案例3 哪吒-全球首個(gè)“?？找惑w”跨域航行器平臺(tái)

參賽學(xué)校：大學(xué)參賽組別：高教主賽道研究生創(chuàng)意組所獲獎(jiǎng)項(xiàng)：中國(guó)國(guó)際大學(xué)生創(chuàng)新大賽（2024）總冠軍項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：哪吒——全球首個(gè)“?？找惑w”跨域航行器平臺(tái)項(xiàng)目背景與概述PART0101項(xiàng)目起源2016年2016年，曾錚副研究員加入連璉教授領(lǐng)航的海洋技術(shù)團(tuán)隊(duì)。2013年上海交通大學(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。在一次和研究海洋與大氣的學(xué)者交流時(shí)，團(tuán)隊(duì)敏銳地捕捉到臺(tái)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(dāng)時(shí)國(guó)際上尚無(wú)專門收集這類數(shù)據(jù)的設(shè)備。于是，團(tuán)隊(duì)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(jī)動(dòng)性跨介質(zhì)運(yùn)載平臺(tái)。02項(xiàng)目命名“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(guó)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?！薄霸谌藗兊膫鹘y(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(shí)飛行的。哪吒就是要打破這種成見，實(shí)現(xiàn)在空氣和水里的自由穿越?！痹P說(shuō)：“哪吒”海空跨域無(wú)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(jī)動(dòng)運(yùn)載平臺(tái)，可被海上移動(dòng)平臺(tái)攜載，實(shí)施無(wú)依托飛行式布放與回收，靈活搭載各類探測(cè)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。03項(xiàng)目功能項(xiàng)目展望項(xiàng)目挑戰(zhàn)與突破PART0201項(xiàng)目難點(diǎn)如何讓飛、潛的需求在一個(gè)平臺(tái)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？飛行器的特點(diǎn)需要“輕”，海洋中的潛水器則需要“穩(wěn)”。02探索和創(chuàng)新從2016年開始，團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)八年的探索和創(chuàng)新，重點(diǎn)突破應(yīng)用于跨域航行器功能融合多目標(biāo)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法，開展了“總體結(jié)構(gòu)—水動(dòng)—?dú)鈩?dòng)”協(xié)同設(shè)計(jì)、多旋翼飛行與潛航推進(jìn)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)。哪吒系列的研發(fā)歷程PART0301研發(fā)歷程02“哪吒”1型其后，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(hào)。2017年，承載著團(tuán)隊(duì)最初夢(mèng)想的“哪吒”1型誕生，實(shí)現(xiàn)了水上500米，水下50米的探索能力。03哪吒III尾座滑翔式垂起固定翼式2020年，成功研制“哪吒III”海空跨域航行器，首次將水下滑翔機(jī)與無(wú)人機(jī)進(jìn)行了功能融合設(shè)計(jì)，創(chuàng)新性地實(shí)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(jí)水下航行、5kg負(fù)載能力以及良好的空中運(yùn)動(dòng)與跨介質(zhì)能力，是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)外公開發(fā)布的跨域航行器成果中下潛深度最大、負(fù)載能力最強(qiáng)、水下運(yùn)動(dòng)范圍最廣的一款海空跨域航行器。04哪吒IV2022年研制成功“哪吒IV”，首次將自治式水下航行器與無(wú)人機(jī)進(jìn)行了功能融合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)“垂直起降+飛行+水下自治航行”，擁有更強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性能。已完成全球首例公開報(bào)道的真實(shí)海洋環(huán)境下自主飛行與水下潛航，及?？湛缬蚝叫腥鞒淘囼?yàn)，實(shí)現(xiàn)3級(jí)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(jìn)入百米級(jí)時(shí)代。哪吒IV進(jìn)行試驗(yàn)04哪吒F2022年研制成功“哪吒IV”，首次將自治式水下航行器與無(wú)人機(jī)進(jìn)行了功能融合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)“垂直起降+飛行+水下自治航行”，擁有更強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性能。已完成全球首例公開報(bào)道的真實(shí)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(yàn)，實(shí)現(xiàn)3級(jí)海況下反復(fù)?？沾┰?，并在海試中率先突破了百米潛深，引領(lǐng)跨域航行器進(jìn)入百米級(jí)時(shí)代。核心技術(shù)PART0401關(guān)鍵核心技術(shù)承壓耐蝕高速電機(jī)小型輕量化浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)?？湛缃橘|(zhì)航行的非線性穩(wěn)定控制器02首創(chuàng)“沖浪算法”其靈感來(lái)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(guò)三年攻關(guān)后，該團(tuán)隊(duì)成功將這一想法轉(zhuǎn)化為實(shí)際算法。這一算法巧妙地解決了在真實(shí)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。項(xiàng)目成果與榮譽(yù)PART0501獲中國(guó)國(guó)際大學(xué)生創(chuàng)新大賽（2024）總冠軍02其他獎(jiǎng)項(xiàng)2022年度中國(guó)十大海洋科技進(jìn)展2