细看“蛟龙”三项领先国际的控制技术_1
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  目前,蛟龙号深潜器本体配备有沉积物取样器、海水取样器、生物取样器、热液取样器,矿石的采样可以用机械手臂直接抓取。

  蛟龙号是一个平台,可以为科研人员下潜到海底、接触第一手调查目标提供机会。这些取样器的选择和配置,主要根据科研人员的研究目的。

  蛟龙号上配备的取样器都是具有典型性功能的设备,将来也可能配备其他类型的取样器,以获取不同种类的海底样本。蛟龙号将为取样器的配备提供重量额度、信号源、动力源、液压源,由科研人员根据自身需求决定下潜时配备什么取样器。

蛟龙上的控制系统

  拍照摄像功能

  要实现拍照摄像功能,首先要将灯光布置好。在蛟龙号头部位置,安装有16个灯,分为3种类型:一种是LED灯,一种是卤素汞碘灯,第三种是高强度护光灯。这16个灯可以将整个照射面进行合理布置。

  在蛟龙号上,安装有2台高清摄像机,2台ECCD摄像机,1台500万像素照相机。通过配备灯光与摄像设备,构成了一个完整系统,在蛟龙号航行、海底作业以及潜航员直接观测方面发挥重要的作用。

  海底通信功能

  蛟龙号上的通信系统包括两种类型:一是水声通信,这是一种数字量通信,可以传输语音、文字和图像,技术难度相对较大,达到了国际先进水平;第二种是水声电话,这是一种模拟量通信。

  目前,蛟龙号上有两套该类型通信设备,一套使用,一套备用。通信功能使得潜航员可以与母船随时通信,及时将各种信息传递到母船。

  海底监测功能

  海底监测功能的实现,要根据需要选择下潜时配备的传感器类型。如果要测试海底温度的变化,那么就要带温度传感器下潜。如果要对海底电缆管道进行监测,由于海底电缆通常埋在海底泥土中,电缆走向以及状况都无法通过直接观察得出,因而需要装载磁力仪进行监测。

  海底测量功能

  本次下潜,蛟龙号携带了测深侧扫声呐装备,主要用来测试地形、地貌,具有很高的精度,具有国际先进水平。在测试的时候,需要有一个笔直、稳定的坐标,这样才能画出完整的地形和地貌图。深潜器必须保持一定航向和深度不变,目前蛟龙号已具备这个能力。

  海底温度、盐度、深度等的测量需要搭载温盐深测量设备(CTD)。此外压力和压强也装载有相应的测量设备进行测量。

蛟龙上的控制系统

  潜航员在仓内作业龙脑三大控制系统让蛟龙想游就游

  控制系统如同蛟龙号的大脑与神经。蛟龙号的自动化系统由中国科学院沈阳自动化研究所负责研制,稳定的、贴近海底的自动巡航能力和精确的悬停定位能力是蛟龙号载人潜水器的一项国际领先技术。

  控制系统主要包括航行控制系统、综合显示系统和水面监控系统。为了更好地验证控制系统的功能及训练潜航员,并对下潜试验取得的数据进行分析,科研人员又研制了半物理仿真平台和数据分析平台两大辅助系统。

  载人潜水器航行控制系统主要完成潜水器传感器信息采集、导航定位、执行机构控制、信息传递等功能。航行控制计算机控制潜水器执行各种动作,采集潜水器各种传感器信息,包括导航信息、液压系统信息,生命支持系统信息、能源信息等,并对各耐压罐、接线箱的泄漏和补偿液位进行检测。航行控制系统一方面将各种信息发送给综合显控系统进行显示和保存,另一方面将潜水器生命支持等关键信息发送给声学系统,该信息通过数字通信传输到水面监控系统。

  综合显控系统可为操作员提供全程操作指导与数据监视功能,信息显控功能主要实现了潜器位置坐标、母船位置坐标、目标点位置坐标的显示、生命支持系统显示、传感器信息系统显示、液压系统信息显示、推进器信息显示等功能。综合显控系统提供完整的数据记录与数据分析功能,对系统中500多项数据进行全程完整的数据记录,并由专业的数据分析平台对这些数据进行分析。

  水面监控系统是监视母船与潜器位置及潜器主要自然信息的水面监控系统,可以为指挥员实时提供所需信息,从而对母船姿态与潜水器位置进行正确判断,进而指挥进行相应的操作。

  龙耳水声通信机让蛟龙想听就听

  如果说控制系统是蛟龙号的大脑与神经,那么声学系统就是蛟龙号的耳目与喉舌。

  蛟龙号的水声通信机有4种功能:一是相干水声通信,又称高速水声通信,传输速率约每秒数千比特,用于传输图像;二是非相干水声通信,传输速率约每秒数百比特,属于中速通信,传输文字、指令和数据;三是扩频通信,属于远程低速通信,传输速率约每秒数十比特,用于传输指令;四是水声语音通信,采用模拟信号传输语音。蛟龙号水声通信机具有丰富的功能和良好的综合性能,在国际载人深潜器中处于领先地位。

