“海燕”水下滑翔機(jī)：了不起的“海洋精靈”
“讓暴風(fēng)雨來(lái)得更猛烈些吧！”這句來(lái)自高爾基《海燕》中的吶喊，如今成為了“海燕號(hào)”水下滑翔機(jī)在海洋觀測(cè)任務(wù)中的真實(shí)演繹。今年8月，專用于臺(tái)風(fēng)觀測(cè)的7臺(tái)“海燕”水下滑翔機(jī)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)協(xié)作配合，在南海海域先后主動(dòng)迎擊“天鴿”和“帕卡”兩場(chǎng)臺(tái)風(fēng)，實(shí)現(xiàn)了水下滑翔機(jī)對(duì)臺(tái)風(fēng)過(guò)境全過(guò)程的精細(xì)化觀測(cè)。
在此次任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中，除了觀測(cè)數(shù)據(jù)“滿載而歸”，7臺(tái)“海燕”水下滑翔機(jī)均未受損壞，實(shí)現(xiàn)100%成功回收。這些看上去個(gè)頭不大的“海洋精靈”如何抵御得了極猛烈風(fēng)暴的接連襲擊？帶著這個(gè)疑問(wèn)，我們走進(jìn)青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（以下簡(jiǎn)稱“海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室”）海洋觀測(cè)與探測(cè)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)部分），去探尋“海燕”水下滑翔機(jī)的奧秘。
水下1秒鐘可滑翔約1.5米
在海洋觀測(cè)與探測(cè)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的一樓實(shí)驗(yàn)區(qū)，依次擺放著多臺(tái)“海燕”水下滑翔機(jī)。它們個(gè)個(gè)身長(zhǎng)體瘦，形似魚(yú)雷，長(zhǎng)2.3米，直徑約0.2米。別看它們體型不大，內(nèi)動(dòng)力卻很足，“它的滑翔速度可以達(dá)到0.5至1節(jié)，定深航速最快可達(dá)3節(jié)，相當(dāng)于水下1秒鐘內(nèi)可以滑翔約1.5米，”天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師、海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋觀測(cè)與探測(cè)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室研究員楊紹瓊介紹。
根據(jù)“海燕”水下滑翔機(jī)生產(chǎn)及裝配環(huán)節(jié)的不同，整個(gè)實(shí)驗(yàn)室被劃分為不同的功能區(qū)。
在浮力驅(qū)動(dòng)單元測(cè)試區(qū)，工作人員正在對(duì)控制滑翔機(jī)浮力的油囊進(jìn)行調(diào)試，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)油囊的收縮與膨脹，進(jìn)而可以調(diào)節(jié)整個(gè)滑翔機(jī)的浮力。“當(dāng)油囊中的油抽空時(shí)，‘海燕’會(huì)呈下潛狀態(tài)；而油囊回油充滿時(shí)，則會(huì)上浮。”
除了通過(guò)自身在水中航向、俯仰、橫滾角度等方式進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整外，“海燕”水下滑翔機(jī)的尾部還配備有螺旋槳進(jìn)行推動(dòng)，以確保其在必要時(shí)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，當(dāng)“海燕”遭遇到較強(qiáng)的海流時(shí)，可以通過(guò)螺旋槳加大移動(dòng)力，使滑翔機(jī)輕松地穿過(guò)。楊紹瓊告訴記者，目前“海燕”是國(guó)內(nèi)首臺(tái)以混合推力為驅(qū)動(dòng)的水下滑翔機(jī)。
對(duì)抗臺(tái)風(fēng)“海燕”臨危受命
今年8月，在距離海岸線300多公里的南海北部，11臺(tái)“海燕”水下滑翔機(jī)與另外多臺(tái)由我國(guó)自主研發(fā)的新型海洋裝備協(xié)同合作，進(jìn)行了一次大規(guī)模的海上立體組網(wǎng)綜合調(diào)查。
就在此次任務(wù)即將完成之際，8月20日，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)‘天鴿’在太平洋迅速生成，“當(dāng)時(shí)情況非常緊急，一方面我們考慮緊急撤回之前布放的多臺(tái)非抗臺(tái)風(fēng)的‘海燕’，另一方面團(tuán)隊(duì)重新調(diào)出多臺(tái)具有抗臺(tái)風(fēng)能力的‘海燕’，借此機(jī)會(huì)主動(dòng)追擊臺(tái)風(fēng)。”天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、國(guó)家海洋實(shí)驗(yàn)室海洋觀測(cè)與探測(cè)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室副主任王延輝告訴記者，在極短的時(shí)間內(nèi)，7臺(tái)抗臺(tái)風(fēng)“海燕”水下滑翔機(jī)就布放到位。
