CN106895988A - 一种超深海海底沉积物无缆重力取样系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超深海海底沉积物无缆重力取样系统，它大体上包括回收单元和抛弃单元；所述的回收单元包括信标、浮力组件、缆绳和取样器内管；所述的信标位于浮力组件顶端；所述的浮力组件、缆绳和取样器内管依次连接；所述的抛弃单元包括取样器外管、配重块和触发解锁机构；所述的配重块在取样器外管外壁上部周向设置；所述的触发解锁机构套接在配重块下方的取样器外管外壁上。本发明所述的无缆重力取样系统具有更高的可靠性、安全性，同时具有低于现有的有缆取样的成本。

Description

一种超深海海底沉积物无缆重力取样系统

技术领域

本发明涉及一种海洋探测系统，具体涉及一种海底沉积层取样系统，尤其涉及一种用于超深海探测的无缆海底沉积物取样系统。

背景技术

深海地球与生命科学是目前国际重大前沿科学领域，其发展紧密地依靠于深海技术手段的突破性创新。获取海底沉积物是深海研究过程中最普遍也是最重要的手段之一，对研究沉积物中的地质、古气候与微生物信息具有重要意义。纵观整个海底沉积物研究史，不难发现，到目前为止，对海斗深渊等超深(水深大于7000米)海域的海底沉积物研究非常薄弱。全球有二十五个海沟的深度大于7000米，其中在太平洋的就有十八个，包括马里亚纳海沟。为数不多的深潜探测，发现在海斗深渊底下，不仅有丰富的地质沉积现象，如各种大洋红层沉积、蛇纹岩丘沉积、海底热液矿物沉积等，还孕育有各种极端生命形态，包括与海底热液、冷泉相伴生的生物群和与蛇纹岩伴随的微生物菌群(Fryer,1995,2012；Ohara etal.,2012)。

几十年来，海洋沉积物采样技术多以传统的船载带缆取样器为主，诸如重力箱式、抓斗及活塞柱状取样器等。但这些传统的船载带缆取样器(比如重力箱式、抓斗及活塞柱状取样器等)，若在超深海作业，会带来各种极限问题和困难。比如若下放到1万米深的海底，除了取样设备的重量之外，钢缆的自重也达到非常之大(20吨以上)，这对绞车动力系统、钢缆抗拉强度等关键技术都是极大的挑战，同时对科考船吨位及后甲板作业面积的要求也是不容忽视的问题。总之船载带缆取样技术用于深海时会存在多种缺陷，除上述问题外，还包括考察船吨位要求高、取样点定位不准确、缆绳易受海底礁石缠挂、取样装置损坏几率大等。因此，迄今为止，较少见通过船载带缆取样设备在超深海域开展取样工作。

目前只有美国、日本等少数几个发达国家通过深海钻探船(决心号、地球号)和深海水下机器人(ROV Kaiko 11000,HROV Nereus)在超深海域开展了海底沉积物采集研究。直到2012年，深海钻探船才在近7000米的日本海沟成功开展钻探，并获取了2011年日本东北地震后日本海沟俯冲带上的海底沉积柱状样。但钻探船运营和使用成本都极高，等待地球号钻探的科学建议日程安排已经排到了十年以后。而且这样昂贵的深海钻探设备安全性并不高，日本海洋研究开发机构(JAMSTEC)研发的全世界作业水深最大的Kaiko11000水下机器人，于2003年在马里亚纳海沟作业过程中因受台风影响丢失，永驻深渊(en.wikipedia.org/wiki/Kaikō)。美国伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)研制的海神号机器人(HROV Nereus)于2012年成功下潜到马里亚纳海沟最深处，但于2014年5月在克马德克海沟(Kermadec Trench)下潜到万米时丢失(www.whoi.edu/main/nereus)。

超深海取样技术的短缺已经严重阻碍了深海地质与生命科学的研究。可用于超深海的无缆取样技术问题亟待解决。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种能够在超深海进行海底沉积物取样的系统，具有更高的可靠性、安全性，同时比现有的有缆取样系统具有更低的成本。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

