深海打捞作业的海洋环境保障——以F-35C打捞为例

张永垂，胡王江，汪 洋

（1. 国防科技大学气象海洋学院，湖南 长沙 410073；2. 军事海洋环境建设办公室，北京 100061）

0 引言

2022年1月24日，一架F-35C战斗机在南海降落“卡尔·文森”号航空母舰时撞上飞行甲板，随后坠入水中。据2月6号的公开视频资料显示[1]：在飞机着舰时，飞机下滑角度没有控制好，迎角过大，使得飞行员看不清甲板，导致飞机主降落架撞向航母尾部甲板，飞机失控并打转、着火，沿着斜角甲板滑向海里，飞行员最后弹射逃生，甲板上7名水兵受伤。初步判断，此次飞机坠毁可能是由于飞行员操控失误引起的。

F-35隐形战机是美国最先进的第五代战机之一。除美国外，日本、韩国、英国、澳大利亚、意大利、荷兰和以色列等国都已订购或开始部署这款战机。F-35战机有3种型号：F-35A是常规空军陆基战斗机，航程为2 200 km；F-35B是短距起飞垂直降落战斗机，航程为1 670 km；F-35C是美国海军专为航母打造的下一代旗舰战机，航程约2 500 km。为适应航母作战，F-35C的研发部署比其他两种型号要迟很多，直到去年8月才首次正式部署到“卡尔·文森”号航母上。

据公开报道，这已是F-35型号战机的第3次坠海事故。2019年4月9日，一架日本 F-35A在日本三泽空军机场以东135 km的太平洋坠毁，飞行员丧生[2]。日本防卫省将其归咎于空间迷失方向，即飞行员无法充分感知周围环境，夜间训练时直接将战斗机全速飞入海中。2021年11月17日，英国“伊丽莎白女王”号航母上一架 F-35B 坠入地中海，飞行员安全弹射。据报道称，是由于发动机吸入了防雨罩导致事故发生[3]。

F-35战机几乎代表了美军战斗机最先进的技术水平。因此，坠海事故发生后，美军及其盟友均迅速组织打捞作业。日本F-35A几乎被撞得粉碎，仅打捞上几片残骸。英国F-35B因坠海时速度较慢（机体较完整）、水深较浅，被成功打捞。此次坠机事件，与去年英国F-35B坠海状态相似（见图1），但从失事位置来看，水深较深（约4 000 m），给打捞作业带来一定挑战。

图1 F-35C落水时漂浮状态[4]Fig.1 Floating state of F-35C when crashed into the sea[4]

本文通过对深海打捞作业的介绍，梳理影响打捞作业的海洋环境要素，并使用业务化预报系统产品比较日本、英国和美国3次坠机事件时海洋环境的异同，分析美军在南海成功打捞的影响因素，提出加强我国遂行深海打捞任务能力的建议。

1 深海打捞作业

深海打捞，根据距离海岸的远近，分为近海（小于 55.6 km）、中等距离（55.6～129.6 km）和远海（大于 129.6 km）打捞。根据水深，分为浅海（浅于91.4 m）、中等深度海（91.4～914.4 m）和深海（深于914.4 m）打捞。根据搜索区域的大小，分为出色（小于 3.4 km2）、良好（3.4～34.3 km2）、一般（34.3 ～85.7 km2）和差（大于85.7 km2）4个等级。根据作业流程，通常分为搜索和打捞2个阶段。其中，搜索并准确定位是打捞作业的关键，而搜索技术设备或多或少都会受到海洋环境的影响。

1.1 搜索设备

常用的深海搜索设备包括回声测深仪、侧扫声呐、声波定位仪、光学成像系统、遥控水下航行器和导航系统等。

1）回声测深仪。

回声测深仪是一种通过声波在水中传输来测量水深的声呐设备[5]。根据其发射的声波信号分为单波束和多波束回声测试仪。目前，回声测深仪主要用于测绘连续的海底地形数据（图 2），这种实时信息可以保障拖曳搜索设备（例如：侧扫声呐或声波定位仪）的作业安全。此外，海底地形数据可成为声波入射传播的物理障碍判断。

图2 利用多波束回声测深仪测深示意图[6]Fig.2 Schematic diagram of sounding using a multi-beam echo sounder[6]

