日前，“蛟龍”號載人潛水器完成5000米級海試任務(wù)后起程返航。作為我國**臺自行設(shè)計(jì)、自主集成研制的載人潛水器，“蛟龍”號又一次創(chuàng)造了深海探測的新紀(jì)錄。
“蛟龍”號憑何再創(chuàng)深度?總設(shè)計(jì)師徐芑南表示，相比國際上現(xiàn)有的大深度載人潛水器，“蛟龍”號有三方面國際**的技術(shù)：穩(wěn)定的貼近海底自動巡航能力、**的懸停定位能力，這兩個(gè)條件使“蛟龍”號能夠在地形復(fù)雜的海底搜索目標(biāo)，這是其中之一;高速數(shù)字化水聲通信，可向母船傳輸文字、語言、圖像是“蛟龍”號的另一先進(jìn)技術(shù);完全由我國自主研制的充油銀鋅蓄電池是第三大亮點(diǎn)。
其中，前兩項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢都與科研“國家隊(duì)”科學(xué)院有關(guān)——科學(xué)院沈陽自動化研究所和科學(xué)院聲學(xué)研究所分別承擔(dān)了“蛟龍”號的控制系統(tǒng)和聲學(xué)系統(tǒng)的攻關(guān)任務(wù)。
控制系統(tǒng)相當(dāng)于載人潛水器的“大腦和**神經(jīng)”，其重要性不言而喻。在“蛟龍”號研制過程中，沈陽自動化所的科研團(tuán)隊(duì)采用先進(jìn)的控制策略，有效克服潛水器本體、海洋環(huán)境等不確定性干擾，實(shí)現(xiàn)潛水器長距離航行時(shí)全自動航行控制功能。
除了“大腦”之外，載人潛水器也少不了“眼鏡、嘴巴、耳朵”等器官。由聲學(xué)所負(fù)責(zé)研制的聲學(xué)系統(tǒng)就充當(dāng)了這些器官功能。聲學(xué)系統(tǒng)為“蛟龍”號的深海潛航提供通信、測速、障礙物探測和地形地貌探測等功能。
值得一提的是，中科院的兩家參研單位有一個(gè)共同的特點(diǎn)——自主**。沈陽自動化所自主研發(fā)，從零起步，為“蛟龍”號開發(fā)了****的控制系統(tǒng);而水聲通信機(jī)和高分辨率測深側(cè)掃聲納是聲學(xué)所自主**的成果，核心技術(shù)獲得多項(xiàng)國家和美國發(fā)明**。正如中科院院長白春禮致兩所的賀信中所言：“面向國家戰(zhàn)略需求開展**研究，為我國海洋科技發(fā)展取得歷史性突破作出了重要貢獻(xiàn)?！?/p>
除了分系統(tǒng)的研制，中科院科研團(tuán)隊(duì)還圓滿完成了“蛟龍?zhí)枴焙Ｔ囍蟹窒到y(tǒng)的維護(hù)保障工作。三年來，沈陽自動化研究所共15人次參加海試，保持在船人數(shù)4人以上，劉開周作為試航員多次下潛;聲學(xué)所共20人次參加海試，楊波、張東升作為試航員多次下潛，均圓滿完成任務(wù)。
****的“感覺器官”
7月21日清晨，科學(xué)院聲學(xué)研究所研究員朱維慶急匆匆地從家里趕到實(shí)驗(yàn)室——“蛟龍”號載人潛水器5000米級海試在這**進(jìn)行**次下潛試驗(yàn)。作為專項(xiàng)總體組成員，朱維慶要和沒去海試現(xiàn)場的項(xiàng)目組成員一起觀看視頻直播，見證歷史性的一刻。
中科院聲學(xué)所是“蛟龍”號副總師單位，負(fù)責(zé)聲學(xué)系統(tǒng)研制?？吹健膀札垺碧枌⒄Z音、指令、文字、圖像都順利傳回了母船，朱維慶及其團(tuán)隊(duì)松了一口氣。
“由聲學(xué)所負(fù)責(zé)研制的聲學(xué)系統(tǒng)就像是‘蛟龍’號的眼睛、嘴巴、耳朵等器官，為‘蛟龍’號提供了通信、測速、障礙物探測和地形地貌探測等功能?！敝炀S慶接受《科學(xué)時(shí)報(bào)》采訪時(shí)表示。
