極地錨碇潛標(biāo)系統(tǒng)回收探索與研究

袁東方 朱兵 夏寅月 陳清滿(mǎn) 崔麗娜 吳浩宇

(1 中國(guó)極地研究中心,上海 200136;2 上海彩虹魚(yú)海洋科技股份有限公司,上海 201306;3 自然資源部第一海洋研究所,山東 青島 266061)

0 引言

錨碇系統(tǒng)是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和觀測(cè)的重要技術(shù)手段,海洋錨碇潛標(biāo)系統(tǒng)具有觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、隱蔽、不易受海面氣象條件影響等優(yōu)點(diǎn)[1]。錨碇系統(tǒng)一般可分為潛標(biāo)和明標(biāo),由于極地區(qū)域冰山、浮冰密布,漂移方向不定,對(duì)明標(biāo)或者布置較淺的潛標(biāo)帶來(lái)很大風(fēng)險(xiǎn)[2],甚至造成纜繩斷裂以及儀器丟失等損失,所以在極地海域布放錨碇系統(tǒng)一般以潛標(biāo)為主,明標(biāo)布置的較少。

用于海洋水文觀測(cè)的錨碇潛標(biāo)一般由水下部分和水上甲板單元組成。水下部分主要包括主浮體、探測(cè)傳感器、纜繩、玻璃浮球、聲學(xué)釋放器、重力錨以及搭載的各類(lèi)觀測(cè)儀器,觀測(cè)結(jié)束后通過(guò)發(fā)送聲學(xué)信號(hào)打開(kāi)聲學(xué)釋放器,使觀測(cè)系統(tǒng)與錨碇分離并浮出水面進(jìn)行回收[3-5]。海底地震儀(Ocean Bottom Seismometer,OBS)是一種將檢波器直接放置在海底的地震觀測(cè)系統(tǒng),也是一種特殊的潛標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)。在海洋地球物理調(diào)查和研究中,OBS 既可以用于對(duì)海洋人工地震剖面的探測(cè),研究海洋地殼和地幔的速度結(jié)構(gòu)及板塊俯沖帶、海溝、海槽演化的動(dòng)力學(xué)特征,也可以用于對(duì)天然地震的觀測(cè),天然地震的地震層析成像研究以及地震活動(dòng)性和地震預(yù)報(bào)等[6]。

我國(guó)目前已經(jīng)開(kāi)展了37 次南極科學(xué)考察和11次北極科學(xué)考察,隨著考察的深入,錨碇潛標(biāo)系統(tǒng)的布放和回收逐漸成為歷次考察的常規(guī)化作業(yè)。極地環(huán)境具有特殊性,天氣惡劣且變化快、浮冰密集,雖會(huì)給錨碇系統(tǒng)布放工作帶來(lái)一定的困難,但是對(duì)于錨碇系統(tǒng)的回收存在更大的影響,尤其是海面浮冰的存在,常常導(dǎo)致錨碇系統(tǒng)無(wú)法準(zhǔn)時(shí)回收,甚至?xí)霈F(xiàn)需要等待數(shù)月或者第2 年回收的情況。本文從南北極錨碇系統(tǒng)中潛標(biāo)回收存在的問(wèn)題出發(fā),分析極地浮冰區(qū)回收方法,提出改進(jìn)意見(jiàn),為以后南北極潛標(biāo)系統(tǒng)的回收積累經(jīng)驗(yàn)。

1 極地潛標(biāo)發(fā)展及回收現(xiàn)狀

2003 年,中國(guó)第2 次北極科學(xué)考察隊(duì)在65°30′N(xiāo),168°50′W 的白令海峽峽口50 m 水深的陸架海域,布放了中國(guó)極地考察的第一個(gè)潛標(biāo)[7]。

在2008 年中國(guó)第3 次北極科學(xué)考察中,中國(guó)首次在北冰洋布放一套1 年期深水潛標(biāo),用于觀測(cè)北冰洋海洋要素的演變,以進(jìn)一步探索北冰洋環(huán)境變化對(duì)全球氣候變化,尤其是對(duì)中國(guó)氣候變化的影響[8]。

2010 年,中國(guó)第26 次南極科學(xué)考察隊(duì)在南極普里茲灣海域成功回收一套潛標(biāo)系統(tǒng),這是中國(guó)首次在南極成功投放并回收潛標(biāo),潛標(biāo)記錄的觀測(cè)數(shù)據(jù)為研究南極環(huán)境提供了重要參考[9]。

