【原创】深海新秀水下滑翔机究竟有多厉害?
2019-01-30 15:21:44       来源:海洋总动员       作者:编辑 王晓燕


提到滑翔机,肯定大多数人首先想到的是空中飞翔的滑翔机,这水下的滑翔机究竟是什么呢?


水下滑翔机是一种通过调节自身浮力和姿态,实现在水中滑行并收集水体信息的新型水下机器人。


浮力制动巧滑翔


顾名思义,水下滑翔机之所以能够“飞”起来,充分借鉴了航空领域滑翔机的经验。


我们小时候肯定都玩过纸飞机,其实那就是一个简易版的滑翔机,它依靠外力飞上蓝天,在空中滑翔。由于没有动力装置,滑翔机必须以升力克服重力,以推力克服空气阻力才能飞行。滑翔机速度越快,所产生的升力就会越大,升力大于重力,飞机就会向上窜升。滑翔机升空后,除非碰到上升气流,否则空气阻力会逐渐减缓飞机的速度,升力就会越来越小,重力大于升力,飞机就会越飞越低,最终降落到地面。为了让滑翔机能飞得又远又久,它必须有很高的升力阻力比。因此,为延长滞空时间,滑翔机的机翼通常设计得较为狭长,机身则呈细长的流线型,以提高升阻比,减小飞行时的下滑角。


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典型的水下滑翔机结构图


水下滑翔机从外表来看和空中滑翔机不大一样。它的头部呈圆弧状,前部长着一对“翅膀”,后面拖着长长的天线尾巴,更像是一个迷你版的潜艇。如此特殊的结构为什么也叫滑翔机呢? 


那是因为水下滑翔机将滑翔机的原理创造性地运用到了水中。水流和空气一样都可以产生升力,但是水的升力和阻力系数要比空气大很多,因此水下滑翔机必须克服水的阻力才能前行。水下滑翔机采取了完全不同的推动方式,依靠重力和浮力的交替作用在水中滑翔。它的基本原理简言之就是设法让“船体”在水中作沉浮运动,以产生向前的分力,然后通过一对“机翼”和“尾翼”控制“船体”的姿态,从而将沉浮运动变成向前运动。


水下滑翔机又是如何实现在水中作沉浮运动的?主要利用了鱼鳔的原理。大家都知道,鱼类是通过鱼鳔的收缩和膨胀来调节自身密度,从而实现上升和下沉的,水下滑翔机的浮力调整结构也采用了同样的做法。大多数水下滑翔机的“鱼鳔”是一个安装在机身外部的油囊,当要上升时,机体携带的液压油便会压入油囊中,随着油囊的膨胀,滑翔机的密度会逐渐低于海水密度,浮力大于重力,进而实现上浮;反之,缩小油囊,使浮力小于重力,则可实现下沉。如此交替,通过调节自身浮力,水下滑翔机得以在水中不停地作沉浮运动,像海豚一样,在水下形成W形的运动轨迹。


2水下滑翔机垂直剖面的周期性滑翔运动示意图.jpg

水下滑翔机垂直剖面的周期性滑翔运动示意图


沉浮运动的同时,水下滑翔机的“尾翼”会负责控制方向,并且将垂直方向的下潜力变成向前的滑行力,同时配合平直的“机翼”,产生向前运动的水平滑翔速度,驱动滑翔机向前航行,如同雄鹰张开翅膀,利用空气气流获得升力,在天空中翱翔一样。通过将浮力转化为动力,不断调整姿态角,水下滑翔机最终实现了在深海的“翱翔”之旅。


海底探测“多面手”


由于纯粹以净浮力和姿态角调整获得推进力,水下滑翔机在滑行过程中消耗的能量极小,因此具有效率高、续航力大的特点,最长可达上千公里。并且水下滑翔机的制造成本和维护费用相对较低,可重复使用、大量投放,这就满足了长时间、大范围海洋探索的需要。


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科考队员回收水下滑翔机


目前,水下滑翔机主要在以下三方面发挥作用:


第一,监测海洋环境。水下滑翔机上配备了各种能收集关键数据的传感器,能对海洋的温度、密度、深度、潮汐、海流等进行长时间、大范围测量,提供大量科学可靠的水温数据,从而为海洋环境监测提供重要的信息支撑。


第二,侦察水下活动。由于水下滑翔机具有续航时间长、隐蔽性高的特性,将其部署在港口、海峡、出海口等关键点,能对可疑潜艇、水雷、蛙人等目标进行侦察和监视,从而为反潜作战提供预警信息。


第三,支援通信网络。水下滑翔机搭载有水声通信、无线通信和卫星通信等设备,能在航行过程中,通过水声通信系统与其它水下滑翔机、潜艇、海上舰艇等互传信息,在水面状态时还能直接传送信息,从而可有效支援各种军事、情报任务。


大国重器显神威


水下滑翔机是随着人类对海洋活动的深入探索而逐步发展起来的。20世纪90年代,水下滑翔机在美国应运而生。随后日本和法国也相继研制出了水下滑翔机。


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天津大学自主研发的“海燕”号水下滑翔机


我国关于水下滑翔机研究的起步较晚。2014年,由天津大学自主研发的“海燕”号水下滑翔机,率先突破了国外的技术封锁。近几年,我国在深海型水下滑翔机技术方面取得了惊人的进步,以“大国智造”之姿后来居上。


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中国科学院沈阳自动化研究所自主研发的“海翼”号水下滑翔机


2017年3月,由中科院沈阳自动化研究所自主研发的“海翼”号深海滑翔机,在马里亚纳海沟挑战者深渊上,以6329米的最大下潜深度,刷新了之前美国水下滑翔机最大下潜深度6000米的世界纪录。