一种超深海海底沉积物无缆重力取样系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A streamer free gravity sampling system for ultra deep seabed sediments

The invention provides an ultra deep seabed cable free gravity sampling system, it includes the recovery unit and abandoned unit; recovery unit comprises a beacon, buoyancy components, cables and sampler inner tube; the buoyancy component is located in the beacon top; the buoyancy component, the cable and the sampler tube connected in sequence abandon the unit; including sampler outer tube, counterweight and trigger unlocking mechanism; the counterweight is arranged on the outer wall of the upper part of the outer tube sampler is arranged around the sleeve in the sampler; trigger weight block beneath the outer tube on the outer wall of the unlocking mechanism. The cable free gravity sampling system of the invention has higher reliability and safety, and has lower cost than the existing cable sampling.

【技术实现步骤摘要】
一种超深海海底沉积物无缆重力取样系统
本专利技术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。
技术介绍
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；Oharaetal.,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(ROVKaiko11000,HROVNereus)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(HROVNereus)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(KermadecTrench)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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：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。本专利技术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。本专利技术优选的方案中，所述的空心浮球是串联的3-5个同规格浮球。本专利技术优选的方案中，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。本专利技术优选的方案中，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。本专利技术更优选的方案中，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。本专利技术优选的一种方案中，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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/cm

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：林间，孙兆华，黄健龙，杨小秋，曾信，周璇，
申请(专利权)人：中国科学院南海海洋研究所，
类型：发明
国别省市：广东,44