国家海洋技术中心C-ARGO浮标研发纪实

作者:本报记者 周 超  来源:中国海洋报   发布时间:2018-06-04 09:44:59   [打印本页] [关闭窗口]

  在浩瀚无边的海洋中,有一种海洋观测设备浮沉其间。它时而浮出海面,向卫星设备传输数据,时而潜入深海,将海水温度、盐度、漂移轨迹等数据“收入囊中”。众多这样的设备组成一个庞大的全球实时海洋观测网,以提高气候预报的精度,为防御气候灾害提供可靠依据。这就是自持式剖面探测漂流浮标(简称剖面浮标或浮标)。

“张謇”号科考船在南海布防浮标

  作为一种长期连续实时监测海洋的移动设备,剖面浮标的研发兴起于20世纪90年代,如今已在全球海洋观测中得到了广泛应用。而在我国,很长一段时间只能依赖进口。研发“中国造”剖面浮标,成为我国海洋监测的迫切课题。

  “作为国内最早研发浮标技术的单位,中心历经20年研发成功的C-ARGO浮标,突破了定深控制、温盐测量和浮标检测三大核心技术,实现了近100%的国产化率。目前中心已经为海洋相关专项任务提供了200多台C-ARGO浮标,经过实践检验,效果极佳,应用前景向好。”国家海洋技术中心主任韩家新介绍。

  近日,记者走进技术中心,听科研人员讲述剖面浮标的“中国创新”之路。

  剖面浮标,海洋监测技术的制高点

  “相较于定点观测的方式,剖面浮标具备大范围、准同步、投入产出比高等优势。”国家海洋技术中心高工李文彬给记者算了一笔账:

  以国家海洋局第二海洋研究所牵头的一个5年期的海洋监测项目为例,投入资金为近1000万元,通过布放36个剖面浮标,将获得3800条从海面到2000米水深范围内的剖面数据。而如果采用定点监测的方式,想要获取这些数据则需要高达3亿多元的投入。与定点监测相比,剖面浮标项目的投入产出比高达1??30以上。

  正是看准了剖面浮标在海洋监测中的巨大优势,很多国家早已开始了研发,全力抢占海洋监测高新技术的制高点。

  20世纪90年代,美国斯科利普斯海洋研究所研制了世界上第一台剖面浮标——SOLO浮标,此后,法国、加拿大、日本相继研发出成功。

  1998年,美国、日本等国家的海洋科学家提出了全球海洋观测网计划(ARGO,简称阿尔戈计划),欲在全球大洋中每隔300公里布放一个由卫星跟踪的剖面漂流浮标,总计3000个,以此组成一个庞大的全球实时海洋观测网,旨在快速、准确、大范围地收集全球海洋0米~2000 米上层的海水温度、盐度和浮标的漂移轨迹等资料,提高气候预报的精度。之后又提出将布放的浮标数量由3000个增加至4000个。

  如今,剖面浮标技术在海洋调查中得到广泛应用,成为国际海洋监测活动中大量使用的高技术设备。

  历经20年,持续研发攻难关

  与西方国家相比,中国在剖面浮标技术研发上起步较晚、发展相对滞后,直到2002年才正式加入阿尔戈计划。“当时,全球大洋中布放的3000个浮标中,没有一个浮标是中国研制的。”李文彬说。

  国家海洋技术中心科研人员从零起步,走上了长达20年的剖面浮标“中国制造”之路。

  20世纪90年代末期,当时还是国家海洋局海洋技术研究所(2001年更名为国家海洋技术中心)承接了国家“863”计划项目,开始研发剖面浮标技术。“我们当时只有五六个人,对这项技术基本不了解。”技术中心研究员张少永回忆当时的情景。

  起初,他们从国外进口了一台浮标进行研究和仿制。然而,温盐深仪传感器、卫星通讯传输、液压驱动系统、定深控制、浮标检测……这些国外厂商掌握的核心技术和部件,让科研人员一筹莫展。关键技术不能自主研发,仿制品只能是“四不像”,不具备市场应用能力。

  自主研发面临着重重考验。张少永说,经过几次海试后,发现自行设计的浮标达不到技术指标要求。“主要体现在关键部件可靠性、浮标体积重量调整方法、实验室测试能力等几个方面。”

