CN107044917A - 万米级深海自主式底质探取装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及深海取样技术领域，尤其是一种万米级深海自主式底质探取装置。所述采样腔体呈竖直方向设置，其上、下方开口处分别设置上端盖和下端盖，上端盖与采样腔体的上端通过弹簧连接；所述声学释放器固定设置在主体框架内，声学释放器包括释放装置Ⅰ和释放装置Ⅱ，上端盖的固定端铰接于采样腔体，上端盖的自由端通过细缆绳与释放装置Ⅰ连接，主体框架的下方设有抛载配重块，抛载配重块通过挂钩与释放装置Ⅱ连接；所述下端盖包括旋转支架及封闭弹片，旋转支架的一端铰接于采样腔体的上端，旋转支架的另一端固定有封闭弹片，旋转支架通过细缆绳与释放装置Ⅰ连接。具备自主上浮能力，加载配重进行下潜，依靠重力冲击触底取样，制造简单，生产成本低、安装简便、效率高、安全可靠。

Description

万米级深海自主式底质探取装置
技术领域
本发明涉及深海取样技术领域，尤其是一种万米级深海自主式底质探取装置。
背景技术
在深海底部有一层神秘但十分具有研究价值的海底底质,海底底质对于认识地球环境变迁、揭示地球环境系统之间的内在联系和预测未来气候长期变迁等有着重要意义。马里亚纳海沟，又称“马里亚纳群岛海沟”，是目前所知地球上最深的海沟，该海沟地处北太平洋西部海床，靠近关岛的马里亚纳群岛的东方，该海沟为两个板块辐辏俯冲带，太平洋板块在这里俯冲到菲律宾板块之下，这片海域具有重大的科考价值，每年我国会有大批航次在该海域开展科学考察。通过对该海域的海底沉积物取样并进行深入研究可以使人类在海洋科学研究、海洋环境研究、海洋资源勘探、海洋工程勘探等领域获得十分重要的资料，对于人类认识地球、开发海洋具有重要的战略性意义。
目前我国针对万米级海底取样的技术手段十分有限，可用装备及其少，与发达国家相比，海底勘探的手段相对单一、海底取样设备落后。主要表现在以下方面：
(1)目前广泛采用的重力式取样器结构简单、操作方便,但重量、长度均过重过大，由于采用的是钢丝缆布放方式，万米级的作业仅钢丝缆就达到几吨的重量，成本居高不下；
(2)成功率低，绞车系统由于长时间工作经常出现由于绞缆系统故障而进行截缆的情况，造成重大的损失，且由于过于笨重布放及回收困难，极易造成取样不成功；
(3)即使能够采样成功，采集样品质量低，取样、回收过程易发生泄露、掺入杂质等缺点。
因此，在上述背景下，结合大洋勘探实际经验，急需研究和开发一种功能化多样、操作方便、维护简单的一种用于马里亚纳海沟的万米级深海自主式底质探取装置，为我国新一轮海底资源大调查、海底地质结构研究和海洋环境研究提供技术保障。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提出了一种万米级深海自主式底质探取装置，具备自主上浮能力，加载配重进行下潜，依靠重力冲击触底取样，装置采用独特的机械加声学控制触发机制，不需绞缆回收系统，整套装置采用通用性设计，海上可进行拆装和组装，可实现大批量加工，制造简单，生产成本低、安装简便、效率高、安全可靠。
本发明的技术方案是：一种万米级深海自主式底质探取装置，其中，包括主体支撑模块、自主声学释放模块、样品采用模块和抛载配重模块，所述主体支撑模块包括主体框架，样品采用模块包括采样腔体，自主声学释放模块包括声学释放器，抛载配重模块包括抛载配重块；
所述主体框架的下端设有数个引脚，引脚通过固定法兰与采样腔体固定连接；
所述采样腔体呈竖直方向设置，其上、下方开口处分别设置上端盖和下端盖，上端盖与采样腔体的上端通过弹簧连接；