提供一种超深海海底沉积物无缆重力取样系统，它大体上包括回收单元和抛弃单元；

所述的回收单元包括信标、浮力组件、缆绳和取样器内管；所述的信标位于浮力组件顶端；所述的浮力组件、缆绳和取样器内管依次连接；

所述的信标由顶舱与底舱自上而下连接构成；所述的顶舱为透光、透波材料的实心体，内部封装有GPS天线、无线数传电台天线和灯光信标及光敏元件；所述的底舱为中空柱体，其顶部设底舱盖，其内部设电池和驱动电路，其底部设有水密水压开关一体结构；所述的顶舱底部和底舱盖通过水密射频联接器联结，所述的联结部位外部有水密包封层；所述GPS天线、无线数传电台天线和灯光信标及光敏元件通过真空浇铸的成型工艺被集成封装在所述的实心体内；所述的实心体材料是透光、透波的树脂材料；所述的联结部位外部的水密包封层为橡胶硫化形成；所述的底舱采用钛合金加工而成；

所述的浮力组件由固体浮力材料包裹着3个以上并排的空心玻璃浮球组合而成；所述的固体浮力材料密度为0.68±0.02g/cm³、耐压强度为110MP以上；所述的空心玻璃浮球的热膨胀系数为3.3×10^-6/°K、比重为25℃下2.23g/cm³、杨氏模量为63GPa、泊松比为0.20、折射率为1.472、90℃下的导热率为1.2W/m×°K、比热为0.8J/g×°K；

所述的取样器内管末端设置有固定式刀口，所述的固定式刀口以内设置向所述取样器内管内开口的花瓣结构；

所述的抛弃单元包括取样器外管、配重块和触发解锁机构；所述的配重块在取样器外管外壁上部周向设置；所述的触发解锁机构套接在配重块下方的取样器外管外壁上；

所述的取样器外管两端开放，所述的取样器内管套于取样器外管内并可在取样器外管内沿轴向滑动，所述的取样器外管壁中段沿周向均匀设置至少2个锁位通孔，取样器內管外壁沿周向设置锁位槽或扩径锁位孔，取样器内外管的锁位通孔和锁位槽对接形成的每个空间内都设有锁位珠，用于锁定内外管的相对位置，使内外管之间不能产生相对位移；所述的触发解锁机构上部为解锁套管，套于所述取样外管外壁中上段，解锁套管内壁中部沿周向设有足以容纳整个锁位珠的退珠槽；所述的触发解锁机构下部为触底环且环面与所述解锁套管的轴向垂直；所述的触底环位于所述的取样器外管1/2高度以上，并与解锁套管底部通过连接杆固定连接；所述的锁位珠锁定取样器内外管的位置时，由所述的退珠槽上方的解锁套管内壁与取样器内外管的锁位通孔和锁位槽共同固定锁位珠；所述的退珠槽位于锁位珠下方，且所述的解锁套管上端与配重块下缘之间的距离大于退珠槽与锁位珠之间的距离。

本发明优选的方案中，所述的空心浮球是串联的3-5个同规格浮球。

本发明优选的方案中，配重块重量为0时，所述的无缆取样系统整体阻力系数约为0.4，浮球阻力系数约为0.1，且浮球直径优选1.1m，浮球密度优选600kg/m³；此时无缆取样系统在下落过程的平衡速度约为6.8m/s，浮球和回收单元的上浮速度约为6m/s。

本发明优选的方案中，为了稳定取样器整体的下沉，优选在所述的取样器外管外壁、所述的配重块上方设置稳定尾翼；所述的稳定尾翼可以是基于流体力学原理可以提高取样器下沉稳定性的各种结构形式。

本发明更优选的方案中，为了进一步提高无缆取样系统在水中运动姿态的稳定性、增大稳定尾翼的作用效果，所述的稳定尾翼上部为圆筒，圆筒下部带有尖端；所述的稳定尾翼与所述的配重块的间距，同所述的稳定尾翼上部圆筒外径相同。

