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水下滑翔機(jī)萬(wàn)米深淵觀測(cè)科學(xué)考察團(tuán)隊(duì)近日順利返航

2020-07-28 09:46:57來(lái)源:科技日?qǐng)?bào)  

水下滑翔機(jī)萬(wàn)米深淵觀測(cè)科學(xué)考察團(tuán)隊(duì)近日順利返航。

報(bào)道稱,在為期6天的綜合科考中,由青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與天津大學(xué)共同研發(fā)的2臺(tái)萬(wàn)米級(jí)“海燕—X”水下滑翔機(jī)共獲得觀測(cè)剖面45個(gè),其中3000米級(jí)、6000米級(jí)和7000米級(jí)剖面各1個(gè),萬(wàn)米級(jí)剖面3個(gè),最大下潛深度達(dá)10619米,刷新了水下滑翔機(jī)下潛深度的最新世界紀(jì)錄。“海燕—X”集成了CTD和深海相機(jī)等諸多要素傳感器,同步采集了深淵溫鹽、溶解氧等大量寶貴數(shù)據(jù),在海洋深淵科學(xué)研究方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。那么“海燕”究竟如何實(shí)現(xiàn)在深海安全、自由“飛翔”?記者就此采訪了有關(guān)專家。

高度計(jì)讓“海燕”安全“飛翔”

2005年,天津大學(xué)副教授、“海燕”研發(fā)團(tuán)隊(duì)核心成員楊紹瓊所在的團(tuán)隊(duì)成功研制出第一代溫差能驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī),工作深度100米。2009年,第二代混合推進(jìn)型水下滑翔機(jī)“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(jī)有了正式名字——“海燕”。

楊紹瓊解釋,當(dāng)水下滑翔機(jī)翹起尾巴,就是準(zhǔn)備跟衛(wèi)星進(jìn)行通訊。收到水下滑翔機(jī)狀態(tài)信息,或是任務(wù)傳感器采集到的海水環(huán)境數(shù)據(jù)后,衛(wèi)星便將信息發(fā)送到岸基操控平臺(tái)。之后,信息被送往控制中心。

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

楊紹瓊說(shuō),水下滑翔機(jī)通過(guò)內(nèi)部控制系統(tǒng),融合多傳感協(xié)同控制技術(shù),合理分配傳感器安裝位置和工作流程,實(shí)時(shí)原位采集海洋環(huán)境參數(shù)并存儲(chǔ)于主控內(nèi)部?jī)?nèi)存之中。

在工作過(guò)程中,需要注意水下滑翔機(jī)當(dāng)前位置與深淵海溝的相對(duì)距離,同時(shí)考慮水面海流的流速和流向,通過(guò)智能軌跡規(guī)劃算法保證水下滑翔機(jī)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)超過(guò)萬(wàn)米的滑翔剖面觀測(cè)。

在青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室控制中心,屏幕上一條條黃色的“魚”,就是“海燕”的實(shí)時(shí)位置。在“海燕”出現(xiàn)狀況或走丟時(shí),其應(yīng)急單元會(huì)引導(dǎo)工程人員將其找回。

“海燕”在航行時(shí)會(huì)不會(huì)撞到海底?楊紹瓊告訴記者,因?yàn)樗禄铏C(jī)本身安裝有高度計(jì)。高度計(jì)可以感應(yīng)周邊環(huán)境信息。比如設(shè)定的高度是10米,當(dāng)高度計(jì)感測(cè)到只有10米的安全距離時(shí),“海燕”就會(huì)通過(guò)浮力驅(qū)動(dòng)單元和姿態(tài)調(diào)節(jié)單元改變姿態(tài),然后上浮。

“在海上試驗(yàn)過(guò)程中,任何一個(gè)環(huán)節(jié)都極其重要,每一個(gè)零件出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)試驗(yàn)的失敗。”楊紹瓊說(shuō),因此在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中,外觀檢查、通訊測(cè)試、甲板聯(lián)調(diào)、參數(shù)設(shè)置以及布放回收每一個(gè)環(huán)節(jié)都被工程人員當(dāng)成試驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

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?dú)w功于水下滑翔機(jī)的浮力驅(qū)動(dòng)單元,也就是浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

水下滑翔機(jī)可劃分為前導(dǎo)流罩、前艙段、中艙段、后艙段、尾部浸水艙等5部分。其中前艙段安裝有浮力驅(qū)動(dòng)單元,主要由安裝在耐壓殼體內(nèi)的伺服電機(jī)、液壓泵、電磁閥、內(nèi)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(guò)調(diào)節(jié)魚鰾內(nèi)的氣體從而達(dá)到調(diào)節(jié)身體浮沉的目的。“海燕”的浮力驅(qū)動(dòng)單元也是這樣的工作原理。