8月22日下午至23日，“天鴿”經(jīng)過(guò)南海北部海區(qū)，臺(tái)風(fēng)中心區(qū)最大浪高接近10米，風(fēng)速達(dá)到12-14級(jí)。位于臺(tái)風(fēng)影響范圍內(nèi)的多臺(tái)“海燕”水下滑翔機(jī)，至臺(tái)風(fēng)逼近時(shí)，距離“天鴿”中心僅十公里。隨后的幾天時(shí)間里，“海燕”水下滑翔機(jī)還成功獲取了臺(tái)風(fēng)“帕卡”過(guò)境海域附近的溫鹽、流速等多種海洋動(dòng)力環(huán)境參數(shù)。
“在這種復(fù)雜環(huán)境下，船是要避港的，‘海燕’需要獨(dú)自執(zhí)行任務(wù)，在數(shù)據(jù)收集的不同階段，它會(huì)浮至海面，通過(guò)自身重力和浮力調(diào)節(jié)，將尾部天線翹出水面，通過(guò)衛(wèi)星將采集數(shù)據(jù)回傳至指揮控制中心，與此同時(shí)接收下一指令。”楊紹瓊介紹，通過(guò)這次“臺(tái)風(fēng)奇遇”，“海燕”水下滑翔機(jī)帶回很多第一手的寶貴資料，據(jù)了解，這是我國(guó)首次利用水下滑翔機(jī)獲得臺(tái)風(fēng)過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)特征的研究，可以對(duì)未來(lái)臺(tái)風(fēng)軌跡的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)提供有力的數(shù)據(jù)支持。
未來(lái)力爭(zhēng)突破萬(wàn)公里長(zhǎng)航程
“客觀地說(shuō)，我國(guó)的水下滑翔機(jī)技術(shù)與國(guó)外相比，還存在一定差距。”據(jù)楊紹瓊介紹，由于我國(guó)進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域比較晚，所以在該領(lǐng)域一直落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。2001年起，天津大學(xué)水下機(jī)器人團(tuán)隊(duì)開(kāi)始進(jìn)行水下滑翔機(jī)技術(shù)的研發(fā)，后來(lái)在國(guó)家“863”計(jì)劃等項(xiàng)目支持下，歷經(jīng)十多年的科研攻關(guān)，先后成功研制出三代水下滑翔機(jī)，填補(bǔ)了我國(guó)在這一領(lǐng)域的空白。
2013年，青島市政府與天津大學(xué)聚焦國(guó)家海洋戰(zhàn)略簽訂合作框架協(xié)議，決定共建實(shí)體化研究院。隨著研究院的竣工落成，天津大學(xué)水下機(jī)器人團(tuán)隊(duì)正式“移師”青島，“海燕”水下滑翔機(jī)也就此與青島結(jié)緣。在海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的協(xié)助下，“海燕”的研發(fā)進(jìn)度取得了接連突破：2014年突破600公里航程，獲得連續(xù)的剖面觀測(cè)；2015年，突破1100公里的連續(xù)剖面觀測(cè)；如今“海燕”水下滑翔機(jī)的設(shè)計(jì)航程已達(dá)到1500公里。
據(jù)楊紹瓊介紹，目前團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行3000公里量級(jí)的長(zhǎng)航程水下滑翔機(jī)研制，而他們的終極目標(biāo)是爭(zhēng)取利用5-10年的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)連續(xù)航程超過(guò)一萬(wàn)公里。要想達(dá)到這一目標(biāo)，一方面需要突破高密度能源或新型能源的技術(shù)，通過(guò)更換更高密度的能源單元或新能源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能源單元升級(jí)；另一方面則要通過(guò)水動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，減少水下滑翔機(jī)表面的摩擦阻力；另外，通過(guò)主控單元的優(yōu)化設(shè)計(jì)，也可以節(jié)能降耗，從而提高“海燕”的續(xù)航里程，為提升我國(guó)長(zhǎng)時(shí)續(xù)、大范圍的海洋觀測(cè)和數(shù)據(jù)獲取能力貢獻(xiàn)力量。
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