天津日报聚焦:天津大学研制基于精准浮力调控的无人航行器、潜水器----“翱翔”在深海的“海燕”

2017-09-07 点击数:      

  

  《天津日报》(2017年9月7日 13版)

  

  

  

  

  身长1.8米 直径0.3米 重约70千克 图片由天津大学提供

  本报讯(记者 赵晖 张华)最大滑翔速度1.3节(海里/小时),最大水平推进速度3节(海里/小时)

  设计最大深度1500米,最大航程1000公里

  采用最新混合推进技术,可持续不间断工作30天左右

  拥有更先进的运算处理能力,不仅可以自主决定航线,还可将数据传回总部,供离线处理和分析

  未来“海燕”号的增大版及其他有望出现的水下无人潜水器可以为中国海军完成要求更高的远程任务

  近日,在距离海岸线300多公里的南海北部,世界上持续时间最长、投放设备类型最多、覆盖海域最广的一次针对海洋“中尺度涡”的海洋立体综合观测完成阶段性任务。这次观测覆盖了“大气──海水界面”至4200米水深范围的14万平方公里海区,30余台套新型海洋设备均为我国自主研发,展示了我国高端海洋观测装备的研发能力与水平。这些先进装备构建起综合立体的观测网络,标志着我国在深海组网观测研究方面已经走到了世界前沿。

  在众多设备中,一个身轻如燕的“机器人”表现十分亮眼,它就是天津大学研制的水下航行器“海燕”。深潜1500米,持续航行30多天,能连续跟踪漩涡……“翱翔”深海,深海精灵“海燕”又一次惊艳了世界。

  拥有国际先进的水下航行器一直是建成世界海洋强国重要的标志性成果之一,因此美国等国对该技术一直进行严密封锁。天大自主研发的“海燕”,无论在续航里程、下潜深度以及稳定性等诸多方面,都不输于国外同类产品。既打破了国外对我国水下航行器的技术封锁,也扭转了我国在某些关键技术上受制于人的局面,引领了新型水下航行器技术的发展。

  自主研发的海底“变形金刚”

  近年来,以混合推进技术为特征的新一代水下航行器成为国际研究新趋势,它集能耗小、成本低、航程大、运动可控、部署便捷等优点于一身,具备独立在水下全天候工作的能力,在海洋科学等领域发挥重要作用。世界海洋强国均把水下航行器先进研究成果应用到军事装备设计中,相关技术和产品被各国严密封锁。想研发水下航行器,想成为海洋强国只能自主研发。

  天津大学王树新教授团队历经十余年终于突破了技术封锁。从基础理论、技术攻关、设计制造、系统集成四个层面开展研究,成功攻克了“混合驱动水下航行器关键技术与应用”项目,研制成功“海燕”水下航行器系列化产品,并完成设计定型。在科技部组织的水下航行器南海性能比测中,“海燕”连续航程最大、航时最长、工作剖面最多。

  在以往的测试中,“海燕”连续运行时间超过21天,其间经受了浪高约4米的恶劣海况考验,总剖面数超过210个,连续航程水面累计超过600公里,最大下潜深度1514.2米,能在复杂海洋环境下大深度平稳滑翔运动;“海燕”最大滑翔速度1.3节(海里/小时),最大水平推进速度3节(海里/小时),连续航程超过1100km,实现水下航行器航程从百公里级提升至千公里级的突破。“海燕”采用了最新混合推进技术,可持续不间断工作30天左右。相比于传统无人无缆潜水器,“海燕”可谓身轻体瘦。它形似鱼雷,身长1.8米,直径0.3米,重约70千克;设计最大深度1500米,最大航程1000公里;融合了浮力驱动与螺旋桨推进技术,不但能实现和传统潜水器一样的转弯、水平运动,还具备剖面滑翔能力──即进行“之”字形锯齿状运动。“海燕”的负载能力为5千克,并通过扩展搭载声学、光学等专业仪器,成为海底的“变形金刚”,可在海洋观测和探测领域大显身手。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项目。“海燕”还可以凭借灵活小巧的身姿,较长时间跟随海洋动物,获取数据。

  不输国外产品 未来“反潜神器”

