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    【青島日報】青島:無人潛水器“家底”日益豐厚

     
     

    ▲“發現”號完成第300次下潛。

    ▲這是“發現”號ROV,從科考船甲板上可以看到需要加裝的浮球。

    □青島日報/觀海新聞記者  李勛祥

    從明朝鄭和七下西洋,到意大利哥倫布發現美洲新大陸,再到英國“挑戰者”號完成世界首次環球海洋科學考察……幾百年來,人類以海為媒,進行溝通和貿易,也逐漸關注海洋本身,研究這個占地球面積最大(71%)、卻為人所知甚少的藍色世界。作為探索海洋、認識海洋和開發海洋的重要裝備,潛水器(有時也稱為“水下機器人”)日益成為科考船的標配,如今正迎來百花齊放的發展時期。

    日前,中國科學院海洋研究所無人有纜潛水器(ROV)“發現”號完成下潛300次;自然資源部中國地質調查局青島海洋地質研究所自主遙控潛水器(ARV)“問海1號”入列“海洋地質九號”科考船……作為海洋科考重鎮,青島的潛水器特別是無人潛水器的發展日新月異,彰顯著我國在該領域進入快速發展期。

    “發現”號下潛300次的背后

    張鑫到中科院海洋所參加工作的2009年,所里了解、使用潛水器的科學家屈指可數,而他在國外主要從事深海拉曼光譜原位探測技術(拉曼探針)研發,科研工作又需要潛水器支持?!袄结樤诤5坠ぷ麟x不開潛水器平臺支撐。在海中,它將一束激光打到深海環境中,根據激發光的后向散射信號就可以獲得被測物質的化學成分、生理狀態,因此不會破壞海洋生物及其生存環境?!?span lang="EN-US"> 從工作伊始至今,張鑫一直在研發拉曼探針并以此開展原位實驗。他回憶說,在參加工作后的很長一段時間里,因為國內不具備科研條件,他每年都要花費兩三個月出國做實驗,“當時,我越發覺得要在國內繼續我的事業,第一要務是能有一條先進的科考船提供科考平臺,其次科考船上要配備一個先進的水下機器人,帶著拉曼探針進行深海探測和實驗?!?span lang="EN-US">

    這個機會不久就來了。2010年, 我國綜合性能最先進的科考船“科學”號開工建造,2012年交付中科院海洋所管理運行?!靶疫\的是,由于當年造船使用的鋼材價格一路走低,建造科考船的費用節省出了5000多萬元?!?span lang="EN-US"> 張鑫說,當時由他擔任工程技術部副主任,全權負責設計定制一個4500米級的水下機器人。該工作從2012年開始,一直持續到2014年,他帶領團隊提出設計需求并進行監造。這個水下機器人就是如今的“發現”號ROV,在今年710日,“發現”號完成了第300個海洋科學考察潛次任務。

    一般而言,無人潛水器分為無人無纜潛水器(AUV)和無人有纜潛水器(ROV)。AUV自帶能源,可自主航行,能夠執行大范圍探測任務,但作業時長、數據實時性等能力有限。ROV有一條電纜與母船連接,依靠臍帶電纜提供動力,水下作業時間長,能夠實現海底精確圖像數據的實時傳輸,作業能力較強,但作業范圍有限。近年來,我國結合AUVROV的優點,還研發了自主遙控水下機器人(ARV),既可以無纜自主作業,也可以有纜遙控作業。相較而言,這些潛水器各有優勢特點,但在海底作業的優勢是共同的:一是可在海底進行原位觀測,并拍攝高清海底光學影像,同時可以開展深海激光掃描作業,其空間分辨率可達到厘米級;二是可以直接在海底開展實驗,最大程度認知深海生命過程變化,這是陸地實驗室無法比擬的。

