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一万米!海斗号ARV的深海直播Show开启中国“万米时代”

作者:中科院沈阳自动化所博士研究生 刘鑫宇

图1. 海绵宝宝与海斗号ARV

  水下10886米,在世界最深的马里亚纳海沟挑战者深渊,“海绵宝宝”——海斗号ARV办了一场直播秀,虽然它找了很久也没能找到自己的好朋友派大星,却找到了一些新朋友。
  “大拖鞋”——探索一号船上的“攻城狮”和科学家们共同见证了这一过程。
  9998,9999,10000,“海绵宝宝”摇摆着突破了一万米的深度,还有不到1000m就会着底了,船上的“攻城狮”们咆哮过后便开始了紧张的着底前准备工作。
  海底反射回了灯光,紧接着,沉积物四起,视线被遮蔽,已经成功着底了。
  推动操纵杆,豁然开朗。
  “哎呀,快停下,前面那个是绳子还是生物?”
  控制台附近早已被科学家们围得水泄不通……
  海斗号ARV,学名海斗号全海深自主遥控水下机器人,扁黄萌滑,酷似海绵宝宝
  今年已经是它第二次跟随探索一号船来到马里亚纳海沟,这一次,紧跟互联网时代的潮流,它通过一根近40公里长的光纤对海洋最深处的情况进行了直播,并花了4个小时的时间来观察海底地形地貌,追逐钩虾,并拍摄到了一些形状奇特的生物。
  这个航次中,国产全海深光通信技术获得了突破,为新一代更为先进的水下机器人提供了宝贵的工程经验。

图2. 海斗号拍摄到的海底未知生物截图

  “全海深”,深海任我行

  “全海深”这个词听着总觉得没有“一万米”那么震撼,但毕竟地球上有超过10000m水深的海沟有6条之多,这个词对“攻城狮”们来说更有价值。

  “全海深”的目标是在世界海洋中的任意深度都可以正常工作,而海洋的最大深度,大家只知道是在马里亚纳海沟的挑战者深渊附近。
万一大于了呢?

  因此,海斗号的设计指标超过了11000m,限制它的并不是器件的能力,而是海洋的深度,它自然是希望在这一次下潜中能下潜到超过11000m的深度。
  有人也许会问,海斗号只有两个垂直方向的推进器,怎么能在海底“任我行”呢?
  其实,海斗号的电机方向是可以转动的,外部的两个推进器在内部一个电机的带动下可以进行270°的转动,国内将这种推进器称为“可旋转推进器”。

图3. 旋转电机处于180°(左)和90°(右)时的位置示意

  对于海斗号来说,仅有的两个推进器使它的运动方式更像是“鱼鹰”运输机,让海斗号可以用最少的推进器数量完成绝大多数运动任务。这样牺牲了一些无用的自由度,换来了最高的推进器使用效率:直航,转弯或者升沉,甚至同时进行这些动作都从容不迫
  在漆黑阴冷的海底,海斗号的两个推进器忙得不可开交,在高速的正反转之间不停切换,像招财猫一样将“拳头”上下挥舞,一反其从容不迫的形象。
  海斗号是一个全海深水下机器人技术的验证平台,它的主要目的在于技术测试,有着传承发扬的“家族使命”。
  中国科学院沈阳自动化研究所的水下机器人研究室长期从事极端环境下的水下机器人的研究,多次赴北极进行科学考察的“北极”ARV以及多次负责调查深海热液区的“潜龙二号”都是它“大哥”,都为海斗号的“深海任我行”提供了宝贵的工程经验,等着它“长江后浪推前浪”。

图4. 海斗号下潜

  技术验证平台,为“万米时代”铺砖
  诚然,海斗号并不是一台完美的水下机器人,船上的科学家们看到了海底生物的直播,但却没能有机会亲手触摸。
  看来,抓东西的重任就得交给下一代全海深潜水器了,不错,体态更健美,功能强大的新一代全海深水下机器人已经开始了设计制造,而海斗号的本职任务,就是为下一代的全海深水下机器人提供技术验证,用个形象的说法就是“铺砖”。
  比如,招财猫的双臂在海底会不会累也是要验证的内容之一。

图5. 海斗号与探索一号科考船

  不过,“铺砖”又脏又累,纵身一跃,洗个海澡吧。
光纤、实时视频传输,这几个词成为了今年海斗号的焦点。大于6500米的深海,正如曾经被人们热烈讨论的“太空电梯”一样,过长的钢缆会被自身的重量拉断。
  于是,世界各地的工程师们突发奇想,既然坚硬的保护层自身都难保,那你就软绵绵地悬浮在水中吧。因此,需要携带远大于11000m的光纤来防止海流吹走太多光纤(海斗号本次实验中使用的光纤长度是38km)。
  但是,潜水器带着不停施放的光纤,就像小猫玩线团一样,放出的线是否会将“猫”绕住?怎样防止缠绕?被缠绕时该怎么办?这些都是非常关键的技术问题。

图6. 海斗号与光纤的关系就像猫与线团

  与其他只要通过压力测试就能正常工作的设备不同,实时视频传输和光纤的使用需要在实际海试中才能得到充分的测试,如果要在水池或压力罐里抽出40km的光纤来,再聪明的猫也得被缠住……
  经过了无数次的失败与改进,终于在2017年的马里亚纳海沟航次中取得了可喜的成果。值得一提的是,海斗号上使用的视频实时传输设备及光纤均为国产。该项技术的突破,也意味着今后中国制造的深海设备都可以通过这一根细细的光纤对深渊底部的设备进行实时监控。
  也许,这也是海斗号深潜生涯中最关键的一块砖。

图7. 海斗号布放

  如今,中国“万米时代”的大门已经敞开,海斗号“铺”下的砖受用与否的问题将经受未来无人潜器乃至载人潜器的考验。
  通往万米深渊的道路已经“铺”好,万米深海,真的有“海绵宝宝”和派大星吗?那里的土特产会是蟹黄堡吗?

图片来源:海斗号项目组 张桅