从零打造「MIT迷你潜艇」——专访中山大学水下载具研发中心主任王朝钦

  • 本文转载自科技大观园,原文为《MIT 迷你潜艇是如何炼成的?》
  • 作者 / 科技大观园特约编辑|姚荏富

想到台湾的「海洋文化」你会先联想想到什麽呢?是海滩、冲浪、潜水,还是渔船、海鲜、跑船?有发觉几乎都是「海上」的关键字吗?但其实,海面下藏着许多常人难以探勘的资源,例如可作为替代能源的「可燃冰」、难以开采的「稀土矿」,抑或是深海生物观测或是海底考古等等,都是极具发展潜力的水下事业。也因此,世界列强早已投入钜资开发水下载具技术,期望从海底世界找到更多可能性。

而在王朝钦教授的领导下,由中山大学水下载具研发中心所开发的「第一代双载水下载具(Two-person manned underwater vehicle, MUV)」,今年终於成功踏出指标性的一步!

从无到有打造水下载具,台湾跨出第一步!

第一代双载水下载具被媒体广泛称为「MIT 迷你潜艇」,但其实我们的「MIT 迷你潜艇」(MUV)和一般所认知的潜艇是截然不同的水下载人载具,「讲的简单一点,里面有厕所的是一般熟知的潜艇,没有厕所的叫做『迷你潜艇』,而我们这次做出来的是後者。」王朝钦教授指出,虽然与自造潜艇还有一段距离,「但台湾目前能独立制造 MUV,其实是非常不容易的事。」

台湾原本就有海洋及造船相关科系,但只要牵涉到水下载具这类需要涉及跨领域整合的制造需求,通常都只能向外采购,开发的技术和工具都只能仰赖国外进口,成本相当高昂,如今我们可以自己从无到有做出一台载人水下载具,即使还不完美,但至少让世界知道台湾在海底领域已经跨出了关键的一步,「未来在海底世界我们不会缺席!」

「台湾有造船的技术,但水上载具跟水下载具是完全不同的世界。」王朝钦教授表示,自 2018 到 2021 年,这台MUV从「构想」到「成功下海」可谓漫漫长路。由於制造经验是零,光是画设计图就耗时一年。过程中团队不断向海外专业团队及友人请益,是非常重要的经验累积。

从无人「动力航行测试」到载人「固定深度航行」

今年 MUV 的研发已经进入中後段的测试与调整阶段,中山大学水下载具研发中心已於 2021 年 1 月完成了在台南港的「无人动力航行测试」,并在此次测试中,完成了垂直、水平及下潜到水深 8 米的深度,接着上升回海面等等的动力航行测试。这也意味着,MUV 在水下的行动能力已经完备。

接着於 2021 年 9 月於高雄港完成更进阶的「载人入舱」测试,除了测试载人後的舱体维生系统运作外,也完成了「固定深度航行」的机能测试;此次测试的成功,也代表着未来科研人员在舱内可以不用一直分心去控制载具的深度,能够更顺利的进行科研活动。不过王朝钦教授表示,台南港与高雄港算是比较平静的水域,下个阶段团队将前往更真实、更多状况的海域进行测试。

小琉球测试,从真实世界继续经验累积

在访问的当下,王朝钦教授已经带领团队完成这次移师小琉球海域的「载人入舱实海测试」,并且很坦白的和我们分享测试第一天发生的问题:「下水不是每一次都成功,失败的时候就要去知道发生什麽问题。」

而这次到小琉球的实验,是先由舱外潜水员进行舱外控制操作,到达指定的深度後,进行海中的动力航行测试(垂直、水平航行以及定深航行)。考量到深度超过 50 米的海域海流比较强且难以预测、风险较高,所以选择在深度 20 米以内的近海海域执行测试。

为了将 MUV 移至小琉球沿海的测试地点,首先必须先雇用拖船将 MUV 带到定点,但由於搭载 MUV 的母船吃水较深,无法一口气将 MUV 载至测试海域,因此还得另外租用中型船将舱体移至深度 20 米以内的近海海域。另再加上指挥船与戒护艇,光是单次的实海测试就足足出动了四条船。

王朝钦教授表示,在第一天的测试过程中就发生了动力失效的问题,但团队事後也迅速找出了发生问题的原因,原来是外部的控制面板可能因为压力差与结构问题产生裂痕後进水,进而影响到动力系统:「团队在迅速调整後第二天就可以正常执行任务了。」