    “以往的深海研究是將深海樣品取樣,帶回陸地實驗室進行分析。但由于取樣擾動帶來的樣品變化,特別是深海樣品從海到陸后由于壓力、溫度等因素的驟變,其生理活動可能也發生了改變,導致后期的分析研究并不準確?!?span lang="EN-US"> 借助“科學”號科考船和“發現”號潛水器,張鑫在國外的科研工作很快在國內“復現”。2015年,他首次將自主研發的國際首臺耐高溫(450℃)拉曼光譜探針安裝在“發現”號上進行應用。他說,利用潛水器上安裝的拉曼光譜探針等設備,可以直接對深海極端環境進行化學成分分析;也可以利用潛水器在海底做實驗,實現將實驗室搬到海底。這種無須傳統取樣方式的原位探測技術和實驗,已成為國際深海研究的熱點。

    正是潛水器獨具特色的裝備優勢,使得西方國家利用潛水器快速進入深海熱液、冷泉等極端環境,科研成果頻出,我國在無人潛水器領域的研發也在這個時期開始興起。除“發現”號ROV外,2009年,我國首臺具有3500米作業深度的無人有纜潛水器“海龍II號”ROV由上海交通大學完成研制,開始試用。時間再稍往前,中科院沈陽自動化研究所研發的CR-02,是繼CR-01之后我國第二臺6000米級AUV,于2007年通過技術驗收;中科院沈陽自動化研究所研發的北極ARV,最大潛深100米,已于2008年搭乘“雪龍”號科考船出征我國第三次北極科考。這幾個不同類型的無人潛水器,加之載人潛水器“蛟龍”號,基本就是21世紀第一個十年里我國潛水器的家底。

    而“發現”號ROV的研發,也為我國后來的無人潛水器發展提供了技術借鑒?!耙酝臐撍魃厦嫱ǔ0惭b巨大的臍帶電纜管理系統(TMS),科考船通過鎧裝光電復合纜連接這個系統,這個系統中儲存的零浮力臍帶電纜再連接潛水器。這主要是借鑒了用于海洋工程的無人潛水器的做法,但海洋科考與之不同,在實際應用中難以保持潛水器與TMS相對穩定?!睆場握f,“發現”號ROV最大的不同就是不再保留這套TMS系統,而是直接在靠近潛水器端的最后50米鎧裝電纜上加裝浮球,使其在海底保持正浮力,這樣在科考作業時電纜在水中形成了一個接近百米的“S”形,潛水器可以自由移動,且不易與鎧裝電纜產生糾纏。自“發現”號ROV如此設計之后,我國后來研發的科考型ROV也都沿用了這種方法。

    青島的無人潛水器已有近20

    走進國家深?;亍白呦蛏詈!闭箯d,可以看到陳列其中的我國各類無人潛水器模型。最令人矚目的自然是“蛟龍”“海龍”和“潛龍”三大深潛裝備系列,它們大小、形態各異,是載人潛水器(HOV)、無人有纜潛水器(ROV)和無人無纜潛水器(AUV)中的代表。

    “深海蘊藏著豐富的資源,是地球上遠未充分認識和開發的寶藏?!?span lang="EN-US"> 國家深?;毓芾碇行母笨偣こ處煻≈臆娬f,隨著國際海底調查研究工作的深入,我國自2001年起相繼獲得包括多金屬結核、多金屬硫化物、富鈷結殼等資源類型在內的5個大洋海底勘探合同區,成為海底礦產資源種類最全、勘探合同區最多的國家之一。深海礦產資源勘探、開發,離不開深海探測裝備支持,利用載人潛水器抵達海底,可以對海底資源環境進行更加詳細的實地勘查,因此,“蛟龍”號研發快速提上日程。

