能上天能下海 哈工程潜空跨介质航行器试飞成功

　　波光粼粼的水面上，两架“小飞机”先后潜入水下，用几十秒的时间抵达指定位置，完成任务后，以优美的转身轻盈飞出水面。

　　这是两架名为“长弓1号”和“长弓2号”的潜空跨介质航行器，由哈尔滨工程大学（简称哈工程）水下机器人技术国家级重点实验室历时一年多打造。两款航行器分别采用了固定翼和折叠翼结构，均能够迅速跨越水空介质，在空中稳定飞行，在水下隐蔽航行，全过程全自主，无需人工控制。

　　负重1千克，潜深100米，潜空跨介质航行器试飞成功

　　金秋十月，在五常市龙凤山水库，随着通信信号的消失，“长弓1号”开始了自主跨域航行之旅。40多秒后，螺旋桨划破水面，熟悉的马达声传入耳中，“长弓1号”露出水面，随着机体内水的排出，“长弓1号”自主调整飞行姿态，迅速腾空飞离水面，以良好稳定的出水姿态完成了水-空介质跨越过程，不负众望地在空中实现了稳定飞行。

　　

　　“长弓1号”跨域姿态图片

　　

　　“长弓1号”出水后空中飞行

　　在整个试验过程中，“长弓1号”从出水到稳定飞行的跨介质7秒钟最让科研人员紧张。“空气和水是两种截然不同的介质，水的密度比空气大近800倍，潜空跨介质航行器在两种截然不同的环境介质中运行时，会受到未知的风、浪、流的联合干扰，所受的环境外力情况和相应的动力学响应都有显著差异。”硕士生王宝旭说。

　　

　　2021年，团队在国家自然科学基金支持下，开展潜空跨域无人航行器技术研究工作。在设计之初，团队对潜空跨介质航行器的飞行构型方案进行了多次讨论，并对多旋翼、倾转旋翼、固定翼等构型方案的任务能力、应用前景、技术可行性等进行了综合比对分析，最终确定了固定翼飞行构型方案。

　　固定翼相比其他结构，在介质跨越过程中用时更短，但研发难度更大。不同于多旋翼可以在水面上起飞，固定翼飞行器可以直接跨越水空界面，这种跨域方式此前没有任何也数学模型可以进行参考。

　　综合水中和空中各项性能参数要求，团队进行了无数次仿真实验，完成了“长弓1号”“长弓2号”样机的总体方案设计，并基于CFD技术评估了航行器空中飞行、水下航行、水-空介质跨越等过程的运动性能，验证了两型样机方案的可行性。

　　两款航行器机翼展开后与古代长弓的大小和形状相近，尺度分别为长2.3m×翼展2m和长1.9m×翼展2.5m，不仅能在空中、水面、水下切换自如，还可负重1千克，潜深100米，通过搭载的高清摄像机与数传电台，完成大气边界层与海洋边界层的界面观测。

　　让飞机会潜水，让潜器会飞

　　既能上天也能入海的航行器并不常见，这种航行器也被业内专家认为用途广泛，在海洋探索和开发上具有广阔的应用前景。

　　让“飞机潜水”是哈工程科研团队的看家本领，为了能让航行器在100米水下抗压，团队为航行器设计了耐压舱，通过一枚小小的推进器作为水下动力来源，实现了飞行器在水里下稳定下潜航行。但是让“潜器会飞”着实给团队带来了不小的挑战。

　　技术负责人、博士生孙祥仁介绍，通常航行器为了抗压，下潜越深，材料越重，但机身过重航行器就无法轻盈起飞，因此，团队通过一系列手段为航行器减重。“我们不仅采用了新型的碳纤维复合材料去替代普通金属，还在结构设计上也尽量为航行器减重，连1克重的电线我们也在斤斤计较，在设计要求下，力求将航行器总质量控制到最小。”

　　

　　“长弓2号”在浮码头入水

　　为了提高跨介质能力，团队特别为“长弓2号”设计了折叠翼，而这也意味着航行器的稳定姿态更难以控制。为了让“长弓2号”稳定飞行，其折叠结构更迭了9版之多。在试验中，“长弓2号”整体出水，展开机翼，成功起飞，全程不到6秒。

　　固定翼与折叠翼样机双双成功实现跨域航行，这意味着，融合空中飞行、水面游弋、水下巡航能力于一体的跨介质航行器技术有了新的进展，而这背后，是团队成员们坚持不懈、精益求精、共同努力的结果。从关键技术攻关到样机系统集成，从数值模拟到样机水池集成试验，团队成员每一步都稳扎稳打，不敢有丝毫大意。试验中，湖面秋风如刀，团队成员冒着秋寒裹着军大衣，在浮码头上一遍遍测试航行器运动姿态。“我们每天伴着清晨的薄雾出发，在夜幕长堤的灯光下踏上归途，也许别人不懂，但这是船海人的浪漫。”博士生韩兆亮说。

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