海洋探測(cè)載體的浮力調(diào)節(jié)技術(shù)及展望

韓峰

摘 要： 海洋探測(cè)載體的浮力調(diào)節(jié)技術(shù)是載體沉浮調(diào)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)。本文系統(tǒng)介紹了油囊油泵浮力調(diào)節(jié)、海水泵吸排海水浮力調(diào)節(jié)、溫差相變浮力調(diào)節(jié)等液壓系統(tǒng)，從多方面性能分析中提出了應(yīng)用范圍的參考意見，并探討了基于氣動(dòng)源的化學(xué)反應(yīng)浮力調(diào)節(jié)、變溫吸附浮力調(diào)節(jié)和可逆反應(yīng)浮力調(diào)節(jié)等新的浮力調(diào)節(jié)技術(shù)發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：海洋探測(cè);浮力調(diào)節(jié);液壓系統(tǒng);氣動(dòng)系統(tǒng)

0引言

我國(guó)是個(gè)海洋大國(guó)，但還不是海洋強(qiáng)國(guó)。我國(guó)的海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展、海洋環(huán)境保護(hù)、海洋科學(xué)研究、海洋權(quán)益斗爭(zhēng)和海洋軍事活動(dòng)等都需要掌握大量的海洋參數(shù)，而海洋參數(shù)的獲得需要海洋探測(cè)載體獲得支持。由于海洋要素隨時(shí)間和空間的變化較緩慢，為了研究某一現(xiàn)象或完成某一作業(yè)，往往需要利用海洋探測(cè)載體對(duì)定剖面或多剖面進(jìn)行長(zhǎng)期、持續(xù)的海洋環(huán)境參數(shù)測(cè)量，有的可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)年。這種探測(cè)過程需對(duì)載體的沉浮做實(shí)時(shí)的調(diào)整，浮力調(diào)節(jié)技術(shù)正是實(shí)現(xiàn)這種調(diào)整，使海洋探測(cè)載體完成長(zhǎng)期、連續(xù)及定點(diǎn)探測(cè)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

1浮力調(diào)節(jié)現(xiàn)狀

隨著對(duì)海洋探測(cè)需求的延伸，海洋探測(cè)的載體的種類越來越多，有剖面測(cè)量浮標(biāo)、剖面測(cè)量潛標(biāo)、水下無人自主航行器、水下無人滑翔器和深海潛水器等，浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)也伴隨著探測(cè)載體的發(fā)展而發(fā)展。改變海洋探測(cè)載體的重浮力差而改變其沉浮有兩條基本主線：一是改變載體的排水體積而不改變其質(zhì)量，二是改變載體的質(zhì)量而不改變其排水體積。圍繞著這兩條主線，伴隨載體出現(xiàn)并應(yīng)用的浮力調(diào)目前已出現(xiàn)的浮力調(diào)節(jié)方式有油囊油泵浮力調(diào)節(jié)、吸排海水浮力調(diào)節(jié)和溫差相變浮力調(diào)節(jié)。

1.1油囊油泵浮力調(diào)節(jié)

油囊油泵浮力調(diào)節(jié)是一種改變載體排水體積而不改變其質(zhì)量的調(diào)節(jié)方式。浮力調(diào)節(jié)裝置包括油泵、油囊、傳感器和高壓油路等，可變體積耐壓油囊裝在載體的外部，通過管路與內(nèi)部液壓系統(tǒng)相連。當(dāng)泵體將內(nèi)部油箱內(nèi)的油注入耐壓油囊后會(huì)使油囊體積增大，系統(tǒng)的排水體積增加，重量不變，載體的浮力逐漸增大。當(dāng)油箱內(nèi)的油全部抽到油囊時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)獲得最大的正浮力。反之，將油回抽，皮囊體積縮小，載體浮力隨之減小[1，2]。

油囊油泵調(diào)節(jié)所運(yùn)用的油液壓技術(shù)是一項(xiàng)發(fā)展較完善的技術(shù)，也是應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。由于油液壓的組件及系統(tǒng)發(fā)展得比較成熟，油囊油液浮力調(diào)節(jié)方式起步較早，發(fā)展得也較為成熟。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于油囊浮力調(diào)節(jié)裝置的研究和應(yīng)用較多[3]，設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案也多樣化，包括雙向吸排油泵方案、單向泵與三位四通電磁換向閥相結(jié)合的吸排油方案、單向排油方案、單行程柱塞泵吸排油方案等。

