圖片上這兩架從水下騰空而出的“飛機(jī)”，是兩臺分別名為“長弓1號”“長弓2號”的潛空跨介質(zhì)航行器，由哈爾濱工程大學(xué)水下機(jī)器人技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室歷時一年多打造。兩款航行器分別采用了固定翼和折疊翼結(jié)構(gòu)，均能夠迅速跨越水空介質(zhì)，在空中穩(wěn)定飛行，在水下隱蔽航行，全過程全自主，無需人工控制。

兩款航行器機(jī)翼展開后形似長弓，團(tuán)隊介紹，取名時引用“會挽雕弓如滿月，西北望，射天狼。”的寓意，以此承載團(tuán)隊成員報國雄心壯志。機(jī)翼展開后尺寸分別為長2.3m×翼展2m和長1.9m×翼展2.5m，不僅能在空中、水面、水下切換自如，還可負(fù)重1千克，潛深100米，通過搭載的高清攝像機(jī)與數(shù)傳電臺，完成大氣邊界層與海洋邊界層的界面觀測。

負(fù)重1千克，潛深100米  潛空跨介質(zhì)航行器試飛成功

2022年10月，在五常市龍鳳山水庫，隨著通信信號的消失，“長弓1號”開始了自主跨域航行之旅。40多秒后，螺旋槳劃破水面，熟悉的馬達(dá)聲傳入耳中，“長弓1號”露出水面，隨著機(jī)體內(nèi)水的排出，“長弓1號”自主調(diào)整飛行姿態(tài)，迅速騰空飛離水面，以良好穩(wěn)定的出水姿態(tài)完成了水-空介質(zhì)跨越過程，不負(fù)眾望地在空中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定飛行。

雖然中國也有科研團(tuán)隊完成了跨介質(zhì)飛行器的實(shí)驗(yàn)，但在此前還是屬于模型實(shí)驗(yàn)，而哈爾濱工程大學(xué)完成樣機(jī)制造并且試飛成功，這于當(dāng)時是全球首次，并已經(jīng)具備了量產(chǎn)的可能性。

▲ “長弓1號”跨域姿態(tài)

▲“長弓1號”出水后空中飛行

在整個試驗(yàn)過程中，“長弓1號”從出水到穩(wěn)定飛行的跨介質(zhì)7秒鐘最讓科研人員緊張。“空氣和水是兩種截然不同的介質(zhì)，水的密度比空氣大近800倍，潛空跨介質(zhì)航行器在兩種截然不同的環(huán)境介質(zhì)中運(yùn)行時，會受到未知的風(fēng)、浪、流的聯(lián)合干擾，所受的環(huán)境外力情況和相應(yīng)的動力學(xué)響應(yīng)都有顯著差異。”碩士生王寶旭說。

▲ 團(tuán)隊成員現(xiàn)場檢修 “長弓1號”

在入水初期，由于氣/水密度的差異，瞬間會產(chǎn)生相當(dāng)大的沖擊載荷，使飛行器頭部遭受短時間、高幅值的沖擊波，沖擊波在飛行器內(nèi)部傳播誘導(dǎo)飛 行器頭部發(fā)生塑性變形。

而入水過程中，飛行器速度較快，舵面、翼面等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)表面會產(chǎn)生空泡，空泡的非定常演化及潰滅會在結(jié)構(gòu)表面形成復(fù)雜的壓力脈動，使結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著的動態(tài)響應(yīng)；與此同時，飛行器在穿越自由表面的過程中，浸水特性發(fā)生變化， 這種變化會對結(jié)構(gòu)自身的動態(tài)特性產(chǎn)生顯著影響。

2021年，團(tuán)隊在國家自然科學(xué)基金支持下，開展?jié)摽湛缬驘o人航行器技術(shù)研究工作。在設(shè)計之初，團(tuán)隊對潛空跨介質(zhì)航行器的飛行構(gòu)型方案進(jìn)行了多次討論，并對多旋翼、傾轉(zhuǎn)旋翼、固定翼等構(gòu)型方案的任務(wù)能力、應(yīng)用前景、技術(shù)可行性等進(jìn)行了綜合比對分析，最終確定了固定翼飛行構(gòu)型方案。

固定翼相比其他結(jié)構(gòu)，在介質(zhì)跨越過程中用時更短，但研發(fā)難度更大。不同于多旋翼可以在水面上起飛，固定翼飛行器可以直接跨越水空界面，這種跨域方式并無合適的數(shù)學(xué)模型可以進(jìn)行參考。

綜合水中和空中各項(xiàng)性能參數(shù)要求，團(tuán)隊進(jìn)行了無數(shù)次仿真實(shí)驗(yàn)，完成了“長弓1號”“長弓2號”樣機(jī)的總體方案設(shè)計，并基于CFD技術(shù)評估了航行器空中飛行、水下航行、水-空介質(zhì)跨越等過程的運(yùn)動性能，驗(yàn)證了兩型樣機(jī)方案的可行性。

▲“長弓1號” 跨介質(zhì)出水仿真計算

既能上天也能入海的航行器并不常見，這種航行器也被業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為用途廣泛，在海洋探索和開發(fā)上具有廣闊的應(yīng)用前景。

讓“飛機(jī)潛水”是哈工程科研團(tuán)隊的看家本領(lǐng)，為了能讓航行器在100米水下抗壓，團(tuán)隊為航行器設(shè)計了耐壓艙，通過一枚小小的推進(jìn)器作為水下動力來源，實(shí)現(xiàn)了飛行器在水下穩(wěn)定航行。但是讓“潛器會飛”著實(shí)給團(tuán)隊帶來了不小的挑戰(zhàn)。

▲試驗(yàn)現(xiàn)場

技術(shù)負(fù)責(zé)人、博士生孫祥仁介紹，通常航行器為了抗壓，下潛越深，材料越重，但機(jī)身過重航行器就無法輕盈起飛，因此，團(tuán)隊通過一系列手段為航行器減重。“我們不僅采用了新型的碳纖維復(fù)合材料去替代普通金屬，還在結(jié)構(gòu)設(shè)計上也盡量為航行器減重，連1克重的電線我們也在斤斤計較，在設(shè)計要求下，力求將航行器總質(zhì)量控制到最低。”

▲“長弓2號”總體設(shè)計圖

為了提高跨介質(zhì)能力，團(tuán)隊特別為“長弓2號”設(shè)計了折疊翼，而這也意味著航行器的穩(wěn)定姿態(tài)更難以控制。為了讓“長弓2號”穩(wěn)定飛行，其折疊結(jié)構(gòu)更迭了9版之多。在試驗(yàn)中，“長弓2號”整體出水，展開機(jī)翼，成功起飛，全程不到6秒。

▲“長弓2號”跨域姿態(tài)圖片

固定翼與折疊翼樣機(jī)雙雙成功實(shí)現(xiàn)跨域航行，這意味著，融合空中飛行、水面游弋、水下巡航能力于一體的跨介質(zhì)航行器技術(shù)有了新的進(jìn)展，業(yè)內(nèi)專家評價，這種航行器用途廣泛，在海洋探索和開發(fā)方面具有廣闊應(yīng)用前景。

資料來源 | 哈爾濱工程大學(xué)、北青網(wǎng)