在剛剛落下帷幕的
中國國際大學(xué)生創(chuàng)新大賽（2024）
冠軍爭奪賽上
上海交通大學(xué)海洋學(xué)院
“哪吒—全球首個海空一體
跨域航行器平臺項目”
從全球153個國家和地區(qū)的
5406所學(xué)校的514萬個項目中脫穎而出
奪得大賽冠軍
同時創(chuàng)造了此賽事最高成績記錄
他們?nèi)缙评酥郏实菐p峰
展現(xiàn)了交大海洋人的風(fēng)采
項目介紹
項目名稱：哪吒——全球首個“海空一體”跨域航行器平臺
負責(zé)人：呂晨昕
指導(dǎo)老師：曾錚 連璉
團隊成員：金羽飛 畢鳶博 宋緒旺 袁欣怡 史易欣 徐竹修 沈易樹 穆謝熱普·艾力 胡豪杰 朱晗語 張森
項目簡介：“哪吒”系列海空跨域無人航行器是一種能夠連續(xù)跨越空中、水面和水下介質(zhì)的原創(chuàng)探索性多域無人系統(tǒng)，可實施飛行式布放與回收，具有空中飛行控制、定位，水下潛航和飛行返航等功能。“哪吒”系列新穎獨特的“上天入海，飛潛合一”與跨介質(zhì)連續(xù)觀測能力，在海洋探測、海洋工程建設(shè)、海洋資源開發(fā)保障和國防建設(shè)領(lǐng)域有巨大市場前景，為海空環(huán)境要素聯(lián)合觀測、水下目標探測識別、跨介質(zhì)通信中繼以及海事應(yīng)急搜救等重要應(yīng)用領(lǐng)域提供革新性平臺。
創(chuàng)新概念
實現(xiàn)海天之間自由穿梭
“哪吒”海空跨域無人航行器是一種能夠在空中、水面和水下連續(xù)穿越航行的新型高機動運載平臺，可被海上移動平臺攜載，實施無依托飛行式布放與回收，靈活搭載各類探測傳感器及通信模塊，具有空中飛行控制、定位，指定海域水面降落，自主下潛上浮，水下潛航和飛行返航等功能。
上海交通大學(xué)海洋學(xué)院自2013年學(xué)院前身海洋研究院成立起，就一直致力于海洋科學(xué)與技術(shù)交叉融合發(fā)展。2016年，曾錚副研究員加入連璉教授領(lǐng)航的海洋技術(shù)團隊。在一次和研究海洋與大氣的學(xué)者交流時，團隊敏銳地捕捉到臺風(fēng)和颶風(fēng)研究領(lǐng)域?qū)λ?00米、水下50米的氣象和水文數(shù)據(jù)的迫切需求，而當時國際上尚無專門收集這類數(shù)據(jù)的設(shè)備。于是，團隊開始展開研究，致力打造一種可以穿越航行于空中、水面和水下的高機動性跨介質(zhì)運載平臺。
團隊在進行海試
然而，這一設(shè)想的實現(xiàn)并不輕松。理想與現(xiàn)實之間的差距使得團隊面臨了前所未有的技術(shù)挑戰(zhàn)。比如，飛行器的特點需要“輕”，海洋中的潛水器則需要“穩(wěn)”。如何讓飛、潛的需求在一個平臺上和諧共存？如何確保航行器在水空兩種介質(zhì)中都能高效穩(wěn)定地航行？從2016年開始，團隊經(jīng)過八年的探索和創(chuàng)新，重點突破應(yīng)用于跨域航行器功能融合多目標設(shè)計優(yōu)化的方法，開展了“總體結(jié)構(gòu)—水動—氣動”協(xié)同設(shè)計、多旋翼飛行與潛航推進系統(tǒng)融合、小型輕量化浮力調(diào)節(jié)、出入水感知和跨介質(zhì)穩(wěn)定控制等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。
“哪吒”項目也得到學(xué)校的重點前瞻布局基金、深藍計劃以及睿遠青年科技獎等持續(xù)滾動支持。
“我們之所以將這種新概念的海空兩棲航行器命名為‘哪吒’，是國產(chǎn)電影《哪吒》中有句話讓我們深深共鳴，人們眼中的成見是一座大山，我們要勇于打破這種是非成見。”曾錚說，“在人們的傳統(tǒng)印象中，空氣和水是兩種截然不同的介質(zhì)，航行器是不可能同時飛行的。哪吒就是要打破這種成見，實現(xiàn)在空氣和水里的自由穿越。”
團隊接力
技術(shù)迭代尋求不斷突破
“哪吒”團隊深知技術(shù)的迭代更新是推動創(chuàng)新的關(guān)鍵。2017年，承載著團隊最初夢想的“哪吒”1型誕生，實現(xiàn)了水上500米，水下50米的探索能力。其后，一批又一批滿懷激情與夢想的研究生接力參加這個項目，迭代研發(fā)出“哪吒”2型、3型、4型，以及“哪吒”海箭、“哪吒F”等一系列子型號。團隊也收獲了2022年度中國十大海洋科技進展、2023年度海洋工程科學(xué)技術(shù)獎、2022年度上海海洋科學(xué)技術(shù)獎、上海交通大學(xué)第三屆十大科學(xué)進展、上海交通大學(xué)“睿遠青年科技獎”等多個獎項。
