海洋探测载体的浮力调节技术及展望

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  摘 要: 海洋探测载体的浮力调节技术是载体沉浮调节的关键技术。本文系统介绍了油囊油泵浮力调节、海水泵吸排海水浮力调节、温差相变浮力调节等液压系统,从多方面性能分析中提出了应用范围的参考意见,并探讨了基于气动源的化学反应浮力调节、变温吸附浮力调节和可逆反应浮力调节等新的浮力调节技术发展方向。
  关键词:海洋探测;浮力调节;液压系统;气动系统
  0引言
   我国是个海洋大国,但还不是海洋强国。我国的海洋经济发展、海洋环境保护、海洋科学研究、海洋权益斗争和海洋军事活动等都需要掌握大量的海洋参数,而海洋参数的获得需要海洋探测载体获得支持。由于海洋要素随时间和空间的变化较缓慢,为了研究某一现象或完成某一作业,往往需要利用海洋探测载体对定剖面或多剖面进行长期、持续的海洋环境参数测量,有的可能长达数年。这种探测过程需对载体的沉浮做实时的调整,浮力调节技术正是实现这种调整,使海洋探测载体完成长期、连续及定点探测的一项关键技术。
  1浮力调节现状
  随着对海洋探测需求的延伸,海洋探测的载体的种类越来越多,有剖面测量浮标、剖面测量潜标、水下无人自主航行器、水下无人滑翔器和深海潜水器等,浮力调节系统也伴随着探测载体的发展而发展。改变海洋探测载体的重浮力差而改变其沉浮有两条基本主线:一是改变载体的排水体积而不改变其质量,二是改变载体的质量而不改变其排水体积。围绕着这两条主线,伴随载体出现并应用的浮力调目前已出现的浮力调节方式有油囊油泵浮力调节、吸排海水浮力调节和温差相变浮力调节。
  1.1油囊油泵浮力调节
  油囊油泵浮力调节是一种改变载体排水体积而不改变其质量的调节方式。浮力调节装置包括油泵、油囊、传感器和高压油路等,可变体积耐压油囊装在载体的外部,通过管路与内部液压系统相连。当泵体将内部油箱内的油注入耐压油囊后会使油囊体积增大,系统的排水体积增加,重量不变,载体的浮力逐渐增大。当油箱内的油全部抽到油囊时,调节系统获得最大的正浮力。反之,将油回抽,皮囊体积缩小,载体浮力随之减小[1,2]。
  油囊油泵调节所运用的油液压技术是一项发展较完善的技术,也是应用最广泛的技术。由于油液压的组件及系统发展得比较成熟,油囊油液浮力调节方式起步较早,发展得也较为成熟。目前国内外关于油囊浮力调节装置的研究和应用较多[3],设计系统方案也多样化,包括双向吸排油泵方案、单向泵与三位四通电磁换向阀相结合的吸排油方案、单向排油方案、单行程柱塞泵吸排油方案等。
  双向吸排油泵方案、单向泵与三位四通电磁换向阀相结合的吸排油方案、单行程柱塞泵吸排油方案可在泵的带动下实现吸、排油的双向循环,控制性能好、吸排油量稳定,但由于吸排油过程电机均工作,能耗较大;单向排油方案吸油过程电机停止工作,能耗较小,吸油总量可由负压和外压确定,但吸油过程变化不均匀,可考虑由流量阀控制回油速率;单行程柱塞泵吸排油方案的柱塞泵压力高、排量精确、效率高,系统体积较小,但实现大排量较为困难,且直线机构较长,对纵向长度的要求较高;双向吸排油泵方案、单向泵与三位四通电磁换向阀相结合的吸排油方案、单向排油方案可将阀组、泵、电机等做成组合结构,沿载体的径向分布,减少对纵向空间的需求。此外,为保证油囊的安全,各方案的外壳需设置限位,并设置出口流量计来控制油囊内的油量。
  1.2吸排海水浮力调节
  海水泵吸排海水浮力调节采用的是改变载体的质量而不改变其排水体积的浮力调节方式。调节工作机理为:在载体内设置耐压水箱,其容积代表着浮力调节量。当进行上浮调节时,用海水泵向外排海水,使浮力大于重力,载体上浮;当进行下潜调节时,将海水泵入水箱,直至重力大于浮力,载体下潜。
