1月10日，正在執行中國大洋第40航次調查任務的4500米級深海資源自主勘查系統（AUV）——“潛龍二號”順利完成在西南印度洋的首次下潛，成功獲得了該區域近底微地形地貌和海底環境參數，實現了我國自主研發的AUV首次在洋中脊海底勘探。“潛龍二號”長什么樣，它如何在海底工作，身懷哪些“絕技”？近日，來自中國科學院沈陽自動化研究所的4500米級深海資源自主勘查系統研發團隊接受記者采訪，揭開了“潛龍二號”的神秘“面紗”。
造型篇 名為“潛龍”形似魚
“潛龍二號”雖然名字里帶“龍”，但其造型卻與龍無關，而酷似電影《海底總動員》里的小丑魚NEMO。緣何把潛器設計成魚的樣子？“潛龍二號”副總設計師趙宏宇卻稱“完全是個巧合”。
“一般來說，為了減少在水中的阻力，自主式潛水器大多設計成回轉體式，像魚雷艇一樣。‘潛龍一號’就是回轉體設計，它主要在平坦的太平洋底多金屬結核區開展調查作業，兼顧其他多種深海資源的勘探和開發需求。而印度洋中脊地形復雜，‘潛龍一號’就不適用于這個區域的勘探作業。”趙宏宇解釋說，“為了適應洋中脊復雜地形的要求，讓潛器可以自如地‘翻山越嶺，便于水面回收’，就考慮采用非回轉體立扁形造型，減少垂直面的阻力，增強水面航行能力。”
為了提高潛器在水中航行的機動性，“潛龍二號”還配有4個推進器，安裝在位于潛器前后各一對的水平舵板上。4個水平舵板就像魚的鰭一樣，確保潛器平衡的垂直舵像魚的背鰭。
魚嘴的位置安裝了一個前視聲吶，可以讓潛器探知前方的物體。魚眼部位則是水平槽道推進器，可以讓潛器左右水平移動。3.5米長的潛器還帶著一個1米長的“尾巴”，那是海底探測磁力儀。此外，潛器外部還裝有布放回收時用的牽引環、起吊鉤，以及與母船聯絡的聲通訊機、確定海底位置的長基線信標和頻閃燈、天線等。
“我們的設計就是出于作業需求而進行的，隨著設計的不斷改善與精細化，潛器造型也越來越像魚。我們不得不感嘆大自然的神奇，進化后的生物所擁有的功能與人類科學家經過反復論證和計算后的結果是如此的相似。”趙宏宇說。
遨游篇 無動力下潛和上浮
潛器的工作流程分為布放—探測—回收。操作人員通過吊車將潛器放到水中，解除吊車和潛器之間的聯系后，潛器就可以下潛到指定區域進行工作了。
“潛龍二號”載體結構負責人王曉飛介紹說，潛器上配有一塊下沉壓載鐵和一塊上浮壓載鐵，它們分別重約25公斤和23公斤。下潛過程中，潛器靠自身重力下潛；工作結束后，潛器自動拋掉上浮壓載鐵，此時潛器重量小于海水浮力，便自動上浮。“在下潛和上浮過程中，都是無動力的，速度每分鐘可達40米，大大節約了能源。”他說。
那么“潛龍二號”在水中是如何遨游的？王曉飛介紹說，有了推進器，通過舵板±90°之間轉動，“潛龍二號”可以實現垂直升降和前進、后退。除此之外，水平槽道推進器不但可以讓“潛龍二號”實現水平的移動，而且通過舵板的角度變化，讓潛器實現旋轉。“潛龍二號”航行的定深、定高都能達到±0.2米，航向精度能達到±1度，導航精度能達到0.5%。
推進器的動力來源靠的是電池。王曉飛說：“‘潛龍二號’上配有一次性電池組和可充電式電池組，前者可讓潛器在水中運行30小時左右，后者雖然可以反復使用，但僅夠潛器使用10個小時。我們會根據不同的作業情況采用不同的電池組。”
當“潛龍二號”完成任務上浮至海面后，通過搭載的定位系統將位置發送給母船。其非回轉體立扁形設計還可以令潛器完全沒入水中，母船上的操作人員通過遙控器控制推進器，推動潛器游至母船附近，再通過掛鉤或拋繩等方式將潛器回收至母船上。
功夫篇 十八般武藝盡顯神通
據趙宏宇介紹，“潛龍二號”有著十八般武藝，它是集成熱液異常探測、微地形地貌測量、海底照相和磁力探測等技術于一身的實用化深海探測系統，可在印度洋中脊發現深藏于海底的“黑煙囪”。
——測深側掃聲吶。海底究竟是什么樣的？地形如何？對于未知的海底世界，科學家首先要掌握調查區域的地形地貌，才能開展相關的科學研究。“潛龍二號”到達預定區域后，便按照“梳”形探測海底地形地貌，同時采用的測深側掃水下實時信號處理技術，可以對數據進行初步分析。回到母船后，技術人員再根據初步處理的數據，實現深海近海底高精細地形地貌快速成圖。
——海底照相機。“潛龍二號”配有一臺像素分辨率達3648×2736的照相機，用于海底拍照。相機配備了閃光燈，可以每隔7秒鐘，在黑暗的海底世界拍攝一張照片。趙宏宇介紹說，每張照片都會與前后照片有20%的重合，這樣就保證了海底拍攝“無縫”銜接，最終經過處理，可以形成一張完整清晰的海底圖片。“我們在南海海試過程中，就拍攝到許多海底生物，有魚、蝦、貝類等等。”趙宏宇說。
