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行業研究 | 為極地作業而生 解析無人船在南極科考中的技術要求

      隨著南半球的夏季來臨,2021年南極考察季大幕開啟,各國相繼展開南極考察活動。我國延續“雙龍探極”模式,再次同時派出“雪龍號”“雪龍2”號兩艘極地科考船奔赴南極,共同進行中國第38次南極考察。

     4年前,當時已服役二十多年的中國極地考察主力“雪龍號”也是從上海出發,前往南極執行中國第34次南極科學考察任務,但是隨行的還有4艘國產無人船,在國際社會上引起轟動。



第34次南極科考

國產無人船首進南極海域

       2017年11月,中國第34次南極科學考察正式啟動。國家海洋局南海調查技術中心使用珠海云洲智能科技股份有限公司(以下簡稱“云洲智能”)研發生產的4艘無人船,代表“中國智造”遠赴南極,執行為極地科考船“雪龍號”尋找新錨地的任務。

       無人船此次“為國出征”,一路向南,目的地是中國科學家幾經尋覓才發現的一處可供建站的區域——位于羅斯海西岸的難言島(恩科斯堡島)。

       羅斯海離南極點很近,是南極大陸所有邊緣海里最向南延伸的一片海,自然條件非常惡劣,“盛產”超強、超干、超冷的風。盡管自然條件越獨特,往往意味著科考價值越大,但這確實會給工程建設和前期的準備工作帶來巨大的挑戰。而且此前大家都沒有抵達過羅斯海區域,更沒有掌握當地完整的地理數據,如果沒有找到合適的錨地,就讓“雪龍號”貿然進入,存在很大風險。即便是用傳統方式,用有人艇去探測,風險也很高。

       于是,無人船被委以重任,替“雪龍號”先行探路,尋找合適的錨地,開始了在南極科考的“無人探索之旅”。



惡劣環境下

無人船展現出色作業能力

       無人船出發前,云洲智能的技術人員為了這次南極任務,提高了無人船的設計等級,包括板材的厚度、結構強度,以及電子元器件的設計都做了相應的考慮。最終,經過一系列嚴酷的測試,云洲智能無人船的動穩性、噪音等各項指標均達到了這次探測任務的要求。

       抵達目的地后,云洲智能的4艘無人船就第一時間開始運作。因為肩負“先行探路者”使命,這次無人船的南極之行并不輕松——時間緊,任務重,必須把握好時間窗口,在最短時間內掌握數據提供給大船“雪龍號”并為其找到合適的錨地,才能確保下一步考察工作盡快順利開展。

       無人船執行任務時,雖然南極區域已是極晝,溫度有所回升,但氣溫也在-10℃左右,瞬間的陣風風速可達到40米/秒。面對如此惡劣的天氣條件和地理數據缺失的復雜水域,4艘無人船不懼風雪和低溫,立刻投入工作。其中,一艘體長5.65米、船寬2.4米、續航能力超過100海里的M80B“極行者”海洋調查無人船平臺(以下簡稱“M80B”),搭載多波束設備進行深水區掃測。另外三艘體長1.6米的SE40全自動采樣監測無人船,則搭載單波束,主要負責近岸區域的水深地形勘測。

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圖 | SE40全自動采樣監測無人船測量現場

       經過大約20小時的工作,4艘無人船在難言島(恩科斯堡島)周邊海域,完成了5㎞2海域多波束全覆蓋海底地形測量,出色完成了任務,同時也填補了該區域的數據空白,為船舶的安全航行和中國第5個南極科考站建設提供了基礎空間地理信息數據支撐。

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圖 | 無人船測量現場航行監控

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圖 | SM80B搭載多波束條帶測深系統采集的難言島海域水深地形

(海床上可見明顯的冰川侵蝕痕跡)



無人船在極地海域的

“暗藏絕技”

       用于極地海域的無人船,在實際作業中會面臨各種嚴峻的考驗,從設計研發階段就需要充分考慮環境限制與功能需要,在船體結構強度、動力系統選型、電子元器件選型等方面做大量“功課”,方能賦予無人船一身“絕技”,保障其充分發揮智能化優勢。


