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探索 | 刷新世界纪录!万米深海中国“海燕”智慧潜泳
2020/08/04 20:30  交汇点新闻  

  交汇点讯 7月初,我国水下滑翔机万米深渊观测科学考察团队顺利返航,其测试的“海燕—X”水下滑翔机最大下潜深度达10619米,刷新了水下滑翔机下潜深度的世界纪录。

  新华日报·科技周刊记者采访海洋装备专家时了解到,刷新下潜深度世界纪录的背后,是我国探索“透明海洋”的坚实一步,现阶段我国海洋科考正不断实现新的技术突破。

  科考重器,刷新下潜深度世界纪录

  7月16日,由青岛海洋科学与技术试点国家实验室组织实施的水下滑翔机——万米深渊观测科学考察团队顺利返航。在为期6天的综合科考中,我国自主研发的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。

  2005年,我国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。如今,“海燕—X”最大下潜深度破万米。“水下滑翔机是一种新型无人无缆水下自主航行器,是水下观测设备的运载器,可实现海洋环境、声学等多要素观测,具有极为重要的应用价值。”江苏海洋大学测绘与海洋信息学院教授周立告诉科技周刊记者,虽然水下滑翔机的航行速度较慢,但其制造成本和维护费用低、可重复使用、并可大量投放等特点,满足了长时间、大范围海洋科考探索的需要。

  “海洋科考与国家的海洋安全有很大关系。在面向海洋的新一轮竞争中,类似这样的大国重器尤为重要。”周立认为,最近20年间,很多科研单位都在从事水下滑翔机的研发,可以说这次“海燕—X” 水下滑翔机刷新了水下滑翔机下潜深度的最新世界纪录,是一个阶段内我们在这一领域科研成果突破的集中体现。

  “我国水下滑翔机的技术已经比较成熟。以混合推进技术为特征的新一代水下滑翔机成为国际研究新趋势,它集能耗小、成本低、航程大、运动可控、部署便捷等优点于一身,具备独立在水下全天候工作的能力。”周立举例说,水下滑翔机的一个技术特征,就是要在水下持续自主行进,譬如从青岛附近水域放下去,可以自己“滑”到南海海域附近。“所以动力系统是一个核心技术,这就和我们的汽车一样,加满一箱油,续航里程越大,技术越先进。”

  连续的万米深度滑翔剖面,充分验证了“海燕-X”水下滑翔机在深渊环境下的工作可靠性。

  “海燕-X”为什么能深潜突破一万米呢?“水底的压力特别大,保证在深水高压下‘抗’住是关键。此外,还有盐度腐蚀等作用。”周立说,“海燕-X”研发团队在技术上进行了多学科融合,首次采用新型陶瓷耐压复合材料,可以确保水下滑翔机耐受万米水深的超高压力,尤其是水下滑翔机上还携带了各种传感器;否则挤压变形的话,就没有办法正常工作。

  在浮力驱动方面,滑翔机实现了大排量高精度的调节;在观测方面,滑翔机进行了多传感的融合。周立表示,这么多观测要素的融合在国际上动平台的观测尚属首次;这也标志着我国在万米水下滑翔机关键技术方面取得重大突破。

  深海探测,载人、无人各显身手

  在深海探测领域,已有蛟龙号、深海勇士号、奋斗者号载人潜水器各司其职,为何还要研究水下滑翔机?

  周立解释,海底探测无人化和有人化,各有各的优势,目前没有说谁会代替谁,或者说是从无人向有人的完全转变的趋势。但他认为,像水下滑翔机的应用范围会越来越广,譬如它具有跑得远、能耗低的优势,所装载的传感器所需要耗能量也都特别低。

  “两者应用范围不同,上浮下潜的原理也不尽相同。”周立介绍,蛟龙号等载人潜水器通常靠改变潜艇的自身重量来实现上浮下潜。在潜艇内有多个蓄水仓,当潜艇要下潜时就往蓄水舱中注水,使潜艇重量增加超过它的排水量,潜艇就下潜;从蓄水舱往外排水,使潜艇重量低于它的排水量,潜艇就上浮。

  而水下滑翔机的上浮下潜依靠气体调节。“海燕-X”水下滑翔机项目负责人王鹏介绍,滑翔机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,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。

  载人潜水器由于其自重较重,在深海下潜时较水下滑翔机具备相对优势。“海燕-X”水下滑翔机由于自重较轻,从一开始的工作深度100米到如今突破万米,可谓是历经坎坷。“下潜深度是由水下滑翔机本身的浮力调节量决定。”王鹏说,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,王鹏所在的“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。

  “当然,水下滑翔机仍然还有改进的空间。”周立说,很多科研工作者还在研究能耗更低的一些传感设备。未来,有可能实现从太平洋的东海岸到西海岸的远距离探测。“譬如,很多人也在研究利用海底的温度差或者海水的洋流动力来发电,实现一边自己发电,一边自己耗电。”

  “目前,水下滑翔机主要用于收集海底的盐度、温度、光度的信号,对于海底地貌等测绘相对少一些。”周立说,在未来应用中,其很可能凭借灵活小巧的身姿,较长时间地获取数据,可在海洋观测和探测领域大显身手 。

  探索未解之谜,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。周立告诉记者,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。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。

  “‘海燕’家族成员还有一个重要任务,就是为‘透明海洋’积累数据。”周立透露,随着科技水平的不断提高,人类逐渐揭开了星空的神秘面纱,可我们却对近在身边的大海所知甚少。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。”周立说,海洋透明就是用观测设备、技术知道海洋里面有什么,要实现透明,就要有数据支撑,而数据支撑就来源于我国载人潜水器和无人潜水器的深海采集。

  目前,“透明海洋”已被纳入联合国“海洋科学与可持续发展十年计划(2021—2030)”的六大路线图。去年9月,在美国夏威夷召开的第三届世界海洋观测大会上,中国科学院院士、海洋试点国家实验室主任吴立新呼吁全球科学家共建“透明海洋”科研共同体,获得全球科学家热烈响应与支持。

  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。

  交汇点记者 王拓 张宣

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责编:张红

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