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萬米深海,有只“飛翔”的“海燕”
2020-07-28 07:44:04 來源: 科技日報
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“海燕-X”萬米級水下滑翔機海試圖天津大學供圖

  水下滑翔機萬米深淵觀測科學考察團隊近日順利返航。

  報道稱,在為期6天的綜合科考中,由青島海洋科學與技術試點國家實驗室與天津大學共同研發的2臺萬米級“海燕—X”水下滑翔機共獲得觀測剖面45個,其中3000米級、6000米級和7000米級剖面各1個,萬米級剖面3個,最大下潛深度達10619米,刷新了水下滑翔機下潛深度的最新世界紀錄。“海燕—X”集成了CTD和深海相機等諸多要素傳感器,同步採集了深淵溫鹽、溶解氧等大量寶貴數據,在海洋深淵科學研究方面具有重要的應用價值。那麼“海燕”究竟如何實現在深海安全、自由“飛翔”?記者就此採訪了有關專家。

  高度計讓“海燕”安全“飛翔”

  2005年,天津大學副教授、“海燕”研發團隊核心成員楊紹瓊所在的團隊成功研制出第一代溫差能驅動水下滑翔機,工作深度100米。2009年,第二代混合推進型水下滑翔機“海燕”研制成功,工作深度500米。也是這一年,他們研制的水下滑翔機有了正式名字——“海燕”。

  楊紹瓊解釋,當水下滑翔機翹起尾巴,就是準備跟衛星進行通訊。收到水下滑翔機狀態信息,或是任務傳感器採集到的海水環境數據後,衛星便將信息發送到岸基操控平臺。之後,信息被送往控制中心。

  “海燕”有著傳統魚雷的流線外形,楊紹瓊説,這樣的外形有助于降低航行阻力。

  楊紹瓊説,水下滑翔機通過內部控制係統,融合多傳感協同控制技術,合理分配傳感器安裝位置和工作流程,實時原位採集海洋環境參數並存儲于主控內部內存之中。

  在工作過程中,需要注意水下滑翔機當前位置與深淵海溝的相對距離,同時考慮水面海流的流速和流向,通過智能軌跡規劃算法保證水下滑翔機可以實現連續超過萬米的滑翔剖面觀測。

  在青島海洋科學與技術試點國家實驗室控制中心,屏幕上一條條黃色的“魚”,就是“海燕”的實時位置。在“海燕”出現狀況或走丟時,其應急單元會引導工程人員將其找回。

  “海燕”在航行時會不會撞到海底?楊紹瓊告訴記者,因為水下滑翔機本身安裝有高度計。高度計可以感應周邊環境信息。比如設定的高度是10米,當高度計感測到只有10米的安全距離時,“海燕”就會通過浮力驅動單元和姿態調節單元改變姿態,然後上浮。

  “在海上試驗過程中,任何一個環節都極其重要,每一個零件出現問題都會導致整個試驗的失敗。”楊紹瓊説,因此在整個試驗過程中,外觀檢查、通訊測試、甲板聯調、參數設置以及布放回收每一個環節都被工程人員當成試驗的關鍵環節。

  下潛上浮如魚般自如

  “海燕”是如何做到自如地下潛上浮的?

  楊紹瓊解釋,這要歸功于水下滑翔機的浮力驅動單元,也就是浮力驅動係統。

  水下滑翔機可劃分為前導流罩、前艙段、中艙段、後艙段、尾部浸水艙等5部分。其中前艙段安裝有浮力驅動單元,主要由安裝在耐壓殼體內的伺服電機、液壓泵、電磁閥、內皮囊和安裝在耐壓殼體外的皮囊組成。