  “海燕”采用了最新的混合推进技术,以浮力驱动为核心并融合其他驱动方式,具有体积小、重量轻、航程远等优点。“海燕”利用机翼和浮力变化可将垂直运动变为水平运动。“海燕”号还拥有更先进的运算处理能力,不仅可以自主决定航线,还可将数据传回总部,供离线处理和分析。

  早在2014年,“海燕”在南海北部水深大于1500米海域通过测试,创造了中国水下航行器无故障航程最远、时间最长、剖面运动最多、工作深度最大等诸多纪录,一举打破国外对我国的技术封锁。无论在续航里程、下潜深度以及稳定性等诸多方面,“海燕”都不输于国外同类产品。

  “海燕”的研制成功解决了我国相关技术的“有”“无”问题。而且首次提出混合驱动水下航行器新概念设计,并具有操纵性好、轨迹精度高、续航能力强的优点,引领了新型水下航行器技术发展与实用化进程。

  副教授王延辉详细介绍了“海燕”的“聪明”与“强韧”:“既有浮力驱动,又有螺旋桨推进,且通过智能控制设计,实现稳定运行。简单地说,‘海燕’有类似鱼鳔的浮力驱动模块,它利用自己的鱼鳔来实现下潜和上浮等滑翔运动。但仅仅只有鱼鳔的话,‘海燕’的抗海流能力就会较差。因此,混合驱动模块的融入,就是给‘海燕’加上了螺旋桨,这样,‘海燕’便可以迎流而上,逍遥自得地游动啦。而且‘海燕’的能源来源也是复合的,既可以使用传统的电池作为能量来源,也可以采用海洋温差能。海水的温差为其提供了源源不断的能量,大大地提高了‘海燕’的续航能力。‘海燕’也很聪明,漂浮水面接受指令程序后可以自主下潜,到达指定任务深度后,可以在螺旋桨驱动模式下,定深巡航,执行科学任务。完成科学数据收集任务后,自主上浮。‘海燕’回到水面后,会翘起自己的尾巴,通过尾部天线,连接卫星,发回观测数据;同时,接受控制中心发布的指令,聪明地执行自己的下一次任务。在运动过程中,‘海燕’还可以自动判别距离海底高度,以规避障碍;也能够根据海流大小,智能启动混合推进,以适应复杂海洋环境的影响。同时,‘海燕’也可以综合判断自身运行中的各种故障,灵活采用数十种应急策略,以保证长时间的可靠工作。”

  据研发团队介绍,“海燕”目前是一款民用平台,目标是用于海洋生物学科考、海底科考以及协助研究任务和救援任务。其相关成果在中国船舶工业系统、国家海洋局系统、高校等单位的公开采购中标,提供产品十余台套,有力推进了中国海洋观测与探测能力。

  作为自主水下无人潜水器,“海燕”有能力在不需要人工干预的情况下独立作业,这也令其成为漫长和危险任务的理想之选,比如扫雷或潜艇侦察。反潜战长期以来一直是美国占优势,因此中国海军在这个领域的进步具有重大意义。未来“海燕”的增大版及其他有望出现的水下无人潜水器可以为中国海军完成要求更高的远程任务。尺寸更大的水下无人潜水器可以携带更大的传感器,能探测到距离更远的水雷和潜艇。

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水下机器人家族

  水下机器人家族包括有缆潜水器(ROV)、水下无人无缆潜水器(AUV)和载人潜水器。用于寻找马航MH370飞机黑匣子的美国“蓝鳍金枪鱼”为有螺旋桨的AUV,重750千克,最大下潜深度为4500米,靠锂电池提供动力,水下行动时间约24小时。中国“蛟龙号”为载人潜水器,重量超过20吨,最大设计深度7000米,正常水下工作时间约12小时。

  聚焦国家需求 十年造“燕”

  “海燕”是一项坐了十几年冷板凳的“风险”项目,在2011年获得“863计划”立项之前,未获其他资助,只能靠做别的项目“打零工”解决经费。是“国家需要”四个字支持着项目组研究的执着。