——熱液異常探測系統。該系統主要包括了CTD（溫鹽深儀）、濁度測量儀、甲烷探測儀、氧化還原電位探測儀等多個傳感器。在熱液異常區域，海水的溫度、鹽度、甲烷含量、濁度都有一定的變化，通過對這些數據的分析，科研人員就可以判斷是否存在熱液異常區域。
——磁力探測儀。熱液硫化物礦區分為活動和非活動的，對于活動的熱液硫化物，可通過上述傳感器來探測熱液異常。對于非活動停止的礦區，這些傳感器則無能為力，“潛龍二號”上配備了一個“秘密武器”，這是由我國科學家創新設計的磁力儀，通過分析探測到的磁力數據，可以判斷是否存在熱液異常區域。近底磁測數據還對多金屬硫化物礦區的三維結構、礦區儲量研究具有重要科學意義。
而磁力儀獨特之處還不僅如此。由于“潛龍二號”上配備了下沉壓載鐵、上浮壓載鐵、電池艙和電子艙等磁性物質，會產生一定的磁干擾，影響磁力儀的探測數據質量。來自國家海洋局第二海洋研究所的科研人員，結合陸上、湖上的大量測試數據，采用AUV圓周旋轉參數擬合法解決了潛器對磁力儀的磁干擾校正問題。這種磁力儀工作非常穩定，性能可靠，不僅可以搭載在“潛龍二號”上，還可以搭載在蛟龍號等其他潛器上。
智能篇 自我保護主動避險
有著適合在復雜海底游弋近乎完美的造型，搭載著擁有十八般武藝的各式傳感器，“潛龍二號”在其強大的“大腦”控制下，可以自主地完成每一次深海之旅。
“潛龍二號”控制軟件負責人徐春暉介紹說，技術人員會根據作業要求，提前設定好相關程序控制潛器的行為。在作業過程中，潛器根據環境情況自主決策，一旦遇到突發情況就會觸發相應規則，并自動作出反應。
為應對水下復雜的地形地貌，“潛龍二號”在國內首次采用前視聲吶作為避碰控制設備。徐春暉說，這是一種成像聲吶，即把數據采集進來后，通過圖像處理方式來識別障礙和周圍環境，結合避碰策略，下達緊急轉向、緊急變深或變高以及跟蹤策略。在解除危機后，會通過在線路徑規劃引導潛器回到正確的軌跡上，使其繼續正常地執行任務。
“潛龍二號”“聰明”之處還在于它可以自我檢測故障，并根據故障的等級采取不同的應對方案。“‘潛龍二號’集成了大量的傳感器和執行機構，每個設備都有自己的數據狀態和通訊系統。潛器會對它們進行周期性巡檢，按照問題的緊急程度劃分優先級。譬如，潛器在做近底微地貌探測時，如果聲學微地貌傳感器故障，任務就不能完成，這時潛器就會自動結束作業上浮回來。如果故障輕微，或者不會妨礙到作業，則可暫時帶‘病’工作，待任務完成后再予以解決。”徐春暉舉例道。
研制篇 自主研發國際領先
“潛龍二號”總設計師劉健介紹說，“潛龍二號”是“十二五”國家“863計劃”——深海潛水器裝備與技術重大項目的課題之一。課題總體目標為自主研制出一套4500米級的AUV系統，并以此為平臺，集成熱液異常探測、微地形地貌探測、海底照相和磁力探測等技術，形成一套實用化的深海探測系統，并培養一支裝備操作維護隊伍，用于多金屬硫化物等深海礦產資源勘探作業。該課題由中國大洋礦產資源研究開發協會作為用戶單位組織實施，中國科學院沈陽自動化研究所作為技術總體單位，與國家海洋局第二海洋研究所等單位共同研制。
劉健說，“潛龍二號”研制工作從2011年開始，2012年通過初步設計評審，2013年通過詳細設計評審。2014年10月，“潛龍二號”完成了總裝聯調和檢測工作，并于10月31日通過由中國大洋協會組織的湖試大綱評審。同年11月，“潛龍二號”開始湖上試驗，先后開展了兩次湖上試驗，累計下水147潛次，取得了多項歷史性的突破。“湖試結果表明，‘潛龍二號’設計科學合理、電子設備工作穩定可靠、操作規程可行有效。”劉健告訴記者，“潛龍二號”的成功研制，為我國開展深海資源大范圍精細探測提供了重要技術裝備，標志著我國深海資源勘查裝備已達到實用化水平，使我國自主水下機器人技術及產品跨入了國際領先行列。
2015年7月13日，“潛龍二號”搭乘“向陽紅10”船赴南海執行海試及海試驗收任務。在此次任務中，“潛龍二號”共進行了15個潛次試驗，最大下潛深度4446米，連續兩次成功完成大深度近海底31小時最大續航力試驗。試驗結果表明，“潛龍二號”工作狀態穩定可靠，試驗隊員操作有序規范，其多項功能和性能指標達到了國際先進水平。
對于此次“潛龍二號”在西南印度多金屬硫化物勘探區的海試和試驗性應用，劉健充滿了期待，“希望‘潛龍二號’能經受考驗，帶給我們更多驚喜，相信它可以成為多金屬硫化物勘探‘利器’”。
來源：《中國海洋報》