雙向吸排油泵方案、單向泵與三位四通電磁換向閥相結(jié)合的吸排油方案、單行程柱塞泵吸排油方案可在泵的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)吸、排油的雙向循環(huán)，控制性能好、吸排油量穩(wěn)定，但由于吸排油過程電機(jī)均工作，能耗較大;單向排油方案吸油過程電機(jī)停止工作，能耗較小，吸油總量可由負(fù)壓和外壓確定，但吸油過程變化不均勻，可考慮由流量閥控制回油速率;單行程柱塞泵吸排油方案的柱塞泵壓力高、排量精確、效率高，系統(tǒng)體積較小，但實(shí)現(xiàn)大排量較為困難，且直線機(jī)構(gòu)較長(zhǎng)，對(duì)縱向長(zhǎng)度的要求較高;雙向吸排油泵方案、單向泵與三位四通電磁換向閥相結(jié)合的吸排油方案、單向排油方案可將閥組、泵、電機(jī)等做成組合結(jié)構(gòu)，沿載體的徑向分布，減少對(duì)縱向空間的需求。此外，為保證油囊的安全，各方案的外殼需設(shè)置限位，并設(shè)置出口流量計(jì)來控制油囊內(nèi)的油量。

1.2吸排海水浮力調(diào)節(jié)

海水泵吸排海水浮力調(diào)節(jié)采用的是改變載體的質(zhì)量而不改變其排水體積的浮力調(diào)節(jié)方式。調(diào)節(jié)工作機(jī)理為：在載體內(nèi)設(shè)置耐壓水箱，其容積代表著浮力調(diào)節(jié)量。當(dāng)進(jìn)行上浮調(diào)節(jié)時(shí)，用海水泵向外排海水，使浮力大于重力，載體上浮;當(dāng)進(jìn)行下潛調(diào)節(jié)時(shí)，將海水泵入水箱，直至重力大于浮力，載體下潛。

海水液壓技術(shù)是雖然發(fā)展已久，但是發(fā)展較為緩慢。海水腐蝕性強(qiáng)、粘度低、潤(rùn)滑性差，對(duì)材料的要求較高;海水液壓系統(tǒng)浸泡在海水中，雜質(zhì)及微生物污染對(duì)其損害也較嚴(yán)重。受到海水液壓技術(shù)的影響，海水泵吸排海水浮力調(diào)節(jié)方式才處于起步階段 [4]。如圖1所示為一種吸排海水浮力調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案[5]，吸排水回路中配有4個(gè)電磁海水換向閥，在啟動(dòng)海水泵后，接通閥2與閥3，海水從進(jìn)水口加壓抽入耐壓容器中; 接通閥1與閥4，海水則會(huì)從耐壓容器排入大海。耐壓水箱底部裝有溫度傳感器和壓力傳感器，用來計(jì)算水箱中的水量。安全閥起到防止系統(tǒng)過壓的作用，當(dāng)閥不能正常工作或其它原因?qū)е聣毫^高時(shí)，安全閥自動(dòng)打開，保證系統(tǒng)的安全。吸排水各使用兩個(gè)海水閥是為了防止閥受海水污染或腐蝕等失效。水箱要同時(shí)承受來自海水的外壓和內(nèi)部壓縮空氣的內(nèi)壓，設(shè)計(jì)要求較高。

1.3溫差相變浮力調(diào)節(jié)

溫差相變浮力調(diào)節(jié)也是一種改變載體排水體積而不改變其質(zhì)量的調(diào)節(jié)方式。調(diào)節(jié)系統(tǒng)利用感溫工質(zhì)在表面暖水層和深處冷水層之間的溫差相變獲取并儲(chǔ)存能量，將溫差能轉(zhuǎn)化為浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能[6，7]。調(diào)節(jié)系統(tǒng)由三種工質(zhì)組成：感溫工質(zhì)、工作氣體和能量傳遞液體。從暖水層中吸收熱量時(shí)，固-液相變體時(shí)積膨脹，向冷水層中釋放熱量時(shí)，液-固相變體積收縮，這種容積變化可以儲(chǔ)存并轉(zhuǎn)化為載體的排水體積變化，進(jìn)而改變載體的凈浮力。

溫差能調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作流體腔暴露在海水中的，用于存放感溫工質(zhì)，是系統(tǒng)獲取溫差能的關(guān)鍵部件;工作氣體腔用于存儲(chǔ)和釋放工作流體腔傳遞過來的能量;體積可變的外囊用于存儲(chǔ)和釋放工作氣體腔傳遞過來的能量;內(nèi)囊用于存儲(chǔ)和釋放外囊傳遞過來的能量;一個(gè)活塞在工作流體腔隔離感溫工質(zhì)和傳遞液體，另一個(gè)活塞在工作氣體腔隔離工作氣體和傳遞液體;一個(gè)單向閥使能量傳遞液體只能從內(nèi)囊流入工作流體腔，另一個(gè)單向閥使能量傳遞液體只能從工作流體腔流入工作氣體腔;三通閥調(diào)控工作內(nèi)囊、外囊及氣體腔之間能量傳遞液體的傳動(dòng)。