“蛟龍”號載人潛水器的聲學(xué)系統(tǒng)包括：水聲通信機(jī)、高分辨率測深側(cè)掃聲納、避碰聲納、成像聲納、聲學(xué)多普勒測速儀。其主要功能分別為：實(shí)現(xiàn)潛水器與母船之間的圖像、語音、文字和指令通信，測量海底微地形地貌，測量各方位障礙物的距離，探測前方的目標(biāo)，測量潛水器的三維運(yùn)動速度和下方的海流速度剖面。
聲音是振動產(chǎn)生的。在海里，要把講話的信息傳到遠(yuǎn)處也一樣，僅僅是把空氣換成海水，但這一傳輸就要靠另一個(gè)“嘴巴”了，這個(gè)“嘴巴”就是水聲通信機(jī)。
“蛟龍”號的水聲通信機(jī)采用先進(jìn)的水聲通信和信號處理技術(shù)，能夠傳送語音、文字、指令、數(shù)據(jù)和圖像等多種信息，與國外載人潛水器的水聲通信系統(tǒng)相比，其功能和性能都是****的。
在下潛試驗(yàn)中，水聲通信系統(tǒng)將潛水器的信息準(zhǔn)確傳送到水面指揮部，使指揮部能夠?qū)崟r(shí)掌控潛水器的深度、運(yùn)動速度、艙內(nèi)溫度、濕度、氣壓、氧濃度等各種信息，如親臨其境，作出決策，指導(dǎo)水下作業(yè)，保證下潛**，提高作業(yè)效率;同時(shí)，潛航員與水面指揮人員通過語音、文字和指令通信可以隨時(shí)就試驗(yàn)情況進(jìn)行交流。
“如果水聲通信系統(tǒng)出現(xiàn)問題，潛航員與水面指揮人員就完全失去聯(lián)系?！敝炀S慶說，“這也就是為什么每次沖擊新深度，‘聲學(xué)專家’楊波必上的原因?！?/p>
高分辨率測深側(cè)掃聲納，是一種新型的海洋聲學(xué)探測設(shè)備，也是國外載人潛水器不具備、“蛟龍”號獨(dú)有的設(shè)備，可以同時(shí)獲得精細(xì)的三維海底地形和側(cè)掃圖。形象地說，地形就像立體照片，它能夠反映海底深度，表現(xiàn)為等深線圖;側(cè)掃圖則是張平面照片，可以理解為獲得海底反向散射信號的聲像。高分辨率測深側(cè)掃聲納在海洋開發(fā)中具有廣泛的應(yīng)用，能探測海底和水中小目標(biāo)，還能為海底資源分布規(guī)律等研究提供基礎(chǔ)性和關(guān)鍵性資料。
令聲學(xué)所尤為自豪的是，“蛟龍”號的水聲通信機(jī)和高分辨率測深側(cè)掃聲納是聲學(xué)所自主**的成果，核心技術(shù)獲得多項(xiàng)國家和美國發(fā)明**。
“科學(xué)研究是一個(gè)累積的過程?！敝炀S慶回憶，上世紀(jì)80年代中后期，聲學(xué)所進(jìn)行了數(shù)字水聲通信研究。在“七五”期間研制了基于多頻移鍵控技術(shù)的非相干水聲通信機(jī)樣機(jī)，在“八五”和“九五”期間開展了基于多相移鍵控技術(shù)的相干水聲通信機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究，并研制了通信機(jī)樣機(jī)?！笆濉逼陂g，通過“863”重大項(xiàng)目7000米載人潛水器(現(xiàn)在稱為“蛟龍”號載人潛水器)的研制任務(wù)，聲學(xué)所研制了自適應(yīng)多普勒補(bǔ)償?shù)淖约雅袥Q反饋?zhàn)赃m應(yīng)均衡器與Turbo碼級聯(lián)工作的中程高速水聲通信機(jī)工程樣機(jī)。
從實(shí)驗(yàn)室的物理分析到一次次的海上試驗(yàn)，通過理論—實(shí)踐—理論的過程，聲學(xué)所自主研制的水聲通信機(jī)逐漸達(dá)到世界**水平。
