近日，又一條屬于“世界之最”的消息從中國(guó)科學(xué)院傳出：由中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所自主研發(fā)的“海翼”號(hào)深海滑翔機(jī)，在馬里亞納海溝完成了深度下潛觀測(cè)任務(wù)并安全回收，其最大下潛深度達(dá)到了6329米，創(chuàng)造新的世界紀(jì)錄。
水下滑翔機(jī)到底是一種什么設(shè)備？它的主要用途有哪些？其科學(xué)原理又是什么？帶著這些問題，記者采訪了中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的研究人員。
6329米，刷新世界紀(jì)錄！
俞建成介紹說，今年1月15日我國(guó)“探索一號(hào)”科學(xué)考察船從海南三亞啟航，開赴馬里亞納海溝、雅浦海溝執(zhí)行深淵科學(xué)考察和裝備試驗(yàn)任務(wù)。中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的研究人員隨船攜帶“海翼”號(hào)水下滑翔機(jī)開展試驗(yàn)。這個(gè)最新款的深海滑翔機(jī)長(zhǎng)3.3米，翼展1.5米，重140公斤，設(shè)計(jì)下潛深度7000米。
中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所助理研究員羅業(yè)騰回憶，此次布放中，“海翼”號(hào)在“探索一號(hào)”科考船的螺旋槳附近做了一個(gè)漂亮的回旋后，瀟灑地駛離母船，如同游子遠(yuǎn)行前的告別。
之后便是12小時(shí)的漫長(zhǎng)等待。
金文明說，當(dāng)接收到下潛深度6329米這個(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)候，大家都非常激動(dòng)。“我的同事甚至歡呼起來了。其實(shí)我的內(nèi)心還是比較緊張的，因?yàn)榫驮谕粋€(gè)海域，去年我們的一臺(tái)水下滑翔機(jī)在挑戰(zhàn)6000米深度的世界記錄時(shí)與母船失去了聯(lián)系?，F(xiàn)在‘海翼號(hào)’成功打破了世界記錄，并安全地回收到甲板上?！?/p>
隨船出海奔赴馬里亞納海溝的中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所副研究員金文明說，“海翼”號(hào)水下滑翔機(jī)一共進(jìn)行了12次下潛工作。在前半段實(shí)驗(yàn)中，“海翼”號(hào)經(jīng)過6次的下潛，歷經(jīng)了44.5小時(shí)，在深度上達(dá)到了6082米，水平航行距離達(dá)到了67公里。實(shí)驗(yàn)過程中，“海翼”號(hào)狀態(tài)良好，并顯示出了在復(fù)雜海流及惡劣海況下良好的航向保持和數(shù)據(jù)交互能力。
在前試的基礎(chǔ)上，科考隊(duì)決定再進(jìn)行兩次超越6200米深度的試驗(yàn)，并制訂了“突破世界紀(jì)錄5%”的目標(biāo)，即下潛目標(biāo)深度設(shè)定為6300米，進(jìn)一步檢驗(yàn)“海翼”號(hào)的運(yùn)行性能。
至此，“海翼”號(hào)的觀測(cè)任務(wù)已經(jīng)完成，累計(jì)工作87小時(shí)48分鐘，累計(jì)航行134.6公里。試驗(yàn)證明了“海翼”號(hào)水下滑翔機(jī)作為一種新型海洋智能設(shè)備，能夠?qū)ΜF(xiàn)有深淵觀測(cè)任務(wù)提供新的解決方案。
能進(jìn)行水體觀測(cè)的水下機(jī)器人
中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研究員、水下滑翔機(jī)研究項(xiàng)目負(fù)責(zé)人俞建成告訴科技日?qǐng)?bào)記者：“從本質(zhì)上說，水下滑翔機(jī)是一種水下機(jī)器人，主要是用來收集海水水文參數(shù)信息的?！边@種新型水下機(jī)器人具有低功耗、長(zhǎng)續(xù)航力、高靜音等特點(diǎn)，可以對(duì)特定海域進(jìn)行高精度大范圍的水體觀測(cè)，能夠有效提高海洋環(huán)境的空間和時(shí)間測(cè)量密度，是現(xiàn)有水下觀測(cè)手段的有效補(bǔ)充。
“水下滑翔機(jī)主要的應(yīng)用就是現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)海洋的環(huán)境參數(shù)，包括海水的溫度、鹽度、溶解氧、葉綠素、營(yíng)養(yǎng)鹽等要素?！庇峤ǔ烧f，未來它可以用于為海洋環(huán)境預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供實(shí)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)、海上環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量評(píng)估、特殊海洋現(xiàn)象科學(xué)研究等。
當(dāng)今世界的海洋觀測(cè)技術(shù)主要包括天基、海基和水下移動(dòng)三種。天基海洋觀測(cè)是將航空和航天遙感技術(shù)應(yīng)用于海洋觀測(cè)的技術(shù)手段，這種觀測(cè)技術(shù)一般只針對(duì)海洋表面物理特征進(jìn)行觀測(cè)。海基海洋觀測(cè)是一種基于海洋測(cè)量船、浮標(biāo)以及潛標(biāo)的觀測(cè)技術(shù)，由于這類觀測(cè)平臺(tái)沒有空間上的自由度，因而觀測(cè)效率不高?，F(xiàn)在科學(xué)家普遍認(rèn)為比較有前景的觀測(cè)技術(shù)是水下移動(dòng)海洋觀測(cè)技術(shù)。這種技術(shù)引入了移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)，提高了海洋觀測(cè)范圍和效率。隨著科技進(jìn)步，移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)越來越趨向智能化、小型化及低成本化。