1.4 現(xiàn)有浮力調(diào)節(jié)的性能及應(yīng)用比較

從使用深度角度看：油液系統(tǒng)以油做傳遞介質(zhì)，深度超過2000米的壓力后，油液及油壓系統(tǒng)受壓力影響較大，會(huì)影響系統(tǒng)的浮力調(diào)節(jié)功能，故油囊油泵浮力調(diào)節(jié)裝置和溫差浮力調(diào)節(jié)裝置以油液傳遞工作，載體設(shè)計(jì)潛深不宜超過2000米。海水及吸排海水系統(tǒng)能夠耐受海洋環(huán)境壓力，可用于已知的任意海洋深度。

浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的體積主要由油囊、水箱或工作腔等決定，從獲得相同的重浮力差值所需體積角度看：油囊油液調(diào)節(jié)系統(tǒng)的內(nèi)外油囊占用載體內(nèi)部空間和外部整流罩空間，體積較大;目前已知的感溫工質(zhì)相變體積變化為大約20%，要獲得1L的浮力調(diào)節(jié)體積，需要5L的感溫工質(zhì)，會(huì)增大系統(tǒng)的體積和質(zhì)量;海水系統(tǒng)只需要一個(gè)內(nèi)置壓力水箱，且海水密度比油大，獲得相同的重浮力差值對(duì)體積的要求更小。

從系統(tǒng)元件的配置角度看：油液油囊調(diào)節(jié)系統(tǒng)的油壓元件標(biāo)準(zhǔn)化程度高，可成套組裝、結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕;吸排海水系統(tǒng)的海水液壓元件較多，且元件較笨重、難以購買和組配;溫差調(diào)節(jié)系統(tǒng)的油壓元件較多。

從系統(tǒng)的密封和使用隱蔽性角度看：油囊油泵及溫差浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的油液壓系統(tǒng)抗壓性能差，且不抗海水腐蝕，對(duì)密封要求很高。吸排海水浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)暴露在海水中，抗壓性能較好，沒有密封要求。且油液壓系統(tǒng)的油液有污染，對(duì)于隱蔽工作載體而言油液泄露會(huì)暴露目標(biāo);而海水無污染，不會(huì)暴露目標(biāo)。

從系統(tǒng)的能耗角度看：吸排海水浮力調(diào)節(jié)方式的元件較多，海水泵的功耗較大，吸排周期均需耗電，電能消耗最大。溫差浮力調(diào)節(jié)方式的排水體積利用外界海水的能量，能耗較低。由于吸排海水及油囊油泵浮力調(diào)節(jié)方式需要較多的電源補(bǔ)給，而電池艙段也將占用一定的空間，影響布局。

從調(diào)節(jié)量的控制角度看：油囊油泵和吸排海水調(diào)節(jié)均可實(shí)現(xiàn)線性穩(wěn)定的吸排量過程控制。溫差調(diào)節(jié)的相變過程并不是線性的，但是相變溫差確定后，可得出調(diào)節(jié)總量，通過三通流量閥來控制流量，基本可以實(shí)現(xiàn)線性的較準(zhǔn)確的控制。

從經(jīng)濟(jì)性的角度看：現(xiàn)階段海水液壓元器件的價(jià)格貴且在海水中易磨損，而油壓元件便宜，密封后不易磨損。

以上對(duì)比可以看出，油囊油泵浮力調(diào)節(jié)方式可用于浮力調(diào)節(jié)總量不大、載體的工作深度小于2000米、中短期水下作業(yè)、價(jià)格要求不高的中小型探測(cè)載體;吸排海水浮力調(diào)節(jié)方式可用于高壓環(huán)境、中短期水下作業(yè)的特種設(shè)備、深海載體，或用于浮力調(diào)節(jié)總量要求較大且需要節(jié)約載體體積的重載荷中大型探測(cè)載體;溫差浮力調(diào)節(jié)方式由于溫差較小相變量不足以驅(qū)動(dòng)浮力系統(tǒng)，而必須用于溫差適宜的海域，可用在浮力調(diào)節(jié)總量小、長(zhǎng)期水下作業(yè)的小型探測(cè)載體。

2新浮力調(diào)節(jié)技術(shù)發(fā)展探討

除了潛艇這種龐然大物用到高壓氣瓶排水進(jìn)行浮力調(diào)節(jié)以外，海洋探測(cè)載體受限于體積和空間布局，一般不采用氣動(dòng)類的浮力調(diào)節(jié)裝置，基本上均采用以上所述的液壓技術(shù)。那么，是否可以采用氣體作為能源，在探測(cè)載體上實(shí)現(xiàn)浮力調(diào)節(jié)，下面是關(guān)于氣體驅(qū)動(dòng)浮力調(diào)節(jié)的方案設(shè)想。