其實(shí)，“蛟龍”號的水聲通信系統(tǒng)可以跟蹤國外，照搬美國“艾爾文”號所采用的水聲電話技術(shù)。但朱維慶及其科研團(tuán)隊(duì)一直堅(jiān)持“搞科研必須不斷走在前面”的信念，“蛟龍”號的水聲通信系統(tǒng)同時(shí)采用了相干水聲通信、非相干水聲通信、擴(kuò)頻水聲通信、水聲電話四種通信技術(shù)手段，使“電話變電視”。
“如果錯(cuò)過了‘蛟龍’號這個(gè)機(jī)會，再想發(fā)展水聲通信技術(shù)就難了?！敝炀S慶認(rèn)為，科研工作者要智勇雙全，“敢干，敢自己干?！?/p>
“蛟龍”號聲學(xué)系統(tǒng)科研團(tuán)隊(duì)被稱為“娃娃兵”，因?yàn)槌酥炀S慶已74歲高齡，包括副總設(shè)計(jì)師朱敏在內(nèi)的其他成員大都是“70后”、“80后”。“但‘娃娃兵’很有前途。”朱維慶希望有越來越多德才兼?zhèn)涞哪贻p人投身到深海技術(shù)的研究隊(duì)伍之中，為下一個(gè)深海目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。
****的“大腦和**神經(jīng)”
“今年海試由于任務(wù)增加、各參研單位跟船出海名額削減，我就沒去，讓給一線操作人員了?！苯邮堋犊茖W(xué)時(shí)報(bào)》采訪時(shí)，電話那頭的王曉輝盡管略顯遺憾，但更多的是自信和欣慰?！案鶕?jù)各方情況反饋，我們負(fù)責(zé)的控制系統(tǒng)表現(xiàn)非常穩(wěn)定，現(xiàn)場沒有太多需要攻關(guān)、改進(jìn)、調(diào)試的部分。”
雖然目前與海試現(xiàn)場無法進(jìn)行電話溝通，但是，作為“蛟龍”號副總設(shè)計(jì)師，科學(xué)院沈陽自動化研究所水下機(jī)器人研究室主任王曉輝通過電子郵件及時(shí)了解了此次“蛟龍”號5000米級海試的新進(jìn)展。
中科院沈陽自動化所是“蛟龍”號載人潛水器項(xiàng)目的主要參研單位之一，承擔(dān)了載人潛水器控制系統(tǒng)的研究開發(fā)工作。
載人潛水器是智能機(jī)器，即使有人坐在里面操作，仍需要很多自動化控制功能?？刂葡到y(tǒng)被形象地比喻為載人潛水器的“大腦和**神經(jīng)”。它采集載人駕駛員的操作指令及各種傳感器的反饋信息，通過控制系統(tǒng)的分析和判斷，輸出指令控制各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使?jié)撍魍瓿筛鞣N動作，同時(shí)又將全部信息進(jìn)行存儲，重要信息在人機(jī)界面上進(jìn)行顯示，為潛航員駕駛和指揮員決策提供參考依據(jù)。
“蛟龍”號的控制系統(tǒng)主要分為航行控制、導(dǎo)航定位、綜合信息顯示與控制3個(gè)部分?！斑@3個(gè)部分都是我們負(fù)責(zé)，因?yàn)檫@對于從事水下機(jī)器人研發(fā)超過30年的中科院沈陽自動化所來說，正是強(qiáng)項(xiàng)?！蓖鯐暂x說。
航行控制，除了常規(guī)的信息檢測與操作控制，還有兩個(gè)更**的功能。
一個(gè)是自動航行。潛航員只需按一下開關(guān)，發(fā)出指令讓潛水器沿著某一航向航行，整個(gè)航向的保持就交給控制系統(tǒng)自動完成了。除了航向，潛水器還可自動保持在一定的水下深度、離海底的高度。自動航行可使?jié)摵絾T在駕駛潛水器時(shí)，減輕部分勞動強(qiáng)度，放心從事其他工作。
另一個(gè)是懸停定位。潛航員對某一目標(biāo)進(jìn)行機(jī)械手作業(yè)時(shí)需要潛水器保持穩(wěn)定，也需要控制系統(tǒng)來完成，使?jié)撍髟跈C(jī)械手作業(yè)時(shí)不受海流、浮力、重力等影響，這樣潛航員就可以集中精力操縱機(jī)械手。
