在上海交通大學(xué)海洋學(xué)院“哪吒實(shí)驗(yàn)室”，學(xué)生間口口相傳著一個(gè)故事：有個(gè)師兄在千島湖試驗(yàn)時(shí)，航行器不慎“炸機(jī)”墜入湖中，導(dǎo)師曾錚一個(gè)猛子扎下去，把機(jī)體撈了上來，它當(dāng)時(shí)纏在湖底的水草上。

澎湃新聞?dòng)浾呦蛟P求證，他笑道：“跳水主要在早期，后期機(jī)體越來越成熟，我跳水的機(jī)會(huì)也越來越少了。2018到2020年是航行器滾動(dòng)迭代、攻堅(jiān)克難最緊張的時(shí)期，我跳水最多?！?/p>

“哪吒實(shí)驗(yàn)室”研發(fā)的是?？湛缬驘o人航行器——上天入海、飛潛合一，可在海空連續(xù)穿越并反復(fù)跨域。

從2016年起步，到2024年在中國國際大學(xué)生創(chuàng)新大賽奪冠，“哪吒”系列航行器歷經(jīng)多次迭代，已完成全球首例真實(shí)海況下自主飛行、水下潛航及海空跨域航行全流程試驗(yàn)，下潛深度突破100米，并實(shí)現(xiàn)3級(jí)海況（浪高0.5米至1.25米）下跨域起飛。

2024年中國國際大學(xué)生創(chuàng)新大賽上，“哪吒”團(tuán)隊(duì)奪冠。受訪者供圖

“‘哪吒’是在炸機(jī)中炸出來的?！痹P經(jīng)常鼓勵(lì)學(xué)生，航行器要在真正的風(fēng)浪中測(cè)試迭代，不要害怕失敗，“出什么亂子我來兜底。所謂兜底是什么？我跳水去撈機(jī)體?！鄙頌楹Ｑ髮W(xué)院研究員，他本身也是水上運(yùn)動(dòng)愛好者，持有開放水域潛水證書，皮膚黝黑，自稱承包了打撈工作。

玩笑背后，是無數(shù)次的試驗(yàn)受挫：航行器被浪打翻、莫名故障、起飛失敗……在漫長(zhǎng)的理論驗(yàn)證、設(shè)計(jì)加工、組裝測(cè)試后，仍可能面臨推倒重來。博士生鄧嵐加入團(tuán)隊(duì)僅三個(gè)月，卻感覺像過了一年，“人在痛苦的時(shí)候總是覺得時(shí)間很漫長(zhǎng)”，隨即話鋒一轉(zhuǎn)，“但這三個(gè)月比我過去一年的收獲都多”。

兩款“哪吒”系列?？湛缬驘o人航行器。澎湃新聞?dòng)浾?陳悅 攝

從“炸機(jī)”到“沖浪”，在浪濤中尋找答案

有人說，“哪吒”要上天入海，不就是給潛艇插上機(jī)翼，或者給無人機(jī)穿雨衣嗎？有什么難？

9月28日晚，“青春華章·共赴山海向未來”主題展演的舞臺(tái)上，“哪吒”團(tuán)隊(duì)成員用脫口秀回應(yīng)：“海水密度是空氣的800多倍！什么概念？就好比讓你家電風(fēng)扇不僅能吹風(fēng)，還得跳進(jìn)泳池當(dāng)螺旋槳！更得自己蹦出來，甩甩水，繼續(xù)吹！”

2016年，曾錚在學(xué)術(shù)交流中了解到，臺(tái)風(fēng)研究亟需水上水下一體化觀測(cè)設(shè)備，以便收集氣象和水文數(shù)據(jù)，而當(dāng)時(shí)國際上尚無此類設(shè)備。一個(gè)大膽的想法由此誕生——設(shè)計(jì)一款既能在空中飛行，又能在水下航行的跨域飛行器。

然而，海水的密度大概是1.02克/立方厘米，空氣的密度約為0.0012克/立方厘米，兩者之間相差850倍，同一載體如何在物理性質(zhì)迥異的介質(zhì)中高效穩(wěn)定地航行？

沒有先例可循，初期試驗(yàn)充滿挫敗。曾錚記得，有時(shí)機(jī)體飛出去一分鐘就“炸”了，投到海里可能一去不回，反反復(fù)復(fù)幾個(gè)月時(shí)間，團(tuán)隊(duì)只能不斷摸索和調(diào)整參數(shù)，持續(xù)改進(jìn)。

