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2014-12-23 19:18 wangduqiang 阅读(354) 评论(0) 编辑 收藏 举报
近日，我国研制的新型水下机器人“水下滑翔机”在南海自主航行了1022.5千米，持续航行时间30天。网友们难免好奇，这水下滑翔机没有螺旋桨，也没有其他动力装置，仅靠浮力和姿态调整就航行了这么远，持续时间还这么长，这神器是怎么做到的？
我国研制的水下滑翔机把“小肚子”鼓起来
要明白水下滑翔机是如何在无螺旋桨的情况下实现潜行，我们首先得来大体了解一下它的结构，如图：
水下滑翔机在海面上的样子
从上图我们看到，水下滑翔机有一对翅膀，就像飞机的机翼。有了翅膀，滑翔就成为了可能。打个比方，一只猫从六十层楼上跳下来，这是坠落，但是一只鹰跳下来，则是滑行，且能滑行很远的距离，所以，翅膀是关键。
因为重力，当水下滑翔机从海面坠落到几千米的深海时，利用自身翅膀，可向前滑行一段很长的距离。现在，问题来了，水下滑翔机是可以利用下沉，并滑翔向前，但是，当它沉到上千米深的海底时，怎么上浮呢？
很简单，坠落到预定深度后，改变自身密度从而实现上浮！相同质量下，体积越大，密度就越小，所以，只要把水下滑翔机的体积变大一丁点儿，就可以上浮了。关键是，怎么改变密度呢？咱们想象一下，装着水的啤酒瓶，如果瓶口紧紧套着一个没充气的气球，当水还在瓶子里时，气球是扁的，而如果瓶子里的水倒入气球后，那么气球就撑大了，于是，啤酒瓶和气球组成的这个系统的总体积就变大了。
一般来说，水下滑翔机要改变自身密度，大体是这样做的：
水下滑翔机组成示意图如上图，水下滑翔机通过液压活塞把液压油压入液压皮囊中，于是，滑翔机的总体积变大，但总质量不变，所以，随着皮囊的膨胀，滑翔机密度变得小于海水密度，从而向海面上浮；当到达海面，并向卫星传输已经收集到的数据后，滑翔机收缩活塞，于是密度变大，当大于海水密度时，再次下沉，因为有翅膀，所以可向前滑翔……如此往复，从而在茫茫深海实现“之”字形锯齿状前行。
水下滑翔机在海里潜行示意图向大海取能
水下滑翔机除了利用电池，还可以从海洋中直接获取能源，这就是海洋温差能。我们都知道，海水因深度不同，温度也会不同，海水表面可以直接吸收太阳能，温度较高，有的海水表面温度最高甚至可达30摄氏度，通常情况是在20摄氏度左右，而在1000米深处，海水温度会降到4-5摄氏度。
我国台湾海域夏季不同海水深度温度变化图
上图可以看出，我国南海和台湾海域，夏季海水表面温度甚至超过了25摄氏度。而在1000米深处，温度常年在5摄氏度左右。这种温度的变化，意味着海水中蕴藏着巨大的能源，怎么利用呢？
一个办法是，利用某些材料的在这个温度范围内的相变而做功。大家都知道，水结冰后，体积会膨胀，这就是冰山浮在海面的原因，也是冬天，北方的暖气管常常被冻裂的原因。暖气管是铁的，但里面的水如果结冰，体积就会膨胀，这种膨胀的力量很大，能把暖气管撑裂。
水结冰后把水管撑裂
水是一个反例，通常情况下，物质从固体变成液态时体积会膨胀，不管怎样，只要找到某些相变材料，只要这种材料是在海水的温度变化期间进行相变就可以。
剩下的就好办了，当水下滑翔机上浮到海面时，因为从周围海水中吸收了热量，于是相变材料受热从固体变成液体，体积膨胀，产生较强的机械能，我们可以用压缩气体的方式把这种机械能存储起来，等到了大海深处时，释放之前存储的机械能，把液体压入水下滑翔机的皮囊中，如此，水下滑翔机的总体积变大，密度变小，开始上浮……
反潜神器
水下滑翔机作为一种新型的水下机器人，能源消耗极小，仅在调整浮力和姿态时消耗少量能源，所以它效率奇高、续航力超大。更重要的是，它的制造成本和维护费用很低，且能重复使用，所以，若把这些神器大量投放到海洋里，就能满足长时间、大范围海洋探索的需要，甚至是军事需要，比如反潜。
水下滑翔机静音性能好，比较难发现，隐身性能很强，如果把它的体积做大，就能携带更大的传感器，能探测到距离更远的水雷和潜艇，假以时日，其甚至可以携带武器。
水下滑翔机哪家强？
目前国内共有四家科研单位对此进行研究，它们分别是中国科学院沈阳自动化研究所、天津大学机器人与汽车技术研究所、浙江大学和中国海洋大学。
之前，国外海洋技术强国的水下滑翔机技术及产品不对我国提供，而现在，我们从无到有，一步步赶了上来。
2014年5月22日，天津大学自主研发的水下滑翔机“海燕”号在南海水深大于1500米海域通过测试，“海燕”号连续航行21天，航程600千米，创造了当时国内水下滑翔机无故障航程最远、时间最长、工作深度最大等多项纪录，打破了国外对我国的技术封锁。
2014年10月15日，中国科学院沈阳自动化研究所研制的水下滑翔机在南海结束了为期一个多月的海上试验，滑翔机海上总航程达到1022.5千米，持续时间达到30天，创造了我国深海滑翔机海上作业航程最远、作业时间最长的新纪录。
咱们国家对水下滑翔机的研究比较晚，所以，如果你问水下滑翔机技术哪家强？答案当然是国外。
早在1989年，国外就提出了水下滑翔机的概念，发展至今，技术很是成熟。
华盛顿大学研制的水下滑翔机Seagiider，重52千克，翼展1米，速度0.25米每秒，在大海中能持续航行高达10个月，最大下潜深度为1000米，航程4600千米。
美国水下滑翔机seaglider到深海寻找突吻鲸
突吻鲸在远离海岸的海域生活，不常见。当它们浮出水面时，只有一两秒钟时间，很难被观测到。
现在的水下滑翔机，主要用来观测海洋的温度、盐度、海流等，其实，它的作用取决于人们的想象，由于摆脱了螺旋桨和发动机，水下滑翔机依靠很少的能量就可以安静地在水中滑翔，它的另一个绝妙用处是，悄悄地靠近鲸鱼等各种海洋动物，进行持续观察。过去，人们要观察鲸鱼很麻烦，需要在船上通过望远镜耐心地等候鲸鱼露出水面，这种方法既耗费人力物力，而且效率很低。
参考资料：
1. http://www.km.kongsberg.com