所述声学释放器固定设置在主体框架内，声学释放器包括释放装置Ⅰ和释放装置Ⅱ，上端盖的固定端铰接于采样腔体，上端盖的自由端通过细缆绳与释放装置Ⅰ连接，上端盖呈开启状态时弹簧处于拉伸状态，主体框架的下方设有抛载配重块，抛载配重块通过挂钩与释放装置Ⅱ连接；
所述下端盖包括旋转支架及封闭弹片，旋转支架的一端铰接于采样腔体的上端，旋转支架的另一端固定有封闭弹片，封闭弹片为与采样腔体发生磁力作用的强磁体，旋转支架通过细缆绳与释放装置Ⅰ连接。
本发明中，所述细缆绳与上端盖的自由端缠绕连接后与旋转支架连接。
所述采样腔体可以设置四个，采样腔体均匀分布于主体框架的四周。
所述声学释放装置Ⅱ包括释放开关，抛载配重块通过挂钩挂于释放装置Ⅱ的释放开关。
所述释放装置Ⅰ包括释放开关，细缆绳通过挂钩挂于释放装置Ⅰ的释放开关上。
本发明还包括回收与定位模块，回收与定位模块包括吊环和GPS定位装置，吊环设置在主体框架的顶部，GPS定位装置固定在主体框架上。
还包括，上浮模块包括至少一个浮力球，浮力球固定设置在主体框架的上端。
所述声学释放器的外表面设有连接板，声学释放器通过连接板固定设置在主体框架的内部。
还包括电源及控制模块，电源及控制模块设置在主体框架内，与声学释放器连接。
本发明的有益效果：
(1)采样腔体的上端盖和下端盖通过细缆绳连接在声学释放器上，下潜时上端盖被细缆绳牵引呈现开启状态，弹簧处于拉伸状态，下端盖处于开启状态，当声学释放器动作时，细缆绳释放，随之弹簧依靠拉伸力关闭，下端盖也依靠自身重力下落，对接到采样腔体处，依靠强磁保证下端盖不被打开，保证了取样质量，不会发生泄露与掺杂；
(2)具备自主式触发机制，可根据海况情况择机上浮回收：通过设置声学释放器，利用声学通讯与母船保持信息控制流，可根据作业情况自主择机抛载上浮，不需重型的回收系统，大大节省了造价和海上的可维护性；
(3)采用模块化设计：整套装置采用通用性、模块化组装，在海上可进行任意的拆装、组装，实现不同的任务模块，可实现大批量加工，具有制造简单，生产成本低、安装简便、效率高效、安全可靠；
(4)具备GPS定位能力，可实现海上精确回收。
综上所述，本发明采用了无缆布放、自主式下潜的方式，大大节省了布放时间，降低了绞车故障频率，提高了海上作业效率。同时具备万米级探测能力，解决了万米级探取装置的布放及回收难点，解决了密封及耐压技术难点，大大增加了作业范围。
附图说明
图1为本发明一种万米级深海自主式底质探取装置的结构示意图；
图2为本发明的主视图；
图3为本发明的透视图；
图4为声学释放器的结构示意图。
图中：1主体框架；101吊环；102引脚；103固定法兰；2GPS定位装置；3浮力球；4细缆绳；5下端盖；501旋转支架；502封闭弹片；6弹簧；7采样腔体；8抛载配重块；9上端盖；10声学释放器；1001连接板；1002释放装置Ⅰ；1003释放装置Ⅱ；11电源及控制模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1和图2所示，本发明所述的万米级深海自主式底质探取装置包括主体支撑模块、自主声学释放模块、样品采用模块、抛载配重模块、回收与定位模块、上浮模块和电源及控制模块11。主体支撑模块包括主体框架1，样品采用模块包括采样腔体7，自主声学释放模块包括声学释放器10，抛载配重模块包括抛载配重块8。
主体框架采用316L不锈钢焊接组装加工，其中外设多个外挂点，可实现不同模块的快速组装，同时也可实现单个功能探测/监测工具的挂装。主体框架1的下端间隔设置多个引脚102，每个引脚102通过固定法兰103固定连接一个采样腔体7，采样腔体7呈竖直方向设置，其上、下两开口处分别设置上端盖9和下端盖5。上端盖9与采样腔体7的上端通过弹簧6连接。