本发明优选的一种方案中，所述的触发解锁机构中进一步设有辅助解锁装置；所述的辅助解锁装置包括强力压缩弹簧、临时阻止装置和定时释放装置；所述的解锁套管分为不相连接的上、下两部分，所述的退珠槽位于上部分，所述的触底环与下部分固定连接；所述的压缩弹簧位于所述解锁套管上、下两部分之间呈压缩状态，由所述的临时阻止装置克服所述的压缩弹簧的弹力将所述解锁套管上、下两部分固定在一起；所述的压缩弹簧压缩长度不小于所述退珠槽与锁位珠之间的距离；所述的临时阻止装置至少包括可熔断线缆；所述的定时释放装置包括水密电子仓、水密电缆和水密插座；所述的水密电子仓内设置机械定时装置、定时开关电路、电池、电源开关装置，所述的定时开关电路通过所述水密插座及水密电缆连接所述临时阻止装置中的可熔断线缆，在所述机械定时装置预定的时间触发定时开关电路、熔断所述可熔断线缆，解除所述临时阻止装置的紧固状态。

本发明进一步优选的一种方案中，所述的临时阻止装置由不闭合环状紧固件和可熔断线缆构成；所述的不闭合环状紧固件通过环形卡接方式将所述的解锁套管上、下两部分紧固在一起，并通过数根可熔断线缆将其不闭合的两端拉紧、固定连接。

本发明更优选的方案中，所述的回收单元中，所述的缆绳和取样器内管之间进一步设置定时强制分离机构，所述的定时强制分离机构由释放钩、电子定时仓、水密插座、电缆和可熔断线缆组成；所述的释放钩与所述浮力组件底部通过所述的缆绳连接；所述的释放钩底部固定连接所述的电子定时仓顶部，所述的电子定时仓内设置机械定时装置、定时开关电路、电池、电源开关装置，所述的定时开关电路通过所述水密插座及水密电缆连接所述可熔断线缆；所述的可熔断线缆用于暂时将所述释放钩固定于闭合状态；所述的电子定时仓底部固定连接所述的取样器内管。

本发明优选的方案中，所述的可熔断线缆均由电热水解丝或腐蚀线缆构成；进一步优选镍铬合金导线。

本发明所述的深海取样系统工作原理如下：投放取样系统入海，取样系统会在配重块的帮助下保持下沉。当取样系统触底且取样器内外管插入海底沉积层深度达到要求后，所述的触底环触底，受到向上的推力，带动触发解锁机构整体沿取样器外管外壁向上滑动，滑动至解锁套管上部的退珠槽与取样器外管的锁位通孔相对时，锁定取样器内外管位置的锁位珠会进入退珠槽内，使锁位珠的锁定作用失效从而解锁取样器的内外管；如果取样设备遇到了异常情况导致触底环触底不成功或插入深度不足，未能使触底环推动解锁套管向上滑动、无法完成上述解锁，辅助解锁装置会在定时释放装置预定的时间接通定时开关电路，熔断临时阻止装置中的可熔断线缆，解除临时阻止装置对解锁套管上、下两部分的紧固，处于该两部分之间被压缩的压缩弹簧释放，带有退珠槽的解锁套管上部在压缩弹簧的推动下沿外管外壁向上滑动，当退珠槽与外管的锁位通孔相对时，锁位珠会进入所述的退珠槽，从而触发解锁。解锁完成后，所述的浮球会为整个回收单元提供足够的向上的浮力，并通过缆绳将取样器内管从取样器外管中拔出，由此实现取样系统中回收单元和抛弃单元的彻底分离。如果上述两重解锁机构均失效，则可以利用本发明优选方案中的定时强制分离机构在预定时间启动，熔断固定所述释放钩的可熔断线缆，释放钩释放与其连接的缆绳，至少可使浮力组件得以脱离抛弃单元上浮。分离后的回收单元整体在浮力组件带动下以大约6m/s的速度上浮至海面，信标底舱底部的机械式压力开关由于压力的减少而触发电源打开，GPS模块立即通过GPS天线按一定的频率将回收系统的准确位置发送给科考船上的定位接收设备，同时顶舱内的灯光信标在晚上的时候同样按照一定的频率闪烁发出灯光信号、无线数传电台通过无线电天线发出无线电信号，科考船通过接收设备收到GPS数据和无线电信号后可快速定位回收系统，即可直接航行该位置进行打捞。