由于回声测深仪的分辨率较差，且覆盖条带相对较窄，因此不是深海搜索的核心装备。只有当搜索目标尺寸较大、相对密集，且位置已知时成功率才较高，如大尺寸沉船，对于飞机残骸可能效果有限。

2）侧扫声呐。

侧扫声呐使用拖在水下的声学换能器来生成类似航空照片的海底平面图，其可揭示海底地形地貌及组成性质，如巨砾、淤泥、砂砾或位于海底的人造物。侧扫声呐通常是深海搜索最有效的设备（图3），其单程覆盖的海底范围相对较宽（50～2 000 m），适合大面积海域搜索，效率相对较高。其有效分辨率（分辨最小物体的能力）则取决于系统的工作频率：频率越高，分辨率越高。然而，条带宽度覆盖范围与频率成反比，即搜索效率和分辨率反相关。因此，在实际搜索工作中，需要综合考虑选择合适的频率和分辨率。例如，200 L钢桶大小目标的搜索条带极窄（50～100 m），需要高频（500 kHz）；沉船大小目标可选择覆盖长达5 km的低频（30 kHz）。

图3 侧扫声呐示意图[7]Fig.3 Schematic diagram of side-scan sonar[7]

多波束回声测深仪和侧扫声呐均利用声波搜索水下目标，两者各有优劣：多波束回声探测仪的优点在于噪声少、能够进行三维可视化分析，但其适用范围不如侧扫声呐广泛；侧扫声呐的优点在于拖体距海底的高度容易调节、分辨率高、能够区分目标物的底质特征，缺点是容易受工作环境的影响产生噪声。可见，多波束和侧扫声呐在探测海底目标时具有很好的互补性，可以配合应用。

3） 声波定位仪。

声波定位仪是将声波发生器放入水中或置于水底，根据记录的直达波和经海底反射回来的反射波之间的时差，计算仪器在水中的离底高度。拖曳声波定位仪由水下拖曳部分、线缆、绞车、液压动力系统、发电机以及控制台等部分组成，可由船只拖着缓慢行进、搜索，速度通常为1～5 kn（图4）。

图4 拖曳式声波定位仪（TPL）示意图[8]Fig.4 Schematic diagram of Towed Pinger Locator[8]

其欲定位的“声波发生器”（信标）通常安装在商业飞机的飞行记录仪上，这对事故原因的调查非常重要。大多数“声波发生器”通常以37.5 kHz的频率发出信号，而拖曳声波定位仪可以探测从3.5～50 kHz频段的信号。信标信号相对较弱，接收设备必须在1 n mile内才能检测到它。通常，声波定位仪部署在温跃层下方、海底上方约 300 m处，可以水平扫描约 3 700 m宽的条带。由于接收设备无法提供方位信息，因此船上控制人员对信号最强处的位置进行记录，并多次反复测量，通过“三角定位”来确定信标的位置。

声波定位仪仅适用于信标位置在局部范围内已知的情况。当前，国际上最知名的拖曳式声波定位仪当属美国海军的 TPL-25，最大作业水深达6 000 m，最大探测量程超过3 000 m（图5），在马航MH370等事故的黑匣子搜索中使用过[9]。

图5 美国海军拖曳式声波定位仪（TPL-25）Fig.5 U.S. Navy's Towed Pinger Locator（TPL-25）

4）磁力计。

磁力计是一种测量磁场强度的仪器（图6）。

图6 磁力计搜索示意图[10]Fig.6 Schematic diagram of magnetometer survey[10]

使用磁力计进行水下搜索限于被磁化的金属物体（必须包含铁或钢），常见有：金属管道、钢制电话电缆、钢壳船、发动机、锚、锚链、枪支、水雷、潜艇、飞机（通过其发动机）和古代船只。磁力计检测范围相对有限（物体的磁响应大致以传感器与物体之间距离的立方的速率降低）。因此，其不经常用作深海搜索的主要设备，但可作为侧扫声呐搜索的辅助传感器，特别是目标在复杂环境中丢失的情况下，如在海底岩石区，从物体返回的声呐信号不容易与岩石区分开来，通过串联拖曳侧扫声呐和磁力计传感器可提高物体被探测的概率。