當(dāng)需要下潛時(shí),皮囊體積變小,浮力也會(huì)相應(yīng)變小,重力大于浮力,水下滑翔機(jī)就會(huì)下潛。反之,皮囊體積變大,浮力增大,水下滑翔機(jī)就會(huì)向上浮動(dòng)。

通過(guò)不停的上浮下潛,“海燕”走著“之”字路線,向前“飛”。這種浮力驅(qū)動(dòng)的方式耗能很少,可以保證“海燕”在大洋中長(zhǎng)時(shí)間、大范圍地活動(dòng)。

從2005年實(shí)現(xiàn)工作深度100米,到2009年實(shí)現(xiàn)工作深度500米,再到2018年最大下潛深度8213米,最后到今年下潛深度突破萬(wàn)米,水下滑翔機(jī)的下潛深度由什么決定?下潛突破萬(wàn)米的難度在哪里?

“下潛深度是由水下滑翔機(jī)本身的浮力調(diào)節(jié)量決定的。”楊紹瓊說(shuō),水下滑翔機(jī)下潛時(shí)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(wàn)米深淵處海水密度約為水面密度的105%,導(dǎo)致水下滑翔機(jī)自身浮力不斷增加,需要更大的調(diào)節(jié)量來(lái)彌補(bǔ)萬(wàn)米深淵海水大尺度的密度變化。

為攻克萬(wàn)米超高壓力下的浮力調(diào)節(jié)難題,天津大學(xué)和青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究人員組成的“海燕”團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了萬(wàn)米高壓環(huán)境下大排量、高精度的浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

下潛深度突破萬(wàn)米,另一大難點(diǎn)就是保證所有元器件都能承受萬(wàn)米海水的壓力,換句話說(shuō),1平方米面積上需要承受約107公斤的重量產(chǎn)生的壓力。

難以滿足承壓要求的金屬材料,已不再適用于萬(wàn)米水下滑翔機(jī)的耐壓殼體。“海燕”團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)中,創(chuàng)新性地使用了新型輕質(zhì)陶瓷耐壓復(fù)合材料,在保證承壓能力的基礎(chǔ)上能夠搭載更多的能源和任務(wù)傳感器。

楊紹瓊說(shuō),未來(lái)“海燕—X”仍可以大幅提升其性能,通過(guò)優(yōu)化殼體設(shè)計(jì)、能源模塊、浮力補(bǔ)償方式和浮力調(diào)節(jié)策略等,可繼續(xù)提升續(xù)航能力和觀測(cè)性能;此外還可以進(jìn)一步小型化和輕量化,降低成本,提高可操作性和經(jīng)濟(jì)性。

為“透明海洋”積累數(shù)據(jù)

現(xiàn)在“海燕”水下滑翔機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了續(xù)航里程、工作深度的譜系化發(fā)展。楊紹瓊告訴記者,從工作深度譜系來(lái)說(shuō),有200米、1000米、1500米、4000米和全海深,從續(xù)航里程看,有1000公里、1500公里和3000公里,未來(lái)還將實(shí)現(xiàn)5000公里,甚至10000公里的目標(biāo)。“續(xù)航里程長(zhǎng)短一方面受限于機(jī)載能源,另一方面還與水下滑翔機(jī)外形減阻設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)、浮力系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)策略等節(jié)能降耗關(guān)鍵技術(shù)有關(guān)。”

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(tīng)器等聲學(xué)傳感器、電磁傳感器,以及湍流剖面儀等。

因?yàn)楣δ懿煌?ldquo;海燕”家族成員長(zhǎng)短胖瘦各異,比如“海燕—200”較“瘦小”,可以在深度200米以內(nèi)的海域里進(jìn)行觀測(cè);“海燕—L”略修長(zhǎng),可以連續(xù)航行約5個(gè)月,執(zhí)行長(zhǎng)時(shí)續(xù)觀測(cè)任務(wù)。

海洋占地球表面積的71%,人類對(duì)海洋的探索卻不到5%。為了加強(qiáng)對(duì)海洋的了解,海洋試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出了“透明海洋”概念,搭建“海洋物聯(lián)網(wǎng)”,對(duì)海洋進(jìn)行立體綜合觀測(cè)。所謂“透明海洋”,就是利用現(xiàn)代的海洋觀測(cè)與探測(cè)技術(shù),實(shí)現(xiàn)海洋狀態(tài)透明、過(guò)程透明、變化透明。要實(shí)現(xiàn)透明,就要有數(shù)據(jù)支撐。

目前,在我國(guó)南海海域,“海燕”水下滑翔機(jī)家族正遨游在大海深處,通過(guò)搭載的溫鹽深、溶解氧、湍流、光學(xué)等任務(wù)傳感器,進(jìn)行海洋環(huán)境多要素參數(shù)的觀測(cè),并將搜集到的海洋信息,實(shí)時(shí)傳送到幾千公里外的青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,“透明海洋”工程建設(shè)。

標(biāo)簽: 水下滑翔機(jī)

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