小“海燕”大洋风暴中挑战极限

2017-11-22 14:29来源:青岛日报/青岛观/青报网作者:王冰洁 杨志文 配音 李青

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□青岛日报/青岛观/青报网记者 王冰洁

“让暴风雨来得更猛烈些吧!”这句来自高尔基《海燕》中的呐喊,如今成为了“海燕号”水下滑翔机在海洋观测任务中的真实演绎。今年8月,专用于台风观测的7台“海燕”水下滑翔机实现组网协作配合,在南海海域先后主动迎击“天鸽”和“帕卡”两场台风,实现了水下滑翔机对台风过境全过程的精细化观测。

在此次任务执行过程中,7台“海燕”水下滑翔机不仅均未受破坏,实现100%成功回收,还携带不少精细化的台风观测数据“满载而归”。这些看上去个头不大的“海洋小精灵”如何抵御得了极猛烈风暴的接连袭击?带着这个疑问,让我们一起走进青岛海洋科学与技术国家实验室(以下简称“海洋国家实验室”)海洋观测与探测联合实验室(天津大学部分),去探寻“海燕”水下滑翔机的奥秘。

水下1秒钟可滑翔1.5米

一走进海洋观测与探测联合实验室的一楼实验区,记者便看到依次排列摆放的多台“海燕”水下滑翔机。它们个个身长体瘦,形似鱼雷,长2.3米,直径约0.2米。别看它们体型不大,内动力却很足,“它的滑翔速度可以达到0.5至1节,定深航速最快可达3节,相当于水下1秒钟内可以滑翔约1.5米”,天津大学机械工程学院讲师、海洋国家实验室海洋观测与探测联合实验室研究员杨绍琼介绍。

根据“海燕”水下滑翔机生产及装配环节的不同,整个实验室被划分为不同的功能区。在浮力驱动单元测试区,工作人员正在对控制滑翔机浮力的油囊进行调试,通过电机驱动调节油囊的收缩与膨胀,进而可以调节整个滑翔机的浮力。“当油囊中的油抽空时,‘海燕’会呈下潜状态;而油囊回油充满时,则会上浮,”杨绍琼告诉记者,在油囊伸缩变换的同时,“海燕”水下滑翔机在执行任务期间,还会通过安装在机身中部的电池包的前后移动与左右滚动变化,调节“海燕”的重心,使其产生预设的俯仰角与滚动角。

除了通过自身在水中航向、俯仰、横滚角度等方式进行姿态调整外,“海燕”水下滑翔机的尾部还配备有螺旋桨进行推动,以确保其在必要时的动力驱动,当“海燕”遭遇到较强的海流时,可以通过螺旋桨加大移动力,使滑翔机轻松地穿过。“既可以单纯靠浮力驱动,又可以借助螺旋桨巡航,我们称它为混合推进,”杨绍琼告诉记者,目前“海燕”是国内首台以混合推力为驱动的水下滑翔机。

对抗台风“海燕”机智传数据

今年8月,在距离海岸线300多公里的南海北部,11台“海燕”水下滑翔机与另外多台由我国自主研发的新型海洋装备协同合作,进行了一次世界上最大规模的面向海洋中尺度涡的海上立体组网综合调查任务。

就在此次任务即将完成之际,8月20日,强台风‘天鸽’在太平洋迅速生成,“当时情况非常紧急,一方面我们考虑紧急撤回之前布放的多台非抗台风的‘海燕’,另一方面团队快速做出决策,重新调出多台具有抗台风能力的‘海燕’,借此机会主动追击台风。”天津大学机械工程学院教授、国家海洋实验室海洋观测与探测联合实验室副主任王延辉告诉记者,在极短的时间内,7台抗台风“海燕”水下滑翔机就布放到位。

8月22日下午至23日,“天鸽”经过南海北部海区,台风中心区最大浪高接近10米,风速达到12-14级。位于台风影响范围内的多台“海燕”水下滑翔机,至台风逼近时,距离“天鸽”中心仅十公里。紧接着,24日台风“帕卡”也在南海海域生成,7台“海燕”水下滑翔机在随后的几天时间里,成功获取了其过境海域附近的温盐、流速等多种海洋动力环境参数。

“在这种复杂环境下,船是要避港的,‘海燕’需要独自执行任务,在数据收集的不同阶段,它会浮至海面,通过自身重力和浮力调节,将尾部天线翘出水面,通过卫星将采集数据回传至指挥控制中心,与此同时接收下一指令。”杨绍琼介绍,通过这次不期而遇的“台风奇遇”,“海燕”水下滑翔机带回很多第一手的宝贵资料,据了解,这是我国首次利用水下滑翔机获得台风过程中的现场环境参数,通过数据特征的研究,可以对未来台风轨迹的精准预报提供有力的数据支持。

未来力争突破万公里长航程

“客观地说,我国的水下滑翔机技术与国外相比,还存在一定差距。”据杨绍琼介绍,由于我国进入这个领域比较晚,所以在该领域一直落后于发达国家。2001年起,天津大学水下机器人团队开始进行水下滑翔机技术的研发,后来在国家“863”计划等项目支持下,历经十多年的科研攻关,先后成功研制出三代水下滑翔机,填补了我国在这一领域的空白。

2013年,青岛市政府与天津大学聚焦国家海洋战略签订合作框架协议,决定共建实体化研究院。随着研究院的竣工落成,天津大学水下机器人团队正式“移师”青岛,“海燕”水下滑翔机也就此与青岛结缘。在海洋国家实验室的协助下,“海燕”的研发进度取得了接连突破:2014年突破600公里航程,获得连续的剖面观测;2015年,突破1100公里的连续剖面观测;如今“海燕”水下滑翔机的设计航程已达到1500公里。

据杨绍琼介绍,目前团队正在进行3000公里量级的长航程水下滑翔机研制,而他们的终极目标是争取利用5-10年的时间,实现连续航程超过一万公里。要想达到这一目标,一方面需要突破高密度能源或新型能源的技术,通过更换更高密度的能源单元或新能源系统,实现能源单元升级;另一方面则要通过水动力学设计,减少水下滑翔机表面的摩擦阻力;另外,通过主控单元的优化设计,也可以节能降耗,从而提高“海燕”的续航里程,为提升我国长时续、大范围的海洋观测和数据获取能力贡献力量。

责任编辑:杨志文

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