此外，磁力计是唯一能够定位深埋在底部沉积物中物体的设备。对于露出沉积物的各种水下目标，侧扫声响能够精确地进行定位和分析，但对埋藏于沉积物下的磁性目标物进行探测，是海洋磁法探测的优势。

5）光学成像系统。

光学成像系统作为独立使用还是与侧扫声呐配合使用已广泛应用于深海搜索。光学成像系统的显著优势是产生的图像可以直接识别物体，而不需要耗时分类。不过，光学成像系统的缺点也有很多，如极窄的条带宽度和范围，相对较低的拖曳高度，总体搜索速度和搜索率较低。

6）遥控水下航行器（ROV）。

与上面讨论的搜索设备不同，ROV本质上并不是一种能够通过感测物体的物理特性来检测的传感器，仅是一个将传感器携带到深海并操纵它们的一个平台。ROV仅限于在相对较小的区域内运行，因为支援船需要直接悬停在ROV上空以及受控于系缆对系统机动性的影响。作为一种搜索工具，ROV可以非常有效地定位先前使用侧扫声呐的小型孤立目标，或者当已知在大约1平方英里内的大型目标。为此，ROV使用机载搜索传感器（声学和光学）来定位物体，确认其身份并执行其他与任务相关的任务。

美军现役的深海搜索和打捞ROV有：CURV-21，DeepDrone8000和MR2HYDROS等。其中，CURV-21是美国海军主战装备（图7）。CURV-21和集成的机械手臂可以实现搜索和打捞功能，能够在侧扫声呐和打捞操作之间切换。CURV-21是独立的设备，可通过飞机快速部署到打捞船上。能够实现6个方向的自由移动。配备的声呐可用于目标定位和信标检测。配置了高分辨率数码相机、黑白和彩色电视摄像机。

图7 美国海军现役ROV（CURV 21）Fig.7 U.S. Navy ROV（CURV21）on active service

1.2 搜索和打捞作业流程

《美国海军船舶打捞手册卷4（深海作业）》将深海搜索和打捞分为4个阶段，分别是：筹划、动员、现场作业和退场[12]。这4个阶段必须结合成为一个整体，才能有效保证搜索和打捞的顺利完成（图8）。

图8 深海搜索和打捞流程图Fig.8 Flow chart of underwater search and recovery operations

1） 筹划。

深海作业的复杂性要求周密的筹划和准备。筹划人员必须详细了解任务，为打捞任务和出现的意外情况确定合适的设备。例如，搜索和打捞设备需与救援船舶兼容，能够在预期的水深条件下开展作业。同样，救援船舶需满足任务要求，在特定海洋环境条件下开展作业。

筹划遵从特定的从一般到具体的逻辑顺序。在面对不断变化的深海状况时，筹划人员和作业人员也需灵活变化，既不能呆板地遵守计划，也不能随意地更改计划。筹划具体包括8个部分：任务前筹划、事故分析、环境数据、设备选择、精确导航系统、支援设备、港口基地选择以及作业计划。

①任务前筹划。任务前筹划旨在收集所有已知或预期的工作参数，以便有效地装备合适的硬件设施、确定后勤保障需求、制定应急计划和动员人员。

②事故分析。必须收集和审查与事故有关的所有数据，以便确定事故情景和搜索基准位置。事故数据来源众多，有雷达数据、导航数据、僚机位置、目击者报告等，这些数据的准确性和可靠性对基准位置的判定和打捞区域概率评估十分重要，从而确定搜索区域的总体大小和最高概率的位置。

③环境数据。一旦确定打捞区域，就必须收集详尽的环境数据，以协助制定打捞计划。环境数据包括：水深，海底地形，海流和潮汐，当前和未来的天气状况和海况，影响作业的障碍或危害（如航道、拖网捕鱼区、海底作业区、海底电缆、海底井口、已知沉船区等），与最近导航岸站的距离以及现场的后勤保障等。

④设备选择。根据任务目标和预期的现场条件等有关信息，确定相关设备。美军根据位置和水深情况，开发了一套“猎户座”搜索系统，帮助确定任务所需的设施设备，通常有ROV深潜器、CURV或Mini-Rover。此外，建立了一套设备检查表，对照准备关键设备和备件，确保不会落下任何所需的设施、设备。