2013 年,中國(guó)第28 次南極科學(xué)考察隊(duì)在普里茲灣海域投放了2 臺(tái)海底地震儀(OBS),這是我國(guó)首次在南極海域進(jìn)行海底地震觀測(cè)[10]。

極地潛標(biāo)系統(tǒng)可以獲得長(zhǎng)期的水體溫度、鹽度、壓力、流速、流向等觀測(cè)數(shù)據(jù),揭示水體變化特征與運(yùn)動(dòng)過(guò)程,為北極海-冰-氣相互作用以及南極深層水和底層水的變化規(guī)律研究提供支持,也為研究極地海洋對(duì)全球海洋和氣候變化的作用提供了物理海洋學(xué)的客觀背景[11]。隨著極地考察的發(fā)展,近年來(lái)潛標(biāo)的布放和回收任務(wù)越來(lái)越多,業(yè)已成為南北極現(xiàn)場(chǎng)考察的常態(tài)化內(nèi)容(表1)。

表1 近年來(lái)我國(guó)南北極考察潛標(biāo)布放和回收數(shù)量[12-17]Table 1.The number of submersible beacons laid and recovered in the Chinese Arctic and Antarctic Research Expeditions in

多次的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)表明,與布放相比,錨碇潛標(biāo)回收作業(yè)困難重重,尤其是在極區(qū)海域,作業(yè)時(shí)受到浮冰的影響很大[18]。我國(guó)南極科學(xué)考察的周期是每年1 次,第1 年投放設(shè)備,第2 年才能回收,長(zhǎng)期的潛標(biāo)系統(tǒng)需要至少1 年才能回收。由于南北極考察作業(yè)任務(wù)多,作業(yè)窗口受惡劣自然環(huán)境影響,不能保障布放的潛標(biāo)第2 年一定能夠順利回收,在第3 年完成回收或者釋放器無(wú)法通訊導(dǎo)致無(wú)法回收的情況也時(shí)有發(fā)生。中國(guó)第29次南極科學(xué)考察期間布放的OBS,由于中山站附近海域冰情嚴(yán)重,無(wú)法開(kāi)展回收作業(yè),海底地震儀在南極海底“沉睡”了兩年,直到中國(guó)第30 次南極科學(xué)考察期間才成功回收[19]。由于浮冰及航行計(jì)劃的調(diào)整,中國(guó)第34 次南極科學(xué)考察布放的2 套潛標(biāo)直到中國(guó)第36 次南極科學(xué)考察才進(jìn)行回收,中間間隔時(shí)間接近三年[20]。

2 潛標(biāo)回收方法

經(jīng)過(guò)多年的潛標(biāo)布放和回收工作,形成了一套較為成熟的船隊(duì)協(xié)助方案和機(jī)制。考察船在回收潛標(biāo)時(shí)的方式主要有兩種,一種是依靠考察船船基作業(yè)回收,另一種是釋放小艇作業(yè)回收,兩種方式都存在一定的優(yōu)勢(shì)和不足。

2.1 船基回收

在極地現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)期間,潛標(biāo)和OBS 的回收主要依靠我國(guó)極地科考破冰船“雪龍”號(hào)和“雪龍2”號(hào)進(jìn)行?；厥兆鳂I(yè)時(shí)若涌浪超過(guò)1 m、風(fēng)力大于6 級(jí)或浮冰密集度超過(guò)60%,則無(wú)法吊放小艇對(duì)浮球進(jìn)行拖曳作業(yè),只能以大船為平臺(tái),通過(guò)船舶的機(jī)動(dòng)航行從風(fēng)、洋流的上方靠近潛標(biāo),利用拋繩器、錨鉤等打撈工具將潛標(biāo)的浮球間繩子勾住,并拉至船上,然后利用船上的絞纜機(jī)或吊車(chē),對(duì)潛標(biāo)進(jìn)行回收作業(yè)(圖1)。

圖1 使用吊車(chē)回收潛標(biāo)(a)和吊籠回收OBS(b)Fig.1.Use the crane to recover the submersible beacon (a)and use the crane cage to recover OBS (b)

