海洋广袤无垠,蕴藏着丰富的资源。近现代以来,人类使用各种手段探索海洋探索,广袤无垠的海洋与人类的生活越来越紧密,至少10亿人口摄入的蛋白质来自海洋,全球超过90%的货物、数据信息交流在海洋中转;海洋中丰富的矿产资源、独特的经济军事价值等,使其成为世界各国竞争的新热点。 我国幅员辽阔、地大物博,拥有1万多个岛屿、300多万平方公里的海域。党的二十大报告指出:“发展海洋经济,保护海洋生态环境,加快建设海洋强国。”提高海洋资源开发利用能力,加快建设海洋强国是中国式现代化的必然选择。大力发展包括深海探测、运载等在内的海洋技术,加强海洋勘探项目的研究,有助于形成对海洋的全方位立体观测,提升我国海洋资源的利用水平。 当下被广泛使用的海洋设备有卫星遥感、科考船、浮标、水下机器人等,越来越多的水下设备被运用到海洋开发和利用活动中,然而,水下环境复杂多变,设备能够携带的能源有限,往往难以自主地适应环境改变去执行任务。 水下探测中,一般情况下随着下潜深度的增加,水下航行器浮力会不断增加。浮力调节系统作为涉及潜水的海洋设备的关键部件,能够为潜水器提供稳定悬浮的深度控制,并能根据工作深度的不同通过改变浮力来带动潜水器上浮或下潜。常见的浮力调节系统详见下图。 ▲浮力调节系统分类 变体积式通常采用油囊实现,利用液压泵将油从内囊排至外囊以提升浮力,反之则降低浮力。这种方式可以在不改变潜水器重量的情况下调节浮力,目前被广泛应用在轻型潜水器中。 轻型潜水器中较为常用的是油囊式浮力调节系统。值得一提的是,不仅仅局限于潜水器,潜标、滑翔机上也有相关应用:美国研发的滑翔机Spray Glider和Seaglider、日本的潜标Deep NINJA等都是采用油囊式浮力调节系统。 ▲日本URASHIMA号AUV 上图为采用了油囊式浮力调节系统的日本URASHIMA号,该浮力调节系统是利用直流电机来驱动齿轮油泵,使得液压油在油箱和油囊之间抽排,从而使得整机的体积得以改变,帮助URASHIMA号实现下潜上浮运动。 国内最有代表性的无疑是Argo浮标COPEX(China Ocean Profiling Explorer,中国海洋剖面探测浮标),其浮力调节装置示意图如下图所示。 ▲Argo 浮标COPEX的浮力调节装置 该浮力调节系统中,丝杠一侧和减速电机相连,另一侧和柱塞相连,减速电机转动从而带动丝杠运动,将电机的旋转运动转变为柱塞的直线运动,实现油囊内液压油的抽排。
- 若需要增大浮力,则需将柱塞泵中液压油压入油囊,浮标排水体积变大;
- 若需要减小浮力,则需将液压油从油囊中抽回到柱塞泵,浮标排水体积减小。