  海水液压技术是虽然发展已久,但是发展较为缓慢。海水腐蚀性强、粘度低、润滑性差,对材料的要求较高;海水液压系统浸泡在海水中,杂质及微生物污染对其损害也较严重。受到海水液压技术的影响,海水泵吸排海水浮力调节方式才处于起步阶段 [4]。如图1所示为一种吸排海水浮力调节设计系统方案[5],吸排水回路中配有4个电磁海水换向阀,在启动海水泵后,接通阀2与阀3,海水从进水口加压抽入耐压容器中; 接通阀1与阀4,海水则会从耐压容器排入大海。耐压水箱底部装有温度传感器和压力传感器,用来计算水箱中的水量。安全阀起到防止系统过压的作用,当阀不能正常工作或其它原因导致压力过高时,安全阀自动打开,保证系统的安全。吸排水各使用两个海水阀是为了防止阀受海水污染或腐蚀等失效。水箱要同时承受来自海水的外压和内部压缩空气的内压,设计要求较高。
  1.3温差相变浮力调节
  温差相变浮力调节也是一种改变载体排水体积而不改变其质量的调节方式。调节系统利用感温工质在表面暖水层和深处冷水层之间的温差相变获取并储存能量,将温差能转化为浮力调节系统的调节能[6,7]。调节系统由三种工质组成:感温工质、工作气体和能量传递液体。从暖水层中吸收热量时,固-液相變体时积膨胀,向冷水层中释放热量时,液-固相变体积收缩,这种容积变化可以储存并转化为载体的排水体积变化,进而改变载体的净浮力。
  温差能调节系统的工作流体腔暴露在海水中的,用于存放感温工质,是系统获取温差能的关键部件;工作气体腔用于存储和释放工作流体腔传递过来的能量;体积可变的外囊用于存储和释放工作气体腔传递过来的能量;内囊用于存储和释放外囊传递过来的能量;一个活塞在工作流体腔隔离感温工质和传递液体,另一个活塞在工作气体腔隔离工作气体和传递液体;一个单向阀使能量传递液体只能从内囊流入工作流体腔,另一个单向阀使能量传递液体只能从工作流体腔流入工作气体腔;三通阀调控工作内囊、外囊及气体腔之间能量传递液体的传动。
  1.4 现有浮力调节的性能及应用比较
  从使用深度角度看:油液系统以油做传递介质,深度超过2000米的压力后,油液及油压系统受压力影响较大,会影响系统的浮力调节功能,故油囊油泵浮力调节装置和温差浮力调节装置以油液传递工作,载体设计潜深不宜超过2000米。海水及吸排海水系统能够耐受海洋环境压力,可用于已知的任意海洋深度。   浮力调节系统的体积主要由油囊、水箱或工作腔等决定,从获得相同的重浮力差值所需体积角度看:油囊油液调节系统的内外油囊占用载体内部空间和外部整流罩空间,体积较大;目前已知的感温工质相变体积变化为大约20%,要获得1L的浮力调节体积,需要5L的感温工质,会增大系统的体积和质量;海水系统只需要一个内置压力水箱,且海水密度比油大,获得相同的重浮力差值对体积的要求更小。
  从系统元件的配置角度看:油液油囊调节系统的油压元件标准化程度高,可成套组装、结构紧凑、质量轻;吸排海水系统的海水液压元件较多,且元件较笨重、难以购买和组配;温差调节系统的油压元件较多。
  从系统的密封和使用隐蔽性角度看:油囊油泵及温差浮力调节系统的油液压系统抗压性能差,且不抗海水腐蚀,对密封要求很高。吸排海水浮力调节系统暴露在海水中,抗压性能较好,没有密封要求。且油液压系统的油液有污染,对于隐蔽工作载体而言油液泄露会暴露目标;而海水无污染,不会暴露目标。
  从系统的能耗角度看:吸排海水浮力调节方式的元件较多,海水泵的功耗较大,吸排周期均需耗电,电能消耗最大。温差浮力调节方式的排水体积利用外界海水的能量,能耗较低。由于吸排海水及油囊油泵浮力调节方式需要较多的电源补给,而电池舱段也将占用一定的空间,影响布局。
  从调节量的控制角度看:油囊油泵和吸排海水调节均可实现线性稳定的吸排量过程控制。温差调节的相变过程并不是线性的,但是相变温差确定后,可得出调节总量,通过三通流量阀来控制流量,基本可以实现线性的较准确的控制。
