水下滑翔機：海洋探索與反潛神器？

近日，我國研製的新型水下機器人「水下滑翔機」在南海自主航行了1022.5千米，持續航行時間30天。網友們難免好奇，這水下滑翔機沒有螺旋槳，也沒有其他動力裝置，僅靠浮力和姿態調整就航行了這麼遠，持續時間還這麼長，這神器是怎麼做到的？

我國研製的水下滑翔機

把「小肚子」鼓起來

要明白水下滑翔機是如何在無螺旋槳的情況下實現潛行，我們首先得來大體了解一下它的結構，如圖：

水下滑翔機在海面上的樣子

從上圖我們看到，水下滑翔機有一對翅膀，就像飛機的機翼。有了翅膀，滑翔就成為了可能。打個比方，一隻貓從六十層樓上跳下來，這是墜落，但是一隻鷹跳下來，則是滑行，且能滑行很遠的距離，所以，翅膀是關鍵。

因為重力，當水下滑翔機從海面墜落到幾千米的深海時，利用自身翅膀，可向前滑行一段很長的距離。現在，問題來了，水下滑翔機是可以利用下沉，並滑翔向前，但是，當它沉到上千米深的海底時，怎麼上浮呢？

很簡單，墜落到預定深度後，改變自身密度從而實現上浮！相同質量下，體積越大，密度就越小，所以，只要把水下滑翔機的體積變大一丁點兒，就可以上浮了。關鍵是，怎麼改變密度呢？咱們想像一下，裝著水的啤酒瓶，如果瓶口緊緊套著一個沒充氣的氣球，當水還在瓶子里時，氣球是扁的，而如果瓶子里的水倒入氣球後，那麼氣球就撐大了，於是，啤酒瓶和氣球組成的這個系統的總體積就變大了。

一般來說，水下滑翔機要改變自身密度，大體是這樣做的：

水下滑翔機組成示意圖

如上圖，水下滑翔機通過液壓活塞把液壓油壓入液壓皮囊中，於是，滑翔機的總體積變大，但總質量不變，所以，隨著皮囊的膨脹，滑翔機密度變得小于海水密度，從而向海面上浮；當到達海面，並向衛星傳輸已經收集到的數據後，滑翔機收縮活塞，於是密度變大，當大于海水密度時，再次下沉，因為有翅膀，所以可向前滑翔……如此往複，從而在茫茫深海實現「之」字形鋸齒狀前行。

水下滑翔機在海里潛行示意圖

向大海取能

水下滑翔機除了利用電池，還可以從海洋中直接獲取能源，這就是海洋溫差能。我們都知道，海水因深度不同，溫度也會不同，海水表面可以直接吸收太陽能，溫度較高，有的海水表面溫度最高甚至可達30攝氏度，通常情況是在20攝氏度左右，而在1000米深處，海水溫度會降到4-5攝氏度。

我國台灣海域夏季不同海水深度溫度變化圖

上圖可以看出，我國南海和台灣海域，夏季海水表面溫度甚至超過了25攝氏度。而在1000米深處，溫度常年在5攝氏度左右。這種溫度的變化，意味著海水中蘊藏著巨大的能源，怎麼利用呢？

一個辦法是，利用某些材料的在這個溫度範圍內的相變而做功。大家都知道，水結冰後，體積會膨脹，這就是冰山浮在海面的原因，也是冬天，北方的暖氣管常常被凍裂的原因。暖氣管是鐵的，但裡面的水如果結冰，體積就會膨脹，這種膨脹的力量很大，能把暖氣管撐裂。

水結冰後把水管撐裂

水是一個反例，通常情況下，物質從固體變成液態時體積會膨脹，不管怎樣，只要找到某些相變材料，只要這種材料是在海水的溫度變化期間進行相變就可以。

剩下的就好辦了，當水下滑翔機上浮到海面時，因為從周圍海水中吸收了熱量，於是相變材料受熱從固體變成液體，體積膨脹，產生較強的機械能，我們可以用壓縮氣體的方式把這種機械能存儲起來，等到了大海深處時，釋放之前存儲的機械能，把液體壓入水下滑翔機的皮囊中，如此，水下滑翔機的總體積變大，密度變小，開始上浮……

反潛神器

水下滑翔機作為一種新型的水下機器人，能源消耗極小，僅在調整浮力和姿態時消耗少量能源，所以它效率奇高、續航力超大。更重要的是，它的製造成本和維護費用很低，且能重複使用，所以，若把這些神器大量投放到海洋里，就能滿足長時間、大範圍海洋探索的需要，甚至是軍事需要，比如反潛。

水下滑翔機靜音性能好，比較難發現，隱身性能很強，如果把它的體積做大，就能攜帶更大的感測器，能探測到距離更遠的水雷和潛艇，假以時日，其甚至可以攜帶武器。

水下滑翔機哪家強？

目前國內共有四家科研單位對此進行研究，它們分別是中國科學院瀋陽自動化研究所、天津大學機器人與汽車技術研究所、浙江大學和中國海洋大學。

之前，國外海洋技術強國的水下滑翔機技術及產品不對我國提供，而現在，我們從無到有，一步步趕了上來。

2014年5月22日，天津大學自主研發的水下滑翔機「海燕」號在南海水深大於1500米海域通過測試，「海燕」號連續航行21天，航程600千米，創造了當時國內水下滑翔機無故障航程最遠、時間最長、工作深度最大等多項紀錄，打破了國外對我國的技術封鎖。

2014年10月15日，中國科學院瀋陽自動化研究所研製的水下滑翔機在南海結束了為期一個多月的海上試驗，滑翔機海上總航程達到1022.5千米，持續時間達到30天，創造了我國深海滑翔機海上作業航程最遠、作業時間最長的新紀錄。

咱們國家對水下滑翔機的研究比較晚，所以，如果你問水下滑翔機技術哪家強？答案當然是國外。

早在1989年，國外就提出了水下滑翔機的概念，發展至今，技術很是成熟。

華盛頓大學研製的水下滑翔機Seagiider，重52千克，翼展1米，速度0.25米每秒，在大海中能持續航行高達10個月，最大下潛深度為1000米，航程4600千米。

美國水下滑翔機seaglider到深海尋找突吻鯨

突吻鯨在遠離海岸的海域生活，不常見。當它們浮出水面時，只有一兩秒鐘時間，很難被觀測到。

現在的水下滑翔機，主要用來觀測海洋的溫度、鹽度、海流等，其實，它的作用取決於人們的想像，由於擺脫了螺旋槳和發動機，水下滑翔機依靠很少的能量就可以安靜地在水中滑翔，它的另一個絕妙用處是，悄悄地靠近鯨魚等各種海洋動物，進行持續觀察。過去，人們要觀察鯨魚很麻煩，需要在船上通過望遠鏡耐心地等候鯨魚露出水面，這種方法既耗費人力物力，而且效率很低。

參考資料：

1. http://www.km.kongsberg.com

2. http://www.apl.washington.edu

3. 溫差能驅動水下滑翔機性能的研究

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