由于船舶結(jié)構(gòu)的差異性,“雪龍”號(hào)和“雪龍2”號(hào)在回收OBS 和水文潛標(biāo)時(shí)情況也有很大的差別。OBS 回收時(shí),OBS 浮出水面后需要大船逐漸靠近OBS,并將OBS 控制在船舶的有利位置,然后通過(guò)甲板上的回收網(wǎng)具進(jìn)行回收?！把垺碧?hào)使用常規(guī)的軸-槳推進(jìn)方式,機(jī)動(dòng)性較差,在回收OBS 時(shí)較為困難;“雪龍2”號(hào)使用新型的吊艙電力推進(jìn)方式,機(jī)動(dòng)性強(qiáng),回收OBS 時(shí)僅靠自身機(jī)動(dòng)性就可以靠近 OBS,方便回收。水文潛標(biāo)回收時(shí),“雪龍”號(hào)由于其螺旋槳帶有導(dǎo)流罩,在回收潛標(biāo)時(shí)潛標(biāo)纜繩不易被螺旋槳纏繞(圖 2a),可以更近的靠近潛標(biāo)位置進(jìn)行回收;“雪龍2”號(hào)由于其螺旋槳無(wú)導(dǎo)流罩保護(hù),潛標(biāo)纜繩很容易纏繞螺旋槳,在回收時(shí)船不能過(guò)于靠近潛標(biāo)(圖2b)。

圖2 “雪龍”號(hào)(a)和“雪龍2”號(hào)(b)推進(jìn)器對(duì)比Fig.2.Comparison of thrusters of Xuelong (a) and Xuelong 2 (b)

即便如此,船基回收錨碇潛標(biāo)仍存在著較大的困難,由于兩條船的船舷都比較高,回收人員距離浮球或纜繩較遠(yuǎn),很難順利地用拋鉤勾住潛標(biāo)的纜繩。此外,當(dāng)過(guò)于靠近潛標(biāo)時(shí),“雪龍”號(hào)螺旋槳雖然有導(dǎo)流罩保護(hù),但是在極地現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)仍有數(shù)次掛住潛標(biāo)纜繩的情況發(fā)生,存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)(表2)。

表2 “雪龍”號(hào)和“雪龍2”號(hào)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比表Table 2.Parameters comparison table of Xuelong and Xuelong 2

2.2 小艇回收

在天氣和海況允許的情況下,考察船也可以通過(guò)隨船攜帶的小艇進(jìn)行潛標(biāo)或OBS 的回收作業(yè)。由于極地作業(yè)的特殊性,很多科考項(xiàng)目、考察站物資補(bǔ)給都需要使用小艇進(jìn)行作業(yè)?！把垺碧?hào)和“雪龍2”號(hào)一般都會(huì)攜帶小艇,“雪龍”號(hào)由于貨倉(cāng)空間充足,可以裝載2 艘鋼質(zhì)小艇,或者一艘鋼質(zhì)小艇和一艘橡皮艇;“雪龍2”號(hào)一般裝載一艘橡皮艇(圖3)。

圖3 橡皮艇(a)和鋼質(zhì)小艇(b)回收潛標(biāo)作業(yè)Fig.3.Raft (a) and steel boat (b) recovery of submersible beacon

當(dāng)作業(yè)區(qū)域海況滿(mǎn)足放艇條件時(shí),在潛標(biāo)浮出水面后,大船會(huì)將小艇吊放至海面,小艇航行至潛標(biāo)位置附近,可以清楚的觀察到水中潛標(biāo)浮球和纜繩的狀態(tài),通過(guò)拖拽的方式可將部分潛標(biāo)拖到大船旁邊,依靠大船上的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行回收。當(dāng)潛標(biāo)纜繩或者浮球被浮冰壓住或阻擋時(shí),也可以通過(guò)小艇將繩子剪斷,把潛標(biāo)分成幾段進(jìn)行回收。

小艇回收作業(yè)也存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。首先是吊運(yùn)小艇工作量大,危險(xiǎn)系數(shù)較高,實(shí)際作業(yè)時(shí)海浪對(duì)小艇和人員安全的威脅很大,海況超過(guò)3 級(jí)或者能見(jiàn)度較低時(shí),無(wú)法使用小艇作業(yè)。其次是海冰對(duì)小艇的阻礙,若吊運(yùn)的是鋼質(zhì)小艇,一般的浮冰對(duì)小艇不會(huì)存在傷害;若使用橡皮艇作業(yè),需要不斷地規(guī)避海冰,避免海冰劃破橡皮艇,增加了作業(yè)的時(shí)間,當(dāng)海冰密集度超過(guò)50%后,橡皮艇作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)大大增加。