2017年，“哪吒Ⅰ”誕生，實(shí)現(xiàn)了水上500米、水下50米的探索能力。

2019年，“哪吒”在平靜湖面起飛成功率100%，轉(zhuǎn)戰(zhàn)南海真實(shí)海況后卻降至20%以下，外海更是無法起飛。很長(zhǎng)一段時(shí)間，團(tuán)隊(duì)找不到突破方向。

“哪吒IV”航行器在南海試驗(yàn)。受訪者供圖

有次在分界洲島試驗(yàn)時(shí)，“哪吒”在波浪里怎么翻滾都起不來，曾錚只得下水打撈。返回時(shí)，一股浪涌來，他借力輕松地攀上浮臺(tái)，浪退時(shí)卻難以抓住欄桿。既然人在潮水中是這樣，航行器是不是也受到同樣的推力和拉力，是否能順?biāo)浦郏?/p>

于是，團(tuán)隊(duì)開始研發(fā)“沖浪算法”，讓航行器自主感知波浪，選擇在波峰起飛。從理論驗(yàn)證、人工造波模擬、湖泊試驗(yàn)、海洋試驗(yàn)，積累各種數(shù)據(jù)，最后試驗(yàn)成功，幾乎花了3年時(shí)間。

“哪吒”?？湛缬驘o人航行器。受訪者供圖

2022年起，“哪吒”陸續(xù)完成全球首例真實(shí)海洋環(huán)境下自主飛行、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，并在海洋試驗(yàn)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。

目睹航行器在浪里起飛的瞬間，曾錚感慨：“那種欣喜程度，我甚至覺得三生有幸。我們非常幸運(yùn)地看到了跨域航行器史無前例的一刻，它朝著實(shí)際應(yīng)用邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。我們是它的創(chuàng)造者，那就更幸運(yùn)了?！薄皼_浪算法”使“哪吒”一次性起飛成功率提升至86%，功耗、起飛速度也得到優(yōu)化。

曾錚強(qiáng)調(diào)，“沖浪算法”不是憑空想象、閉門造車能發(fā)現(xiàn)的，必須要在一線，研究人員去感受波浪的力才可能有思路。因此，“哪吒”團(tuán)隊(duì)每年組織至少2次湖泊試驗(yàn)、1次海洋試驗(yàn)，讓學(xué)生在實(shí)際風(fēng)浪中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。

在極限環(huán)境中錘煉，“痛苦也是進(jìn)步的過程”

“這兩年我們跑遍祖國九省十四市，從千島湖到海南，從班公湖到萬寧。班公湖4200多米海拔，睡帳篷晚上冷到凍成篩子，還喉嚨發(fā)苦、沒食欲、高反……”脫口秀表演中，團(tuán)隊(duì)成員調(diào)侃：“本以為是來搞科研，結(jié)果變成荒野求生?！?/p>

班公湖位于西藏阿里地區(qū)，是一座咸淡水交匯的高原湖泊。博士生宋緒旺對(duì)2023年7月的那次試驗(yàn)記憶深刻：大片荒蕪，空氣稀薄，晝夜溫差大，住宿是行軍帳篷。

“我們幾個(gè)人高反嚴(yán)重，去的路上就吐了。頭兩天，白天一半時(shí)間在吸氧，晚上睡覺也得插著氧氣瓶。”宋緒旺說，更艱難的是試驗(yàn)中，“要集中注意力調(diào)試設(shè)備，做著做著，腦袋開始發(fā)暈發(fā)脹，喘不上氣?！?/p>

熬過前幾天，團(tuán)隊(duì)慢慢適應(yīng)高原環(huán)境。半個(gè)月時(shí)間，“哪吒”多次完成水面起飛降落、水下潛航以及回收的流程，順利通過高海拔、咸水、強(qiáng)風(fēng)環(huán)境的考驗(yàn)。宋緒旺說：“第一次去高原做實(shí)驗(yàn)，每個(gè)人都非常興奮。雖然身體有不適，但大家都把這當(dāng)作新奇的體驗(yàn)，我們當(dāng)時(shí)心態(tài)還是比較好的?！?/p>

“哪吒實(shí)驗(yàn)室”部分成員。受訪者供圖

高原缺氧、出海暈船是自然環(huán)境帶來的身體挑戰(zhàn)，科研更多時(shí)候考驗(yàn)的是心理承受力。

今年7月加入團(tuán)隊(duì)的鄧嵐，不到3個(gè)月時(shí)間已完整經(jīng)歷了機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路連接、軟件調(diào)試與湖泊試驗(yàn)。進(jìn)組一個(gè)月，他發(fā)現(xiàn)自己的進(jìn)度落后于計(jì)劃，經(jīng)常忙到凌晨2點(diǎn)，第二天早晨8點(diǎn)又到實(shí)驗(yàn)室。9月初的千島湖試驗(yàn)，更是對(duì)精神和體力的雙重考驗(yàn)。