「工程就是这样,我们设计时会考量许多因素,但现场执行肯定还是会有状况,在测试中修正问题——就是工程的作法。对於这次的发现(指控制面板进水)其实也算是出乎意料,面板上的裂痕竟能造成这样的结果。」然而,每次的失败都是学习机会,失败的经验正是团队累积成长的养分,而这次小琉球海域的实测状况,正是打造MUV一路走来的真实写照。

MUV 开发的最高守则——安全第一

谈到在研发过程中必须克服的问题,王朝钦教授指出:「在海底可能什麽都看不到,不但舱体要设计防撞、操控面板也必须易於操作,通信系统得随时畅通,而且一定要有备用电力设备。只要牵涉到水下,连零件工法错误都会造成极大风险,毕竟是要载人的载具,必须更加谨慎。」

王朝钦教授举例,在今年 9 月高雄港的测试中,研发团队发现舱盖有渗水的问题,经过调查发现,原来是舱盖中金属交接处的橡胶环在制作工法的问题。原本团队是采用像绳子「头接尾」的成环方式,这种方式的接口就是渗水的原因,最後团队将橡胶环更改为一体成形的环型结构,才解决了渗水问题。

除了载具硬体设计外,专业操作人员的训练也非常重要,除了学习操作载具外,工程师与操作员还必须忍受待在密闭的小空间里执行任务长达数小时,需要强韧的心理素质,「你能想像把自己关进一个铁牢笼好几个小时不出来吗?我自己进去六七分钟就快受不了了,这真的是要很有爱与决心才能办到。」

为了让操作员的身心状况维持在健康状态,研发团队也必须考量到水下载具的舒适度与稳定度,因为光是湿度没控制好,就可能会发生艇内起雾的现象,而这些变化都可能造成操作员的情绪波动,进而影响驾驶安全。

王朝钦教授表示,在开发与设计的过程中,人员的安全是最高指导原则,所以载具本体防护、通讯系统及逃生机制,都是水下载人载具设计时不可或缺的环节。

王朝钦教授和我们分享了 MUV 逃生系统的四层设计。最基础的是「动力上浮系统」,藉由机身上的推进器将水下载具推往水面;第二层是「急速气囊系统」,藉由让气囊快速充气使 MUV 增加浮力浮上水面;第三层则是「快卸系统」,藉由把机身上的配重卸除,来帮助机体可以顺利上浮。

但如果以上三者都失效,还有第四层逃生设计,当紧急状态发生时,机体内的电力与维生装置可以持续运作 72 小时,让操作人员在海中等待救援。

不管做什麽,勇敢踏出第一步最重要!

当初王朝钦教授只是私下喜欢海上活动,专精 IC 设计的电机系教授,受到当时中山大学海科院院长王兆璋教授(现任国研院台湾海洋科技研究中心主任),以及海下所陈信宏所长的邀请,便一脚跨入水下载具的开发计画,「没想到一走也走了三年多。」王朝钦教授表示,在这个计画中大家都对海洋科研非常有爱,毕竟水下有人载具领域在资源有限的情况下,一路走来真的不容易。

他特别感谢中山大学郑英耀校长的大力支持,没有当初校长的支持,计画不可能走到现在。另外王朝钦教授也非常感谢中信造船集团与韩育霖总经理,二话不说全力支援 MUV 的舱体制作,还有国研院台湾海洋科技研究中心的励进号全体船员的配合与支持海域实验,「没有大家的支持,就无法有现在的成果,所以除了感谢还是感谢。」

对於目前正在求学的莘莘学子,王朝钦教授建议要先找到自己有热情的领域,以他目前从事的水下载具研发为例,需要跨领域整合各种技术,因此不是只有电机的人才能入行,「就看你要怎麽切入你有热情的领域。」不过王朝钦教授强调,最重要还是拥有热情,然後勇敢地踏出第一步,然後持续坚持下去。

王朝钦教授在访谈最後指出:「人活到最後通常会後悔的都是『没做什麽』,而不是『做了什麽』,所以去寻找自己有热情的事,是自我成就最关键的一件事。」

  • 情慾、性别、身体与性犯罪——科学视角下的性教育
  • 如何打造科学家的房间!科学实验室EP.6 — 会动的AR绘本
  • 利用阿基米德浮力原理,当玻璃小球浮起时测量气温~伽利略温度计
  • 交换礼物大赏!QUALY 醉爱北极熊酒瓶塞
  • 数学好无聊、不实用,到底为什麽要学数学?
  • 给大人玩的理财桌游,从此航向财富自由!
  • 交换礼物首选、推理迷必买!台湾推理作家协会20周年限定周边

0 0 投票数
Article Rating
订阅评论
提醒
guest
0 Comments
内联反馈
查看所有评论