3 存在的困難

3.1 天氣因素

由于南北極地理環(huán)境的特殊性,惡劣天氣頻繁發(fā)生,例如南大洋平均每個(gè)考察航次出現(xiàn)約18次氣旋大風(fēng)過(guò)程(風(fēng)力大于14 m·s–1)和4 次強(qiáng)過(guò)程(風(fēng)力大于20 m·s–1),平均每隔約6.5 d(30 d)就會(huì)出現(xiàn)一次氣旋大風(fēng)過(guò)程(強(qiáng)過(guò)程)[21]。這些天氣過(guò)程會(huì)造成作業(yè)區(qū)域風(fēng)力加強(qiáng),海面涌浪增高以及能見(jiàn)度降低,從而導(dǎo)致科考船無(wú)法開(kāi)展?jié)摌?biāo)的回收作業(yè)。由于每次科考的計(jì)劃安排非常飽滿(mǎn),在潛標(biāo)點(diǎn)附近作業(yè)預(yù)留的時(shí)間有限,遇到惡劣天氣無(wú)法等待過(guò)多的時(shí)間,也往往造成潛標(biāo)無(wú)法順利回收。雖然潛標(biāo)浮球都使用醒目顏色,但是在能見(jiàn)度低的情況下,仍然無(wú)法快速發(fā)現(xiàn)浮球的位置。在極地現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過(guò)程中,因?yàn)樘鞖庖蛩貙?dǎo)致潛標(biāo)回收窗口關(guān)閉的情況時(shí)有發(fā)生,考察隊(duì)也不得不更改作業(yè)任務(wù)和計(jì)劃,以創(chuàng)造機(jī)會(huì)進(jìn)行回收作業(yè)[22]。

3.2 浮冰因素

由于浮冰具有流動(dòng)性,在風(fēng)和洋流等的作用下會(huì)在某個(gè)區(qū)域出現(xiàn)堆積或者消散,目前國(guó)際上先進(jìn)的海冰預(yù)報(bào)模式也無(wú)法對(duì)浮冰的短期運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)報(bào)。浮冰對(duì)于潛標(biāo)的回收存在巨大的威脅,若海面存在浮冰,潛標(biāo)上浮時(shí)浮球可能會(huì)被浮冰阻擋而無(wú)法浮出水面,或者僅有部分浮球浮出水面,而其他浮球和設(shè)備被浮冰分割在不同的水域,增加回收的困難程度,甚至造成無(wú)法回收(圖4)。歷次南北極考察在浮冰區(qū)回收潛標(biāo)都需要充分評(píng)估浮冰對(duì)潛標(biāo)的影響,若存在大塊浮冰或者密集度過(guò)高,則無(wú)法進(jìn)行回收。中國(guó)第29 次南極科學(xué)考察期間布置的OBS 就是因?yàn)楦”芗忍邿o(wú)法進(jìn)行回收作業(yè),直到中國(guó)第30 次南極科學(xué)考察才成功回收。

圖4 浮冰區(qū)潛標(biāo)回收作業(yè)Fig.4.Recovery of submersible beacon in ice covered area

3.3 潛標(biāo)定位精度

潛標(biāo)在布放后一般采用三點(diǎn)定位法確定其最終位置,但是三點(diǎn)定位精度依賴(lài)于聲學(xué)釋放器的系統(tǒng)定位精度,而聲學(xué)釋放器的精度受其數(shù)據(jù)處理方法的影響 (如默認(rèn)聲速為1500 m·s–1),假設(shè)水深為5000 m,綜合考慮各設(shè)備精度,實(shí)際誤差在50～100 m 之間,可達(dá)水深的1%～2%。此外,上浮后最上部浮球的位置與其布放的最終位置也會(huì)有幾米到幾十米的誤差,水深越深,誤差越大[23]。

