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贊!萬米深海中國“海燕”智慧潛泳

2020/8/6 15:42:47??????點擊:

7月初,我國水下滑翔機萬米深淵觀測科學考察團隊順利返航,其測試的“海燕—X”水下滑翔機最大下潛深度達10619米,刷新了水下滑翔機下潛深度的世界紀錄。

《科技周刊》記者采訪海洋裝備專家時了解到,刷新下潛深度世界紀錄的背后,是我國探索“透明海洋”的堅實一步,現階段我國海洋科考正不斷實現新的技術突破。

科考重器,

刷新下潛深度世界紀錄

7月16日,由青島海洋科學與技術試點國家實驗室組織實施的水下滑翔機——萬米深淵觀測科學考察團隊順利返航。在為期6天的綜合科考中,我國自主研發的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。

2005年,我國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。如今,“海燕—X”最大下潛深度破萬米。“水下滑翔機是一種新型無人無纜水下自主航行器,是水下觀測設備的運載器,可實現海洋環境、聲學等多要素觀測,具有極為重要的應用價值。”江蘇海洋大學測繪與海洋信息學院教授周立告訴《科技周刊》記者,雖然水下滑翔機的航行速度較慢,但其制造成本和維護費用低、可重復使用、并可大量投放等特點,滿足了長時間、大范圍海洋科考探索的需要。

“海洋科考與國家的海洋安全有很大關系。在面向海洋的新一輪競爭中,類似這樣的大國重器尤為重要。”周立認為,最近20年間,很多科研單位都在從事水下滑翔機的研發,可以說這次“海燕—X” 水下滑翔機刷新了水下滑翔機下潛深度的最新世界紀錄,是一個階段內我們在這一領域科研成果突破的集中體現。

“我國水下滑翔機技術已經比較成熟。以混合推進技術為特征的新一代水下滑翔機成為國際研究新趨勢,它集能耗小、成本低、航程大、運動可控、部署便捷等優點于一身,具備獨立在水下全天候工作的能力。”周立舉例說,水下滑翔機的一個技術特征,就是要在水下持續自主行進,譬如從青島附近水域放下去,可以自己“滑”到南海海域附近。“所以動力系統是一個核心技術,這就和我們的汽車一樣,加滿一箱油,續航里程越大,技術越先進。”

連續的萬米深度滑翔剖面,充分驗證了“海燕-X”水下滑翔機在深淵環境下的工作可靠性。

“海燕-X”為什么能深潛突破一萬米呢?“水底的壓力特別大,保證在深水高壓下‘抗’住是關鍵。此外,還有抗鹽度腐蝕等作用。”周立說,“海燕-X”研發團隊在技術上進行了多學科融合,首次采用新型陶瓷耐壓復合材料,可以確保水下滑翔機耐受萬米水深的超高壓力,尤其是水下滑翔機上還攜帶了各種傳感器,否則擠壓變形的話,就沒有辦法正常工作。

在浮力驅動方面,滑翔機實現了大排量高精度的調節;在觀測方面,滑翔機進行了多傳感的融合。周立表示,這么多觀測要素的融合在國際上尚屬首次,這也標志著我國在萬米水下滑翔機關鍵技術方面取得重大突破。

深海探測,

載人、無人各顯身手

在深海探測領域,已有蛟龍號、深海勇士號、奮斗者號載人潛水器各司其職,為何還要研究水下滑翔機?

周立解釋,海底探測無人化和有人化,各有各的優勢,目前沒有說誰會代替誰,或者說是從無人向有人的完全轉變的趨勢。但他認為,像水下滑翔機的應用范圍會越來越廣,譬如它具有跑得遠、能耗低的優勢,裝載的傳感器耗能也都特別低。

“兩者應用范圍不同,上浮下潛的原理也不盡相同。”周立介紹,蛟龍號等載人潛水器通常靠改變潛艇的自身重量來實現上浮下潛。在潛艇內有多個蓄水艙,當潛艇要下潛時就往蓄水艙中注水,使潛艇重量增加超過它的排水量,潛艇就下潛;從蓄水艙往外排水,使潛艇重量低于它的排水量,潛艇就上浮。

而水下滑翔機的上浮下潛依靠氣體調節。“海燕-X”水下滑翔機項目負責人王鵬介紹,滑翔機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,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。

載人潛水器由于其自重較重,在深海下潛時較水下滑翔機具備相對優勢。“海燕-X”水下滑翔機由于自重較輕,從一開始的工作深度100米到如今突破萬米,可謂是歷經坎坷。“下潛深度是由水下滑翔機本身的浮力調節量決定。” 王鵬說,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,王鵬所在的“海燕”團隊研發出了萬米高壓環境下大排量、高精度的浮力調節系統。

“當然,水下滑翔機仍然還有改進的空間。”周立說,很多科研工作者還在研究能耗更低的一些傳感設備。未來,有可能實現從太平洋的東海岸到西海岸的遠距離探測。“譬如,很多人也在研究利用海底的溫度差或者海水的洋流動力來發電,實現一邊自己發電,一邊自己耗電。”

“目前,水下滑翔機主要用于收集海底的鹽度、溫度、光度的信號,對于海底地貌等測繪相對少一些。”周立說,在未來應用中,其很可能憑借靈活小巧的身姿,較長時間地獲取數據,可在海洋觀測和探測領域大顯身手。

探索未解之謎,

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里程、工作深度的譜系化發展。周立告訴記者,從工作深度譜系來說,有200米、1000米、1500米、4000米和全海深,從續航里程看,有1000公里、1500公里和3000公里,未來還將實現5000公里,甚至10000公里的目標。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米以內的海域里進行觀測;“海燕—L”略修長,可以連續航行約5個月,執行長時間觀測任務。

“‘海燕’家族成員還有一個重要任務,就是為‘透明海洋’積累數據。”周立透露,隨著科技水平的不斷提高,人類逐漸揭開了星空的神秘面紗,可我們卻對近在身邊的大海所知甚少。海洋占地球表面積的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。”周立說,海洋透明就是用觀測設備、技術知道海洋里面有什么,要實現透明,就要有數據支撐,而數據支撐就來源于我國載人潛水器和無人潛水器的深海采集。

目前,“透明海洋”已被納入聯合國“海洋科學與可持續發展十年計劃(2021—2030)”的六大路線圖;去年9月,在美國夏威夷召開的第三屆世界海洋觀測大會上,中國科學院院士、海洋試點國家實驗室主任吳立新呼吁全球科學家共建“透明海洋”科研共同體,獲得全球科學家熱烈響應與支持。

在我國南海海域,“海燕”水下滑翔機家族正遨游在大海深處,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,并將搜集到的海洋信息,實時傳送到幾千公里外的青島海洋科學與技術試點國家實驗室,助力“透明海洋”工程建設。