天津大学水下滑翔机科研团队再突破

2018-08-14 10:07:56来源:海外网
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  “海燕”布放前,科研人员做最后一次“体检”。资料照片

  在2018年上半年相继进行的两次实验中,天津大学拥有自主知识产权的“海燕”都以优越的性能完成了既定目标,实现了国产水下滑翔机在工作深度和航行里程上的新突破——

  4月,“海燕”万米级水下滑翔机在马里亚纳海沟附近海域深潜至8213米,创造水下滑翔机工作深度的世界纪录;

  5月14日,“海燕—L”连续运行119天,完成剖面862个,航行里程2272.4公里,再次创造国产水下滑翔机连续工作时间最长、测量剖面最多、续航里程最远等新纪录。

  从2005年实现深度100米,到2009年的500米,再到2018年的8213米,“海燕”科研团队从零起步,将“问海”梦想一步步变为现实。

  10余年潜心研究,示范应用“大显身手”

  形似鱼雷,身长2.3米(不含天线),直径0.22米,重约78千克,相比于传统无人无缆潜航器(AUV),“海燕”可谓身轻体瘦。

  天津大学“海燕”——“混合驱动水下航行器关键技术与应用”项目,聚焦的是一种新型无人无缆水下自主航行器。它融合了浮力驱动与螺旋桨推进技术,不但能实现和AUV一样的转弯、水平运动,且具备传统水下滑翔机剖面滑翔的能力,能够做“之”字形锯齿状运动。

  世界上首台水下滑翔机诞生于1991年。“2001年,我在一篇文章里了解到国外水下滑翔机的研究进展,海洋环境和资源探测的需求使水下机器人的活动能力必须从定点扩展到大范围,从浅海到深海,从短时到全天候,而水下滑翔机就是实现这些目标的有效手段。因此我们团队就把关注点集中在了水下滑翔机。”天津大学副校长王树新介绍。

  加上王树新,当时团队的核心成员也只有四五个人。由于国外对该技术一直进行严密封锁,国内的相关研究还是一片空白。大家从查找资料做起,从设计到组装都要自己动手。

  “没有经费,我们就在一个学生用来实习的小车间里做研究,在天津大学青年湖里试水。”天津大学机械工程学院教授王延辉当时还是一个硕士生,从2002年加入团队那天起,他就再也没离开过这项研究。

  续航里程是水下无人滑翔机的重要指标,寻找恰当的能源功能材料是关键。“为解决这个难题,项目组进行了无数次头脑风暴,每天实验测试到深夜,这样的状态持续了1个多月,却依然一无所获,那段时间大家都很煎熬。”王延辉说。

  一天晚上,王树新灵感忽现:试试一种用于衣服表层的石蜡。“没想到,这就是我们一直苦苦寻找的能源材料。”实验测试结果让王延辉等人喜出望外。

  2005年,团队成功研制出第一代温差能驱动水下滑翔机,工作深度100米。2009年,第二代混合推进型水下滑翔机“海燕”研制成功,工作深度500米。也是这一年,团队给它取名“海燕”,寓意它身轻如燕、饱经风雨,“海燕”也是支撑项目参与者的一种精神。

  2014年春,“海燕”参加了规范化海上试验中期评估。在第三方全程监督下,它圆满完成了单周期、多周期及长航程等一系列任务,创造了当时中国水下滑翔机无故障航程最远、时间最长、剖面运动最多、工作深度最大等诸多纪录。

  如今,“海燕”率先在我国海洋关键技术与示范应用方面“大显身手”,已成功应用于“南水北调”水源地水质监测、南海环境调查等国家重大工程和海洋国防建设事业。

  8213米深海探测,马里亚纳载誉归来

  马里亚纳海沟,是目前所知地球上最深的海沟。在国家部委的大力支持下,2018年的“海燕”团队已经开发了200米、1500米、4000米和10000米等不同深度谱系的水下滑翔机产品,为前往马里亚纳海域做了充足的准备。

  2台“海燕—1500”、1台“海燕—4000”和1台“海燕—10000”同时出海,其中最受关注的还是第一次下海的“海燕—10000”。虽然已经在实验室进行了各项设备的检测,但团队中的每个成员还是感受到了不小的压力。

