能上天能下海，哈工程潛空跨介質航行器試飛成功

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 “長弓1號”跨域姿態 哈爾濱工程大學供圖

“長弓2號”在浮碼頭入水 哈爾濱工程大學供圖

波光粼粼的水面上，兩架“小飛機”先后潛入水下，用幾十秒的時間抵達指定位置，完成任務后，以優美的轉身輕盈飛出水面。

這是兩架名為“長弓1號”和“長弓2號”的潛空跨介質航行器，由哈爾濱工程大學（以下簡稱哈工程）水下機器人技術國家級重點實驗室歷時一年多打造。兩款航行器分別采用了固定翼和折疊翼結構，均能夠迅速跨越水空介質，在空中穩定飛行，在水下隱蔽航行，全過程全自主，無需人工控制。

負重1千克，潛深100米，潛空跨介質航行器試飛成功

不久前，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，熟悉的馬達聲傳入耳中，“長弓1號”露出水面，隨著機體內水的排出，“長弓1號”自主調整飛行姿態，迅速騰空飛離水面，以良好穩定的出水姿態完成了水-空介質跨越過程，不負眾望地在空中實現了穩定飛行。

在整個試驗過程中，“長弓1號”從出水到穩定飛行的跨介質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，水的密度比空氣大近800倍，潛空跨介質航行器在兩種截然不同的環境介質中運行時，會受到未知的風、浪、流的聯合干擾，所受的環境外力情況和相應的動力學響應都有顯著差異。”哈工程碩士生王寶旭說。

2021年，團隊在國家自然科學基金支持下，開展潛空跨域無人航行器技術研究工作。在設計之初，團隊對潛空跨介質航行器的飛行構型方案進行了多次討論，并對多旋翼、傾轉旋翼、固定翼等構型方案的任務能力、應用前景、技術可行性等進行了綜合比對分析，最終確定了固定翼飛行構型方案。

固定翼相比其他結構，在介質跨越過程中用時更短，但研發難度更大。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學模型可以進行參考。

綜合水中和空中各項性能參數要求，團隊進行了無數次仿真實驗，完成了“長弓1號”“長弓2號”樣機的總體方案設計，并基于CFD技術評估了航行器空中飛行、水下航行、水-空介質跨越等過程的運動性能，驗證了兩型樣機方案的可行性。

兩款航行器機翼展開后形似長弓，團隊介紹，取名時引用“會挽雕弓如滿月，西北望，射天狼”之意，承載團隊成員雄心報國志。兩款航行器機翼展開后，尺寸分別為長2.3米×翼展2米和長1.9米×翼展2.5米，不僅能在空中、水面、水下切換自如，還可負重1千克，潛深100米，通過搭載的高清攝像機與數傳電臺，完成大氣邊界層與海洋邊界層的界面觀測。

讓飛機會潛水，讓潛器會飛翔

既能上天也能入海的航行器并不常見，這種航行器也被業內專家認為用途廣泛，在海洋探索和開發上具有廣闊的應用前景。

讓“飛機潛水”是哈工程科研團隊的看家本領，為了能讓航行器在100米水下抗壓，團隊為航行器設計了耐壓艙，通過一枚小小的推進器作為水下動力來源，實現了飛行器在水里下穩定下潛航行。但是讓“潛器會飛”著實給團隊帶來了不小的挑戰。

據技術負責人、哈工程博士生孫祥仁介紹，通常航行器為了抗壓，下潛越深，材料越重，但機身過重航行器就無法輕盈起飛，因此，團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合材料去替代普通金屬，還在結構設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，在設計要求下，力求將航行器總質量控制到最低。”

為了提高跨介質能力，團隊特別為“長弓2號”設計了折疊翼，而這也意味著航行器的穩定姿態更難以控制。為了讓“長弓2號”穩定飛行，其折疊結構更迭了9版之多。在試驗中，“長弓2號”整體出水，展開機翼，成功起飛，全程不到6秒。