“海燕”水下滑翔機20年形成譜系化發(fā)展

文/楊紹瓊

楊紹瓊，天津大學(xué)機械工程學(xué)院副教授、中國力學(xué)學(xué)會科學(xué)普及工作委員會委員、《無人系統(tǒng)技術(shù)》青年編委

關(guān)于天津大學(xué)在“海燕”水下滑翔機及其海試應(yīng)用方面的最新進展，我從3個方面簡要介紹，包括“海燕”水下滑翔機的發(fā)展歷程，“海燕”的一些亮點數(shù)據(jù)和海洋環(huán)境觀測（組網(wǎng)）應(yīng)用。

“海燕”水下滑翔機是一個無人自治的平臺，通過搭載不同的任務(wù)傳感器，包括CTD傳感器和聲學(xué)傳感器等來觀測海洋中的水文環(huán)境。我們通過配平的方式使它“中性”浮于水面，通過調(diào)節(jié)自身攜帶的浮力驅(qū)動系統(tǒng)與其重力匹配，如果重力大于浮力就會下潛。當(dāng)它達到指定深度，可以通過浮力調(diào)節(jié)，使浮力大于重力反向回升，從而實現(xiàn)對海洋水體的觀測。我們可以把海燕水下滑翔機的浮力單元想象成魚鰾，然后通過結(jié)構(gòu)和能源的設(shè)置使它調(diào)節(jié)浮力，實現(xiàn)上升或下潛。

它主要包括執(zhí)行單元、感知單元和通信鏈路。執(zhí)行單元主要進行浮力調(diào)節(jié)，當(dāng)然還有應(yīng)急單元，出現(xiàn)故障的時候?qū)崿F(xiàn)拋載。現(xiàn)在的水下滑翔機也做到了螺旋槳推進的形式。

天津大學(xué)是從2002年開始水下滑翔機的研制，近20年來，已經(jīng)形成了“海燕”水下滑翔機譜系化的發(fā)展。包括工作深度的譜系，從200米到1000米到4000米，到2018年下潛到8213米，以及2020年下潛到10619米這樣一個世界紀(jì)錄的深度。我們在續(xù)航里程上也可以進行1000公里、3000公里到現(xiàn)在4435公里，已經(jīng)與世界先進水平持平。在任務(wù)傳感器上，可以搭載不同類型，比如湍流傳感器、葉綠素傳感器、海洋傳感器和深海相機等，從而對海洋動力環(huán)境聲學(xué)特征和生態(tài)環(huán)境進行觀測。

累積到現(xiàn)在，“海燕”水下滑翔機已經(jīng)跑過了5萬多個剖面，航行里程約15萬公里。2020年5月，我們刷新了一個紀(jì)錄，續(xù)航達到了301天。這樣的話，在海洋環(huán)境觀測的過程中，就把原來以季度為單位的回收轉(zhuǎn)化成跨年度的回收。

除了單機平臺，在組網(wǎng)應(yīng)用方面我們依托海洋試點國家實驗室平臺實現(xiàn)了無人系統(tǒng)觀測網(wǎng)的組建和運行。5月22日回收最后一臺水下滑翔機共在網(wǎng)運行了379天。

“海燕”水下滑翔機參加了很多重要的任務(wù)。比如第10次北極航次科學(xué)考察任務(wù)，大洋第45 /46航次觀測科考任務(wù)，首次對臺風(fēng)路徑現(xiàn)場觀測。

目前我們依托海洋試點國家實驗室的平臺，也組建了“海燕”的生產(chǎn)基地。青島研發(fā)生產(chǎn)基地能年產(chǎn)50臺。

環(huán)境方面，我們依托無人系統(tǒng)組網(wǎng)的觀測，順利開展了多型異構(gòu)編隊協(xié)同觀測試驗、多尺度海洋動力過程及臺風(fēng)等極端環(huán)境下的環(huán)境觀測，驗證了我們的水下滑翔機在極端環(huán)境下的觀測能力。這也是我們水下滑翔機起名“海燕”的原因，借用高爾基的一句話，就是“讓暴風(fēng)雨來得更猛烈些吧！”。現(xiàn)在，我們也實現(xiàn)了在極端臺風(fēng)環(huán)境中的水下觀測。

2019年，海洋智能裝備岸控平臺實現(xiàn)了同時對超30臺水下滑翔機和多臺波浪滑翔機的任務(wù)規(guī)劃、顯示操控等功能，具備了對百臺及以上海洋智能裝備的操控功能。在多型異構(gòu)編隊與協(xié)作技術(shù)和控位精度上，我們也取得了一些進展。目前，跟國外同技術(shù)水平的水下滑翔機相比，我們已經(jīng)從跟跑到并跑，到現(xiàn)在在某些領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)了領(lǐng)跑。