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1月10日，正在执行中国大洋第40航次调查任务的4500米级深海资源自主勘查系统（AUV）——“潜龙二号”顺利完成在西南印度洋的首次下潜，成功获得了该区域近底微地形地貌和海底环境参数，实现了我国自主研发的AUV首次在洋中脊海底勘探。“潜龙二号”长什么样，它如何在海底工作，身怀哪些“绝技”？近日，来自中国科学院沈阳自动化研究所的4500米级深海资源自主勘查系统研发团队接受记者采访，揭开了“潜龙二号”的神秘“面纱”。
造型篇 名为“潜龙”形似鱼
“潜龙二号”虽然名字里带“龙”，但其造型却与龙无关，而酷似电影《海底总动员》里的小丑鱼NEMO。缘何把潜器设计成鱼的样子？“潜龙二号”副总设计师赵宏宇却称“完全是个巧合”。
“一般来说，为了减少在水中的阻力，自主式潜水器大多设计成回转体式，像鱼雷艇一样。‘潜龙一号’就是回转体设计，它主要在平坦的太平洋底多金属结核区开展调查作业，兼顾其他多种深海资源的勘探和开发需求。而印度洋中脊地形复杂，‘潜龙一号’就不适用于这个区域的勘探作业。”赵宏宇解释说，“为了适应洋中脊复杂地形的要求，让潜器可以自如地‘翻山越岭，便于水面回收’，就考虑采用非回转体立扁形造型，减少垂直面的阻力，增强水面航行能力。”
为了提高潜器在水中航行的机动性，“潜龙二号”还配有4个推进器，安装在位于潜器前后各一对的水平舵板上。4个水平舵板就像鱼的鳍一样，确保潜器平衡的垂直舵像鱼的背鳍。
鱼嘴的位置安装了一个前视声呐，可以让潜器探知前方的物体。鱼眼部位则是水平槽道推进器，可以让潜器左右水平移动。3.5米长的潜器还带着一个1米长的“尾巴”，那是海底探测磁力仪。此外，潜器外部还装有布放回收时用的牵引环、起吊钩，以及与母船联络的声通讯机、确定海底位置的长基线信标和频闪灯、天线等。
“我们的设计就是出于作业需求而进行的，随着设计的不断改善与精细化，潜器造型也越来越像鱼。我们不得不感叹大自然的神奇，进化后的生物所拥有的功能与人类科学家经过反复论证和计算后的结果是如此的相似。”赵宏宇说。
遨游篇 无动力下潜和上浮
潜器的工作流程分为布放—探测—回收。操作人员通过吊车将潜器放到水中，解除吊车和潜器之间的联系后，潜器就可以下潜到指定区域进行工作了。
“潜龙二号”载体结构负责人王晓飞介绍说，潜器上配有一块下沉压载铁和一块上浮压载铁，它们分别重约25公斤和23公斤。下潜过程中，潜器靠自身重力下潜；工作结束后，潜器自动抛掉上浮压载铁，此时潜器重量小于海水浮力，便自动上浮。“在下潜和上浮过程中，都是无动力的，速度每分钟可达40米，大大节约了能源。”他说。
那么“潜龙二号”在水中是如何遨游的？王晓飞介绍说，有了推进器，通过舵板±90°之间转动，“潜龙二号”可以实现垂直升降和前进、后退。除此之外，水平槽道推进器不但可以让“潜龙二号”实现水平的移动，而且通过舵板的角度变化，让潜器实现旋转。“潜龙二号”航行的定深、定高都能达到±0.2米，航向精度能达到±1度，导航精度能达到0.5%。
推进器的动力来源靠的是电池。王晓飞说：“‘潜龙二号’上配有一次性电池组和可充电式电池组，前者可让潜器在水中运行30小时左右，后者虽然可以反复使用，但仅够潜器使用10个小时。我们会根据不同的作业情况采用不同的电池组。”
当“潜龙二号”完成任务上浮至海面后，通过搭载的定位系统将位置发送给母船。其非回转体立扁形设计还可以令潜器完全没入水中，母船上的操作人员通过遥控器控制推进器，推动潜器游至母船附近，再通过挂钩或抛绳等方式将潜器回收至母船上。
功夫篇 十八般武艺尽显神通
据赵宏宇介绍，“潜龙二号”有着十八般武艺，它是集成热液异常探测、微地形地貌测量、海底照相和磁力探测等技术于一身的实用化深海探测系统，可在印度洋中脊发现深藏于海底的“黑烟囱”。
——测深侧扫声呐。海底究竟是什么样的？地形如何？对于未知的海底世界，科学家首先要掌握调查区域的地形地貌，才能开展相关的科学研究。“潜龙二号”到达预定区域后，便按照“梳”形探测海底地形地貌，同时采用的测深侧扫水下实时信号处理技术，可以对数据进行初步分析。回到母船后，技术人员再根据初步处理的数据，实现深海近海底高精细地形地貌快速成图。
——海底照相机。“潜龙二号”配有一台像素分辨率达3648×2736的照相机，用于海底拍照。相机配备了闪光灯，可以每隔7秒钟，在黑暗的海底世界拍摄一张照片。赵宏宇介绍说，每张照片都会与前后照片有20%的重合，这样就保证了海底拍摄“无缝”衔接，最终经过处理，可以形成一张完整清晰的海底图片。“我们在南海海试过程中，就拍摄到许多海底生物，有鱼、虾、贝类等等。”赵宏宇说。