  “2002年,我在一篇文章里了解到国外水下航行器的研究进展和国外对中国相关技术的封锁,又正赶上机械学院拓展新方向,我们团队就把关注点集中在了水下航行器。”王树新介绍,海洋环境和资源探测的需求使水下机器人必须从定点探测到大范围,从浅海到深海,从短时到全天候,而创新动力支撑的水下航行器就是实现这些目标的有效手段。

  续航里程是水下无人航行器的重要指标,寻找恰当的能源功能材料则是关键。“整个项目组都沉浸在这个难题中,大家进行了无数次头脑风暴,每天做测试实验到晚上10余点,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。”现为副教授的王延辉当时还是一名硕士研究生,自2002年开始跟随王树新做这一项目。

  一天晚上,王树新灵感忽现:试试国外一种用于衣服表层的石蜡。“真是众里寻他千百度,蓦然回首,却在灯火阑珊处,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都喜出望外。这其实就是当时国外应用于海洋装备上的能源材料,但从不报道,对中国更是实行信息封锁。

  2006年,他们首次申请“863”失败,但这并不影响“海燕”团队的干劲儿。设计水深1500米,他们通常在2000米水深下打压,并且对打压次数也极为较真,少做一次实验,都感到“不踏实”。

  深海关键技术与装备领域的研究不能仅在实验室进行,为了检验实践效果,王树新与团队成员每年有100多天都是野外作业,“漂”在海上,呆在海边,陪着“海燕”成长。

  为了节省有限的科技经费,科研团队放弃两三千吨重,生活设施良好的科学调查船,而租用几百吨的渔船。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。

  一人站在二层甲板上指挥,一人操控吊车,一人套网,一人控制缆绳,挂钩、起吊、布放、卸钩、入水……平日里从事脑力劳动的师生从事起体力劳动也个个是把“好手”。“我们都是练出来的。”王延辉笑称,他们团队没有一个胖子,虽然平日工作压力大,身体素质都还很好。遭鲨鱼攻击、偶遇海豚群、帮船长修船,这些“奇闻异事”,王延辉他们都经历过。

  面对种种阻碍,王树新一直鼓励团队里的年轻人,“先设立一个小目标,我们一个一个实现”“我们马上就要成功了,只差一点点。”科研工作就是这样“痛并快乐着”的过程。

  “海燕”是王延辉起的名字,寓意它身轻如燕、饱经风雨。王树新更希望用“海燕”诠释“实事求是”。参与者多年无名无利,对“国家重大需求”的执着“实事求是”的追求支撑了他们。

  “打破国外垄断,我们的技术一直在不断地进步,并且和发达国家的差距在不断缩小,这是我们工作最大的乐趣和回报。”王树新朴实的话语却是科研人对科研事业的热爱与执着。

  成长记录

  2002至2005年,“海燕”在实验室成长;2006年起,“海燕”开始在海洋中多次“试水”。2014年春,按照国家高技术研究发展计划(863计划)“深海滑翔机研制及海上实验研究”项目安排,天津大学“海燕”于2014年春参加了规范化海上试验中期评估,在第三方全程监督下,圆满完成了单周期、多周期及长航程等一系列任务,是在南海测试的诸多航行器中唯一一个全程无故障完成所有项目的水下航行器,并创造了中国水下航行器无故障航程最远、时间最长、剖面运动最多、工作深度最大等诸多纪录。

  美国“国际军事”杂志曾推出用于海军的水下机器人专刊,“海燕”是中国唯一上榜的水下航行器。

  美国《大众科学》杂志在2014年6月对“海燕”水下滑翔机的专题评述:“作为一种自动的水下无人航行器,‘海燕’能够无需人员介入下执行独立任务,是实施长航程或危险区域使命的理想工具,如扫雷和潜艇探测。”

  中国海洋学会、中国太平洋学会、中国海洋湖沼学会共同评选出了“2014年度中国海洋十大科技进展”,天津大学“海燕”水下滑翔机位列排行榜第二位。

  2016年,天大“海燕”获得国家技术发明奖二等奖。

  天津日报:http://epaper.tianjinwe.com/tjrb/html/2017-09/07/content_13_1.htm

  (编辑 张华 代东冉)