圖片上這兩架從水下騰空而出的“飛機(jī)”，是兩臺(tái)分別名為“長(zhǎng)弓1號(hào)”“長(zhǎng)弓2號(hào)”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(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室歷時(shí)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(zhǎng)弓，團(tuán)隊(duì)介紹，取名時(shí)引用“會(huì)挽雕弓如滿月，西北望，射天狼。”的寓意，以此承載團(tuán)隊(duì)成員報(bào)國(guó)雄心壯志。機(jī)翼展開后尺寸分別為長(zhǎng)2.3m×翼展2m和長(zhǎng)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(tái)，完成大氣邊界層與海洋邊界層的界面觀測(cè)。

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(kù)，隨著通信信號(hào)的消失，“長(zhǎng)弓1號(hào)”開始了自主跨域航行之旅。40多秒后，螺旋槳?jiǎng)澠扑妫煜さ鸟R達(dá)聲傳入耳中，“長(zhǎng)弓1號(hào)”露出水面，隨著機(jī)體內(nèi)水的排出，“長(zhǎng)弓1號(hào)”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(guó)也有科研團(tuán)隊(duì)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(shí)是全球首次，并已經(jīng)具備了量產(chǎn)的可能性。

▲ “長(zhǎng)弓1號(hào)”跨域姿態(tài)

▲“長(zhǎng)弓1號(hào)”出水后空中飛行

在整個(gè)試驗(yàn)過程中，“長(zhǎng)弓1號(hào)”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(shí)，會(huì)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(dòng)力學(xué)響應(yīng)都有顯著差異。”碩士生王寶旭說。

▲ 團(tuán)隊(duì)成員現(xiàn)場(chǎng)檢修 “長(zhǎng)弓1號(hào)”

在入水初期，由于氣/水密度的差異，瞬間會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的沖擊載荷，使飛行器頭部遭受短時(shí)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(huì)產(chǎn)生空泡，空泡的非定常演化及潰滅會(huì)在結(jié)構(gòu)表面形成復(fù)雜的壓力脈動(dòng)，使結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；與此同時(shí)，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(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生顯著影響。

2021年，團(tuán)隊(duì)在國(guó)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(jì)之初，團(tuán)隊(duì)對(duì)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(duì)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(duì)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(shí)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(duì)進(jìn)行了無數(shù)次仿真實(shí)驗(yàn)，完成了“長(zhǎng)弓1號(hào)”“長(zhǎng)弓2號(hào)”樣機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)，并基于CFD技術(shù)評(píng)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(dòng)性能，驗(yàn)證了兩型樣機(jī)方案的可行性。

▲“長(zhǎng)弓1號(hào)” 跨介質(zhì)出水仿真計(jì)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(duì)的看家本領(lǐng)，為了能讓航行器在100米水下抗壓，團(tuán)隊(duì)為航行器設(shè)計(jì)了耐壓艙，通過一枚小小的推進(jìn)器作為水下動(dòng)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(huì)飛”著實(shí)給團(tuán)隊(duì)帶來了不小的挑戰(zhàn)。

▲試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

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(duì)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(jì)上也盡量為航行器減重，連1克重的電線我們也在斤斤計(jì)較，在設(shè)計(jì)要求下，力求將航行器總質(zhì)量控制到最低。”

▲“長(zhǎng)弓2號(hào)”總體設(shè)計(jì)圖

為了提高跨介質(zhì)能力，團(tuán)隊(duì)特別為“長(zhǎng)弓2號(hào)”設(shè)計(jì)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(zhǎng)弓2號(hào)”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(zhǎng)弓2號(hào)”整體出水，展開機(jī)翼，成功起飛，全程不到6秒。

▲“長(zhǎng)弓2號(hào)”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(píng)價(jià)，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)