AUVAUV項(xiàng)目組在項(xiàng)目組在“潛龍二號(hào)”首潛后合影
“潛龍二號(hào)”被吊出水面
(本報(bào)特派記者 崔鯨濤)1月10日，正在執(zhí)行中國(guó)大洋第40航次調(diào)查任務(wù)的4500米級(jí)深海資源自主勘查系統(tǒng)（AUV）——“潛龍二號(hào)”順利完成在西南印度洋的首次下潛，成功獲得了該區(qū)域近底微地形地貌和海底環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)自主研發(fā)的AUV首次在洋中脊海底勘探。“潛龍二號(hào)”長(zhǎng)什么樣，它如何在海底工作，身懷哪些“絕技”？近日，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的4500米級(jí)深海資源自主勘查系統(tǒng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)接受記者采訪(fǎng)，揭開(kāi)了“潛龍二號(hào)”的神秘“面紗”。
造型篇 名為“潛龍”形似魚(yú)
“潛龍二號(hào)”雖然名字里帶“龍”，但其造型卻與龍無(wú)關(guān)，而酷似電影《海底總動(dòng)員》里的小丑魚(yú)NEMO。緣何把潛器設(shè)計(jì)成魚(yú)的樣子？“潛龍二號(hào)”副總設(shè)計(jì)師趙宏宇卻稱(chēng)“完全是個(gè)巧合”。
“一般來(lái)說(shuō)，為了減少在水中的阻力，自主式潛水器大多設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)體式，像魚(yú)雷艇一樣?！疂擙堃惶?hào)’就是回轉(zhuǎn)體設(shè)計(jì)，它主要在平坦的太平洋底多金屬結(jié)核區(qū)開(kāi)展調(diào)查作業(yè)，兼顧其他多種深海資源的勘探和開(kāi)發(fā)需求。而印度洋中脊地形復(fù)雜，‘潛龍一號(hào)’就不適用于這個(gè)區(qū)域的勘探作業(yè)?！壁w宏宇解釋說(shuō)，“為了適應(yīng)洋中脊復(fù)雜地形的要求，讓潛器可以自如地‘翻山越嶺，便于水面回收’，就考慮采用非回轉(zhuǎn)體立扁形造型，減少垂直面的阻力，增強(qiáng)水面航行能力?！?/p>
為了提高潛器在水中航行的機(jī)動(dòng)性，“潛龍二號(hào)”還配有4個(gè)推進(jìn)器，安裝在位于潛器前后各一對(duì)的水平舵板上。4個(gè)水平舵板就像魚(yú)的鰭一樣，確保潛器平衡的垂直舵像魚(yú)的背鰭。
魚(yú)嘴的位置安裝了一個(gè)前視聲吶，可以讓潛器探知前方的物體。魚(yú)眼部位則是水平槽道推進(jìn)器，可以讓潛器左右水平移動(dòng)。3.5米長(zhǎng)的潛器還帶著一個(gè)1米長(zhǎng)的“尾巴”，那是海底探測(cè)磁力儀。此外，潛器外部還裝有布放回收時(shí)用的牽引環(huán)、起吊鉤，以及與母船聯(lián)絡(luò)的聲通訊機(jī)、確定海底位置的長(zhǎng)基線(xiàn)信標(biāo)和頻閃燈、天線(xiàn)等。
“我們的設(shè)計(jì)就是出于作業(yè)需求而進(jìn)行的，隨著設(shè)計(jì)的不斷改善與精細(xì)化，潛器造型也越來(lái)越像魚(yú)。我們不得不感嘆大自然的神奇，進(jìn)化后的生物所擁有的功能與人類(lèi)科學(xué)家經(jīng)過(guò)反復(fù)論證和計(jì)算后的結(jié)果是如此的相似?！壁w宏宇說(shuō)。
遨游篇 無(wú)動(dòng)力下潛和上浮
潛器的工作流程分為布放—探測(cè)—回收。操作人員通過(guò)吊車(chē)將潛器放到水中，解除吊車(chē)和潛器之間的聯(lián)系后，潛器就可以下潛到指定區(qū)域進(jìn)行工作了。