絕技一:為極地作業而生

       目前水面定位導航主要依靠衛星,即GNSS(Global Navigation Satellite System)和羅經(GYRO)相結合的方式,GNSS可提供實時平面坐標,羅經可提供艏向信息,然而高緯度地區一方面衛星數量有限,定位精度下降,同時靠近極點地磁指向作用失效,羅經無法“尋北”,因此使用傳統的GNSS+GYRO組成定位導航系統的方案在極地是無法正常使用的。M80B設計之初就針對極地特殊工況,在定位導航設備的選型、集成優化方面下了功夫:用通過雙衛星定位天線載波相位差定向的POS(Position & Orientation System)方案替代GNSS+GYRO方案實現定位定向功能,并加入慣性測量設備(IMU)與POS緊耦合為無人船、多波束條帶測深系統提供高精度定位、定向數據以及高精度姿態數據;為了提高衛星定位數據的信噪比,在較低矮的艏天線安裝位設計能夠削弱水面多徑效應的扼流結構安裝面,提高衛星定位數據質量。

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圖 | SM80B艏部GNSS天線安裝位的扼流結構

絕技二:比人“抗凍”,無人船可在-55℃環境下作業

       第二大考驗是低溫環境。

       當氣溫低于-50℃時,飛濺的海水會在船體表面結冰。無人船上因為無人值守和除冰,如果大量結冰后不能自行滑落,會影響船上設備及系統正常工作,對船體的穩性也會影響,從而導致探測數據誤差加大甚至作廢。

       云洲智能的無人船采用耐低溫的新型材料,確保在-20℃到-55℃的氣溫條件下電控硬件仍能正常使用。而且,其船體設計也有亮點:云洲M80B“極行者”海洋調查無人船平臺應用的“穿浪式”球艏,不僅能有效減少船舶縱向晃動,也有助于降低對船體搭載聲學探測設備的干擾,更好地保證測量數據精度。無人船還可按現場需要選配升降鰭和全水密設備艙,有利于在低溫環境中有效保護測量設備。


絕技三:比人“結實”,無人船可抵御浮冰和海浪的反復沖擊

       第三大考驗是浮冰和海浪的反復沖擊。

       為了更好地在極地海域破冰逐浪,云洲智能的海洋調查無人船采用三體船型設計,在快速性、穩定性、耐波性等方面表現出色;殼體采用高耐候性鋁合金鍛造,充分利用了鋁合金強度高、耐蝕性能好、低溫下不冷脆的優點;考慮到海水鹽分較高,無人船還采用了抗腐蝕材料。

       所以,無人船只要各項性能出色,完全可以在極地海域劈波斬浪、高效作業。


絕技四:比人“能走”,無人船可進入復雜水域 拓寬作業范圍

       第四大考驗是極地海域水況復雜。

       南極一到夏季,就會有大片大片的浮冰在水面上“游走”。如果使用傳統的有人艇去做海洋探測,駕船在這些浮冰縫隙里,一旦浮冰相撞就非常危險。1914年,一艘英國的探險船曾到南極有“魔?!敝Q的威德爾??疾?,遇到浮冰相撞被瞬間吞噬。除了浮冰,南極還有更可怕的鯨魚群,它們中的虎鯨被喻為“海上屠夫”,對人類而言也是不小的威脅。

       此時,運用無人船就充分展示出了安全、高效、省心的優勢??瓶既藛T只需要在后方指揮無人船操作,即可輕松進行海洋探測,獲取高質量的數據。還能操控無人船深入復雜水域,進一步拓寬作業范圍。


       綜上所述,無人船具備在部分嚴苛自然環境下工作的能力,在規定時間內完成預定任務,提高工作效率,降低勞動強度,保障人員安全。若采用多船協同測量,還可進一步提高測量效率。最后,從費用角度而言,采用無人船進行測量作業,消耗能源僅為有人船作業的十分之一。這將為遠洋作業的母船節省大量的燃油成本,同時寶貴的載荷可以讓給其它物資。

結語
       “雪龍號”和“雪龍2”號的雙龍探極,讓我們看見的不僅是萬噸巨輪的破冰遠行,還有極地科考人員不畏艱辛、百折不撓、探索不止的初心。無人船體型雖小,但也和這兩艘巨輪一樣,承載著興海強國的光榮與夢想。

       極地科考從對個別海域的觀測,到長期、持續、大范圍海域開展獨立調查,調查的深度、廣度不斷增加,對海洋調查無人船充實科考力量的需求亦與日俱增。用無人科技,探無人之境,讓更多的極地海域調查依靠無人船實現自動化,將助推我國加快從極地考察大國向強國邁進。


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