深海玻璃浮球綜述

王華文，董為勇

(國(guó)家浮法玻璃重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蚌埠 233000)

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深海玻璃浮球綜述

王華文，董為勇

(國(guó)家浮法玻璃重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蚌埠 233000)

摘要：浮標(biāo)、潛標(biāo)系統(tǒng)是海洋科考中的重要技術(shù)裝備，而深海玻璃浮球則是浮標(biāo)、潛標(biāo)系統(tǒng)中的重要構(gòu)成。該文介紹了深海玻璃浮球的應(yīng)用現(xiàn)狀以及國(guó)內(nèi)研發(fā)情況，說明了選擇深海玻璃浮球作為浮力系統(tǒng)的原因以及其在浮標(biāo)、潛標(biāo)系統(tǒng)中起到的作用，指出了深海玻璃浮球研究制備需要考慮的問題，簡(jiǎn)單敘述了蚌埠玻璃工業(yè)設(shè)計(jì)研究院深海浮球的研究開發(fā)情況。

關(guān)鍵詞：深海玻璃浮球；浮標(biāo)系統(tǒng)；潛標(biāo)系統(tǒng)

浮標(biāo)、潛標(biāo)技術(shù)是20世紀(jì)60年代由一些海洋發(fā)達(dá)國(guó)家開始使用并發(fā)展起來的。浮標(biāo)、潛標(biāo)系統(tǒng)是海洋環(huán)境調(diào)查的重要技術(shù)裝備，在惡劣的海洋環(huán)境條件下，可以無人值守，對(duì)海洋水文、氣象諸要素進(jìn)行長(zhǎng)期、連續(xù)、同步、自動(dòng)、全面的綜合監(jiān)測(cè)，具有觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、隱蔽、不易受海面環(huán)境條件影響等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外海洋科考中得到了廣泛應(yīng)用。

1潛標(biāo)系統(tǒng)

潛標(biāo)系統(tǒng)基本構(gòu)成，見圖1。此系統(tǒng)主要由重塊、聲學(xué)釋放器、玻璃浮球、調(diào)查儀器、信標(biāo)、纜繩和扣環(huán)組成。

1)重塊的作用是固定整個(gè)系統(tǒng)，不讓其被海流沖走。

2)聲學(xué)釋放器是一種緊湊的、利用微控制器控制的高可靠的聲學(xué)釋放系統(tǒng)。應(yīng)用水聲通信原理，通過一對(duì)水聲換能器進(jìn)行通訊，控制釋放機(jī)構(gòu)執(zhí)行脫鉤動(dòng)作，釋放錨定沉塊，實(shí)現(xiàn)浮體帶著儀器上浮。

3)玻璃浮球分兩類，一類是儀器浮球，里面可以放置儀器設(shè)備；還有一類是單純提供浮力的，是整套系統(tǒng)中浮力的承擔(dān)者。玻璃浮球是系統(tǒng)能否成功回收的關(guān)鍵。

4)調(diào)查儀器根據(jù)海洋科考的目的而定，常見的有ADCO海流計(jì)、沉積物捕捉器等。

5)信標(biāo)可以方便系統(tǒng)浮出海面后進(jìn)行定位查找，且夜間會(huì)有燈光閃爍。

6)纜繩和扣環(huán)的作用主要是把各主要連接部件連為一體。

2深海玻璃浮球

在這里我們主要討論玻璃浮球的作用。深海玻璃浮球，見圖2。

一般而言，玻璃浮球主要是為潛標(biāo)系統(tǒng)提供浮力，具有3方面的功能。

1)支持系統(tǒng)中的有效荷載。所謂有效荷載就是指系統(tǒng)中的有關(guān)系留部件、串聯(lián)儀器、其他設(shè)備(如釋放器等)在水中的重量的總和。浮球提供凈浮力總和必須大于有效荷載，并且剩余一定的凈浮力，才能保證系統(tǒng)不沉入水底，并在布放回收時(shí)使系統(tǒng)漂浮在海面。

2)為系統(tǒng)提供儲(chǔ)備浮力，使系統(tǒng)具有一定的抗損能力。所謂儲(chǔ)備浮力是指潛標(biāo)系統(tǒng)中，任一部位以下浮力部件的凈浮力與下面這段系統(tǒng)的有效負(fù)載(釋放器以下的部件除外)之差。儲(chǔ)備浮力沿系留索的分布均應(yīng)是正值，而且還應(yīng)有相當(dāng)?shù)挠嗔浚拍鼙ＷC系統(tǒng)在任一部位斷裂后，下面那一部分仍能使儀器正常工作，并保證釋放器釋放錨之后，這剩余部分仍能返回海面。

3)使系統(tǒng)呈緊繃狀態(tài)，保持儀器良好的工作狀態(tài)。系統(tǒng)在水下工作時(shí)，受海流作用，不可避免的要偏離直立狀態(tài)，流體阻力越大系統(tǒng)傾斜越厲害。浮力部件的浮力則使其盡量保持直立狀態(tài)。在我們?cè)O(shè)計(jì)的千米潛標(biāo)中所使用的海流計(jì)在正常工作時(shí)傾斜不能超過15°，所以必須在每個(gè)儀器層上增加足夠數(shù)量的玻璃浮球，使儀器的傾斜角度小于15°。

