案例3 哪吒-全球首个“海空一体”跨域航行器平台

参赛学校：大学参赛组别：高教主赛道研究生创意组所获奖项：中国国际大学生创新大赛（2024）总冠军项目负责人：哪吒——全球首个“海空一体”跨域航行器平台项目背景与概述PART0101项目起源2016年2016年，曾铮副研究员加入连琏教授领航的海洋技术团队。2013年上海交通大学海洋学院自2013年学院前身海洋研究院成立起，就一直致力于海洋科学与技术交叉融合发展。在一次和研究海洋与大气的学者交流时，团队敏锐地捕捉到台风和飓风研究领域对水上500米、水下50米的气象和水文数据的迫切需求，而当时国际上尚无专门收集这类数据的设备。于是，团队开始展开研究，致力打造一种可以穿越航行于空中、水面和水下的高机动性跨介质运载平台。02项目命名“我们之所以将这种新概念的海空两栖航行器命名为‘哪吒’，是国产电影《哪吒》中有句话让我们深深共鸣，人们眼中的成见是一座大山，我们要勇于打破这种是非成见。”“在人们的传统印象中，空气和水是两种截然不同的介质，航行器是不可能同时飞行的。哪吒就是要打破这种成见，实现在空气和水里的自由穿越。”曾铮说：“哪吒”海空跨域无人航行器是一种能够在空中、水面和水下连续穿越航行的新型高机动运载平台，可被海上移动平台携载，实施无依托飞行式布放与回收，灵活搭载各类探测传感器及通信模块，具有空中飞行控制、定位，指定海域水面降落，自主下潜上浮，水下潜航和飞行返航等功能。03项目功能项目展望项目挑战与突破PART0201项目难点如何让飞、潜的需求在一个平台上和谐共存？如何确保航行器在水空两种介质中都能高效稳定地航行？飞行器的特点需要“轻”，海洋中的潜水器则需要“稳”。02探索和创新从2016年开始，团队经过八年的探索和创新，重点突破应用于跨域航行器功能融合多目标设计优化的方法，开展了“总体结构—水动—气动”协同设计、多旋翼飞行与潜航推进系统融合、小型轻量化浮力调节、出入水感知和跨介质稳定控制等关键技术攻关。哪吒系列的研发历程PART0301研发历程02“哪吒”1型其后，迭代研发出“哪吒”2型、3型、4型，以及“哪吒”海箭、“哪吒F”等一系列子型号。2017年，承载着团队最初梦想的“哪吒”1型诞生，实现了水上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，首次将水下滑翔机与无人机进行了功能融合设计，创新性地实现垂直起降与悬停、水平飞行与水下滑翔多模式海空两域航行，具备50米级水下航行、5kg负载能力以及良好的空中运动与跨介质能力，是当时国内外公开发布的跨域航行器成果中下潜深度最大、负载能力最强、水下运动范围最广的一款海空跨域航行器。04哪吒IV2022年研制成功“哪吒IV”，首次将自治式水下航行器与无人机进行了功能融合设计，实现“垂直起降+飞行+水下自治航行”，拥有更强的机动性能。已完成全球首例公开报道的真实海洋环境下自主飞行与水下潜航，及海空跨域航行全流程试验，实现3级海况下反复海空穿越，并在海试中率先突破了百米潜深，引领跨域航行器进入百米级时代。哪吒IV进行试验04哪吒F2022年研制成功“哪吒IV”，首次将自治式水下航行器与无人机进行了功能融合设计，实现“垂直起降+飞行+水下自治航行”，拥有更强的机动性能。已完成全球首例公开报道的真实海洋环境下自主飞行与水下潜航，及海空跨域航行全流程试验，实现3级海况下反复海空穿越，并在海试中率先突破了百米潜深，引领跨域航行器进入百米级时代。核心技术PART0401关键核心技术承压耐蚀高速电机小型轻量化浮力调节系统海空跨介质航行的非线性稳定控制器02首创“冲浪算法”其灵感来源于冲浪者不断调整桨板朝向、等待浪涌瞬间的一跃而起。经过三年攻关后，该团队成功将这一想法转化为实际算法。这一算法巧妙地解决了在真实海洋环境中风浪流干扰下航行器稳定跨域出水的难题。项目成果与荣誉PART0501获中国国际大学生创新大赛（2024）总冠军02其他奖项2022年度中国十大海洋科技进展2