本发明中，采样腔体7的数量可以根据采样作业需求设置，本实施中设置四个采样腔体7，采样腔体均匀分布于主体框架1的四周。
声学释放器10固定设置在主体框架1内，主要用于机械释放抛载，下潜至海底后系统开始工作，采用声学的方式接收作业母船的指令。如图4所示，声学释放器10包括连接板1001、释放装置Ⅰ1002和释放装置Ⅱ1003，声学释放器10通过连接板1001固定在主体框架1内。上端盖9包括固定端与自由端，其固定端与采样腔体7铰接，自由端通过细缆绳4与释放装置Ⅰ1002连接，上端盖9呈开启状态时弹簧6处于拉伸状态。下端盖5包括旋转支架501和封闭弹片502，旋转支架501的一端与采样腔体7的上端铰接，旋转支架501的另一端固定设置封闭弹片502，封闭弹片502为强磁体，与采样腔体7的材料可发生磁力作用。旋转支架501上设置封闭弹片502的一端可转动，当该端旋转至采样腔体7的底部时，在采样腔体7和封闭弹片502的磁力作用下，封闭弹片502将采样腔体7的下端开口封闭。细缆绳4的一端与旋转支架501连接，另一端与释放装置Ⅰ1002连接。主体框架1的下方设置抛载配重块8，抛载配重块8通过挂钩挂于释放装置Ⅱ1003上。
本发明中，可以采用两根细缆绳4，分别实现上端盖与释放装置Ⅰ1002之间的连接、以及旋转支架501与释放装置Ⅰ1002之间的连接；也可以采用一根细缆绳4，该细缆绳4与上端盖9的自由端缠绕连接后与旋转支架501连接。当释放装置Ⅰ1002将细缆绳4释放后，上端盖与下端盖同时完成对采样腔体的上、下开口的关闭动作。
释放装置Ⅰ1002包括释放开关，细缆绳4通过挂钩挂于释放装置ⅠⅠ1002的释放开关上。声学释放装置Ⅱ1003也包括释放开关，抛载配重块8通过挂钩挂于释放装置Ⅱ1003的释放开关上。释放装置Ⅱ1003和释放装置Ⅰ1002的释放开关可以为挡片，当声学释放器接收到释放信号时，挡片打开，将抛载配重块8或细缆绳4释放。
回收与定位模块包括吊环101和GPS定位装置2。吊环101设置在主体框架1的顶部，由高强度耐腐蚀的316L不锈钢材料加工制成，通过吊环可以将整个装置吊起来，主要用于整套装置的布放及回收时的吊放。GPS定位装置2固定在主体框架1上，GPS定位装置2由电源及控制模块11供电，当装置上浮至水面时开始工作，发送GPS定位经纬度数据至作业母船，实现精确定位。
上浮模块包括至少一个浮力球3，浮力球3固定设置在主体框架1的上端。浮力球3主要为整套装置提供浮力，实现快速上浮。
电源及控制模块11设置在主体框架1内，与声学释放器10连接。电源与控制模块为整套装置提供能源和控制。
本发明还包可以包括其他功能模块，如温度测量模块等，实际使用时根据需要，将这些功能模块搭载在主体框架1上。
本发明的工作过程如下所述：
下水前，针对不同的作业需求选取不同的功能模块进行万米级沉积物采样装置的组装工作，如需要测量温度梯度可以选挂装温度梯度仪。将抛载配重块安装在声学释放器中，完成后进行声学调试验证，检查声学释放器工作是否可靠，检测GPS信号是否有效，检查完毕后准备进行布放工作。