  “比如柱塞泵的密封和强度当时都不行,这导致了浮标驱动能力不足,无法正常上浮下潜。”李文彬解释说。科研人员通过查阅大量国外文献,改进了柱塞泵的设计、组装和检测方法,经过无数次试验,终于制造出了能够满足2000米水深压力的国产柱塞泵。

  据统计,仅在“十一五”“863”计划期间,国家海洋技术中心剖面浮标项目就进行了4个航次的试验,布放了12台样机。就是在一次又一次的试验中,一个又一个技术难关相继被攻破。

  最终,历经20年艰苦攻关,从采用argos通信、2000米浮标工程样机研制,到采用北斗通信、400米C-ARGO浮标工程样机研制,再到采用北斗通信、2000米C-ARGO浮标工程样机研制,C-ARGO国产浮标技术基本成熟。

  2008年,技术中心研究人员在白令海布放了1台浮标,完成100个剖面测量任务,首次完成剖面浮标工程样机研制,并在实际海试中应用;

  2014年,技术中心参加了由中国ARGO实时资料中心组织的国产ARGO浮标性能比测试验。经过比测,技术中心提供的2台ARGO浮标达到了国际ARGO计划的指标要求。

  2012年~2016年,技术中心向南海预报中心提供了10台C-ARGO浮标,在西太平洋完成了C-ARGO浮标的应用示范,所有浮标均按要求完成任务。

  从无数次的实验室研制、海试,到批量的业务应用,技术中心在该领域已成为国内技术门类最全、技术水平最高、产品型号最多、生产能力最强的科研生产单位,其自主研发的C-ARGO浮标项目取得了9项授权专利,并荣获2011年度国家海洋系统科技创新成果二等奖。

  自主创新,三大核心技术获突破

  一个剖面浮标有1米多长、20多公斤重。在这个小小的“身体”里,要装上大量高精尖部件:卫星天线、传感器、电池组、高压泵、可变体积皮囊……直接反映了一个国家的海洋监测技术乃至整体工业制造水平。

  由技术中心研发的C-ARGO浮标,突破了定深控制技术、温盐深测量技术和浮标检测技术三大核心技术,实现了剖面浮标部件近100%的国产化率,有效扭转了我国剖面浮标核心技术受制于人的局面。

  所谓定深控制技术,是指通过浮标重量的精确调整,实现浮标在设定深度的下潜和停留。说起来简单,做起来却并不容易。“1克的重量误差,就会导致浮标10米深度的变化。”张少永说。经过大量理论计算和反复试验,科研人员完善了浮标重量精确调整方法,实现了定深控制误差在上下50米的目标。

  作为实现浮标测量功能的主要部件,专用的温盐深仪传感器对浮标技术研发来说是重中之重。当剖面浮标被布放在某处海域后,它会根据设定时间进行上浮或下潜,并在上升过程中利用自身携带的传感器进行连续剖面测量。当浮标到达海面后,就会通过卫星定位传输数据。

  经过科研攻关,在国产三电极传感器的基础之上,科研人员研发了国产温盐深仪传感器,其功能和性能均满足C-ARGO浮标要求,极大提高了浮标国产化水平。

  产品从实验室成果到实现业务化应用,检测技术是关键。科研人员研发了可视压力装置和自动恒压泵站等检测设备,解决了以往需要通过手工方式测试浮标运行情况的关键技术,使浮标批量成果转化成为可能。

  正视差距,瞄准国际前沿再追赶

  成绩固然喜人,差距也不能忽视。据李文彬介绍,目前我国剖面浮标与国外先进水平相比,还处于“跟跑”阶段,与美国、法国等国家在浮标使用寿命、传感器精度和可靠性等方面仍存在一定差距。

  不仅是技术差距,国产剖面浮标从科研样机到批量转化应用也面临诸多挑战。国家海洋技术中心副主任彭伟介绍,剖面浮标技术科技含量高、风险大,同时又具有小批量、定制化的特点。“这对技术创新能力较弱的单位来说是难以承受的。”彭伟说,“与国内相比,欧美发达国家工业体系发达,在浮标研发和推广领域已形成完整的链条。”

  韩家新对记者表示,下一步国家海洋技术中心将结合国际ARGO计划,继续推动国产剖面浮标的技术进步,朝着多要素测量(如增加生物化学参数)、大深度(发展4000米~6000米深度测量)以及提高工艺材料水平等方向发展,提高国产剖面浮标智能化水平,持续走好剖面浮标的“中国创新”之路。