“潛龍二號(hào)”載體結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)人王曉飛介紹說(shuō)，潛器上配有一塊下沉壓載鐵和一塊上浮壓載鐵，它們分別重約25公斤和23公斤。下潛過(guò)程中，潛器靠自身重力下潛；工作結(jié)束后，潛器自動(dòng)拋掉上浮壓載鐵，此時(shí)潛器重量小于海水浮力，便自動(dòng)上浮。“在下潛和上浮過(guò)程中，都是無(wú)動(dòng)力的，速度每分鐘可達(dá)40米，大大節(jié)約了能源。”他說(shuō)。
那么“潛龍二號(hào)”在水中是如何遨游的？王曉飛介紹說(shuō)，有了推進(jìn)器，通過(guò)舵板±90°之間轉(zhuǎn)動(dòng)，“潛龍二號(hào)”可以實(shí)現(xiàn)垂直升降和前進(jìn)、后退。除此之外，水平槽道推進(jìn)器不但可以讓“潛龍二號(hào)”實(shí)現(xiàn)水平的移動(dòng)，而且通過(guò)舵板的角度變化，讓潛器實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。“潛龍二號(hào)”航行的定深、定高都能達(dá)到±0.2米，航向精度能達(dá)到±1度，導(dǎo)航精度能達(dá)到0.5%。
推進(jìn)器的動(dòng)力來(lái)源靠的是電池。王曉飛說(shuō)：“‘潛龍二號(hào)’上配有一次性電池組和可充電式電池組，前者可讓潛器在水中運(yùn)行30小時(shí)左右，后者雖然可以反復(fù)使用，但僅夠潛器使用10個(gè)小時(shí)。我們會(huì)根據(jù)不同的作業(yè)情況采用不同的電池組?！?/p>
當(dāng)“潛龍二號(hào)”完成任務(wù)上浮至海面后，通過(guò)搭載的定位系統(tǒng)將位置發(fā)送給母船。其非回轉(zhuǎn)體立扁形設(shè)計(jì)還可以令潛器完全沒(méi)入水中，母船上的操作人員通過(guò)遙控器控制推進(jìn)器，推動(dòng)潛器游至母船附近，再通過(guò)掛鉤或拋繩等方式將潛器回收至母船上。
功夫篇 十八般武藝盡顯神通
據(jù)趙宏宇介紹，“潛龍二號(hào)”有著十八般武藝，它是集成熱液異常探測(cè)、微地形地貌測(cè)量、海底照相和磁力探測(cè)等技術(shù)于一身的實(shí)用化深海探測(cè)系統(tǒng)，可在印度洋中脊發(fā)現(xiàn)深藏于海底的“黑煙囪”。
——測(cè)深側(cè)掃聲吶。海底究竟是什么樣的？地形如何？對(duì)于未知的海底世界，科學(xué)家首先要掌握調(diào)查區(qū)域的地形地貌，才能開(kāi)展相關(guān)的科學(xué)研究。“潛龍二號(hào)”到達(dá)預(yù)定區(qū)域后，便按照“梳”形探測(cè)海底地形地貌，同時(shí)采用的測(cè)深側(cè)掃水下實(shí)時(shí)信號(hào)處理技術(shù)，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析?；氐侥复?，技術(shù)人員再根據(jù)初步處理的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)深海近海底高精細(xì)地形地貌快速成圖。
——海底照相機(jī)?！皾擙埗?hào)”配有一臺(tái)像素分辨率達(dá)3648×2736的照相機(jī)，用于海底拍照。相機(jī)配備了閃光燈，可以每隔7秒鐘，在黑暗的海底世界拍攝一張照片。趙宏宇介紹說(shuō)，每張照片都會(huì)與前后照片有20%的重合，這樣就保證了海底拍攝“無(wú)縫”銜接，最終經(jīng)過(guò)處理，可以形成一張完整清晰的海底圖片。“我們?cè)谀虾：Ｔ囘^(guò)程中，就拍攝到許多海底生物，有魚(yú)、蝦、貝類(lèi)等等。”趙宏宇說(shuō)。