前進(jìn)動(dòng)力來自“肚子”里的“魚鰾”
在水下，“海翼”號(hào)滑翔機(jī)前進(jìn)時(shí)的軌跡可不是直線，而是像海豚游弋時(shí)那樣是沿著“之”字形的軌跡向前航行。這所以這樣是與它的動(dòng)力系統(tǒng)有關(guān)。我們平時(shí)看到的船舶大都是依靠船下的螺旋槳旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的推力前行。在動(dòng)物界，魚類是通過尾部的擺動(dòng)前行，鴨子是靠腳蹼上下打水游動(dòng)。而“海翼”號(hào)很特殊，它沒有螺旋槳，體外也沒有其他動(dòng)力裝置。它的動(dòng)力全部來自“肚子”里的一個(gè)類似“魚鰾”一樣的油囊，通過吸油和排油改變自身的浮力，同時(shí)借助于大翅膀和改變自身重心而提供前進(jìn)動(dòng)力的。
中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的孫朝陽(yáng)向記者詳細(xì)解釋了“海翼”號(hào)的驅(qū)動(dòng)原理?；铏C(jī)的肚子里安裝有一個(gè)類似于“魚鰾”的油囊，而且肚子里的電池也可以前后移動(dòng)。當(dāng)滑翔機(jī)需要下潛的時(shí)候，“魚鰾”就縮小，浮力減小，同時(shí)肚子里的電池向前移動(dòng)，使得整體重心前移，水下滑翔機(jī)就頭部朝下進(jìn)行滑翔，下降過程中在翅膀的幫助下，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向前的推力，這樣滑翔機(jī)就有了水平方向上的速度。當(dāng)需要上浮的時(shí)候，“魚鰾”就會(huì)鼓起來，浮力增大，同時(shí)電池向后移動(dòng)，這樣就會(huì)抬起頭上浮，翅膀使得滑翔機(jī)在上浮的過程中可以向前跑。在不斷的下潛上浮過程中滑翔機(jī)實(shí)現(xiàn)折線前進(jìn)。也正是因?yàn)檫@樣的特性，所以滑翔機(jī)在水下的運(yùn)動(dòng)軌跡是W形狀。水下滑翔機(jī)的這種驅(qū)動(dòng)方式只需要在調(diào)節(jié)電池位置和“魚鰾”的時(shí)候耗費(fèi)少許電能，因此續(xù)航能力非常長(zhǎng)。
堅(jiān)守13年，一步一個(gè)腳印
“海翼”是一步一個(gè)腳印向世界紀(jì)錄沖擊的。
我國(guó)水下滑翔機(jī)的研究起步較晚。由于西方國(guó)家在水下滑翔機(jī)技術(shù)上對(duì)我國(guó)實(shí)行封鎖，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的“海翼”號(hào)水下滑翔機(jī)完全是由我國(guó)自主研發(fā)的。
水下滑翔機(jī)的概念最早是由美國(guó)科學(xué)家提出來的。1989年，美國(guó)人Stommel提出采用一種能夠在水下作滑翔運(yùn)動(dòng)的浮標(biāo)進(jìn)行海洋環(huán)境調(diào)查的設(shè)想。1995年以來，在美國(guó)海軍研究局的資助下，美國(guó)先后研制出Slocum、Seaglider和Spray等多種以電池為能源的小型水下滑翔機(jī)。2002年開始，美國(guó)華盛頓大學(xué)還開展了潛深為6000米的深海水下滑翔機(jī)研究工作，并先后開展了多次海上試驗(yàn)工作，最大下潛深度已達(dá)到6003米。2003年，美國(guó)海軍又開始支持大型翼型水下滑翔機(jī)的研究工作，其翼展約為6米，重量約為1.5噸，最高時(shí)速可以達(dá)到3節(jié)。這是目前世界上最大、航速最快的水下滑翔機(jī)。
日本也是世界上較早開始水下滑翔機(jī)研究的國(guó)家。1993年就研制出了單滑翔周期的水下滑翔機(jī)ALBAC。2008年，日本研制了碟形水下滑翔機(jī)BOOMERANG和水平翼可旋轉(zhuǎn)的水下滑翔機(jī)ALEX。碟形水下滑翔機(jī)直徑為1.9米，高度為0.55米，重量為270公斤。
中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所從2003年起持續(xù)開展水下滑翔機(jī)研發(fā)工作，突破系列關(guān)鍵技術(shù)，于2005年研制出我國(guó)首臺(tái)水下滑翔機(jī)原理樣機(jī)，2008年研制出工程樣機(jī)，2009年在南海完成海上試驗(yàn)。13年來，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所已研制出了淺海、深海等不同型號(hào)的水下滑翔機(jī)20余臺(tái)套，工作深度有300米、1000米、7000米的三種水下滑翔機(jī)，分別承擔(dān)不同的使命任務(wù)。這些水下機(jī)器人被命名為“海翼”系列。
2014年9月，1000米級(jí)的“海翼”在南海長(zhǎng)航程試驗(yàn)中航程達(dá)到1022.5公里，持續(xù)時(shí)間30天，創(chuàng)造我國(guó)水下滑翔機(jī)海上作業(yè)航程最遠(yuǎn)、作業(yè)時(shí)間最長(zhǎng)的紀(jì)錄；去年7月，7000米級(jí)的“海翼”又創(chuàng)造了我國(guó)最深下潛5751米的紀(jì)錄。
今年2月，7000米級(jí)“海翼”又創(chuàng)造了世界最深下潛紀(jì)錄——6329米。
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