“海纳百川，有容乃大。”海洋，地球上最广阔水体的总称。海洋的中心部分称作洋，边缘部分称作海。从边缘走向中心，人类探索深海大洋的脚步从未停止。
近年来，我国科技工作者奋勇攀登、潜心攻关，在水下滑翔机、“三龙”系列潜水器等前沿技术研发上取得了显著成绩，提升了深海大洋科学考察的深度和广度。今日，本报推出相关报道，以飨读者。
——编者
水下“滑翔”显身手
——我国水下滑翔机研发应用掠影
近日，我国科考队员依托“向阳红06”船，在印度洋布放了12台“海翼”水下滑翔机执行集群同步观测任务，完成了我国在印度洋多参数水下滑翔机协同组网观测应用。作业过程中，“海翼”号搭载了多种传感器，获取的海洋环境信息数据通过卫星远程实时回传至岸基显控中心，为科研人员分析海洋动力过程提供数据支撑。
水下滑翔机是一种新型水下机器人，可搭载多种探测工具潜入深海执行观测任务。近年来，以“海翼”号、“海燕”号等为代表的国产水下滑翔机致力探索深海科学奥秘，在研发、应用等方面取得一系列新进展，助力我国深海科学研究不断取得新成果。
当今世界主流的海洋观测技术主要包括天基、海基和水下移动3种方式。传统的海洋观测作业通常依赖固定系泊设备和科考船进行，观测范围有限。飞机、卫星可高效完成大面积海洋环境观测，却难以穿透水体进行较深海域监测。传统无人潜航器普遍使用电池作为动力装置，航时短、续航力弱。
破解观测技术难题
水下滑翔机的概念最早由美国于年提出，主要以电池或太阳能为动力来源，通过浮力和姿态变化实现水下“滑翔”，能源消耗少，只在调整净浮力和姿态角时消耗少量能源。
虽然水下滑翔机航行速度较慢，但其制造成本和维护费用低、可重复使用和大量投放，满足了长时间、大范围开展海洋观测的需要。与电力驱动的水下航行器相比，水下滑翔机作业时限可延伸到数月甚至数年。通过多机协作和搭载各类设备，可满足多种观测任务需求，有助于构建海洋环境观测网络，极大提高观测效率。
自上世纪90年代起，美国就开始进行水下滑翔机技术研究，目前已成功研制出多种型号产品。美国金枪鱼机器人技术公司研制的“喷射滑翔者”水下滑翔机，使用一组电池就可连续作业超过6个月。目前，美国、法国、日本、加拿大等国的水下滑翔机已形成多种型号，在体系结构和性能上各有所长，部分型号已经实现了产品化。
科考队员回收“海燕”水下滑翔机外表“呆萌”本领大
圆圆的“脑袋”、筒状的身材、前部长着一对“翅膀”、后面拖着天线“尾巴”，水下滑翔机的外貌大致如此。随着水下机器人技术不断发展，看似“呆萌”的水下滑翔机早已集成了壳体、航行控制、传感器、水声通信、导航及发射回收等诸多新技术。
不用螺旋桨在水下怎么“飞”？原来，水下滑翔机装配有油囊和可以前后移动的电池。通常，水下滑翔机浮力引擎外部都装有一个油囊。当下潜到预定深度完成任务后，水下滑翔机就会将机体携带的液压油压入油囊，随着油囊膨胀，机体密度会逐渐低于海水密度，进而实现上浮。
当前后运动时，水下滑翔机配备的可前后移动电池就会大显身手。下潜时，电池会自动前移，前部的“翅膀”会产生向前的推力；上浮时，电池自动后移，从而在下潜、上浮过程中实现折线前进，就像海豚一样在大海保持航向不断前行。
水下滑翔机在海里“跑”，“跑丢了”怎么办？为此，水下滑翔机还装备了通信与导航定位仪器，通过姿态控制把天线最大限度地抬离水面，并与卫星等终端建立稳定通信，实时传输位置、姿态、状态和采集到的各类海洋环境数据。
目前，水下滑翔机的发射方式包括水面平台发射、通过吊臂和特殊发射装置发射、通过甲板安装的固定轨道发射等多种方式，使用后也可通过固定式导轨、吊臂、回收笼以及人工方式收回。
突破瓶颈自主造
长期以来，由于发达国家把水下滑翔机先进研究成果应用于军事装备设计，因此国际上相关技术和产品均不向中国提供。
国内水下滑翔机的研究起步较晚。近年来，我国科研人员立足自主创新，研发了“海燕”号、“海翼”号等国产水下滑翔机，打破了国外技术垄断和封锁，有效推进了我国水下滑翔机实用化进程，创造了中国水下滑翔机作业多项纪录。
“海燕”系列水下滑翔机是一款由天津大学自主研发、拥有完全自主知识产权的无人潜航器。该水下滑翔机采用混合推进技术，可持续工作约30天，负载能力为5公斤，可搭载声学、光学等专业仪器。