——熱液異常探測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括了CTD（溫鹽深儀）、濁度測(cè)量?jī)x、甲烷探測(cè)儀、氧化還原電位探測(cè)儀等多個(gè)傳感器。在熱液異常區(qū)域，海水的溫度、鹽度、甲烷含量、濁度都有一定的變化，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析，科研人員就可以判斷是否存在熱液異常區(qū)域。
——磁力探測(cè)儀。熱液硫化物礦區(qū)分為活動(dòng)和非活動(dòng)的，對(duì)于活動(dòng)的熱液硫化物，可通過(guò)上述傳感器來(lái)探測(cè)熱液異常。對(duì)于非活動(dòng)停止的礦區(qū)，這些傳感器則無(wú)能為力，“潛龍二號(hào)”上配備了一個(gè)“秘密武器”，這是由我國(guó)科學(xué)家創(chuàng)新設(shè)計(jì)的磁力儀，通過(guò)分析探測(cè)到的磁力數(shù)據(jù)，可以判斷是否存在熱液異常區(qū)域。近底磁測(cè)數(shù)據(jù)還對(duì)多金屬硫化物礦區(qū)的三維結(jié)構(gòu)、礦區(qū)儲(chǔ)量研究具有重要科學(xué)意義。
而磁力儀獨(dú)特之處還不僅如此。由于“潛龍二號(hào)”上配備了下沉壓載鐵、上浮壓載鐵、電池艙和電子艙等磁性物質(zhì)，會(huì)產(chǎn)生一定的磁干擾，影響磁力儀的探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。來(lái)自國(guó)家海洋局第二海洋研究所的科研人員，結(jié)合陸上、湖上的大量測(cè)試數(shù)據(jù)，采用AUV圓周旋轉(zhuǎn)參數(shù)擬合法解決了潛器對(duì)磁力儀的磁干擾校正問(wèn)題。這種磁力儀工作非常穩(wěn)定，性能可靠，不僅可以搭載在“潛龍二號(hào)”上，還可以搭載在蛟龍?zhí)柕绕渌麧撈魃稀?/p>
智能篇 自我保護(hù)主動(dòng)避險(xiǎn)
有著適合在復(fù)雜海底游弋近乎完美的造型，搭載著擁有十八般武藝的各式傳感器，“潛龍二號(hào)”在其強(qiáng)大的“大腦”控制下，可以自主地完成每一次深海之旅。
“潛龍二號(hào)”控制軟件負(fù)責(zé)人徐春暉介紹說(shuō)，技術(shù)人員會(huì)根據(jù)作業(yè)要求，提前設(shè)定好相關(guān)程序控制潛器的行為。在作業(yè)過(guò)程中，潛器根據(jù)環(huán)境情況自主決策，一旦遇到突發(fā)情況就會(huì)觸發(fā)相應(yīng)規(guī)則，并自動(dòng)作出反應(yīng)。
為應(yīng)對(duì)水下復(fù)雜的地形地貌，“潛龍二號(hào)”在國(guó)內(nèi)首次采用前視聲吶作為避碰控制設(shè)備。徐春暉說(shuō)，這是一種成像聲吶，即把數(shù)據(jù)采集進(jìn)來(lái)后，通過(guò)圖像處理方式來(lái)識(shí)別障礙和周?chē)h(huán)境，結(jié)合避碰策略，下達(dá)緊急轉(zhuǎn)向、緊急變深或變高以及跟蹤策略。在解除危機(jī)后，會(huì)通過(guò)在線(xiàn)路徑規(guī)劃引導(dǎo)潛器回到正確的軌跡上，使其繼續(xù)正常地執(zhí)行任務(wù)。
“潛龍二號(hào)”“聰明”之處還在于它可以自我檢測(cè)故障，并根據(jù)故障的等級(jí)采取不同的應(yīng)對(duì)方案?！啊疂擙埗?hào)’集成了大量的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，每個(gè)設(shè)備都有自己的數(shù)據(jù)狀態(tài)和通訊系統(tǒng)。潛器會(huì)對(duì)它們進(jìn)行周期性巡檢，按照問(wèn)題的緊急程度劃分優(yōu)先級(jí)。譬如，潛器在做近底微地貌探測(cè)時(shí)，如果聲學(xué)微地貌傳感器故障，任務(wù)就不能完成，這時(shí)潛器就會(huì)自動(dòng)結(jié)束作業(yè)上浮回來(lái)。如果故障輕微，或者不會(huì)妨礙到作業(yè)，則可暫時(shí)帶‘病’工作，待任務(wù)完成后再予以解決?！毙齑簳熍e例道。