“蛟龍”號總設(shè)計(jì)師徐芑南認(rèn)為，自動航行功能和懸停定位功能是“蛟龍”號的**優(yōu)勢之一，這兩項(xiàng)功能使“蛟龍”號便于目標(biāo)搜索和定位，可以在海底自由前后航行。
在陸地上可以通過GPS進(jìn)行定位，但在水下由于沒有參考點(diǎn)，定位非常困難。潛水器在水下的導(dǎo)航需要導(dǎo)航傳感器加一定的導(dǎo)航控制軟件來實(shí)現(xiàn)。
目前常用的方式是通過聲學(xué)來定位，確定潛水器與母船之間的相對位置?！啊札垺柕亩ㄎ粋鞲衅飨到y(tǒng)由聲學(xué)所負(fù)責(zé)，我們將傳感器的信息解算后給出潛水器的位置狀態(tài)?！蓖鯐暂x強(qiáng)調(diào)，“蛟龍”號的很多技術(shù)單靠一家單位無法實(shí)現(xiàn)，必須依靠各單位通力協(xié)作?！皡⒓印札垺柟リP(guān)的約100家國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)是一個(gè)團(tuán)隊(duì)?！?/p>
綜合信息顯示與控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)搜集各個(gè)傳感器信息，將信息以直觀的形式表現(xiàn)在載人艙內(nèi)的計(jì)算機(jī)屏幕上，隨時(shí)供潛航員掌握，并將反饋信息、指令信息等能搜集到的各類信息全部記錄在硬盤上，同時(shí)，潛水器通過水聲通訊與水面控制臺交互信息，控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)把信息解算出來，在水面控制臺的計(jì)算機(jī)上顯示并記錄，水面控制臺再把關(guān)鍵信息轉(zhuǎn)發(fā)到現(xiàn)場指揮部，供更多的科學(xué)家與相關(guān)工作人員參考。
“此套控制系統(tǒng)是專為‘蛟龍’號開發(fā)的‘獨(dú)生子’。”王曉輝說，“我們根據(jù)‘蛟龍’號的總體設(shè)計(jì)要求并配合其他子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，自主研發(fā)了這套****的控制系統(tǒng)?！?/p>
自2002年以來，中科院沈陽自動化所近20人的團(tuán)隊(duì)參與了深海載人潛水器控制系統(tǒng)的研究、開發(fā)、試驗(yàn)、組裝、調(diào)試、交付總裝直到海試等各個(gè)階段的工作。
在王曉輝看來，“蛟龍”號每深入一步都具有里程碑意義。“1000米級，是從無到有的技術(shù)突破;3000米級，是從有到可用的重大轉(zhuǎn)折;5000米級，是海上試驗(yàn)結(jié)合具體應(yīng)用的顯著標(biāo)志?！?/p>
明年沖擊7000米深度，是“蛟龍”號的初設(shè)計(jì)目標(biāo)，也是交付使用前的**目標(biāo)。屆時(shí)它的工作范圍可覆蓋全球海洋99.8%的區(qū)域。
“在這之前還有很多工作要做?！蓖鯐暂x表示，對于控制系統(tǒng)來說，完成5000米級海試后主要進(jìn)行兩方面工作：一是常規(guī)的維修維護(hù)保養(yǎng)，二是配合其他系統(tǒng)乃至全系統(tǒng)完成各種改進(jìn)工作。“任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，7000米的目標(biāo)都有可能受到影響?！?/p>