潛標(biāo)上浮過(guò)程中也時(shí)刻受到水平海流的影響[24],這種橫向作用力對(duì)深水潛標(biāo)的位置預(yù)測(cè)產(chǎn)生影響,潛標(biāo)上浮過(guò)程中只能對(duì)潛標(biāo)聲學(xué)釋放器所處深度進(jìn)行跟蹤測(cè)量,無(wú)法對(duì)其在海流影響下的橫向移動(dòng)距離進(jìn)行有效的跟蹤,所以無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算上浮位置。這種誤差導(dǎo)致潛標(biāo)在極地浮冰區(qū)回收的風(fēng)險(xiǎn)大大增加,有可能上浮至浮冰密集區(qū)域。

3.4 回收工具

“雪龍”號(hào)和“雪龍2”號(hào)在極地現(xiàn)場(chǎng)回收潛標(biāo)和OBS 作業(yè)時(shí),主要還是依靠人工完成,工具配備也相對(duì)簡(jiǎn)單。近年來(lái)雖然也嘗試配備了一些專(zhuān)用工具,但是在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中難以達(dá)到預(yù)期的效果。如船上配備拋繩器,但其前端的拋鉤需要現(xiàn)場(chǎng)自制,拋鉤重量對(duì)拋繩器工作距離的影響也難于評(píng)估,因此事實(shí)上拋鉤操作仍需人工完成。而OBS 一般為單個(gè)球體,直徑在0.6～0.8 m之間,相比大尺寸的科考船和大尺度的海洋來(lái)說(shuō),很難分辨,回收時(shí)較為困難,“雪龍”號(hào)回收OBS時(shí)需要回收人員站在吊籠里,用網(wǎng)具回收,作業(yè)也存在一定的風(fēng)險(xiǎn)(圖5)。

圖5 回收OBSFig.5.Recovery of OBS

由于缺乏專(zhuān)業(yè)、實(shí)用的回收技術(shù),目前對(duì)于在浮冰區(qū)回收潛標(biāo)和OBS 作業(yè)還存在一定的困難和風(fēng)險(xiǎn),若回收區(qū)域海冰較為密集則無(wú)法進(jìn)行回收,需要進(jìn)一步研究專(zhuān)用工具和技術(shù),以提升南北極高密度冰區(qū)潛標(biāo)回收作業(yè)效能。

4 浮冰區(qū)潛標(biāo)回收新技術(shù)和方法

4.1 潛標(biāo)回收新技術(shù)探討

極地潛標(biāo)的回收作業(yè)除了要考慮天氣、海況等因素外,浮冰也是造成潛標(biāo)無(wú)法順利回收的重要因素。雖然天氣、海況、浮冰等外在困難因素?zé)o法改變,但是可以通過(guò)研究開(kāi)發(fā)新的技術(shù)和設(shè)備,提高在復(fù)雜環(huán)境中的潛標(biāo)回收成功率和延長(zhǎng)作業(yè)時(shí)間窗口。本文針對(duì)極地浮冰區(qū)潛標(biāo)系統(tǒng)尤其是OBS 回收特點(diǎn),研制新的回收設(shè)備,以減少回收時(shí)間,提高OBS 在極地回收的成功率。

OBS 在極地布置一般采用錨碇式、單浮球的形式,航次初期布放,后期回收,布放時(shí)間較短,一般為3–4 個(gè)月。相對(duì)于其他潛標(biāo)長(zhǎng)達(dá)千米甚至數(shù)千米的纜繩和種類(lèi)繁多的儀器,在浮冰區(qū)采用新的技術(shù)和設(shè)備回收OBS 可行性更高。

根據(jù)浮冰區(qū)特點(diǎn)以及潛標(biāo)回收經(jīng)驗(yàn),以“雪龍 2”號(hào)為平臺(tái),基于小型水下機(jī)器人(Remote Operated Vehicle,ROV)設(shè)計(jì)一種OBS 回收系統(tǒng),例如冰?；厥諏?zhuān)家Ⅰ型水下作業(yè)機(jī)器人(Ice Sea Recycler-Ⅰ,ISR-Ⅰ)(圖6)?！把?”號(hào)配備有月池系統(tǒng)、超短基線(xiàn)(USBL)和全方位聲吶系統(tǒng),OBS和ISR-Ⅰ同時(shí)攜帶信標(biāo)的情況下,可以定位OBS和ISR-Ⅰ在水下位置,這為ISR-Ⅰ在極地現(xiàn)場(chǎng)使用創(chuàng)造了條件。

