哪吒-全球首個“?？找惑w”跨域航行器平臺

哪吒—全球首個“海空一體”跨域航行器平臺在中國國際大學生創(chuàng)新大賽（2024）中，上海交通大學海洋學院的“哪吒”—全球首個?？找惑w跨域航行器平臺項目一路過關斬將，從全球153個國家和地區(qū)的5406所學校的514萬個項目中脫穎而出，拔得頭籌?！澳倪浮焙？湛缬驘o人航行器是一種能夠在空中、水面和水下連續(xù)穿越航行的新型高機動運載平臺，可被海上移動平臺攜載，實施無依托飛行式布放與回收，靈活搭載各類探測傳感器及通信模塊，具有空中飛行控制、定位，指定海域水面降落，自主下潛上浮，水下潛航和飛行返航等功能。哪吒IV進行試驗上海交通大學海洋學院自2013年學院前身海洋研究院成立起，就一直致力于海洋科學與技術交叉融合發(fā)展。2016年，曾錚副研究員加入連璉教授領航的海洋技術團隊。在一次和研究海洋與大氣的學者交流時，團隊敏銳地捕捉到臺風和颶風研究領域對水上500米、水下50米的氣象和水文數(shù)據(jù)的迫切需求，而當時國際上尚無專門收集這類數(shù)據(jù)的設備。于是，團隊開始展開研究，致力打造一種可以穿越航行于空中、水面和水下的高機動性跨介質運載平臺。然而，這一設想的實現(xiàn)并不輕松。理想與現(xiàn)實之間的差距使得團隊面臨了前所未有的技術挑戰(zhàn)。比如，飛行器的特點需要“輕”，海洋中的潛水器則需要“穩(wěn)”。如何讓飛、潛的需求在一個平臺上和諧共存？如何確保航行器在水空兩種介質中都能高效穩(wěn)定地航行？從2016年開始，團隊經過八年的探索和創(chuàng)新，重點突破應用于跨域航行器功能融合多目標設計優(yōu)化的方法，開展了“總體結構—水動—氣動”協(xié)同設計、多旋翼飛行與潛航推進系統(tǒng)融合、小型輕量化浮力調節(jié)、出入水感知和跨介質穩(wěn)定控制等關鍵技術攻關?！澳倪浮表椖恳驳玫綄W校的重點前瞻布局基金、深藍計劃以及睿遠青年科技獎等持續(xù)滾動支持?！拔覀冎詫⑦@種新概念的?？諆蓷叫衅髅麨椤倪浮?，是國產電影《哪吒》中有句話讓我們深深共鳴，人們眼中的成見是一座大山，我們要勇于打破這種是非成見?！痹P說，“在人們的傳統(tǒng)印象中，空氣和水是兩種截然不同的介質，航行器是不可能同時飛行的。哪吒就是要打破這種成見，實現(xiàn)在空氣和水里的自由穿越?！薄澳倪浮眻F隊深知技術的迭代更新是推動創(chuàng)新的關鍵。2017年，承載著團隊最初夢想的“哪吒”1型誕生，實現(xiàn)了水上500米，水下50米的探索能力。其后，一批又一批滿懷激情與夢想的研究生接力參加這個項目，迭代研發(fā)出“哪吒”2型、3型、4型，以及“哪吒”海箭、“哪吒F”等一系列子型號。團隊也收獲了2022年度中國十大海洋科技進展、2023年度海洋工程科學技術獎、2022年度上海海洋科學技術獎、上海交通大學第三屆十大科學進展、上海交通大學“睿遠青年科技獎”等多個獎項。2020年成功研制的“哪吒III”海空跨域航行器首次將水下滑翔機與無人機進行了功能融合設計，創(chuàng)新性地實現(xiàn)垂直起降與懸停、水平飛行與水下滑翔多模式?？諆捎蚝叫?，具備50米級水下航行、5kg負載能力以及良好的空中運動與跨介質能力，是當時國內外公開發(fā)布的跨域航行器成果中下潛深度最大、負載能力最強、水下運動范圍最廣的一款?？湛缬蚝叫衅鳌?022年研制成功的“哪吒IV”首次將自治式水下航行器與無人機進行了功能融合設計，實現(xiàn)“垂直起降+飛行+水下自治航行”，擁有更強的機動性能。已完成全球首例公開報道的真實海洋環(huán)境下自主飛行與水下潛航，及海空跨域航行全流程試驗，實現(xiàn)3級海況下反復海空穿越，并在海試中率先突破了百米潛深，引領跨域航行器進入百米級時代。2023年最新研制成功的哪吒F,采用曲柄滑桿式的機臂自主折疊技術，使得航行器在水面與空中呈現(xiàn)四旋翼構型，在執(zhí)行水下任務中機臂折疊后呈流線浮標外形。該設計保持航行器的輕量化（<2kg）和便攜性（直徑僅120mm）的同時減小了旋翼式兩棲航行器在水下運動產生的阻尼，在執(zhí)行相同任務時該結構能幫助航行器節(jié)省69%的能量消耗?！澳倪浮眻F隊除了指導老師曾錚副研究員和連璉教授外，幾乎都是博士生、碩士生。這些年輕人思維活躍，總有著最新、最巧妙的想法。老師們認為，給年輕人越多探索的自由，年輕人就會產出越多豐碩的創(chuàng)新成果?！爱敃r的博士生盧迪、熊程珂在開始實驗后，幾乎每天都在‘炸機’?！痹P回憶，因為沒有跨域航行器的先例可循，很多參數(shù)都需要自己不斷摸索、調整，實驗中的航行器一試飛就失控，或者潛入水中再也回不來是常事，“已經不記得炸了多少次機了”。每次“炸機”后，曾錚都會陪著學生一起再從頭開始，就這樣，從湖泊到靜海，再從靜海到風高浪急的外海和阿里高原，“哪吒”終于具備了上天入海的能力。正是在這樣的摸索中，團隊成功研發(fā)了承壓耐蝕高速電機、小型輕量化浮力調節(jié)系統(tǒng)、海空跨介質航行的非線性穩(wěn)定控制器等一系列關鍵核心技術。最重要的是，團隊首創(chuàng)“沖浪算法”，為海空跨域業(yè)界難題提供了獨具匠心的“解法”。這一算法巧妙地解決了在真實海洋環(huán)境中風浪流干擾下航行器穩(wěn)定跨域出水的難題，其靈感來源于沖浪者不斷調整槳板朝向、等待浪涌瞬間的一躍而起。經過三年攻關后，該團隊成功將這一想法轉化為實際算法。如今，參加研制的第一批博士生已經畢業(yè)，完成整體設計的盧迪去了廣西科學院繼續(xù)從事科研，從事航行路徑研究的熊程珂去了華為從事無人車的智能路徑設計?！皫缀跛械膱F隊成員畢業(yè)后都去了國家重點行業(yè)?！痹P說。籌備了半年多的比賽已經畫上