波光粼粼的水面上，兩架“小飛機(jī)”先后潛入水下，用幾十秒的時間抵達(dá)指定位置，完成任務(wù)后，以優(yōu)美的轉(zhuǎn)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(zhì)航行器，由哈爾濱工程大學(xué)（簡稱哈工程）水下機(jī)器人技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(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。負(fù)重1千克，潛深100米，潛空跨介質(zhì)航行器試飛成功金秋十月，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(dá)聲傳入耳中，“長弓1號”露出水面，隨著機(jī)體內(nèi)水的排出，“長弓1號”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。

“長弓1號”跨域姿態(tài)圖片

　　“長弓1號”出水后空中飛行在整個試驗(yàn)過程中，“長弓1號”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，會受到未知的風(fēng)、浪、流的聯(lián)合干擾，所受的環(huán)境外力情況和相應(yīng)的動力學(xué)響應(yīng)都有顯著差異。”碩士生王寶旭說。

　　2021年，團(tuán)隊(duì)在國家自然科學(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，這種跨域方式此前沒有任何也數(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“長弓1號”“長弓2號”樣機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)，并基于CFD技術(shù)評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)動性能，驗(yàn)證了兩型樣機(jī)方案的可行性。兩款航行器機(jī)翼展開后與古代長弓的大小和形狀相近，尺度分別為長2.3m×翼展2m和長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，完成大氣邊界層與海洋邊界層的界面觀測。讓飛機(jī)會潛水，讓潛器會飛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)器作為水下動力來源，實(shí)現(xiàn)了飛行器在水里下穩(wěn)定下潛航行。但是讓“潛器會飛”著實(shí)給團(tuán)隊(duì)帶來了不小的挑戰(zhàn)。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)量控制到最小。”

　　“長弓2號”在浮碼頭入水為了提高跨介質(zhì)能力，團(tuán)隊(duì)特別為“長弓2號”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“長弓2號”穩(wěn)定飛行，其折疊結(jié)構(gòu)更迭了9版之多。在試驗(yàn)中，“長弓2號”整體出水，展開機(jī)翼，成功起飛，全程不到6秒。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，而這背后，是團(tuán)隊(duì)成員們堅(jiān)持不懈、精益求精、共同努力的結(jié)果。從關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)到樣機(jī)系統(tǒng)集成，從數(shù)值模擬到樣機(jī)水池集成試驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)成員每一步都穩(wěn)扎穩(wěn)打，不敢有絲毫大意。試驗(yàn)中，湖面秋風(fēng)如刀，團(tuán)隊(duì)成員冒著秋寒裹著軍大衣，在浮碼頭上一遍遍測試航行器運(yùn)動姿態(tài)。“我們每天伴著清晨的薄霧出發(fā)，在夜幕長堤的燈光下踏上歸途，也許別人不懂，但這是船海人的浪漫。”博士生韓兆亮說。