圖6 ISR-Ⅰ系統(tǒng)圖Fig.6.ISR-Ⅰsystem diagram

根據(jù)極地冰區(qū)作業(yè)特點(diǎn),若海面有浮冰且OBS 被壓在浮冰下,其作業(yè)流程如下。

(1)布放過(guò)程:OBS 配置USBL 信標(biāo),從科考船甲板布放到海底,下放開(kāi)始時(shí)即開(kāi)啟 USBL,跟蹤OBS 下放的深度和位置,結(jié)合OBS 甲板單元定位OBS 在海底的坐標(biāo)。

(2)搜尋過(guò)程:使用甲板單元激活OBS 釋放器,OBS 釋放后上浮,同時(shí)船載USBL 和OBS 信標(biāo)進(jìn)行通訊,記錄OBS 與科考船的位置和距離,并進(jìn)行跟蹤和定位,直到OBS 上浮至浮冰底部;此時(shí)釋放ISR-Ⅰ,通過(guò)USBL 的引導(dǎo),尋找OBS在冰下的位置,其頂部配置的云臺(tái)攝像機(jī)和LED燈光系統(tǒng)也可以實(shí)時(shí)獲取浮冰下圖像,操作人員通過(guò)實(shí)時(shí)畫(huà)面進(jìn)行搜索。

(3)捕獲過(guò)程:ISR-Ⅰ搭載體感機(jī)械手,搜索到目標(biāo)后操作人員上浮至OBS 下方,通過(guò)體感手套發(fā)出指令,使機(jī)械手握住OBS,完成OBS 冰下的捕獲過(guò)程。

(4)回收過(guò)程:找到后使用機(jī)械手抓住OBS并向下運(yùn)動(dòng),到達(dá)一定深度后橫向移動(dòng),將OBS拉至船邊,承重臍帶纜可以輔助將OBS 從浮冰下拉出,然后進(jìn)行回收(圖7)。

圖7 ISR-Ⅰ作業(yè)示意圖Fig.7.Schematic diagram of ISR-Ⅰoperation

ISR-Ⅰ基于浮冰區(qū)潛標(biāo)回收經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì),充分考慮了OBS 在浮冰下的各種狀態(tài),可以很方便的將OBS 拉出浮冰區(qū)。同時(shí)也可以對(duì)其他潛標(biāo)回收進(jìn)行簡(jiǎn)單的輔助作業(yè),比如潛標(biāo)繩子被浮冰卡住或者纏繞船舶推進(jìn)器槳葉時(shí),可以通過(guò)切割纜繩等方式進(jìn)行輔作業(yè),協(xié)助潛標(biāo)的回收。

4.2 其他方法和建議

ISR-Ⅰ的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需科考船配備 USBL,且OBS 和ISR-Ⅰ同時(shí)配備信標(biāo),才能有效提高作業(yè)效率。雖然使得先期對(duì)于硬件成本投入較高,但是對(duì)極地冰區(qū)回收OBS 是有效的探索。在極地考察過(guò)程中,經(jīng)過(guò)多年的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,不斷創(chuàng)新作業(yè)方法、改進(jìn)回收設(shè)備、積累經(jīng)驗(yàn),也大大提高了回收潛標(biāo)的成功率。

(1)優(yōu)化航線(xiàn)及作業(yè)任務(wù),選擇有利條件進(jìn)行回收作業(yè)。由于極地考察的特殊性以及時(shí)間緊迫性,在制訂考察航線(xiàn)及作業(yè)任務(wù)時(shí)就要考慮潛標(biāo)回收的時(shí)間和困難程度,通過(guò)對(duì)南北極多年氣候、浮冰分布情況等因素進(jìn)行分析,提出最有利于潛標(biāo)回收的時(shí)間節(jié)點(diǎn),同時(shí)與極地考察任務(wù)相結(jié)合,選擇有利條件進(jìn)行回收作業(yè)。

(2)配備抗冰型小艇。小艇在潛標(biāo)回收中方便靈活,配備能夠在浮冰區(qū)航行的小艇以代替目前的橡皮艇作業(yè),配備一定的吊重或絞拉設(shè)備,依托小艇將潛標(biāo)部分或整體回收,可以大大提高潛標(biāo)回收的成功率和效率。

