每周科技串講丨揭秘水下長(zhǎng)距離“飛行器”

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們?cè)诤Ｑ筇綔y(cè)技術(shù)、海洋工程裝備研發(fā)及海洋資源利用等領(lǐng)域不斷深入研究。水下滑翔機(jī)就是其中一類(lèi)海洋裝備。2016年，天津大學(xué)王樹(shù)新教授牽頭完成“混合驅(qū)動(dòng)水下航行器關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”項(xiàng)目獲得了國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

水下滑翔機(jī),是自治型水下機(jī)器人（即AUV）的一種。它之所以能引起科研人員的廣泛關(guān)注，除了由于其可以適應(yīng)在高壓低溫的深海環(huán)境下進(jìn)行無(wú)聲作業(yè)外，還因其具備的獨(dú)特的超遠(yuǎn)距離續(xù)航能力。在新能源汽車(chē)如火如荼的發(fā)展情況下，油電混動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程可以達(dá)到一千公里左右，而體積比汽車(chē)小很多的水下滑翔機(jī)卻能夠在海底自由游弋?dāng)?shù)千公里甚至更遠(yuǎn)。背后，是無(wú)數(shù)工程師和科學(xué)家的智慧和努力。

要想實(shí)現(xiàn)水下滑翔機(jī)的長(zhǎng)續(xù)航能力，科學(xué)家們首要想到先從外形設(shè)計(jì)入手。基于仿生技術(shù)，將滑翔機(jī)設(shè)計(jì)為類(lèi)似“鯨魚(yú)”的細(xì)長(zhǎng)軸流線型，或者類(lèi)似“蝠鲼”那樣的大翼展，可以有效降低海流產(chǎn)生的阻力；模擬“雨燕”的滑翔、俯沖等飛行動(dòng)作，優(yōu)化其自身運(yùn)動(dòng)性能。為減輕自身質(zhì)量，且適應(yīng)深海高壓的作業(yè)環(huán)境，水下滑翔機(jī)多采用低密度、高強(qiáng)度的鈦合金材料。再通過(guò)優(yōu)化耐壓殼體的形狀，比如將常規(guī)的圓柱形殼體之間的肋板，調(diào)整為弓形或其他形狀，以便能提高殼體的耐壓性能?；蛘卟捎锰蓟杼沾傻刃滦筒牧?，降低耐壓殼的重量。

其次，降低功耗。水下滑翔機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作在復(fù)雜的深海環(huán)境中，進(jìn)行大規(guī)模的觀測(cè)與探測(cè)活動(dòng),其表面和內(nèi)部布滿了大大小小的傳感器。隨著小型低能耗傳感器及其集成技術(shù)的發(fā)展成熟，這些傳感器不僅可以在低功率的情況下工作，還可以通過(guò)制定專(zhuān)門(mén)的智能節(jié)能策略，讓某些傳感器間歇性工作。

在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方面，水下滑翔機(jī)巧妙地采用了浮力驅(qū)動(dòng)技術(shù)和溫差驅(qū)動(dòng)技術(shù)。浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理是利用液壓泵或活塞調(diào)節(jié)外部油囊膨脹的體積，從而調(diào)節(jié)并精準(zhǔn)控制水下滑翔機(jī)的凈浮力，確保其在水下運(yùn)行時(shí)保持穩(wěn)定的深度，其動(dòng)力通常是自帶的電池。而溫差驅(qū)動(dòng)是借助海洋中的溫度差，如某海域的不同深度或溫躍層，利用固-液相變材料（如正十六烷）的熱脹冷縮特性，實(shí)現(xiàn)海洋溫差能的捕獲?；铏C(jī)在水中浮潛過(guò)程中，隨著深度變化，環(huán)境溫度在3℃至25℃之間變化，相變材料在此溫度范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)固態(tài)與液態(tài)之間的轉(zhuǎn)變，改變體積，從而將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或電能，以實(shí)現(xiàn)浮力驅(qū)動(dòng)。這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展可以讓水下滑翔機(jī)擺脫自身攜帶電池能量的限制。

我國(guó)的水下滑翔機(jī)相較于國(guó)外來(lái)說(shuō)起步相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速，其中，由天津大學(xué)自主研發(fā)的“海燕”譜系化水下滑翔機(jī)較為典型?！昂Ｑ唷彼禄铏C(jī)的研制始于2002年，經(jīng)歷了20多年的研制、改型、優(yōu)化。其中，一款名為“海燕-X”的水下滑翔機(jī)，于2018-2020年在馬里亞納海溝進(jìn)行了大深度海試，最大下潛深度達(dá)到了10619米。另一款長(zhǎng)航程型號(hào)“海燕-L”也很有特色，其在2020年進(jìn)行的海上試驗(yàn)中，從馬里亞納海溝附近布放，直到次年才在南海附近海域回收，航行距離達(dá)到了5506公里。到當(dāng)時(shí)位置，該型號(hào)的最長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間已經(jīng)超過(guò)了300天，意味著接近一年的水下作業(yè)時(shí)間。

水下滑翔機(jī)的研發(fā)不僅僅讓我們看到了科學(xué)家和工程師的智慧和努力，還見(jiàn)證了中國(guó)在海洋領(lǐng)域取得的成就。未來(lái)可以期待有更多新穎的技術(shù)可以涌現(xiàn)出來(lái)，并將其應(yīng)用到水下滑翔機(jī)領(lǐng)域中去，繼續(xù)推動(dòng)我國(guó)對(duì)海洋領(lǐng)域的探索和利用，為人類(lèi)社會(huì)事業(yè)做貢獻(xiàn)。

撰文：宋婷婷，上海彩虹魚(yú)深?？破栈刂魅?/p>

審稿專(zhuān)家：祝葉華，科技導(dǎo)報(bào)社副編審、清華大學(xué)博士

編輯：陳雨薇（實(shí)習(xí)）

中國(guó)科協(xié)科普部

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