  除水声通信机外,蛟龙号的声学系统还包括高分辨率测深侧扫声呐、避碰声呐、成像声呐、声学多普勒测速仪和定位应答器等。

  高分辨率测深侧扫声呐测量海底微地形地貌,避碰声呐测量各方位障碍物的距离,成像声呐探测前方的目标,声学多普勒测速仪测量潜水器的三维运动速度和下方的海流速度剖面,定位应答器确定潜水器的水下位置。通过良好的声学系统集成设计,整个声学系统协同工作。

  龙形优化设计让蛟龙想潜就潜

  蛟龙号的外形像一条张开嘴的大白鲨。蛟龙号总设计师徐芑南介绍说,蛟龙号的外形设计是依据船舶流体力学原理,通过模型在水池中进行模拟实验后,再将实验结果进行优化分析而最终设计出来的。

蛟龙上的控制系统

  据悉,在深潜器外形设计上,快速性、稳定性、操纵灵活性是3个主要需要考虑的因素,如何在阻力小、直航性能稳定、操作灵活这三者之间达到平衡,实现最优组合,是科研人员需要考虑的技术难题。这3个方面原本就是矛盾的,蛟龙号现在的外形是不断试验、改进的优化组合。徐芑南说。

  水深每增加10米,压力就会增加1个大气压。当蛟龙号下潜到水下7000米时,深潜器本体每1平方米面积上相当于压上了7000吨的重量。这样巨大的压力对于蛟龙号的耐压能力有着很高的要求。蛟龙号5000米级海试成功后,中船重工集团702所为蛟龙号配置了部分耐压设备,进行了耐压能力检测。这些耐压设备都在深海环境模拟器(即压力筒)中进行了78兆帕(相当于7800米海水深度)的压力考核,这为本次7000米级海试在安全性上提供了保证。徐芑南说。

 龙技三项绝技领先国际

  蛟龙号在3个方面拥有国际领先技术:一是稳定的贴近海底自动巡航能力和精确的悬停定位能力,这使蛟龙号能够在地形复杂的海底搜索目标;二是高速数字化水声通信,可向母船传输文字、语言、图像;三是完全由我国自主研制的充油银锌蓄电池。

  龙甲钛合金外壳

  厚70多毫米,能抗超高压。

  龙尾X型稳定翼

  4个推进器矢量布置,具有较高的垂直稳定性和水平稳定性,提高了蛟龙号的整体机动性。

  龙芯电池

  蛟龙号使用的充油银锌蓄电池是我国完全自主研发的大容量蓄电池,电量超过110千瓦时,能为蛟龙号提供超过几十个小时的动力,充分保证水下作业时间。但蛟龙号在下潜和上浮这两项最消耗电力的环节中采用了无动力下潜上浮技术,大大减少了能耗。

  龙鳔压载铁

  蛟龙号搭载的4块压载铁可使潜水器按照一定速度下潜,当潜水器到达设定深度时,可抛置其中两块压载铁,使潜水器处于零浮力悬停状态,任务完成后,抛置另外两块压载铁,使潜水器浮出水面。

  龙肺生命保障

  蛟龙号设有生命支持系统和两套氧气供给系统,可提供氧气、水、食品、药品等,可保证3人84小时安全。

  龙窗观察窗

  蛟龙号有3个观察窗,为了对抗深海的压强,观察窗非常厚,外直径大内直径小。其中,最大的直径为20厘米。

  龙爪机械手

  蛟龙号两个机械手左右各一,可以伸缩,各有多个关节。

蛟龙上的控制系统

  龙眼照明摄像

  在蛟龙号头部位置,安装有16个灯,分为3种类型,蛟龙号还安装有高清摄像机、ECCD摄像机和500万像素照相机,配备灯光与摄像设备构成了一个完整系统。

  龙骑士潜航员

  潜器生命舱内基本是恒温、恒压的,潜航员并不需要穿宇航服,他们在下潜过程中也不会经历失重过程。在下潜过程中,舱内的温度会逐渐降低,潜航员每次下潜时穿着较厚的衣服即可。漆黑的海底充满无数的可能性和无法预知的危险,对潜航员的心理要求极高,因此对他们的思想和心理培训尤为重要。

  龙腔载人耐压舱

  舱内直径2.1米,标准载员3人。在舱内生命支持系统方面,下潜时蛟龙号载人舱里保持大气常压水平,氧气浓度维持在17%~23%之间,二氧化碳则小于0.5%。当下潜开始后,载人舱内的一套自动控氧装置就会根据实际情况增加或者减少氧气供应量,同时吸收潜航员排出的二氧化碳。

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