⑤精确导航系统，包括LORAN-C、微波测距瞄准系统、超高频超视距系统、差分全球定位系统（DGPS）等。对于偏远的深海区域，通常也投入长基线声学导航系统。

⑥支援设备。根据任务目标和其他相关行动选择支援设备。例如，海上支援平台可以是大型或小型的船舶，具体取决于任务、离岸距离、预期的天气和海况、甲板作业空间、任务所需的起重能力、作业时间等。

⑦港口基地选择。港口的选择需多方考虑，包括与作业地点的距离，港口设施完善程度，通讯能力，以及靠近机场、便捷的交通等。

⑧作业计划。根据已有的充分信息，制定详细的执行计划，包括搜索路径间距、搜索路径、范围比例和重叠区域等。也包括制定应急计划，如替代方案、替代设备、天气规避计划和安全通信计划等。

2） 动员。

动员阶段进一步细分为：派驻先遣队、设备运输、团队开拔和船上安装调试。

①派驻先遣队。先遣队在动员和计划中发挥着关键作用。由专业知识丰富的搜索和打捞小组成员组成先遣队，开展现场准备，完成初步的工作计划。先遣队与目标方会面并简要汇报情况，验证任务前分配、分析有关结果，验证卡车和物料搬运设备的容量和可用性，进行装载安排并协调运输时间等。

②设备运输。设备运输的方式包括陆运、空运、海运或三者有机结合。美军大多数搜索和打捞设备是准备就绪的，可立即运输。

③团队开拔。设备可能安装在军用或民用船只上。打捞项目负责人与操作人员、美国海军打捞主管代表和指挥官（或支援机构）协调设备的安装。例如，在军用设施上进行安装，需在设备和人员到达之前提交许可申请。所有承包商人员均需携带证明文件方可登入。

④船上安装调试。安装完成后，需尽快完成完整的系统测试，以确定系统的状态、准备情况和所需额外的准备工作。水下测试需与甲板系统测试同步进行。

3） 现场作业。

现场作业需要船员与搜救专家的密切配合。对于复杂的操作，需进行提前演练，让参与者熟悉自己的角色和任务，同时了解其他人的职责。现场作业阶段涉及到的要素有：指挥机构、现场人员、作业时刻表、天气预报、应急程序。

①指挥机构。在面对复杂的任务时，需要有岸上和海上指挥部，本国和外国代表组成的联合军事小组，以及后勤、技术和公共关系小组。

②现场人员。参与者的角色和关系在行动之前明确，根据现场工作内容，确立了现场人员职责：驻外海军指挥官及其参谋人员、舰长或船长、美国海军打捞潜水部（Supervisor of Salvage and Diving，SUPSALV）代表、承包商项目经理、技术顾问/事故调查员以及岸上设施。

③作业时刻表。需制定一个总体作业计划并发至所有关键方，包括：计划执行的日期和时间、返回时间、通讯时间表、备用紧急服务规定等。

④天气预报。天气和海况对海上作业至关重要，需针对作业区域制定定期的天气报告、长期和短期预报以及紧急情况报告，并指定美国海军为特定行动提供特殊或补充预报。

当下，主打食材安全、健康，提倡本源味道的有机餐厅已成为餐饮界的一股清流，部分高档酒店的中、西式餐厅也逐渐将有机食材视为餐厅标配，以满足中高档消费群体对于“吃”的品质追求。

⑤应急程序。仔细审查、确定最近的港口、适合的锚地，以便在恶劣天气下进行庇护；也包括确定最近的医疗机构，并建立医疗后勤保障方式。

4） 退场。

退场即所有设施设备和团队人员安全返回各自基地。退场需做好任务结束计划、航渡、设备卸载和设备运回。

①任务结束计划。初步退场计划在行动计划初期制定，需将从行动中吸取的经验教训进行总结并纳入退场计划，包括运输方式、包装、文件、停泊要求和设备的可用性等。此外，必须考虑已打捞目标物的性质，在退场计划中将其处置细节作为优先事项。