  从经济性的角度看:现阶段海水液压元器件的价格贵且在海水中易磨损,而油压元件便宜,密封后不易磨损。
  以上对比可以看出,油囊油泵浮力调节方式可用于浮力调节总量不大、载体的工作深度小于2000米、中短期水下作业、价格要求不高的中小型探测载体;吸排海水浮力调节方式可用于高压环境、中短期水下作业的特种设备、深海载体,或用于浮力调节总量要求较大且需要节约载体体积的重载荷中大型探测载体;温差浮力调节方式由于温差较小相变量不足以驱动浮力系统,而必须用于温差适宜的海域,可用在浮力调节总量小、长期水下作业的小型探测载体。
  2新浮力调节技术发展探讨
  除了潜艇这种庞然大物用到高压气瓶排水进行浮力调节以外,海洋探测载体受限于体积和空间布局,一般不采用气动类的浮力调节装置,基本上均采用以上所述的液压技术。那么,是否可以采用气体作为能源,在探测载体上实现浮力调节,下面是关于气体驱动浮力调节的方案设想。
  2.1化学反应生成气体浮力调节
  常温下一些物质能够与海水发生化学反应生成气体,如常见的碱金属与水反应生成氢气、过氧化物与水反应生成氧气、金属碳化物与水生成烯、炔等。可利用常温下一些物质与海水发生化学反应生成气体的特性,改变海洋探测载体的排水体积,从而达到调节浮力目的。
  2.2变温吸附浮力调节
  气体分子吸附在多孔结构的吸附剂里形成的吸附层密度比气体的密度大很多,有的甚至接近液体密度。吸附或解吸附仅需释放或吸收接近气体汽化热的较小热值,所以吸附和解吸附速度都较快。对于气体而言,温度越低,吸附量越大;温度越高,吸附量越小[8]。变温吸附浮力调节就是利用温度改变吸附量,改变气体的体积,从而改变排水体积,实现浮力调节。
  2.3可逆反应浮力调节
  可逆反应是指在同一条件下,既能向正反应方向进行又能向逆反应的方向进行的反应。有的可逆反应的正向或逆向反应会生成气体,如反应 中A、 B、C、D中有一个或一个以上的反应物为气体,且方程式两边的气体项的系数不相等,则温度或者压力发生改变,会导致可逆反应产生的气体总量发生变化。可逆反应浮力调节正是运用可逆反应的气体体积改变量实现浮力调节的。
  2.4气动浮力调节特点
  图2气动浮力调节系统
  利用气体体积变化进行浮力调节虽然原理不同,但是调节过程均是由气体的体积变化而控制的,所以设计结构也比较类似。目前设想的方案类似于温差相变浮力调节的设计方案,如图2所示为一种设想方案,只不过把温差相变源改成了气动源。由于载体在水中不同深度的环境温度和压力变化较大,且气体的体积随环境和系统温度、压力的变化较大,变化的过程较复杂,所以需要将最大体积变化的能量储存下来供系统定量调整。化学反应生成气体调节方式需要外接海水流量阀用来吸水或排气,其他两种调节方式则使用密闭工作气体缸,无外接海水流量阀。化学反应气动源储存能量时不耗电,载体的水下作业时间由浮力调节系统的反应物总量确定;变温吸附储能过程需要消耗电能加热,加热片将电能转换为热能,其效率比电能转化为泵的机械能进而转化为液压能高很多,能源利用率较高;可逆反应的体积变化耗能较少,有的可逆反应可能要借助加热片促进反应的进行,也会有电能消耗。
  3结束语
  油囊油泵浮力调节方式的应用广泛而成熟,除了深海探测载体外,目前的海洋探测载体中基本上都能捕捉到它的影子。随着海水液压元件的材料磨损和腐蚀等问题的解决和价格的降低,吸排海水浮力调节方式也会扩大其应用范围。温差浮力调节方式能耗低,能够实现大范围长时间的海洋探测。本文所设想的气动浮力调节方案可否适用于油囊油泵和温差相变浮力调节应用领域,其能耗、经济性及空间布局有待进一步探讨。
  参考文献
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