作者:温才妃 朱虹 来源:中国科学报 发布时间:2022/11/6 11:06:27
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能上天能下海,哈工程潜空跨介质航行器试飞成功

 “长弓1号”跨域姿态 哈尔滨工程大学供图

“长弓2号”在浮码头入水 哈尔滨工程大学供图

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(以下简称哈工程)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

不久前,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。

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。”哈工程硕士生王宝旭说。

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,这种跨域方式并无合适的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形似长弓,团队介绍,取名时引用“会挽雕弓如满月,西北望,射天狼”之意,承载团队成员雄心报国志。两款航行器机翼展开后,尺寸分别为长2.3米×翼展2米和长1.9米×翼展2.5米,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,让潜器会飞翔

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。

据技术负责人、哈工程博士生孙祥仁介绍,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低。”

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。”哈工程博士生韩兆亮说。

 
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