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让飞机会潜水,让潜器会飞翔!哈工程潜空跨介质航行器试飞成功

让飞机会潜水,让潜器会飞翔!哈工程潜空跨介质航行器试飞成功
2022年11月06日 19:12 新浪网 作者 观察者网

  据微信公号“哈尔滨工程大学”11月4日消息,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 本文图源:微信公号“哈尔滨工程大学”
▲“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。

▲团队成员现场检修 “长弓1号”

  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。

▲“长弓1号” 跨介质出水仿真计算

  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。”的寓意,以此承载团队成员报国雄心壮志。机翼展开后尺寸分别为长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,实现了飞行器在水下稳定航行。但是让“潜器会飞”着实给团队带来了不小的挑战。

▲试验现场
▲“长弓1号”在浮码头调试(左)“长弓2号”放航(右)

  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低。”

▲“长弓2号”总体设计图

  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。

▲“长弓2号”跨域姿态图片
▲“长弓2号”跨介质出水

  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。

▲寒风中调试
▲夜幕中回驻地
▲挑灯夜战
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