“海燕-X”萬米級水下滑翔機海試圖天津大學(xué)供圖

水下滑翔機萬米深淵觀測科學(xué)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(xué)與技術(shù)試點國家實驗室與天津大學(xué)共同研發(fā)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(dá)10619米，刷新了水下滑翔機下潛深度的最新世界紀(jì)錄。“海燕—X”集成了CTD和深海相機等諸多要素傳感器，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)用價值。那么“海燕”究竟如何實現(xiàn)在深海安全、自由“飛翔”?記者就此采訪了有關(guān)專家。

高度計讓“海燕”安全“飛翔”

2005年，天津大學(xué)副教授、“海燕”研發(fā)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(qū)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(dāng)水下滑翔機翹起尾巴，就是準(zhǔn)備跟衛(wèi)星進行通訊。收到水下滑翔機狀態(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。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，這樣的外形有助于降低航行阻力。

楊紹瓊說，水下滑翔機通過內(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，實時原位采集海洋環(huán)境參數(shù)并存儲于主控內(nèi)部內(nèi)存之中。

在工作過程中，需要注意水下滑翔機當(dāng)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(guī)劃算法保證水下滑翔機可以實現(xiàn)連續(xù)超過萬米的滑翔剖面觀測。

在青島海洋科學(xué)與技術(shù)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(xiàn)狀況或走丟時，其應(yīng)急單元會引導(dǎo)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(yīng)周邊環(huán)境信息。比如設(shè)定的高度是10米，當(dāng)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(qū)動單元和姿態(tài)調(diào)節(jié)單元改變姿態(tài)，然后上浮。

“在海上試驗過程中，任何一個環(huán)節(jié)都極其重要，每一個零件出現(xiàn)問題都會導(dǎo)致整個試驗的失敗。”楊紹瓊說，因此在整個試驗過程中，外觀檢查、通訊測試、甲板聯(lián)調(diào)、參數(shù)設(shè)置以及布放回收每一個環(huán)節(jié)都被工程人員當(dāng)成試驗的關(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，這要歸功于水下滑翔機的浮力驅(qū)動單元，也就是浮力驅(qū)動系統(tǒng)。

水下滑翔機可劃分為前導(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)動單元，主要由安裝在耐壓殼體內(nèi)的伺服電機、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)動單元也是這樣的工作原理。

當(dāng)需要下潛時，皮囊體積變小，浮力也會相應(yīng)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(qū)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(xiàn)工作深度100米，到2009年實現(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米，水下滑翔機的下潛深度由什么決定?下潛突破萬米的難度在哪里?

“下潛深度是由水下滑翔機本身的浮力調(diào)節(jié)量決定的。”楊紹瓊說，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(dǎo)致水下滑翔機自身浮力不斷增加，需要更大的調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)難題，天津大學(xué)和青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室研究人員組成的“海燕”團隊研發(fā)出了萬米高壓環(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，換句話說，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，已不再適用于萬米水下滑翔機的耐壓殼體。“海燕”團隊在設(shè)計中，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，未來“海燕—X”仍可以大幅提升其性能，通過優(yōu)化殼體設(shè)計、能源模塊、浮力補償方式和浮力調(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(jīng)濟性。

為“透明海洋”積累數(shù)據(jù)

現(xiàn)在“海燕”水下滑翔機已經(jīng)實現(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，從工作深度譜系來說，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，未來還將實現(xiàn)5000公里，甚至10000公里的目標(biāo)。“續(xù)航里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(shè)計、控制系統(tǒng)的低功耗設(shè)計、浮力系統(tǒng)的驅(qū)動策略等節(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、水聽器等聲學(xué)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(nèi)的海域里進行觀測;“海燕—L”略修長，可以連續(xù)航行約5個月，執(zhí)行長時續(xù)觀測任務(wù)。

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(lián)網(wǎng)”，對海洋進行立體綜合觀測。所謂“透明海洋”，就是利用現(xiàn)代的海洋觀測與探測技術(shù)，實現(xiàn)海洋狀態(tài)透明、過程透明、變化透明。要實現(xiàn)透明，就要有數(shù)據(jù)支撐。

目前，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(xué)等任務(wù)傳感器，進行海洋環(huán)境多要素參數(shù)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(xué)與技術(shù)試點國家實驗室，“透明海洋”工程建設(shè)。