目前，国内外海底取样系统多数是带缆取样，需要在考察船上配备吊杆、绞车等收放机械设备，但绞车运行状态、钢缆的张力、放出长度、速度以及倾角等等都会影响有缆取样的成功与否，往往越深的海底取样难度越大，成功率越低。本发明的无缆重力取样系统与现有技术相比，具有以下几方面显著的有益效果：

1.大幅提高了取样系统投放和回收的成功率

本发明对取样系统中的浮球、信标和解锁机构的设计都能够显著提高系统投放和回收成功率。

本发明中所述的浮力组件为回收单元提供合适的净上浮力，保证回收单元中的取样器内管的可靠上浮与回收。所述的浮力组件通过两种不同的材料复合使用，解决了浮力材料体积大、浮力小和玻璃浮球抗冲击能力差等缺点。可以保证深海取样系统在快速下沉和回收上浮中结构完好。

本发明中采用高精度三合一智能化信标为取样系统的打捞回收提供了精确可靠的指引。为了让灯光信号、GPS采集信号和无线电收发信号之间互不干扰，发明人采用真空浇铸的成型工艺将所述GPS天线、无线数传电台天线和灯光信标及光敏元件集成封装在所述的实心体内，以此对GPS信号线和无线电信号线之间进行了屏蔽，同时由于实心体采用透光材料，灯光光源能够透过实心体向外发射光信号，最终消除了不同信号之间的相互干扰，使各种信号都能以最大强度发挥作用。经实测验证，本发明的信标GPS定位精度在±10m，无线电传输距离>10公里，且灯光光源的衰减最小。此外，当三合一定位信标中所有模块同时工作时，功耗往往比单功能信标要高得多，因此本发明未采用常规灯光信标中的氙气爆闪灯，取而代之的是能耗更低的LED爆闪灯，再加上本发明中采用高能量密度的电池，最终确保信标能够连续稳定地工作至少10天。

本发明中采用了强连接弱解锁的机械结构，为取样系统的分离释放提供了安全、可靠的保证。本发明的无缆取样系统在解锁释放机构中采用纯机械连接，相较于采用传感器等电子器件使内外管分离的取样系统在成本上更低，可靠性上更高，稳定性更强；而且不需要专门设计和考虑电子元器件的密封、耐压和防腐蚀等问题，保证高可靠性的同时也能节约成本。试验表明，本发明的无缆取样系统在11000m深度的海底仍能实现安全可靠的回收，且采样长度1-10m分级可调，极大地降低了精密系统和珍贵样本的损失风险。

2.大幅缩短了作业时间，提高了作业效率

现有技术的有缆取样系统释放和回收速度一般小于1m/s，如果进行7000m海底取样作业，仅仅系统下沉和回收出水过程就至少需要4小时。

本发明的无缆重力取样系统，由于没有缆绳存在，不必在考察船上配备吊杆、绞车等收放机械设备，大大简化了投放作业的操作过程，由此显著减少了作业时间，而且可以根据不同作业深度和取样要求配置合理的配重和浮球，可以保证单次取样作业时间<2小时。整套回收系统依照作业要求恰当配置配重与浮球关系，在保证增大采样器在海水中的下落速度的同时，还能确保合适回收的净浮力，可以实现取样系统快速探底取样，并及时上浮回收；而且三合一智能化定位信标的应用可以大量减少设备搜寻和打捞设备的时间，因此本发明取样系统的结构能够整体上提高作业效率。