研制篇 自主研發(fā)國(guó)際領(lǐng)先
“潛龍二號(hào)”總設(shè)計(jì)師劉健介紹說(shuō)，“潛龍二號(hào)”是“十二五”國(guó)家“863計(jì)劃”——深海潛水器裝備與技術(shù)重大項(xiàng)目的課題之一。課題總體目標(biāo)為自主研制出一套4500米級(jí)的AUV系統(tǒng)，并以此為平臺(tái)，集成熱液異常探測(cè)、微地形地貌探測(cè)、海底照相和磁力探測(cè)等技術(shù)，形成一套實(shí)用化的深海探測(cè)系統(tǒng)，并培養(yǎng)一支裝備操作維護(hù)隊(duì)伍，用于多金屬硫化物等深海礦產(chǎn)資源勘探作業(yè)。該課題由中國(guó)大洋礦產(chǎn)資源研究開(kāi)發(fā)協(xié)會(huì)作為用戶(hù)單位組織實(shí)施，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所作為技術(shù)總體單位，與國(guó)家海洋局第二海洋研究所等單位共同研制。
劉健說(shuō)，“潛龍二號(hào)”研制工作從2011年開(kāi)始，2012年通過(guò)初步設(shè)計(jì)評(píng)審，2013年通過(guò)詳細(xì)設(shè)計(jì)評(píng)審。2014年10月，“潛龍二號(hào)”完成了總裝聯(lián)調(diào)和檢測(cè)工作，并于10月31日通過(guò)由中國(guó)大洋協(xié)會(huì)組織的湖試大綱評(píng)審。同年11月，“潛龍二號(hào)”開(kāi)始湖上試驗(yàn)，先后開(kāi)展了兩次湖上試驗(yàn)，累計(jì)下水147潛次，取得了多項(xiàng)歷史性的突破?！昂嚱Y(jié)果表明，‘潛龍二號(hào)’設(shè)計(jì)科學(xué)合理、電子設(shè)備工作穩(wěn)定可靠、操作規(guī)程可行有效?！眲⒔「嬖V記者，“潛龍二號(hào)”的成功研制，為我國(guó)開(kāi)展深海資源大范圍精細(xì)探測(cè)提供了重要技術(shù)裝備，標(biāo)志著我國(guó)深海資源勘查裝備已達(dá)到實(shí)用化水平，使我國(guó)自主水下機(jī)器人技術(shù)及產(chǎn)品跨入了國(guó)際領(lǐng)先行列。
2015年7月13日，“潛龍二號(hào)”搭乘“向陽(yáng)紅10”船赴南海執(zhí)行海試及海試驗(yàn)收任務(wù)。在此次任務(wù)中，“潛龍二號(hào)”共進(jìn)行了15個(gè)潛次試驗(yàn)，最大下潛深度4446米，連續(xù)兩次成功完成大深度近海底31小時(shí)最大續(xù)航力試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，“潛龍二號(hào)”工作狀態(tài)穩(wěn)定可靠，試驗(yàn)隊(duì)員操作有序規(guī)范，其多項(xiàng)功能和性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。
對(duì)于此次“潛龍二號(hào)”在西南印度多金屬硫化物勘探區(qū)的海試和試驗(yàn)性應(yīng)用，劉健充滿(mǎn)了期待，“希望‘潛龍二號(hào)’能經(jīng)受考驗(yàn)，帶給我們更多驚喜，相信它可以成為多金屬硫化物勘探‘利器’”。
（原載于《中國(guó)海洋報(bào)》 2016-01-12 A3版 聚焦）
