“海燕”水下滑翔機20年形成譜系化發展

文/楊紹瓊

楊紹瓊，天津大學機械工程學院副教授、中國力學學會科學普及工作委員會委員、《無人系統技術》青年編委

關于天津大學在“海燕”水下滑翔機及其海試應用方面的最新進展，我從3個方面簡要介紹，包括“海燕”水下滑翔機的發展歷程，“海燕”的一些亮點數據和海洋環境觀測（組網）應用。

“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傳感器，包括CTD傳感器和聲學傳感器等來觀測海洋中的水文環境。我們通過配平的方式使它“中性”浮于水面，通過調節自身攜帶的浮力驅動系統與其重力匹配，如果重力大于浮力就會下潛。當它達到指定深度，可以通過浮力調節，使浮力大于重力反向回升，從而實現對海洋水體的觀測。我們可以把海燕水下滑翔機的浮力單元想象成魚鰾，然后通過結構和能源的設置使它調節浮力，實現上升或下潛。

它主要包括執行單元、感知單元和通信鏈路。執行單元主要進行浮力調節，當然還有應急單元，出現故障的時候實現拋載。現在的水下滑翔機也做到了螺旋槳推進的形式。

天津大學是從2002年開始水下滑翔機的研制，近20年來，已經形成了“海燕”水下滑翔機譜系化的發展。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米這樣一個世界紀錄的深度。我們在續航里程上也可以進行1000公里、3000公里到現在4435公里，已經與世界先進水平持平。在任務傳感器上，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，從而對海洋動力環境聲學特征和生態環境進行觀測。

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

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

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

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

環境方面，我們依托無人系統組網的觀測，順利開展了多型異構編隊協同觀測試驗、多尺度海洋動力過程及臺風等極端環境下的環境觀測，驗證了我們的水下滑翔機在極端環境下的觀測能力。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“讓暴風雨來得更猛烈些吧！”。現在，我們也實現了在極端臺風環境中的水下觀測。

2019年，海洋智能裝備岸控平臺實現了同時對超30臺水下滑翔機和多臺波浪滑翔機的任務規劃、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。在多型異構編隊與協作技術和控位精度上，我們也取得了一些進展。目前，跟國外同技術水平的水下滑翔機相比，我們已經從跟跑到并跑，到現在在某些領域已經實現了領跑。