相比于传统水下滑翔机，“海燕”号具有耗能小、成本低、航程大、部署便捷等优势。它形似鱼雷，身长1.8米、直径0.3米、重约70公斤，融合了浮力驱动与螺旋桨推进技术，能实现水下转弯、水平运动，具备传统水下滑翔机的剖面滑翔能力。
年，“海燕”号势如破竹，创造了一个又一个纪录——“海燕-X”万米级水下滑翔机在马里亚纳海沟完成了水下测试，最大潜深达到米，刷新水下滑翔机最大下潜深度世界纪录；“海燕-L”水下滑翔机实现海上无故障运行天，最大工作深度米，连续观测剖面个，续航里程公里。
年，“海燕”号再接再厉，在我国第十次北极考察期间，“海燕”号搭载温盐深和溶解氧传感器，对北极海域水体与生化要素进行组网观测，首次实现水下滑翔机在北极海域的组网观测。
历经多年优化升级，“海燕”研发团队现已具备工作深度为米、米、米和0米谱系化的“海燕”水下滑翔机生产和研发能力，可适应不同用户需求。“海燕”号在全球海洋环境观测中发挥着越来越重要的作用。
刻苦攻关获佳绩
从3年开始研究到9年首次海试，再到如今的成熟稳定，中国科学院沈阳自动化研究所水下滑翔机研究项目团队见证了“海翼”号每一步成长。
3年，“海翼”号总设计师俞建成和团队成员开始从事水下滑翔机研究。当时，美国研制的水下滑翔机已进入实验性应用阶段。
“海翼”号研制初期困难重重，进展也比较缓慢。水下滑翔机作为新型水下机器人，有一些特殊技术要求。比如，对水动力外形优化要求很高、对控制系统功耗非常敏感，既要实现小型化又要实现长续航能力等。
由于缺乏技术基础，研制团队最初设立的目标也较低。随着技术不断积累，目标也随之提高。续航能力从最早的没有指标要求，到后来设定为公里，再到公里、公里……通过科学制订分阶段研究目标、降低技术难度和技术风险，研发团队不断实现技术突破，于5年研制出首台原理样机、8年研制出工程样机。
海上试验是水下滑翔机研制必不可少的重要环节。9年，“海翼”号进行首次海上试验。由于前期设计缺乏经验，水下滑翔机不论在软硬件还是在机械系统上都存在问题，环境适应性也不够好。为此，研制团队成员白天试验、找问题，晚上拆卸舱体、维修与解决问题，最终成功完成海试。此后，俞建成带领研制团队再接再厉，突破了长续航力、大深度、小型化等水下滑翔机研制关键技术，研发出具有自主知识产权的“海翼”系列水下滑翔机，部分技术指标达到国际领先水平。
马里亚纳海沟被称为世界“第四极”，深度超过珠穆朗玛峰的海拔，是地球上最深之地。年，“海翼”号不负众望，在马里亚纳海沟下潜到米深度，刷新了由美国创下的米深度的世界纪录。该型滑翔机可搭载温度、盐度、溶解氧、浊度、叶绿素、硝酸盐等多类探测传感器，能满足多样化海洋观测应用需求。
水下滑翔机在数千米深的深海活动，为避免被压成“铁饼”，必须使用轻便耐压的特殊抗压材料。“海翼”号米级水下滑翔机采用由轻质碳纤维材料制成的外壳，不仅穿上了“铁布衫”，还成功“瘦身”，为携带更多电池提供了空间。
同时，为保证潜得更深、跑得更远，水下滑翔机还必须进行相应的减阻设计。通过独特的前缘设计，“海翼”号有效减少了阻力，进一步提升了续航时间。
多年来，“海翼”号成功执行了10多次重要科考任务，应用海域遍布我国东海、南海，以及印度洋等，创造了国产水下滑翔机的下潜深度、航程、连续工作时间、规模集群应用等多项纪录。年1月，中国科学院沈阳自动化研究所“海翼”水下滑翔机研究团队荣获年度中国科学院杰出科技成就奖。
目前，针对不同海上观测任务需求，“海翼”号已经拥有了米级、米级和米级等多种型号，可搭载各类传感器，在海洋观测、海洋生物、海洋化学及资源勘探等领域一显身手。
链接水下滑翔机
水下滑翔机的概念最早是由美国提出来的。年，美国科学家提出采用一种能够在水下作滑翔运动的浮标进行海洋环境调查的设想。年以来，在美国海军资助下，美国科研机构先后研制出多种以电池为能源的小型水下滑翔机。2年开始，美国华盛顿大学还开展了潜深为米的深海水下滑翔机研究工作，并开展了多次海上试验，最大下潜深度已达到米。3年，美国海军开始支持大型翼型水下滑翔机的研究工作，其翼展约为6米，重量约为1.5吨，最高时速可达3节。
