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水下幽灵——海翼号水下滑翔机

陈子飞、方丽媛 访问量: 【字号:

21世纪是海洋的世纪,在挺进深蓝的征程中,大国利器对于装备我国海洋事业的发展格外重要。2017年3月,中国科学院沈阳自动化研究所自主研发的海翼号水下滑翔机,在世界最深的马里亚纳海沟完成观测任务并安全回收,最大潜水深度达到6329米,刷新了美国水下滑翔机最大下潜6000米深度的世界纪录,夺得水下滑翔机“深潜第一”的桂冠。

图1:海翼号设计示意图

海翼号是一款新型的水下机器人,长3.3米,翼展1.5米,重140公斤,图1为海翼号设计示意图。普通的水下机器人通过螺旋桨在水下航行,而海翼号水下滑翔机是通过尾部油囊大小的调整来改变自身的浮力,另外借助海流的运动,从而实现在水下的航行。油囊就像鱼肚皮中的“鱼鳔”,当海翼号想要上升时,只需要增大“鱼鳔”就会获得向上的上升力;当海翼号想要下沉时,只需要缩小“鱼鳔”就会获得向下的下沉力,图2为海翼号水下航行轨迹示意图。另外,为了增强水下航行的平稳性,海翼号水下滑翔机设计的另一个创新点是其舱内电池为移动式的。这就像杂技演员走钢丝时,利用手中拿着的长棒来调节身体的平衡度。同样,海翼号通过智能调控电池的位置,航行过程将会更加平稳。

图2:海翼号水下航行轨迹

外柔内刚

在结构材料上,海翼号水下滑翔机可谓是 “外柔内刚”。海翼号机舱内搭载各种精密仪器,总重量140公斤,它的外壳是由碳纤维材料制作而成,重量轻小,但极其坚硬。海翼号水下滑翔机最新下潜深度为6329米,根据海水压强P的计算公式,P=ρ×g×h,其中ρ为海水密度(),g 为重力加速度( ),h为下潜深度。所以下潜到6329米深度的海水压力。那么,在水下6329米深处,这样大小的压力究竟有多大呢?不妨做一个形象的比喻,假如一个人的体重为70kg,那么,在的面积大约要支撑91318个人,就相当于一个小手指头上支撑起9个70kg的人。

科考小能手

海翼号水下滑翔机可以携带各种海洋观测设备,对海水的温度、盐度、海流、溶解氧、叶绿素等进行现场观测,满足我国海洋科学调查的需求。另外,全球97%的海洋深度要小于6000米,这就是说,今天,海翼号水下滑翔机几乎可以对全球海洋进行调查研究。

图3:海翼号海上下放

中科院研究员俞建成表示:海翼号水下滑翔机还可以与卫星相互通讯,将观测数据传输到地面指挥中心,对海洋环境实时观测。接收到的实时数据可以帮助气象部门更加准确地预报天气变化情况。

图4:海翼号与卫星进行数据交换

水下幽灵

世界各国海军都认为水下军用无人系统是未来海战场最有效作战手段,而对于6000米深潜器的研制,目前也仅有中国、美国、法国、日本、俄罗斯等国才能做到。

海翼号将具备能浅能深、可远可近、攻防兼备、亦单亦群和可主可辅的特点,其作战功能多样化,既可以是有人作战平台的辅助手段,亦可独立成军,承担战役或战术使命,甚至在未来承担战略使命亦是可能的。

大国利器

海洋是21世纪的希望,其总面积约为3.6亿平方公里,约占地球表面积的71%,平均水深约3795米。陆地上的煤、石油等矿藏,由于长期开采,已越来越少,世界上许多地方都在闹能源危机。科学家发现,海洋是个“聚宝盆”,它蕴藏着丰富的石油、天然气、煤、铁、铜、锡、锰、硫等。所以,以资源开发为代表的新一轮海洋竞争日趋激烈。

工欲善其事,必先利其器。深海是地球系统中关键而又缺乏了解的部分,深海拥有丰富的海洋资源,及世界上最大的生物圈资源。人口增长以及海洋资源消耗的增加所带来的压力,使得深海资源成为人们迫切关注的问题。同时,我们需要理解人类通过污染、资源开采以及气候变化对深海环境产生的影响,以及深海对人类的影响。因此需要通过深海研究来提高我们对这一知之甚少的环境的了解,反过来将促进对人类活动所引起的变化的影响预测。伴随着我国逐步走向深蓝的壮阔历程,以深海装备为新一代的大国利器正如火如荼建设。海翼号作为问鼎大洋的深海装备承担着“先行官”的特殊使命,对于我国深海环境监测、资源勘查等具有重要的意义。

中国科学院沈阳自动化所面向国际发展前沿,面向国家发展战略需求,开启对深海观测装备的研制。从2005年海翼号水下滑翔机立项研制,已走过接近13年的历程。时至今日,海翼号系列水下滑翔机已经在海上累计工作近500天,航程近1万公里。海翼号将成为我国认识海洋、探索海洋、开发海洋的中坚利器,在浩瀚的海洋中必将挺进的更快、更远、更深!

图5:海翼号研发历程