哪吒III（尾座滑翔式）
哪吒III（垂起固定翼式）
2020年成功研制的“哪吒III”海空跨域航行器首次將水下滑翔機與無人機進行了功能融合設(shè)計，創(chuàng)新性地實現(xiàn)垂直起降與懸停、水平飛行與水下滑翔多模式海空兩域航行，具備50米級水下航行、5kg負載能力以及良好的空中運動與跨介質(zhì)能力，是當時國內(nèi)外公開發(fā)布的跨域航行器成果中下潛深度最大、負載能力最強、水下運動范圍最廣的一款海空跨域航行器。
哪吒IV
2022年研制成功的“哪吒IV”首次將自治式水下航行器與無人機進行了功能融合設(shè)計，實現(xiàn)“垂直起降+飛行+水下自治航行”，擁有更強的機動性能。已完成全球首例公開報道的真實海洋環(huán)境下自主飛行與水下潛航，及海空跨域航行全流程試驗，實現(xiàn)3級海況下反復(fù)海空穿越，并在海試中率先突破了百米潛深，引領(lǐng)跨域航行器進入百米級時代。
2023年最新研制成功的哪吒F, 采用曲柄滑桿式的機臂自主折疊技術(shù)，使得航行器在水面與空中呈現(xiàn)四旋翼構(gòu)型，在執(zhí)行水下任務(wù)中機臂折疊后呈流線浮標外形。該設(shè)計保持航行器的輕量化（<2kg）和便攜性（直徑僅120mm）的同時減小了旋翼式兩棲航行器在水下運動產(chǎn)生的阻尼，在執(zhí)行相同任務(wù)時該結(jié)構(gòu)能幫助航行器節(jié)省69%的能量消耗。
哪吒-海箭
“哪吒”系列新穎獨特的“上天入海，飛潛合一”與跨介質(zhì)連續(xù)觀測能力，在海洋探測、海洋工程建設(shè)、海洋資源開發(fā)保障和國防建設(shè)領(lǐng)域有巨大市場前景，為海空環(huán)境要素聯(lián)合觀測、水下目標探測識別、跨介質(zhì)通信中繼以及海事應(yīng)急搜救等重要應(yīng)用領(lǐng)域提供革新性平臺。未來團隊將繼續(xù)創(chuàng)新，保持技術(shù)優(yōu)勢，并努力拓寬跨域航行器的應(yīng)用場景，將技術(shù)優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為應(yīng)用優(yōu)勢。
積蓄力量
有志青年探索廣闊海洋
“哪吒”團隊除了指導(dǎo)老師曾錚副研究員和連璉教授外，幾乎都是博士生、碩士生。這些年輕人思維活躍，總有著最新、最巧妙的想法。老師們認為，給年輕人越多探索的自由，年輕人就會產(chǎn)出越多豐碩的創(chuàng)新成果。
“當時的博士生盧迪、熊程珂在開始實驗后，幾乎每天都在‘炸機’。”曾錚回憶，因為沒有跨域航行器的先例可循，很多參數(shù)都需要自己不斷摸索、調(diào)整，實驗中的航行器一試飛就失控，或者潛入水中再也回不來是常事，“已經(jīng)不記得炸了多少次機了”。每次“炸機”后，曾錚都會陪著學(xué)生一起再從頭開始，就這樣，從湖泊到靜海，再從靜海到風(fēng)高浪急的外海和阿里高原，“哪吒”終于具備了上天入海的能力。
“哪吒”團隊合影
正是在這樣的摸索中，團隊成功研發(fā)了承壓耐蝕高速電機、小型輕量化浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、海空跨介質(zhì)航行的非線性穩(wěn)定控制器等一系列關(guān)鍵核心技術(shù)。最重要的是，團隊首創(chuàng)“沖浪算法”，為海空跨域業(yè)界難題提供了獨具匠心的“解法”。這一算法巧妙地解決了在真實海洋環(huán)境中風(fēng)浪流干擾下航行器穩(wěn)定跨域出水的難題，其靈感來源于沖浪者不斷調(diào)整槳板朝向、等待浪涌瞬間的一躍而起。經(jīng)過三年攻關(guān)后，該團隊成功將這一想法轉(zhuǎn)化為實際算法。
如今，參加研制的第一批博士生已經(jīng)畢業(yè)，完成整體設(shè)計的盧迪去了廣西科學(xué)院繼續(xù)從事科研，從事航行路徑研究的熊程珂去了華為從事無人車的智能路徑設(shè)計。“幾乎所有的團隊成員畢業(yè)后都去了國家重點行業(yè)。”曾錚說。
團隊成員金羽飛、王家卿在大賽成果展上介紹“哪吒”系列
團隊成員呂晨昕在冠軍爭奪賽中路演答辯
籌備了半年多的比賽已經(jīng)畫上了完美的句號，但“哪吒”團隊的腳步不會停歇。代表團隊參加國創(chuàng)賽路演的呂晨昕說，“這次大賽只是一個里程碑，而不是終點線。我們將以在大賽中收獲的寶貴經(jīng)驗為起點，永葆闖的精神，精進創(chuàng)的本領(lǐng)，為服務(wù)國家重大戰(zhàn)略需求貢獻青年人的力量。”