3.系统成本和使用成本均较低

本发明的无缆取样系统在解锁释放机构中采用纯机械连接，相较于采用传感器等电子器件使内外管分离的取样系统在制造成本上更低；而且不需要专门设计和考虑电子元器件的密封、耐压和防腐蚀等问题，保证高可靠性的同时也能节约操作和维护成本。

总之，本发明在无缆取样技术领域的突破，将从本质上改变目前重力取样的作业方式，大大扩大海洋沉积学调查研究的领域，实现我国深海无缆取样零突破，不仅能够满足深海科学研究及业务化作业的需求，而且能够满足超深海(大于7000m水域)科学研究的需求，让我国科研工作者率先进军地球的“第四极”——马里亚纳等深海沟的研究。

本发明还提供所述的无缆取样系统在海洋沉积物调查、近海海底岩土工程勘察、海洋矿物调查、地球化学调查、物探底质验证调查、滨岸工程、地质填图取样、水坝淤积调查等领域的取样作业中的应用。

附图说明

图1是本发明实施例1的无缆取样系统整体结构示意图。

图2是本发明实施例1的无缆取样系统信标整体结构外观图。

图3是本发明实施例1的无缆取样系统信标顶舱内部结构示意图。

图4是本发明实施例1的无缆取样系统浮力组件结构示意图。

图5是本发明实施例1的无缆取样系统回收单元组成结构示意图。

图6是本发明实施例1的无缆取样系统的取样内管远端内部结构示意图。

图7是本发明实施例1的无缆取样系统的解锁机构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步详细阐述本发明的技术方案。

实施例1

一种无缆重力取样系统，它大体上包括回收单元和抛弃单元；

如图1所示，所述的回收单元包括浮力组件1、信标2、缆绳3、定时强制分离机构12和取样器内管4；所述的信标2位于浮球1顶端；所述的缆绳3连接浮力组件1底部和定时强制分离机构12顶部，定时强制分离机构12底部和取样器内管4顶部固定连接；

如图2、3所示，所述的信标2由顶舱21与底舱22自上而下连接构成；所述的顶舱21为透光、透波材料的实心体，内部封装有GPS天线211、无线数传电台天线212和灯光信标213及光敏元件214；所述的底舱22为中空柱体，顶部设底舱盖，内部设电池和驱动电路221，底部设有水密水压开关一体结构23；所述的顶舱底部和底舱盖通过水封射频联接器24联结，所述的联结部位外部有水密包封层；所述GPS天线211、无线数传电台天线212和灯光信标213及光敏元件214通过真空浇铸的成型工艺被集成封装在所述的实心体内，通过电线连接驱动电路221；所述的实心体材料是透光、透波的环氧树脂材料；所述的电池采用高能量密度的电池；所述的联结部位外部的水密包封层为橡胶硫化形成；所述的底舱采用钛合金加工而成；

如图4所示，所述的浮力组件1由固体浮力材料101包裹着5个并排的空心玻璃浮球102组合而成；所述的固体浮力材料101密度为0.68±0.02g/cm³、耐压强度为110MP以上；所述的空心玻璃浮球热102的膨胀系数为3.3×10^-6/°K、比重为25℃下2.23g/cm³、杨氏模量为63GPa、泊松比为0.20、折射率为1.472、90℃下的导热率为1.2W/m×°K、比热为0.8J/g×°K；

如图5所示，所述的定时强制分离机构，与浮力组件1底部通过缆绳3连接，包括释放钩121和电子定时仓122，释放钩121底部固定连接电子定时仓122顶部，电子定时仓122内设置机械定时装置、定时开关电路、电池、电源开关装置，定时开关电路通过水密插座及水密电缆连接可熔断线缆；可熔断线缆用于暂时将所述释放钩121固定于闭合状态；电子定时仓122底部固定连接取样器内管4。

