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MIT迷你潛艇是如何煉成的?

110/12/22 瀏覽次數 2364

中山大學水下載具研發中心主任王朝欽專訪

想到臺灣的「海洋文化」你會先聯想想到什麼呢?是海灘、衝浪、潛水,還是漁船、海鮮、跑船?有發覺幾乎都是「海上」的關鍵字嗎?但其實,海面下藏著許多常人難以探勘的資源,例如可作為替代能源的「可燃冰」、難以開採的「稀土礦」,抑或是深海生物觀測或是海底考古等等,都是極具發展潛力的水下事業。也因此,世界列強早已投入鉅資開發水下載具技術,期望從海底世界找到更多可能性。

而在王朝欽教授的領導下,由中山大學水下載具研發中心所開發的「第一代雙載水下載具(Two-person manned underwater vehicle, MUV)」,今年終於成功踏出指標性的一步!

MUV

在王朝欽教授的領導下,由中山大學水下載具研發中心所開發的「第一代雙載水下載具(MUV)」,今年終於成功踏出指標性的一步。圖/中山大學提供

從無到有打造水下載具,臺灣跨出第一步!

第一代雙載水下載具被媒體廣泛稱為「MIT迷你潛艇」,但其實我們的「MIT迷你潛艇」(MUV)和一般所認知的潛艇是截然不同的水下載人載具,「講的簡單一點,裡面有廁所的是一般熟知的潛艇,沒有廁所的叫做『迷你潛艇』,而我們這次做出來的是後者。」王朝欽教授指出,雖然與自造潛艇還有一段距離,「但臺灣目前能獨立製造MUV,其實是非常不容易的事。」

臺灣原本就有海洋及造船相關科系,但只要牽涉到水下載具這類需要涉及跨領域整合的製造需求,通常都只能向外採購,開發的技術和工具都只能仰賴國外進口,成本相當高昂,如今我們可以自己從無到有做出一台載人水下載具,即使還不完美,但至少讓世界知道臺灣在海底領域已經跨出了關鍵的一步,「未來在海底世界我們不會缺席!」

「臺灣有造船的技術,但水上載具跟水下載具是完全不同的世界。」王朝欽教授表示,自2018到2021年,這台MUV從「構想」到「成功下海」可謂漫漫長路。由於製造經驗是零,光是畫設計圖就耗時一年。過程中團隊不斷向海外專業團隊及友人請益,是非常重要的經驗累積。

MUV

由於缺乏製造經驗,第一代MUV光是畫出設計圖就耗時一年。圖/中山大學提供

今年MUV的研發已經進入中後段的測試與調整階段,中山大學水下載具研發中心已於2021年1月完成了在臺南港的「無人動力航行測試」,並在此次測試中,完成了垂直、水平及下潛到水深8米的深度,接著上升回海面等等的動力航行測試。這也意味著,MUV在水下的行動能力已經完備。

接著於2021年9月於高雄港完成更進階的「載人入艙」測試,除了測試載人後的艙體維生系統運作外,也完成了「固定深度航行」的機能測試;此次測試的成功,也代表著未來科研人員在艙內可以不用一直分心去控制載具的深度,能夠更順利的進行科研活動。不過王朝欽教授表示,臺南港與高雄港算是比較平靜的水域,下個階段團隊將前往更真實、更多狀況的海域進行測試。

小琉球測試,從真實世界繼續經驗累積

在訪問的當下,王朝欽教授已經帶領團隊完成這次移師小琉球海域的「載人入艙實海測試」,並且很坦白的和我們分享測試第一天發生的問題:「下水不是每一次都成功,失敗的時候就要去知道發生什麼問題。」

而這次到小琉球的實驗,是先由艙外潛水員進行艙外控制操作,到達指定的深度後,進行海中的動力航行測試(垂直、水平航行以及定深航行)。考量到深度超過50米的海域海流比較強且難以預測、風險較高,所以選擇在深度20米以內的近海海域執行測試。

小琉球實海測試

這次的小琉球實海測試,由艙外潛水員進行艙外操作,在深度20米的近海進行動力測試。圖/中山大學提供

為了將MUV移至小琉球沿海的測試地點,首先必須先雇用拖船將MUV帶到定點,但由於搭載MUV的母船吃水較深,無法將一口氣將MUV載至測試海域,因此還得另外租用中型船將艙體移至深度20米以內的近海海域。另再加上指揮船與戒護艇,光是單次的實海測試就足足出動了四條船。

王朝欽教授表示,在第一天的測試過程中就發生了動力失效的問題,但團隊事後也迅速找出了發生問題的原因,原來是外部的控制面板可能因為壓力差與結構問題產生裂痕後進水,進而影響到動力系統:「團隊在迅速調整後第二天就可以正常執行任務了。」

