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万米深海,有只“飞翔”的“海燕”

来源:科技日报2020-07-28 09:49

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  “海燕-X”万米级水下滑翔机海试图天津大学供图

  水下滑翔机万米深渊观测科学考察团队近日顺利返航。

  报道称,在为期6天的综合科考中,由青岛海洋科学与技术试点国家实验室与天津大学共同研发的2台万米级“海燕—X”水下滑翔机共获得观测剖面45个,其中3000米级、6000米级和7000米级剖面各1个,万米级剖面3个,最大下潜深度达10619米,刷新了水下滑翔机下潜深度的最新世界纪录。“海燕—X”集成了CTD和深海相机等诸多要素传感器,同步采集了深渊温盐、溶解氧等大量宝贵数据,在海洋深渊科学研究方面具有重要的应用价值。那么“海燕”究竟如何实现在深海安全、自由“飞翔”?记者就此采访了有关专家。

  高度计让“海燕”安全“飞翔”

  2005年,天津大学副教授、“海燕”研发团队核心成员杨绍琼所在的团队成功研制出第一代温差能驱动水下滑翔机,工作深度100米。2009年,第二代混合推进型水下滑翔机“海燕”研制成功,工作深度500米。也是这一年,他们研制的水下滑翔机有了正式名字——“海燕”。

  杨绍琼解释,当水下滑翔机翘起尾巴,就是准备跟卫星进行通讯。收到水下滑翔机状态信息,或是任务传感器采集到的海水环境数据后,卫星便将信息发送到岸基操控平台。之后,信息被送往控制中心。

  “海燕”有着传统鱼雷的流线外形,杨绍琼说,这样的外形有助于降低航行阻力。

  杨绍琼说,水下滑翔机通过内部控制系统,融合多传感协同控制技术,合理分配传感器安装位置和工作流程,实时原位采集海洋环境参数并存储于主控内部内存之中。

  在工作过程中,需要注意水下滑翔机当前位置与深渊海沟的相对距离,同时考虑水面海流的流速和流向,通过智能轨迹规划算法保证水下滑翔机可以实现连续超过万米的滑翔剖面观测。

  在青岛海洋科学与技术试点国家实验室控制中心,屏幕上一条条黄色的“鱼”,就是“海燕”的实时位置。在“海燕”出现状况或走丢时,其应急单元会引导工程人员将其找回。

  “海燕”在航行时会不会撞到海底?杨绍琼告诉记者,因为水下滑翔机本身安装有高度计。高度计可以感应周边环境信息。比如设定的高度是10米,当高度计感测到只有10米的安全距离时,“海燕”就会通过浮力驱动单元和姿态调节单元改变姿态,然后上浮。

  “在海上试验过程中,任何一个环节都极其重要,每一个零件出现问题都会导致整个试验的失败。”杨绍琼说,因此在整个试验过程中,外观检查、通讯测试、甲板联调、参数设置以及布放回收每一个环节都被工程人员当成试验的关键环节。

  下潜上浮如鱼般自如

  “海燕”是如何做到自如地下潜上浮的?

  杨绍琼解释,这要归功于水下滑翔机的浮力驱动单元,也就是浮力驱动系统。

  水下滑翔机可划分为前导流罩、前舱段、中舱段、后舱段、尾部浸水舱等5部分。其中前舱段安装有浮力驱动单元,主要由安装在耐压壳体内的伺服电机、液压泵、电磁阀、内皮囊和安装在耐压壳体外的皮囊组成。

  收缩自如的皮囊类似鱼儿的“鳔”。鱼在水下通过调节鱼鳔内的气体从而达到调节身体浮沉的目的。“海燕”的浮力驱动单元也是这样的工作原理。

  当需要下潜时,皮囊体积变小,浮力也会相应变小,重力大于浮力,水下滑翔机就会下潜。反之,皮囊体积变大,浮力增大,水下滑翔机就会向上浮动。

  通过不停的上浮下潜,“海燕”走着“之”字路线,向前“飞”。这种浮力驱动的方式耗能很少,可以保证“海燕”在大洋中长时间、大范围地活动。

  从2005年实现工作深度100米,到2009年实现工作深度500米,再到2018年最大下潜深度8213米,最后到今年下潜深度突破万米,水下滑翔机的下潜深度由什么决定?下潜突破万米的难度在哪里?

  “下潜深度是由水下滑翔机本身的浮力调节量决定的。”杨绍琼说,水下滑翔机下潜时需保证自身重力大于浮力,而随着深度的增加,海水密度不断增大,万米深渊处海水密度约为水面密度的105%,导致水下滑翔机自身浮力不断增加,需要更大的调节量来弥补万米深渊海水大尺度的密度变化。

  为攻克万米超高压力下的浮力调节难题,天津大学和青岛海洋科学与技术试点国家实验室研究人员组成的“海燕”团队研发出了万米高压环境下大排量、高精度的浮力调节系统。

  下潜深度突破万米,另一大难点就是保证所有元器件都能承受万米海水的压力,换句话说,1平方米面积上需要承受约107公斤的重量产生的压力。

  难以满足承压要求的金属材料,已不再适用于万米水下滑翔机的耐压壳体。“海燕”团队在设计中,创新性地使用了新型轻质陶瓷耐压复合材料,在保证承压能力的基础上能够搭载更多的能源和任务传感器。

  杨绍琼说,未来“海燕—X”仍可以大幅提升其性能,通过优化壳体设计、能源模块、浮力补偿方式和浮力调节策略等,可继续提升续航能力和观测性能;此外还可以进一步小型化和轻量化,降低成本,提高可操作性和经济性。

  为“透明海洋”积累数据

  现在“海燕”水下滑翔机已经实现了续航里程、工作深度的谱系化发展。杨绍琼告诉记者,从工作深度谱系来说,有200米、1000米、1500米、4000米和全海深,从续航里程看,有1000公里、1500公里和3000公里,未来还将实现5000公里,甚至10000公里的目标。“续航里程长短一方面受限于机载能源,另一方面还与水下滑翔机外形减阻设计、控制系统的低功耗设计、浮力系统的驱动策略等节能降耗关键技术有关。”

  从集成的传感器看,可以集成温盐深(CTD)传感器,还能集成溶解氧等生化传感器、水听器等声学传感器、电磁传感器,以及湍流剖面仪等。

  因为功能不同,“海燕”家族成员长短胖瘦各异,比如“海燕—200”较“瘦小”,可以在深度200米以内的海域里进行观测;“海燕—L”略修长,可以连续航行约5个月,执行长时续观测任务。

  海洋占地球表面积的71%,人类对海洋的探索却不到5%。为了加强对海洋的了解,海洋试点国家实验室提出了“透明海洋”概念,搭建“海洋物联网”,对海洋进行立体综合观测。所谓“透明海洋”,就是利用现代的海洋观测与探测技术,实现海洋状态透明、过程透明、变化透明。要实现透明,就要有数据支撑。

  目前,在我国南海海域,“海燕”水下滑翔机家族正遨游在大海深处,通过搭载的温盐深、溶解氧、湍流、光学等任务传感器,进行海洋环境多要素参数的观测,并将搜集到的海洋信息,实时传送到几千公里外的青岛海洋科学与技术试点国家实验室,“透明海洋”工程建设。(陈 瑜)

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