2.1化學(xué)反應(yīng)生成氣體浮力調(diào)節(jié)

常溫下一些物質(zhì)能夠與海水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氣體，如常見的堿金屬與水反應(yīng)生成氫氣、過氧化物與水反應(yīng)生成氧氣、金屬碳化物與水生成烯、炔等。可利用常溫下一些物質(zhì)與海水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氣體的特性，改變海洋探測(cè)載體的排水體積，從而達(dá)到調(diào)節(jié)浮力目的。

2.2變溫吸附浮力調(diào)節(jié)

氣體分子吸附在多孔結(jié)構(gòu)的吸附劑里形成的吸附層密度比氣體的密度大很多，有的甚至接近液體密度。吸附或解吸附僅需釋放或吸收接近氣體汽化熱的較小熱值，所以吸附和解吸附速度都較快。對(duì)于氣體而言，溫度越低，吸附量越大;溫度越高，吸附量越小[8]。變溫吸附浮力調(diào)節(jié)就是利用溫度改變吸附量，改變氣體的體積，從而改變排水體積，實(shí)現(xiàn)浮力調(diào)節(jié)。

2.3可逆反應(yīng)浮力調(diào)節(jié)

可逆反應(yīng)是指在同一條件下，既能向正反應(yīng)方向進(jìn)行又能向逆反應(yīng)的方向進(jìn)行的反應(yīng)。有的可逆反應(yīng)的正向或逆向反應(yīng)會(huì)生成氣體，如反應(yīng) 中A、 B、C、D中有一個(gè)或一個(gè)以上的反應(yīng)物為氣體，且方程式兩邊的氣體項(xiàng)的系數(shù)不相等，則溫度或者壓力發(fā)生改變，會(huì)導(dǎo)致可逆反應(yīng)產(chǎn)生的氣體總量發(fā)生變化。可逆反應(yīng)浮力調(diào)節(jié)正是運(yùn)用可逆反應(yīng)的氣體體積改變量實(shí)現(xiàn)浮力調(diào)節(jié)的。

2.4氣動(dòng)浮力調(diào)節(jié)特點(diǎn)

圖2氣動(dòng)浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)

利用氣體體積變化進(jìn)行浮力調(diào)節(jié)雖然原理不同，但是調(diào)節(jié)過程均是由氣體的體積變化而控制的，所以設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)也比較類似。目前設(shè)想的方案類似于溫差相變浮力調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)方案，如圖2所示為一種設(shè)想方案，只不過把溫差相變?cè)锤某闪藲鈩?dòng)源。由于載體在水中不同深度的環(huán)境溫度和壓力變化較大，且氣體的體積隨環(huán)境和系統(tǒng)溫度、壓力的變化較大，變化的過程較復(fù)雜，所以需要將最大體積變化的能量?jī)?chǔ)存下來供系統(tǒng)定量調(diào)整?；瘜W(xué)反應(yīng)生成氣體調(diào)節(jié)方式需要外接海水流量閥用來吸水或排氣，其他兩種調(diào)節(jié)方式則使用密閉工作氣體缸，無外接海水流量閥。化學(xué)反應(yīng)氣動(dòng)源儲(chǔ)存能量時(shí)不耗電，載體的水下作業(yè)時(shí)間由浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的反應(yīng)物總量確定;變溫吸附儲(chǔ)能過程需要消耗電能加熱，加熱片將電能轉(zhuǎn)換為熱能，其效率比電能轉(zhuǎn)化為泵的機(jī)械能進(jìn)而轉(zhuǎn)化為液壓能高很多，能源利用率較高;可逆反應(yīng)的體積變化耗能較少，有的可逆反應(yīng)可能要借助加熱片促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，也會(huì)有電能消耗。

3結(jié)束語

油囊油泵浮力調(diào)節(jié)方式的應(yīng)用廣泛而成熟，除了深海探測(cè)載體外，目前的海洋探測(cè)載體中基本上都能捕捉到它的影子。隨著海水液壓元件的材料磨損和腐蝕等問題的解決和價(jià)格的降低，吸排海水浮力調(diào)節(jié)方式也會(huì)擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。溫差浮力調(diào)節(jié)方式能耗低，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍長(zhǎng)時(shí)間的海洋探測(cè)。本文所設(shè)想的氣動(dòng)浮力調(diào)節(jié)方案可否適用于油囊油泵和溫差相變浮力調(diào)節(jié)應(yīng)用領(lǐng)域，其能耗、經(jīng)濟(jì)性及空間布局有待進(jìn)一步探討。

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