日本也是世界上较早开始水下滑翔机研究的国家，于年研制出单滑翔周期的水下滑翔机。8年，日本研制了碟形水下滑翔机和水平翼可旋转的水下滑翔机。碟形水下滑翔机直径为1.9米，高度为0.55米，重量为公斤。此外，法国、加拿大、韩国也都开展了与水下滑翔机相关的研究。
“潜龙二号”：技术升级再出发
2月7日，“潜龙二号”安全回收至“大洋一号”船，顺利完成了大洋58航次科考首次下潜任务。本次下潜，“潜龙二号”近海底工作超过43个小时、航程约公里、最大潜深米，获取了多金属硫化物区高精度地形地貌、水体探测、磁力等数据，完成了深海自主采水，将为我国多金属硫化物区勘探、深海科学研究提供技术支撑。
“潜龙二号”作业现场擅长大范围探测
深海蕴藏着丰富的资源，是人类未来发展的蓝色空间，是国家和民族长远发展的战略新疆域。以前，受技术装备与手段限制，我国深海科学成果产出周期较长、数量较少，取得突破性进展的难度较大。
我国水下机器人研究始于20世纪70年代末，中国科学院沈阳自动化研究所在国内率先开展“智能机器在海洋中的应用”的可行性研究，我国第一台水下机器人“海人一号”于年在南海试验成功，从而揭开了我国水下机器人发展的序幕。
当前，水下机器人主要分为3类：载人潜水器（HOV）、无人有缆潜水器（ROV）和无人无缆潜水器（AUV）。人们熟知的蛟龙号是载人潜水器，“海龙”号是无人有缆深海潜水器，这两类潜水器都擅长局部作业、定点精细探测。相较“蛟龙”“海龙”，“潜龙”号则擅长大范围精细探测，属于无人无缆自治潜水器。“三龙”系列潜水器优势互补，已经成为我国深海探测装备的主力军。
“潜龙兄弟”不断壮大
长3.5米、高1.5米、重1.5吨，形似一条橘黄色小丑鱼，这是“潜龙三号”给人们的直观印象。这条“小丑鱼”以深海复杂地形条件下资源环境勘查为主要应用方向，具备海底微地形地貌成图、温盐深探测、甲烷探测等功能，可进行浊度探测、氧化还原电位探测、海底照相、磁力探测等探测作业。
据介绍，“小丑鱼”的嘴、眼睛、鳍、肚子、尾巴等，都有特殊功能。4个“鳍”是4个可旋转舵推进器，“掌管”前进后退、上浮下沉；“尾巴”安装了磁力探测仪；“嘴巴”则是前视声呐，可将潜水器采集的声学数据转化为图像，用以识别障碍物和周边环境。
在外人看来，“潜龙二号”和“潜龙三号”就是一对“双胞胎”，外形、体重等都很相似。“潜龙二号”集成了热液异常探测、微地形地貌探测、海底照相和磁力探测等技术，其作业深度、续航能力、作业精度等在同类装备中处于国际先进水平，为我国海底多金属硫化物调查和勘探提供了高效、精细、综合的先进手段。
“潜龙一号”外形为橘红色圆柱体，长4.6米、直径0.8米、重1公斤、最大工作水深米、巡航速度2节、最大续航能力24小时，配有浅地层剖面仪等探测设备，可完成海底微地形地貌精细探测、海底水文参数测量、海底多金属结核丰度测定等任务。相较于两个“弟弟”在海底翻山越岭的“功夫”，“潜龙一号”更适宜在地势较为平坦的深海中作业。
增添多项“新本领”
据悉，本次下潜作业是“潜龙二号”继大洋第40航次、第43航次、第49航次后，第4次挺进西南印度洋，也是“潜龙二号”在完成技术升级后的首次航次应用。近年来，“潜龙二号”采用边应用边升级的方式，逐步完善新功能，增添了多项“新本领”。
“4米自主潜水器（潜龙二号）技术升级及科学应用”项目属于“十三五”国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项。该项目由中国大洋矿产资源研究开发协会办公室牵头，中国科学院沈阳自动化研究所为技术总体责任单位，联合自然资源部第二海洋研究所、国家深海基地管理中心等共同研制。
研制团队通过聚焦典型热液区羽状流扩散机制及物质通量估算、基于近底磁力分布特征的典型热液区深部结构、中大比例尺评价区硫化物资源潜力等前沿科学问题，对“潜龙二号”的热液异常综合识别、AUV自主采水、探测传感器模块化搭载、续航能力、超短基线定位导航模式、自动检测技术、无船值守作业等进行技术升级，有效提升系统作业能力和效率。
如今，“潜龙二号”成功完成大洋第58科考航次首潜，为执行后续多区域、大范围探测任务奠定了坚实基础。经过维护保养，它将迎接下一个勘探潜次的挑战。
来源：中国自然资源报
记者：高悦
编辑：吴琼