美国四大公司当即跑马圈地，在那片最富的矿区里各自剜下了很大一块“肥肉”。随之而来的日本、德国、英国、法国、加拿大、印度和韩国都卷入了这场竞争。前苏联于1987年第一个向联合国提出了对锰结核矿区的申请。而后这些国家都先后宣布了在太平洋东北部的国际海底“圈定”的“自己”的矿区。这就是在还没有一条国际法律制约的背景下，发生在西方发达国家在国际海底肆意的“圈地”之争。而当时的中国还盲目地沉醉于“地大物博”的传统意识之中，对占有深海金属资源的战略意义认识不够。

2.小国合伙对抗，海底开发立法可依

1967年11月，一个只有30余万人口的小国马耳他向联合国提交了著名的《帕多提案》，指出国际海底应为“全人类共同继承的财产”，并建议建立一个适当的国际机构，管理、监督并控制发生在国际海底的肆意“圈地”活动。1969年，第24届联大依据海底委员会的报告通过一项决议，非常坚决地否认了少数发达国家对已有“圈地”的权利。1970年，第25届联合国大会首次以联大决议的形式，宣告了“国际海底及其资源为人类共同继承财产”。至此，少数发达国家试图把国际海底资源作为“无主物”或“共有物”而予以掠夺的梦想被粉碎。1973年12月3日，第三次联合国海洋法会议开幕，准备建立一部《海洋法公约》。不想此会一开就是10年，发展中国家与发达国家之间在许多利益问题上开展了激烈的斗争。到1982年4月，历经9年的艰苦谈判，终于通过了新的《海洋法公约》。正当发展中国家为取得这样的胜利而欢欣鼓舞的时候，又一盆冷水泼来，以美国为首的发达国家拒绝签署这部“公约”。德法等国甚至搞了个小条约，公然与《海洋法公约》对抗。这样，从1990年7月到1994年6月的4年中，发展中国家向发达国家采取了必要的“让步”斗争策略，经过双方的15次先后磋商，终于达成了一项能使大多数发达国家都满意的文件，即《关于执行1982年联合国海洋法公约第十一部分的决议草案和协定草案》的最后文本。于1994年7月提交第48届联大讨论通过。至此，国际海底共同开发的制约性法规正式生效。“蓝色圈地”之争也画上了一个比较圆满的句号。

3.中国奋起直追，深海技术超前发展

激烈的国际斗争，为中国参与对国际海底资源的竞争赢得了时间和“空间”。在国际海底那片最富有的宝藏空间被几大经济强国几乎瓜分完毕时，中国才开始真正向国际海底进军。那里有决定着中国未来的战略资源，但中国至少落后了10年。令人欣喜的是，我们终于觉醒了，并奋起直追……

在对锰结核的勘察上中国起步很晚。1978年4月，我国“向阳红05号”科考船在进行太平洋特定海区综合调查中，首次从4784米海深的地质取样中获取锰结核。而真正地开始向国际海底进军，是在1984年。这一年起，中国开始对国际海底进行系统的锰结核资源勘探活动，重点勘察了夏威夷附近200万平方公里的国际海底。1991年联合国批准中国为“国际海底先驱投资者”后(1981年第三次海洋法会议谈判期间，赋予先期投入过大笔资金进行锰结核开发国的一种资格;因为中国在1978年于太平洋海底采集过锰结核，据此中国声明同样具备这种资格)，从已勘察的区域中选择了30万平方公里的国际海底为自己的开辟区，并向联合国提出了申请。8年之后的1999年，中国获得了经联合国批准生效的7.5万平方公里的矿区。在这片矿区里，约有4.2亿吨的锰干结核，可连续开采20年。由于在时间上中国比日本和法国等国家晚十年，比美国晚了近二十年，因此，所获得的矿区也只是富矿空间的边角之地。差之一步，落后千里，这一教训值得中国人铭记在心。

有趣的是，由于《海洋法》公约出台到定论历经了20多年的争吵，发达国家虽然动手早，但直至今天仍无一家公司进入商业开采，这就给中国留下了追赶的时间。这期间中国的深海勘探技术迅猛发展，就像研制载人飞船一样，进入地球内部深层空间的技术在不断提高。当那些发达国家刚刚抢过锰结核的地盘后，又发现了与锰结核一样的深海矿物—富钴结壳。这些矿物结壳多分布在3200米到6000米水深的海底。

这次中国不再落后，从1997年开始，中国的“海洋四号”和“大洋一号”等科考船已对富钴结壳进行了五个航次的前期战略性探察工作。在太平洋海底山区又发现了两个资源前景较好的富钴壳矿区。在这新一轮的合法竞争中，中国与那些发达国家并驾齐驱。

同航天运载技术一样，深海运载技术也同样是一个国家综合国力的象征。我国已研制成功了能深入海底7000米的载人潜水工业机器人“蛟龙”号，到目前为止，世界上还没有哪一个国家具有开发这样的潜水工业机器人的能力;我国还投巨资装备了最先进的海洋科考船“科学”号。

“科学”号海洋科学综合考察船是我国目前最先进的海洋科学综合考察船，具备全球航行能力，船舶和船载探测与实验系统处于国际先进水平，将是中国未来10～20年海洋科学考察主力船之一。科考船总吨位4864吨，总长99.6米，型宽17.8米，吃水5.6米，续航力15000海里，自持力60天，最大航速15节，载员80人，与当今世界最先进的海洋考察船相比毫不逊色。该船采用国际先进的吊舱式电力推进装置，配备了艏侧推、动力定位及综合导航定位系统，可实现在0～15节无级变速，在低速状况原地360度回转。“科学”号配备了水体探测、大气探测、海底探测、深海极端环境探测、遥感信息现场印证所需的多种国际先进的探测与调查设备，具备高精度长周期的动力环境、地质环境、生态环境等综合海洋观测、探测以及现场取样和分析能力，能够满足海洋科学多学科交叉研究需要。“科学”号配备了动力定位系统，作业甲板装备了可用于潜水器投放与回收的艉部A型架和绞车系统，能够满足潜水器收放、水下作业和采集样品处理的需要，“科学”号还能搭载深海潜水器共同进行深海勘探作业。