    “蛟龍”號如此,“海龍”號、“潛龍”號亦是如此。以“潛龍”號為例,為了滿足我國已申請的國際海底礦區勘查和新礦區圈定的迫切需要,中科院沈陽自動化研究所聯合國內多家機構于201212月成功研制“潛龍一號”,這是我國具有自主知識產權的首臺實用型6000AUV,具有微地形地貌測量、海底照相、磁力探測等功能,可在水下6000米處自主巡航,連續工作24小時。此后,中科院沈陽自動化研究所相繼研發出“潛龍二號”“潛龍三號”和“潛龍四號”,性能參數皆有變化。值得一提的是,“潛龍一號”和“潛龍四號”為6000米級,外形為圓柱形,作業區域更適用于海底相對平坦的礦區;而“潛龍二號”和“潛龍三號”為4500米級,外形為立扁魚形,因此更有利于在復雜海底地形礦區作業?!皾擙垺毕盗袧撍鞯难兄?,為我國深海資源精細勘查提供了有力手段,填補了我國深海資源自主勘查的空白。

    “進入21世紀第二個十年,即從‘十二五’開始,我國在研發載人潛水器的同時,無人潛水器也快速發展,可謂日新月異?!倍≈臆娬f,“潛龍三號”由中科院沈陽自動化所移交深海中心,“海龍Ⅲ號”ROV移交工作正穩步推進。目前,深海中心管理運行的“蛟龍”“海龍”和“潛龍”三大深潛裝備已有10余個。此外,還有深海鉆探的“深龍”號、深海開發的“鯤龍”號、海洋數據云計算的“云龍”號以及作為立體深??瓶贾纹脚_的“龍宮”等,深海潛水器重大裝備體系不斷完善。

    除了AUV、ROV之外,我國ARV也不斷發展,自然資源部中國地質調查局青島海洋地質研究所6000米級“問海1號”ARV就是典型代表。據了解,“問海1號”是我國首臺交付工程應用的自主遙控無人潛水器,具備自主、遙控、混合三種工作模式,可搭載高分辨率測深側掃、淺剖、重力儀、磁力儀、高清攝像機及機械手等進行大范圍近海底自主航行探測和坐底定點精細取樣作業。在今年的海試測試中,“問海1號”整體性能得到驗證,在無纜模式下最大航程可達45公里,在光纖微纜模式下最大航程可達21公里。目前,“問海1號”已列裝“海洋地質九號”船,將服務于海洋環境調查、生物多樣性調查、海底特定目標物探查、深海極端環境原位探測和深海礦產資源調查等深??瓶脊ぷ?。

    此外,水下滑翔機作為一種靠浮力驅動的新型無人無纜水下自主航行器,因具有長時間、大范圍海洋環境觀測能力,也發展迅速。在青島,最具代表性的是青島海洋科研院所聯合天津大學研發的“海燕”水下滑翔機。據介紹,2015年之前,國際上僅有一型工作深度超過4000米的水下滑翔機產品。而“海燕-X”水下滑翔機在2020年最大下潛深度達到10619米,這是國際上滑翔機首次進入萬米深淵,標志我國在萬米級水下滑翔機關鍵技術方面取得重大突破。

    總體來看,目前我國不同類型的無人潛水器已形成系列化、譜系化,數量倍增。以“潛龍”“探索”“悟空”系列為代表的AUV,以“海星”“海龍”“海馬”系列為代表的ROV,以“海斗”“思源”系列為代表的ARV,以“海翼”“海燕”系列為代表的水下滑翔機,代表10多年來我國無人潛水器日益強大的家底。據統計,青島管理運行的無人潛水器已有近20個。

    “我國無人潛水器發展成績顯著,但也面臨著一些挑戰?!倍≈臆姳硎?,我國潛水器一般都是單臺套作業,雖然潛水器組網觀測也在發展中,但與國外相比,還存在一定差距,需要進一步布局。此外,我國無人潛水器產業也需進一步完善,應在材料、能源、傳感器等領域形成體系,推動人工智能、仿生學等新技術與潛水器研發融合。相信在不久的未來,國產化、智能化、業務化水平更高的無人潛水器會不斷產出,推進我國“深海進入”“深海探測”“深海開發”,加快向海洋強國邁進。


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