海翼号水下滑翔机

海翼号刷新了水下滑翔机最大下潜深度的世界纪录,使我国成为继美国之后第二个具有跨季度自主移动海洋观测能力的国家,为我国建设海洋强国提供了重要的科技支撑。


海翼号水下滑翔机(Underwater Glider Haiyi)是在中国科学院B类战略性科技先导专项的整体部署下,由中国科学院沈阳自动化研究所自主设计研制的水下滑翔机。针对不同海上观测任务需求,海翼号已经发展形成最大作业深度从300米到7 000米不等的系列水下滑翔机,可以满足不同工作深度和承担不同任务的需求。
当今世界主流的海洋观测技术主要包括天基、海基和水下移动3种方式。传统的海洋观测作业通常依赖固定系泊设备和科考船进行,观测范围有限。飞机、卫星可高效完成大面积海洋环境观测,却难以穿透水体进行较深海域监测。传统无人潜航器普遍使用电池作为动力装置,航时短、续航力弱。
水下滑翔机的概念最早由美国于1989年提出,主要以电池或太阳能为动力来源,通过浮力调节实现升沉,并借助固定翼的水动力实现水下滑翔运动,能源消耗少,只在调整净浮力和姿态角时消耗少量能源。水下滑翔机的发射方式包括水面平台发射、通过吊臂和特殊发射装置发射、通过甲板安装的固定轨道发射等多种方式,使用后通过固定式导轨、吊臂、回收笼以及人工方式收回。
虽然水下滑翔机航行速度较慢,但制造成本和维护费用低、可重复使用和大量投放,满足了长时间、大范围开展海洋观测的需要。与电力驱动的水下航行器相比,水下滑翔机作业时限可延伸到数月甚至数年。预设轨迹后,可自动通过所携带的CTD等传感器测量航线上的数据,使用卫星通信传回观测数据并接受遥控指令,是当前海洋水体自主观测的新型装备,也是实现深海大范围、长时序海洋观测与探测的有效技术手段。目前,美国、法国、日本、加拿大等国的水下滑翔机已形成多种型号,在体系结构和性能上各有所长,部分型号已经实现了产品化。

海翼号装配有一个类似于鱼鳔的油囊和可以前后移动的电池。下潜时,“鱼鳔”缩小,减小浮力,同时电池自动前移,头部开始下潜,“翅膀”会产生向前的推力,这样海翼号就有了水平方向速度。要上浮时,“鱼鳔”鼓起,浮力增大,电池自动后移,它就会抬起头向上滑行。在不断地下潜、上浮过程中实现折线前进,就像海豚一样在大海上保持航向不断前行。就这样,海翼号在水下沿着W字形轨迹运动前进。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,这也使其具备了超长的续航能力。
海翼号装载了多种类型的生态要素传感器,可测量海水温度、盐度、浊度、叶绿素及含氧量,再通过尾部的天线将收集到的数据传给卫星。工作人员可以通过卫星通信实现对水下滑翔机的远程控制和实时数据获取;还可以根据需要,实现多台水下滑翔机协同观测作业,为海洋科学家提供丰富的数据。
中国科学院沈阳自动化研究所从2003年开始研究,2009年首次海试。2017年3月6日,海翼号在马里亚纳海沟挑战者深渊完成大深度下潜观测任务并安全回收,其最大下潜深度达到6 329米,刷新了当时水下滑翔机最大下潜深度(6 000米)的世界纪录。此外,沈阳自动化研究所主持研制的海斗一号全海深自主遥控潜水器在马里亚纳海沟实现科考应用,“探索4500”自主水下机器人(AUV)成功完成北极科考应用,获取了近底高分辨多波束、水文及磁力数据。
海翼号使我国成为继美国之后第二个具有跨季度自主移动海洋观测能力的国家,对我国构建新一代智能移动海洋观测网、提供海洋环境信息保障具有重要意义,为我国建设海洋强国提供了重要的科技支撑。

海翼号布放