科普:探究中科院“海翼”号打破世界纪录

2017-03-20 作者:孙朝阳 陈质二 中科院之声微信公众号

  破纪录了!马里亚纳海沟传来喜讯:“海翼”号7000米级水下滑翔机成功下潜至6329米,打破了由美国科学家创造的水下滑翔机最大下潜深度6003米的世界纪录。听到这个消息,整个实验室沸腾了。

  海洋占据着地球总面积的71%,“海翼”号水下滑翔机就是人类探索海洋的好伙伴,这次突破,对于我们探测、了解和利用这片神秘的水世界又迈进了一大步。要知道,下潜深度超过6000米也就意味着可以对世界上97%的海域进行观测。

  下面聊聊“海翼”。

  “海翼”(Sea-wing)是中国科学院沈阳自动化研究所的科学家们自主研制的系列水下滑翔机的统称,包括工作深度300米级、1000米级和7000米级等多种不同作业深度的水下滑翔机,分别承担不同的任务,拥有完全自主知识产权。这次打破世界纪录的,就是其中的7000米级水下滑翔机。

“海翼”号7000米级水下滑翔机海上试验

  水下滑翔机单从外形上看比较简单:一个圆筒形状的身体上长着一对翅膀,像一个小飞机,屁股后面还拖着长长的尾巴(天线)。是不是感觉少了点什么?其实水下滑翔机的驱动原理和常规的水下机器人是不一样的,它没有螺旋桨推进装置。那它是怎么在水下运动的呢?

  “海翼”水下滑翔机是依靠自身的浮力驱动。在滑翔机的肚子里安装有一个类似于鱼鳔的油囊,而且肚子里的电池也可以前后移动。当滑翔机需要下潜的时候,“鱼鳔”就缩小,浮力减小,同时电池向前移动,使得整体重心前移,水下滑翔机就头部朝下向下滑行,下降过程中在翅膀的帮助下,会产生一个向前的推力,这样滑翔机就有了水平方向上的速度。当需要上浮的时候,“鱼鳔”就会鼓起来,浮力增大,同时电池向后移动,这样就会抬起头向上滑行,翅膀使得滑翔机在上浮的过程中可以向前跑。在不断的下潜上浮过程中实现折线前进,就像海豚一样在大海保持航向不断前行。也正因为这样的特性,水下滑翔机在水下的运动轨迹是W形状。在水面的时候水下滑翔机需要把尾巴翘起来,将收集到的数据传给卫星,同时进行定位和接收新的指令。水下滑翔机的这种驱动方式只需要在调节电池位置和“鱼鳔”的时候耗费少许电能,因此续航能力非常长。

水下滑翔机前进路径

  2014年10月,“海翼”号长航程水下滑翔机完成了长航程试验,此次海上试验不间断连续航行1022.5公里,持续30天,创下我国深海滑翔机海上作业航程最远、作业时间最长的记录。跑得远是一方面,还要跑得深,现在人们对于深海的了解还是有限的,此次打破世界纪录的“海翼”水下滑翔机就为我们探索深海打开了一扇大门。

  随着深度的增加,水下滑翔机承受的压力也增大,水下6000米的压力约为60兆帕,相当于一只手掌承受60吨物体的压力。因此滑翔机必须要穿更厚重的“耐压服”才能抵抗海水的压力,但厚重的“耐压服”又导致身体变得笨重,携带电池的空间也被挤占了,没有以前跑得远。为了克服这一问题,我们给“海翼”号7000米级滑翔机穿上了一种由轻质碳纤维材料特制的“衣服”,既减轻了滑翔机的体重,又增加了携带的电池量,保证了滑翔机在跑得更深的同时还能跑得更远。

  虽然水下滑翔机的身材比较小巧,但是本事却很大。“海翼”号水下滑翔机搭载了很多传感器,可以测得海水的温度、盐度、浊度、叶绿素、含氧量等信息,为海洋科学家的研究提供丰富的数据。当然也可以根据需求搭载其他传感器。

  时至今日,“海翼”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,已有多套水下滑翔机交付用户,成为海洋科学家研究海洋的得力助手。今后的发展中我们会不断提升,让“海翼”水下滑翔机搭载更多的科学探测设备,在浩瀚的海洋中跑得更快、更远、更深。让“海翼”成为我们认识海洋、探索海洋、利用海洋的好伙伴!

“海翼”号水下滑翔机在海洋中的“足迹”

  作者系中国科学院沈阳自动化研究所研究人员

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