——热液异常探测系统。该系统主要包括了CTD（温盐深仪）、浊度测量仪、甲烷探测仪、氧化还原电位探测仪等多个传感器。在热液异常区域，海水的温度、盐度、甲烷含量、浊度都有一定的变化，通过对这些数据的分析，科研人员就可以判断是否存在热液异常区域。
——磁力探测仪。热液硫化物矿区分为活动和非活动的，对于活动的热液硫化物，可通过上述传感器来探测热液异常。对于非活动停止的矿区，这些传感器则无能为力，“潜龙二号”上配备了一个“秘密武器”，这是由我国科学家创新设计的磁力仪，通过分析探测到的磁力数据，可以判断是否存在热液异常区域。近底磁测数据还对多金属硫化物矿区的三维结构、矿区储量研究具有重要科学意义。
而磁力仪独特之处还不仅如此。由于“潜龙二号”上配备了下沉压载铁、上浮压载铁、电池舱和电子舱等磁性物质，会产生一定的磁干扰，影响磁力仪的探测数据质量。来自国家海洋局第二海洋研究所的科研人员，结合陆上、湖上的大量测试数据，采用AUV圆周旋转参数拟合法解决了潜器对磁力仪的磁干扰校正问题。这种磁力仪工作非常稳定，性能可靠，不仅可以搭载在“潜龙二号”上，还可以搭载在蛟龙号等其他潜器上。
智能篇 自我保护主动避险
有着适合在复杂海底游弋近乎完美的造型，搭载着拥有十八般武艺的各式传感器，“潜龙二号”在其强大的“大脑”控制下，可以自主地完成每一次深海之旅。
“潜龙二号”控制软件负责人徐春晖介绍说，技术人员会根据作业要求，提前设定好相关程序控制潜器的行为。在作业过程中，潜器根据环境情况自主决策，一旦遇到突发情况就会触发相应规则，并自动作出反应。
为应对水下复杂的地形地貌，“潜龙二号”在国内首次采用前视声呐作为避碰控制设备。徐春晖说，这是一种成像声呐，即把数据采集进来后，通过图像处理方式来识别障碍和周围环境，结合避碰策略，下达紧急转向、紧急变深或变高以及跟踪策略。在解除危机后，会通过在线路径规划引导潜器回到正确的轨迹上，使其继续正常地执行任务。
“潜龙二号”“聪明”之处还在于它可以自我检测故障，并根据故障的等级采取不同的应对方案。“‘潜龙二号’集成了大量的传感器和执行机构，每个设备都有自己的数据状态和通讯系统。潜器会对它们进行周期性巡检，按照问题的紧急程度划分优先级。譬如，潜器在做近底微地貌探测时，如果声学微地貌传感器故障，任务就不能完成，这时潜器就会自动结束作业上浮回来。如果故障轻微，或者不会妨碍到作业，则可暂时带‘病’工作，待任务完成后再予以解决。”徐春晖举例道。
研制篇 自主研发国际领先
“潜龙二号”总设计师刘健介绍说，“潜龙二号”是“十二五”国家“863计划”——深海潜水器装备与技术重大项目的课题之一。课题总体目标为自主研制出一套4500米级的AUV系统，并以此为平台，集成热液异常探测、微地形地貌探测、海底照相和磁力探测等技术，形成一套实用化的深海探测系统，并培养一支装备操作维护队伍，用于多金属硫化物等深海矿产资源勘探作业。该课题由中国大洋矿产资源研究开发协会作为用户单位组织实施，中国科学院沈阳自动化研究所作为技术总体单位，与国家海洋局第二海洋研究所等单位共同研制。
刘健说，“潜龙二号”研制工作从2011年开始，2012年通过初步设计评审，2013年通过详细设计评审。2014年10月，“潜龙二号”完成了总装联调和检测工作，并于10月31日通过由中国大洋协会组织的湖试大纲评审。同年11月，“潜龙二号”开始湖上试验，先后开展了两次湖上试验，累计下水147潜次，取得了多项历史性的突破。“湖试结果表明，‘潜龙二号’设计科学合理、电子设备工作稳定可靠、操作规程可行有效。”刘健告诉记者，“潜龙二号”的成功研制，为我国开展深海资源大范围精细探测提供了重要技术装备，标志着我国深海资源勘查装备已达到实用化水平，使我国自主水下机器人技术及产品跨入了国际领先行列。
2015年7月13日，“潜龙二号”搭乘“向阳红10”船赴南海执行海试及海试验收任务。在此次任务中，“潜龙二号”共进行了15个潜次试验，最大下潜深度4446米，连续两次成功完成大深度近海底31小时最大续航力试验。试验结果表明，“潜龙二号”工作状态稳定可靠，试验队员操作有序规范，其多项功能和性能指标达到了国际先进水平。
对于此次“潜龙二号”在西南印度多金属硫化物勘探区的海试和试验性应用，刘健充满了期待，“希望‘潜龙二号’能经受考验，带给我们更多惊喜，相信它可以成为多金属硫化物勘探‘利器’”。
来源：《中国海洋报》
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发表于 2016-1-14 10:13
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