如图5、6所示，所述的取样器內管4上部外壁沿周向设置一道锁位槽42；取样器内管4末端设置有固定式刀口41，固定式刀口41内设置向内开口的花瓣结构43；

如图1所示，所述的抛弃单元包括取样器外管5、配重块6和触发解锁机构7；所述的配重块6在取样器外管5外壁上部周向设置；所述的触发解锁机构7套接在配重块6下方的取样器外管5外壁上；

所述的取样器外管5两端开放，所述的取样器内管4套于取样器外管5内并可在取样器外管5内沿轴向滑动，如图7所示，所述的取样器外管5管壁中上段沿周向均匀设置8个锁位通孔51，取样器内外管5的锁位通孔51和取样器内管4锁位槽42对接形成的每个空间内都设有锁位珠8，用于锁定内外管的相对位置，使内外管之间不能产生相对位移；所述的触发解锁机构7上部为解锁套管71，套于所述取样外管5外壁中上段，解锁套管71内壁中部沿周向设有足以容纳整个锁位珠的退珠槽72；所述的触发解锁机构7下部为触底环73且环面与所述解锁套管71的轴向垂直；所述的触底环73位于所述的取样器外管5的1/4高度以上，并与解锁套管71底部通过连接杆74固定连接；所述的锁位珠8锁定取样器内外管的位置时，由所述的退珠槽72上方的解锁套管71内壁与取样器内外管的锁位通孔51和锁位槽42共同固定锁位珠8；所述的退珠槽72位于锁位珠8下方，且所述的解锁套管71上端与配重块6下缘之间的距离大于退珠槽72与锁位珠8之间的距离。

所述的触发解锁机构7中进一步设有辅助解锁装置；如图7所示，所述的辅助解锁装置包括强力压缩弹簧75、临时阻止装置和定时释放装置；所述的临时阻止装置由不闭合环状紧固件76和可熔断线缆构成；所述的解锁套管71分为不相连接的上、下两部分，所述的退珠槽72位于上部分，所述的触底环73与下部分固定连接；所述的压缩弹簧75位于所述解锁套管71上、下两部分之间呈压缩状态，所述的不闭合环状紧固件76通过环形卡接方式将所述的解锁套管71上、下两部分紧固在一起，并通过数根可熔断线缆将其不闭合的两端拉紧、固定连接。所述的压缩弹簧75压缩长度不小于所述退珠槽72与锁位珠8之间的距离；所述的定时释放装置包括水密电子仓78、水密电缆79和水密插座80；所述的水密电子仓78内设置机械定时装置、定时开关电路、电池、电源开关装置，所述的定时开关电路通过所述水密插座80及水密电缆79连接所述临时阻止装置中的可熔断线缆，在所述机械定时装置预定的时间触发定时开关电路、熔断所述可熔断线缆76，解除所述临时阻止装置的紧固状态。

如图1所示，所述的取样器外管5外壁、所述的配重块6上方设置稳定尾翼9；所述的稳定尾翼9上部为圆筒91，圆筒下部带有尖端；所述的稳定尾翼9与所述的配重块6的间距，同所述的稳定尾翼9上部圆筒91外径相同。

配重块6重量为0时，所述的无缆取样系统整体阻力系数约为0.4，浮球阻力系数约为0.1；此时无缆取样系统在下落过程的平衡速度约为6.8m/s，浮球和回收单元的上浮速度约为6m/s。

