全海深宏生物保压取样装置设计与实验研究

针对非保压取样方法难以获取高质量生物样本的问题,提出全海深宏生物保压取样器. 考虑海上布放对装置质量的限制,提出中空式活塞取样结构. 针对深海的超高压环境,分析常规蓄能器设计中理想气体状态方程的不适应性,提出基于真实气体状态的设计方法. 针对密封圈移动引起的压降,设计液体主动补偿技术. 内压试验结果表明,保压筒和取样活塞具有足够的强度和良好的密封性. 高压舱测试表明,提出的取样系统在高压下可以稳定工作,设计的压力补偿系统能够显著地提高取样器的保压性能. 取样器在马里亚纳海沟深度超过10 800 m深度时进行2次原位实验,共获取端足类生物保压样品174只.     

液压推进型水下机器人的运动控制方法研究

针对液压推进型水下机器人的定向控制问题,对液压推进器的比例滞环、机器人多自由度运动模型、控制器设计等方面进行了研究,提出了液压推进器转速PI控制与ROV定向PID控制相结合的控制方法;在Matlab/Simulink中建立了海马号水下机器人的六自由度动力学模型,并设计了带螺旋桨转速PI闭环的定向控制器;该定向控制器包括控制手柄输入、定向PID控制器、推力分配及合成矩阵、螺旋桨转速PI控制器等,利用仿真试验模型对控制器进行了抗干扰测试。仿真结果表明:所提出的复合PID控制器可显著减小由于液压推进器推力不一致引起的定向角度控制误差,具有比常规PID控制器更好的控制性能。     

全海深沉积物保压取样装置设计及试验研究

为了实现全海深沉积物保压取样,提出基于着陆器的自密封式全海深沉积物保压取样系统。针对着陆器承载能力有限的问题,设计了花瓣压缩环形取样、下端自封闭、两端自平衡的新型取样机构,避免了传统大口径球阀的设计。对取样器贯入过程进行分析,计算最大贯入力的值为786.5N,为验证计算结果,搭建了试验台架以模拟沉积物的取样过程,在不同性质的粘土中测试了取样性能和贯入力,试验结果与计算结果基本相符合。贯入-取样测试结果还表明,对于塑性和硬塑性粘土,所提出的取样机构具有较好的取样效果,而对于流塑性粘土,取样器的取样效果较差。基于所得的贯入力设计了传动和驱动机构,对驱动电机进行了选型和封装。为验证取样器在高压下的工作稳定性及保压性能,在60MPa和100MPa高压舱内进行了多次测试,试验结果表明,取样器能够保持测试压力的80%以上。最后,在中国2021大洋科考TS21航次中,搭载“奋斗者号”载人潜器在西菲律宾盆区和马里亚纳海沟进行了三次原位测试,所提出的取样器均完成保压取样任务,共获取保压沉积物样品710ml。本研究所提出的全海深沉积物保压取样系统,包括新型超高压保压取样机构设计,充油电机的封装技术,全海深保压取样器压力补偿技术等,为类似系统的设计提供了理论和工程基础,可广泛应用于其他深海保压取样系统。