②航渡。航渡为系统卸载提供了充裕的时间，也为管理任务提供了契机，确保最终报告所需的数据是完整且有序的。

③设备卸载。对大型设施设备的拆卸由岸上后勤人员执行，设备卸载后，根据需要对船舶进行保养和维修。

④设备运回。设施设备运回基地的方式取决于额外的后续任务或安排、成本与紧迫性、距离、实用性以及运输设备的可用性等，与动员阶段基本一致。

1.3 影响作业要素

1）飞机入水方式。

飞机是高速撞击入海还是低速平缓入海决定了飞机残骸的完整度。如果飞机是高速坠海，撞击海面后沉入海底破碎的概率较大。如果飞机低速入海，如英国航母“伊丽莎白女王”号F-35B滑跃失败后坠入海中，能够保证飞机的完整度，打捞的难度相对较低。通过公开的照片（图1）可以看出，此次美国海军F-35C坠海后整机相对完整，打捞的成功性很大。

2）海洋环境。

①水深和地形。

事发区域海水深度不仅决定了打捞作业的难度，而且越深的海水一般海洋环境变化越复杂，当前的预报系统难以准确预测，将增大搜索目标的难度。

海底地形的复杂程度同样影响目标物的搜索。若海底地形陡峭，伴有海山、海沟、峡谷等复杂地形，即便飞机停底后，也可能会出现二次移动或被底流带来的沉积物所覆盖，增加打捞难度。

②海流。

飞机坠海后，在洋流的作用下会发生漂移，即飞机落水点并不等于实际的打捞点。在洋流的作用下，飞机可能已经漂到了距离坠海点较远的位置，给搜索和定位带来一定的不确定性。

3）天气状况。

由于打捞母船需要在事发海域作业一段时间，期间的海面天气状况决定其是否能够作业。若遇强烈天气系统，如热带低压、台风、冷空气等，将掀起海面大浪，影响打捞母船作业安全，需应急避风。

2 事发海域海洋环境特征分析

此次 F-35C坠海位置相对确定，搜索半径亦可相对明确，飞机的搜索和定位相对简单。通过环境预报系统对事发海域海洋环境进行分析，有利于进一步确定搜索方位，并为打捞计划的制定提供指引。

2.1 业务预报系统简介

本文使用法国麦卡托海洋环境预报系统对事发海域和坠机时刻的海洋环境特性进行分析[13]。麦卡托海洋于2014年11月11日受欧盟委员会的正式委托，负责哥白尼海洋环境监测服务（Copernicus Marine Environment Monitoring Service，CMEMS）的全球高分辨率海洋分析和预报业务。麦卡托海洋高分辨率的全球海洋分析和预报系统基于 NEMO V3.1开发。物理配置基于三极ORCA12网格类型（全球（1/12）°），赤道的水平分辨率为9 km，哈特拉斯角（中纬度）为 7 km，罗斯海和威德尔海为2 km。垂直分为50层。数据同化系统为麦卡托同化系统（SAM2），同化的数据包括 CMEMS发布的海表面温度（Sea Surface Tempersture，SST）、沿轨海表面高度异常以及现场观测温盐剖面；大气强迫来自 ECMWF的综合预报系统（Integrated Foreeast System，IFS）。

2.2 影响事发区域海洋环境特征分析

1）水深和地形。

根据ETOPO全球水深地形数据，F-35三次坠海事发海域（日本三泽机场以东海域，埃及和塞浦路斯之间地中海海域，黄岩岛东北海域）的水深分别为636 m、1 351 m和4 000 m（图9）

图9 3次F-35坠海事故发生区域水深Fig. 9 Bathymetry of the ocean where F-35 crashed for three times

南海坠机海域海底地形较为复杂，其东为深达5 400 m的马尼拉海沟。该海沟也是中国中沙群岛与菲律宾群岛的自然地理分界线。最深处达4 637 m，最浅处为2 209 m。海底地形极其陡峭，在不到40 km范围内落差超过2 400 m（图10）。

图10 F-35C事发海域海底地形Fig. 10 Topography of the ocean where F-35C crashed

2）环流。

日本三泽机场以东太平洋海域以日本海贯穿流流出津轻海峡后沿日本海本岛南向流为主，平均流速大小为0.35 m/s（图11）。

埃及和塞浦路斯之间地中海海域流向较为复杂，但总体流速较慢，平均流速大小为0.07 m/s（图12）。

图12 2021年11月17日地中海海面流（左）和水深超过1 000 m底层流（右）Fig. 12 Sea surface currents（left）and bottom currents below 1 000m（right）in Mediterranean Sea on November 17，2021