应用例

将实施例1所述的无缆重力取样系统应用于10000米以上的超深海的取样作业。

在投放之前，将所述的回收单元最下段的取样器內管4从顶端插入抛弃单元的取样器外管5，并且将取样器外管5的锁位通孔51与取样器内管4的锁位槽42相对，用锁位珠8填入形成的空间内锁定取样器内外管，使用不闭合环状紧固件76通过环形卡接方式将解锁套管71上、下两部分紧固在一起，克服压缩弹簧75的弹力，使解锁套管内的退珠槽72位于锁位珠8的下方。根据取样作业时间需要确定取样系统的下沉速度，再根据预期下沉速度为取样系统配置相应重量的配重块6。然后投放取样系统入海，取样系统会在配重块6的帮助下保持下沉。当取样系统触底且取样器内外管插入海底沉积层深度达到要求后，所述的触发解锁机构7的触底环73受到向上的推力，带动解锁套管71整体沿取样器外管5外壁向上滑动，滑动至退珠槽72与取样器外管5的锁位通孔51相对时，锁定取样器内外管位置的锁位珠8会进入退珠槽72内，使锁位珠8的锁定作用失效从而解锁；如果取样系统遇到了异常情况导致触底不成功或插入深度不足，未能使解锁套管71滑动进而完成上述解锁，系统会在定时释放装置预设的时间接通可熔断线缆，可熔断线缆在电流和海水作用下腐蚀断，其对不闭合环状紧固件76的固定力失效，不闭合环状紧固件76放松，使解锁套管71上下两部分之间的压紧力消失，压缩弹簧75释放，解锁套管71的上部分在压缩弹簧75的推动下沿外管外壁向上滑动，当退珠槽72与取样器外管5的锁位通孔51相对时，锁位珠8会进入退珠槽72，从而触发解锁。如果上述两种解锁方式均失效，还可以通过定时强制分离机构12在预定时间启动，熔断固定所述释放钩121的可熔断线缆，释放钩121释放与其连接的缆绳3，至少可使浮力组件1得以脱离抛弃单元上浮。不论哪一种解锁方式生效，浮力组件1会提供足够的向上的浮力，理想状态下会带着缆绳3和取样器内管4脱离取样器外管5，实现取样系统中回收单元和抛弃单元的彻底分离；分离后的回收单元整体在浮力组件1带动下以大约6m/s的速度上浮至海面，信标2底舱22底部的机械式压力开关23由于压力的减少而触发电源打开，GPS模块立即通过GPS天线按一定的频率将回收系统的准确位置发送给科考船上的定位接收设备，同时顶舱内的灯光信标在晚上的时候同样按照一定的频率闪烁发出灯光信号、无线数传电台通过无线电天线发出无线电信号，科考船通过接收设备收到GPS数据和无线电信号后可快速定位回收系统，即可直接航行该位置进行打捞。

Claims (9)

1.一种超深海海底沉积物无缆重力取样系统，它包括回收单元和抛弃单元；

所述的回收单元包括信标、浮力组件、缆绳和取样器内管；所述的信标位于浮力组件顶端；所述的浮力组件、缆绳和取样器内管依次连接；

所述的信标由顶舱与底舱自上而下连接构成；所述的顶舱为透光、透波材料的实心体，内部封装有GPS天线、无线数传电台天线和灯光信标及光敏元件；所述的底舱为中空柱体，顶部设底舱盖，内部设电池和驱动电路，底部设有水密水压开关一体结构；所述的顶舱底部和底舱盖通过水封射频联接器联结，所述的联结部位外部有水密包封层；所述GPS天线、无线数传电台天线和灯光信标及光敏元件通过真空浇铸的成型工艺被集成封装在所述的实心体内；所述的实心体材料是透光、透波的树脂材料；所述的联结部位外部的水密包封层为橡胶硫化形成；所述的底舱采用钛合金加工而成；

所述的浮力组件由固体浮力材料包裹着3个以上并排的空心玻璃浮球组合而成；所述的固体浮力材料密度为0.68±0.02g/cm³、耐压强度为110MP以上；所述的空心玻璃浮球热的膨胀系数为3.3×10^-6/°K、比重为25℃下2.23g/cm³、杨氏模量为63GPa、泊松比为0.20、折射率为1.472、90℃下的导热率为1.2W/m×°K、比热为0.8J/g×°K；