  收縮自如的皮囊類似魚兒的“鰾”。魚在水下通過調節魚鰾內的氣體從而達到調節身體浮沉的目的。“海燕”的浮力驅動單元也是這樣的工作原理。

  當需要下潛時,皮囊體積變小,浮力也會相應變小,重力大于浮力,水下滑翔機就會下潛。反之,皮囊體積變大,浮力增大,水下滑翔機就會向上浮動。

  通過不停的上浮下潛,“海燕”走著“之”字路線,向前“飛”。這種浮力驅動的方式耗能很少,可以保證“海燕”在大洋中長時間、大范圍地活動。

  從2005年實現工作深度100米,到2009年實現工作深度500米,再到2018年最大下潛深度8213米,最後到今年下潛深度突破萬米,水下滑翔機的下潛深度由什麼決定?下潛突破萬米的難度在哪裏?

  “下潛深度是由水下滑翔機本身的浮力調節量決定的。”楊紹瓊説,水下滑翔機下潛時需保證自身重力大于浮力,而隨著深度的增加,海水密度不斷增大,萬米深淵處海水密度約為水面密度的105%,導致水下滑翔機自身浮力不斷增加,需要更大的調節量來彌補萬米深淵海水大尺度的密度變化。

  為攻克萬米超高壓力下的浮力調節難題,天津大學和青島海洋科學與技術試點國家實驗室研究人員組成的“海燕”團隊研發出了萬米高壓環境下大排量、高精度的浮力調節係統。

  下潛深度突破萬米,另一大難點就是保證所有元器件都能承受萬米海水的壓力,換句話説,1平方米面積上需要承受約107公斤的重量産生的壓力。

  難以滿足承壓要求的金屬材料,已不再適用于萬米水下滑翔機的耐壓殼體。“海燕”團隊在設計中,創新性地使用了新型輕質陶瓷耐壓復合材料,在保證承壓能力的基礎上能夠搭載更多的能源和任務傳感器。

  楊紹瓊説,未來“海燕—X”仍可以大幅提升其性能,通過優化殼體設計、能源模塊、浮力補償方式和浮力調節策略等,可繼續提升續航能力和觀測性能;此外還可以進一步小型化和輕量化,降低成本,提高可操作性和經濟性。

  為“透明海洋”積累數據

  現在“海燕”水下滑翔機已經實現了續航裏程、工作深度的譜係化發展。楊紹瓊告訴記者,從工作深度譜係來説,有200米、1000米、1500米、4000米和全海深,從續航裏程看,有1000公裏、1500公裏和3000公裏,未來還將實現5000公裏,甚至10000公裏的目標。“續航裏程長短一方面受限于機載能源,另一方面還與水下滑翔機外形減阻設計、控制係統的低功耗設計、浮力係統的驅動策略等節能降耗關鍵技術有關。”

  從集成的傳感器看,可以集成溫鹽深(CTD)傳感器,還能集成溶解氧等生化傳感器、水聽器等聲學傳感器、電磁傳感器,以及湍流剖面儀等。

  因為功能不同,“海燕”家族成員長短胖瘦各異,比如“海燕—200”較“瘦小”,可以在深度200米以內的海域裏進行觀測;“海燕—L”略修長,可以連續航行約5個月,執行長時續觀測任務。

  海洋佔地球表面積的71%,人類對海洋的探索卻不到5%。為了加強對海洋的了解,海洋試點國家實驗室提出了“透明海洋”概念,搭建“海洋物聯網”,對海洋進行立體綜合觀測。所謂“透明海洋”,就是利用現代的海洋觀測與探測技術,實現海洋狀態透明、過程透明、變化透明。要實現透明,就要有數據支撐。

  目前,在我國南海海域,“海燕”水下滑翔機家族正遨遊在大海深處,通過搭載的溫鹽深、溶解氧、湍流、光學等任務傳感器,進行海洋環境多要素參數的觀測,並將搜集到的海洋信息,實時傳送到幾千公裏外的青島海洋科學與技術試點國家實驗室,“透明海洋”工程建設。記者 陳瑜

【糾錯】 責任編輯: 王萌萌
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