為什么選用玻璃浮球作為浮力提供裝置呢？這是因?yàn)樗鼈兌际峭该鞯摹⑤p質(zhì)的、經(jīng)濟(jì)的，耐腐蝕、易處理、有足夠的強(qiáng)度、無污染。因此，在過去50多年中，全世界的海洋學(xué)家一直在深海技術(shù)中選用玻璃浮球。玻璃浮球是一種獨(dú)特的、可靠的、經(jīng)濟(jì)的，既可提供浮力，又可作為海洋環(huán)境下電子設(shè)備存儲(chǔ)元件的新型產(chǎn)品。

國(guó)外生產(chǎn)玻璃浮球的公司主要有美國(guó)的Teledyne Benthos公司和德國(guó)的SCHOTT DURAN @公司，同時(shí)在中國(guó)也設(shè)置了代理商。除此之外，日本也有自己的玻璃浮球產(chǎn)品。其中Teledyne Benthos公司是世界上生產(chǎn)玻璃浮球以及深海儀器浮球最好的公司，精益求精和持續(xù)提高的研發(fā)技術(shù)保證了深海玻璃浮球在極端環(huán)境下的可靠性；而先進(jìn)的裝配技術(shù)和已申請(qǐng)專利的真空封閉法可以保證深海玻璃浮球的高品質(zhì)以及更長(zhǎng)的使用壽命，公司發(fā)貨之前為保證品質(zhì)會(huì)對(duì)每一個(gè)玻璃浮球都進(jìn)行密封壓力測(cè)試。Teledyne Benthos公司對(duì)已申請(qǐng)專利產(chǎn)權(quán)保護(hù)的浮球和儀器浮球均采用模具脫模制備工藝以保證精度，每個(gè)半球邊緣均研磨至非常平整。

3深海玻璃浮球保護(hù)殼

淺黃色的、有浮力的、聚乙烯硬質(zhì)保護(hù)殼是每個(gè)玻璃浮球應(yīng)具備的，可以為放在其中的玻璃浮球提供保護(hù)，免受機(jī)械碰撞，并且在使用玻璃浮球的時(shí)候更容易處理。硬質(zhì)保護(hù)殼由法蘭和不銹鋼螺釘連接。邊緣處可以通過螺釘與安裝框架相連或者鎖到錨鏈的鏈條上。深海玻璃浮球保護(hù)殼，見圖3。

4深海玻璃浮球制備工藝

制備玻璃浮球時(shí)，這些玻璃半球先成對(duì)匹配，接著內(nèi)部抽真空至低于0.3個(gè)大氣壓。抽真空過后，先在半球連接處涂上密封劑然后纏上保護(hù)膠帶。以這種方式密封好的球在常壓下幾乎是不可能用外力打開的。以直徑為43.2 m的浮球?yàn)槔蜷_需要超過880 kg的外力。

在玻璃儀器殼體上可以開一個(gè)鈦合金的真空接口以方便打開或者關(guān)閉球體。對(duì)于需要頻繁打開的浮球推薦使用這樣的真空接口。

深海玻璃浮球的制備方法主要考慮3個(gè)方面：1)選擇合適的玻璃成分；2)設(shè)計(jì)適宜的成型模具；3)玻璃浮球的后期打磨及密封工藝。

5深海玻璃浮球國(guó)內(nèi)研發(fā)現(xiàn)狀

盡管玻璃浮球在過去的50多年里一直在深海技術(shù)中得到應(yīng)用，但是國(guó)內(nèi)一直沒有相關(guān)產(chǎn)品的出現(xiàn),一直在進(jìn)口國(guó)外的相關(guān)產(chǎn)品應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)中。僅以青島海洋大學(xué)為例他們一年的使用量就在1 000個(gè)左右，而深海玻璃浮球的價(jià)格國(guó)外一般都在800~1 000美元/個(gè)。

蚌埠玻璃工業(yè)設(shè)計(jì)研究院也積極開展相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)研究。目前已經(jīng)在玻璃配方和模具制造方面取得進(jìn)展，解決了一系列問題，制備出玻璃浮球半球球體，為玻璃浮球的后期打磨處理以及密封工藝的探索奠定基礎(chǔ)，相關(guān)試驗(yàn)人員正在積極準(zhǔn)備相關(guān)性能驗(yàn)證試驗(yàn)，預(yù)計(jì)近期會(huì)有較大突破。

參考文獻(xiàn)

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Introduction of Deep Sea Glasspheres

WANGHua-wen，DONGWei-yong

(Float Glass State Key Laboratory,Bengbu 233010,China)

Abstract:Buoy system and submersible buoy system are important technical equipments in marine research.The deep sea glasspheres are important componants of buoy system and submersible buoy system.In this paper,we introduce the present situation and application of deep sea glasspheres,as well as domestic research and development.We also particularly introduce the reason of choosing deep sea glasspheres as buoyancy system and how it works in buoy system and submersible buoy system.We raise the problems needed to be considered in deep sea glasspheres preparation.At last,the paper briefly introduces the research and development of deep sea glasspheres in Bengbu Design and Research Institute for Glass Industry.

Key words:deep sea glasspheres；buoy system；submersible buoy system

作者簡(jiǎn)介：王華文(1980-)，工程師.E-mail:huawenwang224@163.com

收稿日期：2015-08-07

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.06.003