布放过程，采用小型船载吊机利用可卸扣式缆绳将本装置吊起，缓慢吊入海中并释放卸扣，万米级沉积物采样装置在抛载配重块8的作用下，依靠自身重力进行下潜。若不具备条件也可由2-3人将全海深自浮式取样器用绳子抬起，缓慢送入水中。回收过程，作业母船根据海况情况利用声学手段给声学释放器发送触发信号，声学释放器收到信号后，释放装置Ⅰ1002将细缆绳4释放，上端盖在弹簧9的拉伸力下关闭，下端盖5也依靠自身重力下落，封闭弹片502对接到采样腔体7下方的开口处，将其关闭，依靠强磁保证下端盖5不被打开，保证了取样质量，不会发生泄露与掺杂。完成工作完释放装置Ⅱ1003将抛载配重块8释放，整个装置抛载上浮，上浮至水面后，GPS定位装置2开始工作，母船接收到定位数据开展回收工作。装置收回至甲板后，取出采样腔体7，将采取的样品进行处理、实验、研究。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种万米级深海自主式底质探取装置，其特征在于：包括主体支撑模块、自主声学释放模块、样品采用模块和抛载配重模块，所述主体支撑模块包括主体框架(1)，样品采用模块包括采样腔体(7)，自主声学释放模块包括声学释放器(10)，抛载配重模块包括抛载配重块(8)；
所述主体框架(1)的下端设有数个引脚(102)，引脚(102)通过固定法兰(103)与采样腔体(7)固定连接；
所述采样腔体(7)呈竖直方向设置，其上、下方开口处分别设置上端盖(9)和下端盖(5)，上端盖(9)与采样腔体(7)的上端通过弹簧(6)连接；
所述声学释放器(10)固定设置在主体框架(1)内，声学释放器(10)包括释放装置Ⅰ(1002)和释放装置Ⅱ(1003)，上端盖(9)的固定端铰接于采样腔体(7)，上端盖(9)的自由端通过细缆绳(4)与释放装置Ⅰ(1002)连接，上端盖(9)呈开启状态时弹簧(6)处于拉伸状态，主体框架(1)的下方设有抛载配重块(8)，抛载配重块(8)通过挂钩与释放装置Ⅱ(1003)连接；
所述下端盖(5)包括旋转支架(501)及封闭弹片(502)，旋转支架(501)的一端铰接于采样腔体(7)的上端，旋转支架(501)的另一端固定有封闭弹片(502)，封闭弹片(502)为与采样腔体(7)发生磁力作用的强磁体，旋转支架(504)通过细缆绳(4)与释放装置Ⅰ(1002)连接。
2.根据权利要求1所述的万米级深海自主式底质探取装置，其特征在于：所述细缆绳(4)与上端盖(9)的自由端缠绕连接后与旋转支架(501)连接。
3.根据权利要求1所述的万米级深海自主式底质探取装置，其特征在于：所述采样腔体(7)设置四个，采样腔体均匀分布于主体框架(1)的四周。
4.根据权利要求1所述的万米级深海自主式底质探取装置，其特征在于：所述声学释放装置Ⅱ(1003)包括释放开关，抛载配重块(8)通过挂钩挂于释放装置Ⅱ(1003)的释放开关。
5.根据权利要求1所述的万米级深海自主式底质探取装置，其特征在于：所述释放装置Ⅰ(1002)包括释放开关，细缆绳(4)通过挂钩挂于释放装置Ⅰ(1002)的释放开关上。
6.根据权利要求1所述的万米级深海自主式底质探取装置，其特征在于：还包括回收与定位模块，回收与定位模块包括吊环(101)和GPS定位装置(2)，吊环设置在主体框架(1)的顶部，GPS定位装置(2)固定在主体框架(1)上。
7.根据权利要求1所述的万米级深海自主式底质探取装置，其特征在于：还包括上浮模块，上浮模块包括至少一个浮力球(3)，浮力球(3)固定设置在主体框架(1)的上端。
8.根据权利要求1所述的万米级深海自主式底质探取装置，其特征在于：所述声学释放器(10)的外表面设有连接板(1001)，声学释放器(10)通过连接板(1001)固定设置在主体框架(1)的内部。
9.根据权利要求1所述的万米级深海自主式底质探取装置，其特征在于：还包括电源及控制模块(11)，电源及控制模块(11)设置在主体框架(1)内，与声学释放器(10)连接。
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