黄岩岛东北南海海域处于海盆尺度、中尺度涡旋和次中尺度多尺度相互作用海域，流向复杂多变，平均流速大小为0.13 m/s（图13）。

图13 2022年1月24日南海海域海面（左）和水深超过1 000 m底层（右）流Fig. 13 Sea surface currents（left）and bottom currents below 1 000m（right）in the South China Sea on January 24，2022

3） 海况。

南海受季风控制，冬季盛行东北风。事发海域位于吕宋岛背风区域，风速相对较小。2022年 2月份10 m平均风速为4.77 m/s（图14）。南海海浪波高总体呈现南高北低特征，吕宋海峡附近有效波高2 m以上。事发海域有效波高约1.45 m，为中浪区。海浪主导因素为涌浪，涌浪浪高约1.25 m；风浪起次要作用，浪高约0.53 m（图14）。

图14 南海深水区2月平均风场和海浪场Fig.14 Mean wind and wave fields in the deep-water area of the South China Sea in February

2.3 综合分析

此次美国海军F-35C失事的打捞属于远海（距吕宋岛西海岸170 n mile）和深海（4 000 m）作业。飞机入水后保存相对完整，落水初始位置准确掌握，海表和海底流速相对较小，沉入海底的位置可能会偏离，但在其可控范围内。与去年F-35B在地中海海域失事情形相比较，美军对落点位置的定位应该属于出色（表1）。

表1 3次F-35飞机坠海事件一览表Table 1 List of the three crashes of F-35 fighter plane

美国海军有较为丰富的深水打捞经验，如一架MH-60S“海鹰”直升机于2020年1月25日坠入冲绳海岸附近5 814 m水深海域。搭载专业打捞设备CURV 21的打捞船3月从关岛出发，海上航行5 d到达事发海域。3月17日开始打捞，于次日便成功打捞。此次失事海域水深在4 000 m左右，在美国海军打捞能力范围内。

海况因素来看，作业区域在2月份基本为中浪区，对打捞母船的作业影响不大，但南海春季复杂多变的天气状况、频发的海洋中小尺度过程可能会对搜索和打捞作业带来一定的挑战。

针对此次打捞，美国海军租用了专为深海打捞设计的“毕加索”号打捞船，搭载美军的CURV-21遥控水下航行器，于 2022年 3月 2日成功打捞F-35C舰载机，共用时37 d，展示了美军强大的深海打捞救援能力。

3 结束语

鉴于深海战场空间的独特性和重要性，各海洋强国都在积极加强深海技术研究，深化军事领域的运用，意图占领深海这一新空间的制高点和主动权。为了提升我国遂行深海打捞任务海洋环境保障能力，建议如下。

1）制定深海打捞作业海洋环境保障规范。

深海打捞作业技术复杂、任务急迫。涉及到的技术包括精准定位失事位置，海底精确测绘，深海打捞设备研发，且在搜索和打捞阶段都严重依赖海面到海底的整层海洋环境特征变化。美国海军在深海搜索和打捞方面取得了显著成效，相比较而言，我国尚未形成为深海打捞任务的针对性保障流程。建议专门针对深海搜索和打捞作业，梳理制定深海打捞海洋环境保障规范化流程。

2）研制深海打捞作业海洋环境保障产品。

深海打捞作业的核心因素是定位沉入海底后的准确位置。深海环境复杂多变，影响准确定位的环境要素包括海流、温跃层、海底地形等。崎岖不平的海底会显著改变正压潮流的流速和流向，产生内潮，造成海底海流复杂难辨。温跃层是深海声波向上传播的屏障，海底信标发射的声波信号无法有效传至海面，如拖曳式声波定位仪工作时需位于温跃层以下，结合2021年10月美国海军“康尼狄格”号潜艇在南海撞山事故，建议开展深海海洋环境数据库建设、海洋环境特征分析研究，研发深海打捞作业专题保障产品。

3）发展深海搜索和打捞技术。

目前深海搜索和打捞的主要手段是侧扫声呐、声波定位仪和水下潜航器等。美国海军现役的拖曳式声波定位仪（TPL-25）和遥控水下潜航器（CURV-21）最大作用深度都达到了6 000 m，具有很强的深海搜索和打捞能力。建议不断开展深海搜索打捞相关技术研究，研制自主可控的深海搜索和打捞设备。