「工程就是這樣,我們設計時會考量許多因素,但現場執行肯定還是會有狀況,在測試中修正問題——就是工程的作法。對於這次的發現(指控制面板進水)其實也算是出乎意料,面板上的裂痕竟能造成這樣的結果。」然而,每次的失敗都是學習機會,失敗的經驗正是團隊累積成長的養分,而這次小琉球海域的實測狀況,正是打造MUV一路走來的真實寫照。

MUV開發的最高守則——安全第一

談到在研發過程中必須克服的問題,王朝欽教授指出:「在海底可能什麼都看不到,不但艙體要設計防撞、操控面板也必須易於操作,通信系統得隨時暢通,而且一定要有備用電力設備。只要牽涉到水下,連零件工法錯誤都會造成極大風險,畢竟是要載人的載具,必須更加謹慎。」

王朝欽教授舉例,在今年9月高雄港的測試中,研發團隊發現艙蓋有滲水的問題,經過調查發現,原來是艙蓋中金屬交接處的橡膠環在製作工法的問題。原本團隊是採用像繩子「頭接尾」的成環方式,這種方式的接口就是滲水的原因,最後團隊將橡膠環更改為一體成形的環型結構,才解決了滲水問題。

除了載具硬體設計外,專業操作人員的訓練也非常重要,除了學習操作載具外,工程師與操作員還必須忍受待在密閉的小空間裡執行任務長達數小時,需要強韌的心理素質,「你能想像把自己關進一個鐵牢籠好幾個小時不出來嗎?我自己進去六七分鐘就快受不了了,這真的是要很有愛與決心才能辦到。」

小空間

水下載具的操作員操作員必須忍受待在密閉的小空間裡執行任務長達數小時,需要強韌的心理素質。圖/中山大學提供

為了讓操作員的身心狀況維持在健康狀態,研發團隊也必須考量到水下載具的舒適度與穩定度,因為光是濕度沒控制好,就可能會發生艇內起霧的現象,而這些變化都可能造成操作員的情緒波動,進而影響駕駛安全。

王朝欽教授表示,在開發與設計的過程中,人員的安全是最高指導原則,所以載具本體防護、通訊系統及逃生機制,都是水下載人載具設計時不可或缺的環節。

王朝欽教授和我們分享了MUV逃生系統的四層設計。最基礎的是「動力上浮系統」,藉由機身上的推進器將水下載具推往水面;第二層是「急速氣囊系統」,藉由讓氣囊快速充氣使MUV增加浮力浮上水面;第三層則是「快卸系統」,藉由把機身上的配重卸除,來幫助機體可以順利上浮。

但如果以上三者都失效,還有第四層逃生設計,當緊急狀態發生時,機體內的電力與維生裝置可以持續運作72小時,讓操作人員在海中等待救援。

不管做什麼,勇敢踏出第一步最重要!

當初王朝欽教授只是私下喜歡海上活動,專精IC設計的電機系教授,受到當時中山大學海科院院長王兆璋教授(現任國研院臺灣海洋科技研究中心主任),以及海下所陳信宏所長的邀請,便一腳跨入水下載具的開發計畫,「沒想到一走也走了三年多。」王朝欽教授表示,在這個計畫中大家都對海洋科研非常有愛,畢竟水下有人載具領域在資源有限的情況下,一路走來真的不容易。

他特別感謝中山大學鄭英耀校長的大力支持,沒有當初校長的支持,計畫不可能走到現在。另外王朝欽教授也非常感謝中信造船集團與韓育霖總經理,二話不說全力支援MUV的艙體製作,還有國研院臺灣海洋科技研究中心的勵進號全體船員的配合與支持海域實驗,「沒有大家的支持,就無法有現在的成果,所以除了感謝還是感謝。」

對於目前正在求學的莘莘學子,王朝欽教授建議要先找到自己有熱情的領域,以他目前從事的水下載具研發為例,需要跨領域整合各種技術,因此不是只有電機的人才能入行,「就看你要怎麼切入你有熱情的領域。」不過王朝欽教授強調,最重要還是擁有熱情,然後勇敢地踏出第一步,然後持續堅持下去。

王朝欽教授在訪談最後指出:「人活到最後通常會後悔的都是『沒做什麼』,而不是『做了什麼』,所以去尋找自己有熱情的事,是自我成就最關鍵的一件事。」

王朝欽教授

針對給學子們的職涯建議,王朝欽教授表示,最重要的是找到熱情所在,並且勇敢堅持下去。圖/呂元弘攝

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