所述的取样器内管末端设置有固定式刀口，所述的固定式刀口内设置向内开口的花瓣结构；

所述的抛弃单元包括取样器外管、配重块和触发解锁机构；所述的配重块在取样器外管外壁上部周向设置；所述的触发解锁机构套接在配重块下方的取样器外管外壁上；

所述的取样器外管两端开放，所述的取样器内管套于取样器外管内并可在取样器外管内沿轴向滑动，所述的取样器外管壁中段沿周向均匀设置至少2个锁位通孔，取样器內管外壁沿周向设置锁位槽或扩径锁位孔，取样器内外管的锁位通孔和锁位槽对接形成的每个空间内都设有锁位珠，用于锁定内外管的相对位置，使内外管之间不能产生相对位移；所述的触发解锁机构上部为解锁套管，套于所述取样外管外壁中上段，解锁套管内壁中部沿周向设有足以容纳整个锁位珠的退珠槽；所述的触发解锁机构下部为触底环且环面与所述解锁套管的轴向垂直；所述的触底环位于所述的取样器外管1/2高度以上，并与解锁套管底部通过连接杆固定连接；所述的锁位珠锁定取样器内外管的位置时，由所述的退珠槽上方的解锁套管内壁与取样器内外管的锁位通孔和锁位槽共同固定锁位珠；所述的退珠槽位于锁位珠下方，且所述的解锁套管上端与配重块下缘之间的距离大于退珠槽与锁位珠之间的距离。

2.权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的空心浮球是串联的3-5个同规格浮球。

3.权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的取样器外管外壁、所述的配重块上方设置稳定尾翼。

4.权利要求3所述的系统，其特征在于：所述的稳定尾翼上部为圆筒，圆筒下部带有尖端；所述的稳定尾翼与所述的配重块的间距，同所述的稳定尾翼上部圆筒外径相同。

5.权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的触发解锁机构中进一步设有辅助解锁装置；所述的辅助解锁装置包括强力压缩弹簧、临时阻止装置和定时释放装置；所述的解锁套管分为不相连接的上、下两部分，所述的退珠槽位于上部分，所述的触底环与下部分固定连接；所述的压缩弹簧位于所述解锁套管上、下两部分之间呈压缩状态，由所述的临时阻止装置克服所述的压缩弹簧的弹力将所述解锁套管上、下两部分压紧固定在一起；所述的压缩弹簧压缩长度不小于所述退珠槽与锁位珠之间的距离；所述的临时阻止装置至少包括可熔断线缆；所述的定时释放装置包括水密电子仓、水密电缆和水密插座；所述的水密电子仓内设置机械定时装置、定时开关电路、电池、电源开关装置，所述的定时开关电路通过所述水密插座及水密电缆连接所述临时阻止装置中的可熔断线缆，在所述机械定时装置预定的时间触发定时开关电路、熔断所述可熔断线缆，解除所述临时阻止装置的紧固状态。

6.权利要求5所述的系统，其特征在于：所述的临时阻止装置由不闭合环状紧固件和可熔断线缆构成；所述的不闭合环状紧固件通过环形卡接方式将所述的解锁套管上、下两部分紧固在一起，并通过数根可熔断线缆将其不闭合的两端拉紧、固定连接。

7.权利要求1-6所述的任意一种系统，其特征在于：所述的回收单元中，缆绳和取样器内管之间进一步设置定时强制分离机构，所述的定时强制分离机构由释放钩、电子定时仓、水密插座、电缆和可熔断线缆组成；所述的释放钩与所述浮力组件底部通过所述的缆绳连接；所述的释放钩底部固定连接所述的电子定时仓顶部，所述的电子定时仓内设置机械定时装置、定时开关电路、电池、电源开关装置，所述的定时开关电路通过所述水密插座及水密电缆连接所述可熔断线缆；所述的可熔断线缆用于暂时将所述释放钩固定于闭合状态；所述的电子定时仓底部固定连接所述的取样器内管。

8.权利要求9所述的系统，其特征在于：所述的可熔断线缆均由电热水解丝或腐蚀线缆构成；进一步优选镍铬合金导线。

9.权利要求8所述的无缆取样系统在海洋沉积物调查、近海海底岩土工程勘察、海洋矿物调查、地球化学调查、物探底质验证调查、滨岸工程、地质填图取样、水坝淤积调查等领域的取样作业中的应用。