  “‘海燕’每次下海时,我们的心情就像等待孩子平安归来般焦急。”王延辉说,“海试中可能遇到的台风、暗流和海底巨大的压力,对于‘海燕’来说都是挑战。”

  “有时候,它哪怕晚回来一两个小时,对我们来说都是巨大的煎熬。”课题组的博士生、1992年出生的杨明从4年前做本科毕业设计时就跟着“海燕”出海,在他的记忆中,最让人揪心的一次是“海燕—4000”比预计的“回家”时间晚了2个小时。“大家都悬着一颗心,眼巴巴地等待着电脑上发出‘海燕’归来的信号。”杨明说。

  国际上,水下滑翔机在试验中“跑丢”的先例并不罕见,而找回它们则是真正的“大海捞针”。担心“海燕”迷途,课题组27岁的博士生李昊璋甚至还自创了一套算法,在水下滑翔机失联数小时内估计它可能出现的位置。虽然这套算法在100%回收率的“海燕”身上尚未有实践机会,但却在一次实验中,“意外”地找回了其他团队的潜航器。

  “在马里亚纳海域,我们5个人轮流值守。当船上的设备收到了‘海燕’浮出水面发出的信号,并标明了它当时的经纬度位置时,我们都兴奋极了。”杨明说。科考船将“海燕”回收上来后,大家第一时间下载了它带回的数据,当深度显示为8213米时,整个团队都沸腾了。

  平均年龄39岁,更多青年圆梦深海

  2017年加入“海燕”团队的天津大学机械工程学院讲师杨绍琼发现,这个平均年龄39岁的团队很不一样。每个人好像都有一种精神力量,即使每天工作十几个小时、每年有100多天是野外作业、经常“漂”在海上,也没有抱怨;他们动手能力强,1人站在二层甲板上指挥,1人操控吊车,1人套网,1人控制缆绳,挂钩、起吊、布放、卸钩、入水,个个是把“好手”;他们事必躬亲,极为较真,少做一次实验,都感到“不踏实”……

  遭鲨鱼攻击、偶遇海豚群、帮船长修船,王延辉他们都经历过。因为经费有限,他们也曾放弃两三千吨重的科学调查船而租用小渔船。2013年,在南海做实验时,渔船刚开出二三十海里就出现了故障,甲板开始进水,当时是夜里12点左右,王延辉等人一边观测着“海燕”的测试数据,一边淘水自救,“现在想想挺后怕的,所幸很快救援船就赶来了。”为了不耽误实验进度,清晨,王延辉他们又租用了另一艘渔船出海了。

  “海燕—10000”水下滑翔机从调研、设计、制造、组装到测试,只有不到1年的时间,为了赶时间,团队成员牛文栋、兰世泉、邵来、李玉丛、孙超、密德元、王超、孙通帅、卢法良和崔陈铭等经常在实验室干到晚上12点。为了确保海试的成功,李昊璋、张士鹤与白勇民在春节期间坚持工作,完成了能源模块和控制模块的组装,并搭建了多套自动测试系统,可以一个人同时测试多台设备。

  “从青岛出发前往马里亚纳海沟附近海域,和台风‘捉迷藏’多走了好几百里,但船还是晃动得厉害,人在船上站都站不住,物品洒落一地。即便是像我这样每年都出海的老船员都极为难受。”王延辉说,这次和他一起出海的团队中,多是“90后”的年轻人,他们更是晕船晕到站不起来。

  凭借灵活小巧的身姿,“海燕”可以较长时间地跟随海洋动物,与鲸共舞,获取数据,还能通过扩展搭载声学、光学等专业仪器,成为海底的“变形金刚”,在海洋观测和探测领域大显身手。2017年,12台“海燕”针对“中尺度涡”现象,历时近2个月,先后编队、协同组网,并首次获得台风过境海域水文数据。

  中国海洋学会、中国太平洋学会等曾评选出“中国海洋十大科技进展”,“海燕”水下滑翔机位列其中。“我们的技术在不断进步,曾经的梦想一点点变成现实,这是我们工作最大的乐趣和回报。”王树新说。(朱 虹)

《 人民日报 》( 2018年08月14日   09 版)

责编:张阳

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