哪吒-全球首个“海空一体”跨域航行器平台

哪吒—全球首个“海空一体”跨域航行器平台在中国国际大学生创新大赛（2024）中，上海交通大学海洋学院的“哪吒”—全球首个海空一体跨域航行器平台项目一路过关斩将，从全球153个国家和地区的5406所学校的514万个项目中脱颖而出，拔得头筹。“哪吒”海空跨域无人航行器是一种能够在空中、水面和水下连续穿越航行的新型高机动运载平台，可被海上移动平台携载，实施无依托飞行式布放与回收，灵活搭载各类探测传感器及通信模块，具有空中飞行控制、定位，指定海域水面降落，自主下潜上浮，水下潜航和飞行返航等功能。哪吒IV进行试验上海交通大学海洋学院自2013年学院前身海洋研究院成立起，就一直致力于海洋科学与技术交叉融合发展。2016年，曾铮副研究员加入连琏教授领航的海洋技术团队。在一次和研究海洋与大气的学者交流时，团队敏锐地捕捉到台风和飓风研究领域对水上500米、水下50米的气象和水文数据的迫切需求，而当时国际上尚无专门收集这类数据的设备。于是，团队开始展开研究，致力打造一种可以穿越航行于空中、水面和水下的高机动性跨介质运载平台。然而，这一设想的实现并不轻松。理想与现实之间的差距使得团队面临了前所未有的技术挑战。比如，飞行器的特点需要“轻”，海洋中的潜水器则需要“稳”。如何让飞、潜的需求在一个平台上和谐共存？如何确保航行器在水空两种介质中都能高效稳定地航行？从2016年开始，团队经过八年的探索和创新，重点突破应用于跨域航行器功能融合多目标设计优化的方法，开展了“总体结构—水动—气动”协同设计、多旋翼飞行与潜航推进系统融合、小型轻量化浮力调节、出入水感知和跨介质稳定控制等关键技术攻关。“哪吒”项目也得到学校的重点前瞻布局基金、深蓝计划以及睿远青年科技奖等持续滚动支持。“我们之所以将这种新概念的海空两栖航行器命名为‘哪吒’，是国产电影《哪吒》中有句话让我们深深共鸣，人们眼中的成见是一座大山，我们要勇于打破这种是非成见。”曾铮说，“在人们的传统印象中，空气和水是两种截然不同的介质，航行器是不可能同时飞行的。哪吒就是要打破这种成见，实现在空气和水里的自由穿越。”“哪吒”团队深知技术的迭代更新是推动创新的关键。2017年，承载着团队最初梦想的“哪吒”1型诞生，实现了水上500米，水下50米的探索能力。其后，一批又一批满怀激情与梦想的研究生接力参加这个项目，迭代研发出“哪吒”2型、3型、4型，以及“哪吒”海箭、“哪吒F”等一系列子型号。团队也收获了2022年度中国十大海洋科技进展、2023年度海洋工程科学技术奖、2022年度上海海洋科学技术奖、上海交通大学第三届十大科学进展、上海交通大学“睿远青年科技奖”等多个奖项。2020年成功研制的“哪吒III”海空跨域航行器首次将水下滑翔机与无人机进行了功能融合设计，创新性地实现垂直起降与悬停、水平飞行与水下滑翔多模式海空两域航行，具备50米级水下航行、5kg负载能力以及良好的空中运动与跨介质能力，是当时国内外公开发布的跨域航行器成果中下潜深度最大、负载能力最强、水下运动范围最广的一款海空跨域航行器。2022年研制成功的“哪吒IV”首次将自治式水下航行器与无人机进行了功能融合设计，实现“垂直起降+飞行+水下自治航行”，拥有更强的机动性能。已完成全球首例公开报道的真实海洋环境下自主飞行与水下潜航，及海空跨域航行全流程试验，实现3级海况下反复海空穿越，并在海试中率先突破了百米潜深，引领跨域航行器进入百米级时代。2023年最新研制成功的哪吒F,采用曲柄滑杆式的机臂自主折叠技术，使得航行器在水面与空中呈现四旋翼构型，在执行水下任务中机臂折叠后呈流线浮标外形。该设计保持航行器的轻量化（<2kg）和便携性（直径仅120mm）的同时减小了旋翼式两栖航行器在水下运动产生的阻尼，在执行相同任务时该结构能帮助航行器节省69%的能量消耗。“哪吒”团队除了指导老师曾铮副研究员和连琏教授外，几乎都是博士生、硕士生。这些年轻人思维活跃，总有着最新、最巧妙的想法。老师们认为，给年轻人越多探索的自由，年轻人就会产出越多丰硕的创新成果。“当时的博士生卢迪、熊程珂在开始实验后，几乎每天都在‘炸机’。”曾铮回忆，因为没有跨域航行器的先例可循，很多参数都需要自己不断摸索、调整，实验中的航行器一试飞就失控，或者潜入水中再也回不来是常事，“已经不记得炸了多少次机了”。每次“炸机”后，曾铮都会陪着学生一起再从头开始，就这样，从湖泊到静海，再从静海到风高浪急的外海和阿里高原，“哪吒”终于具备了上天入海的能力。正是在这样的摸索中，团队成功研发了承压耐蚀高速电机、小型轻量化浮力调节系统、海空跨介质航行的非线性稳定控制器等一系列关键核心技术。最重要的是，团队首创“冲浪算法”，为海空跨域业界难题提供了独具匠心的“解法”。这一算法巧妙地解决了在真实海洋环境中风浪流干扰下航行器稳定跨域出水的难题，其灵感来源于冲浪者不断调整桨板朝向、等待浪涌瞬间的一跃而起。经过三年攻关后，该团队成功将这一想法转化为实际算法。如今，参加研制的第一批博士生已经毕业，完成整体设计的卢迪去了广西科学院继续从事科研，从事航行路径研究的熊程珂去了华为从事无人车的智能路径设计。“几乎所有的团队成员毕业后都去了国家重点行业。”曾铮说。筹备了半年多的比赛已经画上