(3)加強(qiáng)水下聲學(xué)觀測(cè),預(yù)測(cè)上浮路線(xiàn)?！把?”號(hào)配備USBL 和全方位聲吶,可以對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。在以后的潛標(biāo)布放時(shí)為潛標(biāo)配備USBL 信標(biāo),通過(guò)船上的USBL 觀測(cè)潛標(biāo)上浮路線(xiàn)和方向,可以快速尋找潛標(biāo)和OBS,提高回收成功率。在浮冰密集度不高且風(fēng)速和海流流速較小的情況下,利用破冰船回旋航行,將大塊浮冰碾碎,可以清理出一塊開(kāi)放水域,以便回收潛標(biāo)。這種方式曾在中國(guó)第11 次北極科學(xué)考察中進(jìn)行過(guò)嘗試,在實(shí)際操作中需要結(jié)合冰區(qū)浮冰、海況等實(shí)際情況,對(duì)于單個(gè)OBS 回收有效果,但是對(duì)于有纜繩潛標(biāo)還不夠理想,且船時(shí)耗費(fèi)較長(zhǎng)。

(4)提高聲學(xué)釋放器續(xù)航時(shí)間。目前潛標(biāo)一般設(shè)計(jì)為1 年觀測(cè)時(shí)間,最多延遲1 年回收,越早回收對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量和科研項(xiàng)目的完成越有利。但是由于極地考察作業(yè)時(shí)間緊迫,受自然環(huán)境影響大,造成潛標(biāo)回收作業(yè)時(shí)間窗口短,第2 年無(wú)法回收的情況時(shí)有發(fā)生。在設(shè)計(jì)潛標(biāo)或者OBS 時(shí),需要做好于第3 年回收的預(yù)案,關(guān)鍵設(shè)備例如聲學(xué)釋放器應(yīng)選擇續(xù)航時(shí)間超過(guò)3 年的設(shè)備,在極端情況下,即使第2 年無(wú)法回收,仍然可以在第3 年繼續(xù)對(duì)潛標(biāo)進(jìn)行回收。

(5)配備ROV 系統(tǒng)對(duì)故障潛標(biāo)進(jìn)行救援作業(yè)。潛標(biāo)或OBS 聲學(xué)釋放器失效也是一個(gè)錨碇系統(tǒng)存在的巨大風(fēng)險(xiǎn),雖然在錨碇系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用雙聲學(xué)釋放器并聯(lián)連接以提高釋放成功率,但是仍然會(huì)存在聲學(xué)釋放器無(wú)法釋放的風(fēng)險(xiǎn)?！把?”號(hào)配備有4000 米級(jí)ROV 系統(tǒng),當(dāng)潛標(biāo)回收失敗后可以使用ROV 對(duì)潛標(biāo)進(jìn)行檢查,并對(duì)聲學(xué)釋放器的關(guān)鍵部位進(jìn)行切割,完成潛標(biāo)系統(tǒng)的回收作業(yè)。

5 結(jié)論

隨著研究的深入,錨碇系統(tǒng)的布放和回收已經(jīng)成為南北極考察的一項(xiàng)重要任務(wù),“雪龍”號(hào)和“雪龍 2”號(hào)執(zhí)行考察任務(wù)期間都要布放和回收數(shù)套潛標(biāo),但是受天氣、海況、浮冰等因素的影響,無(wú)法回收潛標(biāo)的情況時(shí)有發(fā)生,尤其是部分潛標(biāo)的布放工作需要在回收前套潛標(biāo)的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行,潛標(biāo)回收不成功會(huì)直接影響到后續(xù)任務(wù)的開(kāi)展。

本文根據(jù)“雪龍”號(hào)和“雪龍2”號(hào)多年南北極考察錨碇系統(tǒng)回收作業(yè)經(jīng)驗(yàn),分析了船基和小艇回收方式的優(yōu)缺點(diǎn)以及影響錨碇回收的因素,針對(duì)浮冰區(qū)錨碇系統(tǒng)尤其是OBS 冰區(qū)回收新技術(shù)方案進(jìn)行了探討,設(shè)計(jì)了新的技術(shù)和設(shè)備用于提高極地潛標(biāo)回收的效率和成功率。同時(shí)基于“雪龍2”號(hào)科考儀器的搭載情況,提出了未來(lái)南北極錨碇系統(tǒng)回收方案的建議,對(duì)以后極地錨碇系統(tǒng)的布放和回收具有一定的借鑒意義。