图片上这两架从水下腾空而出的“飞机”，是两台分别名为“长弓1号”“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。
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。
跨介质飞行器是指能够自主适应不同介质环境，可在单一介质环境下长时间飞行并可多次跨越介质界面，在不同介质环境下保持最优性能，从而完成作战任务的新型飞行器。该类飞行器结合了空中飞行器与水下航行器的优势，既能实现高速巡航、机动打击，又能实现长期续航、隐蔽突防；其作战空间包括临近空间、高中低空、水空交叉介质及水下空间。
哈尔滨工程大学源自1953年创办的中国人民解放军军事工程学院（哈军工），陈赓大将为首任院长，毛泽东主席为学院颁发《训词》，1959年被中共中央确定为全国重点大学。1966年退出军队序列更名为哈尔滨工程学院。1970年在哈军工原址以海军工程系为主体组建哈尔滨船舶工程学院（哈船院），1978年被国务院确定为全国重点大学。1994年更名为哈尔滨工程大学（哈工程）。学校先后隶属于第六机械工业部、中国船舶工业总公司、国防科工委，现隶属于工业和信息化部。2007年，成为国防科工委、教育部、黑龙江省人民政府、海军共建高校。2019年，成为工业和信息化部、教育部、黑龙江省人民政府、哈尔滨市人民政府共建高校。
负重1千克，潜深100米 潜空跨介质航行器试飞成功
2022年10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。
虽然中国也有科研团队完成了跨介质飞行器的实验，但在此前还是属于模型实验，而哈尔滨工程大学完成样机制造并且试飞成功，这于当时是全球首次，并已经具备了量产的可能性。
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。
在入水初期，由于气/水密度的差异，瞬间会产生相当大的冲击载荷，使飞行器头部遭受短时间、高幅值的冲击波，冲击波在飞行器内部传播诱导飞 行器头部发生塑性变形。
而入水过程中，飞行器速度较快，舵面、翼面等关键结构表面会产生空泡，空泡的非定常演化及溃灭会在结构表面形成复杂的压力脉动，使结构发生显著的动态响应；与此同时，飞行器在穿越自由表面的过程中，浸水特性发生变化， 这种变化会对结构自身的动态特性产生显著影响。
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。
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。
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。”
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，业内专家评价，这种航行器用途广泛，在海洋探索和开发方面具有广阔应用前景。
资料来源 | 哈尔滨工程大学、北青网
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