他在千島湖的一天大概是：早晨把設(shè)備搬到湖邊開始調(diào)試和下水測(cè)試，測(cè)試的過程中，經(jīng)常遇到跟預(yù)想不一樣的場(chǎng)景，然后拆開設(shè)備，檢查每個(gè)零件，分析采集的數(shù)據(jù)，猜測(cè)原因，思考處理辦法，最后組裝回去，準(zhǔn)備下一次實(shí)驗(yàn)，“這種事情基本在一天內(nèi)要完成，整個(gè)人的精神非常緊繃。”

最后一天，機(jī)體突發(fā)多處故障，時(shí)間緊迫，壓力巨大。幸運(yùn)的是，“兩個(gè)師兄暫時(shí)放下他們手上的東西，那天上午一直在幫我組裝、調(diào)試，甚至前一天凌晨2點(diǎn)還幫我調(diào)試代碼，我很感動(dòng)?！编噸拐f，“每個(gè)人有自己的任務(wù)，但他們完全把我的事情當(dāng)成他們自己的事情。”

這次試驗(yàn)讓他感受到“精神上的突破”：“就像長(zhǎng)距離跑步，后面已經(jīng)沒有知覺了，完全靠大腦指令抬腳，但最終跑完了。痛苦也是進(jìn)步的過程——肌肉斷了之后會(huì)長(zhǎng)得更粗，精神也會(huì)變得更加強(qiáng)壯。”

從一個(gè)零件的組合設(shè)計(jì)，到一個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性調(diào)試，到整個(gè)概念變成實(shí)物、進(jìn)行試驗(yàn)，科研的每個(gè)階段都可能有成就感，也會(huì)有挫敗感?！霸蠋煏?huì)鼓勵(lì)我說，沒事，這是你剛開始的錯(cuò)誤，后面的錯(cuò)誤多著呢，不要擔(dān)心這一點(diǎn)問題?！编噸剐Φ?，“你麻木地往前走，回頭看的時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)自己已經(jīng)成長(zhǎng)了很多。我覺得這三個(gè)月比我過去一年的收獲都多?！边@或許正是科研的魅力所在。

從實(shí)驗(yàn)室到海洋，“哪吒”邁向?qū)嶋H應(yīng)用

“過去10年是一個(gè)摸索的過程，國內(nèi)外都在開展相關(guān)研究，摸索跨域航行器飛潛融合的最優(yōu)構(gòu)型。接下來10年是跨域航行器走向應(yīng)用的過程?！痹P表示。

目前，跟國內(nèi)外同類產(chǎn)品對(duì)比，“哪吒”在下潛深度、負(fù)載能力以及海況適應(yīng)性上都處于領(lǐng)先地位?！澳倪浮毕盗幸惨蜒邪l(fā)出多款不同的構(gòu)型，各有所長(zhǎng)，除了空中飛行，還能實(shí)現(xiàn)垂直浮潛、水下滑翔以及水下自主潛航。小型輕便或高速的機(jī)型也陸續(xù)產(chǎn)出，靈活適配不同場(chǎng)景。

“既可以在空中對(duì)海面進(jìn)行大范圍的遙感觀測(cè)，又能夠?qū)λ婊蛘咚履繕?biāo)進(jìn)行精細(xì)化探查，這是?？湛缬蚝娇掌髯畲蟮膬?yōu)點(diǎn)?！彼尉w旺表示，團(tuán)隊(duì)正推進(jìn)“哪吒”產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，臺(tái)風(fēng)預(yù)測(cè)、生態(tài)監(jiān)測(cè)、海域偵查等都是可應(yīng)用的領(lǐng)域。這兩年陸續(xù)有單位提出合作意向，團(tuán)隊(duì)根據(jù)需求開展定制化服務(wù)。

“哪吒-飛潛”航行器。受訪者供圖

今年，“哪吒”團(tuán)隊(duì)與自然資源部第二海洋研究所合作，在千島湖對(duì)“哪吒-飛潛”和“哪吒-飛漂”兩款設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。前者搭載溫鹽深傳感器、自主采水器等，可完成水體剖面觀測(cè)、自動(dòng)采水等任務(wù)；后者配備輻照度計(jì)、多光譜相機(jī)等科學(xué)載荷，可實(shí)現(xiàn)表層水體監(jiān)測(cè)、光譜成像及多點(diǎn)采樣等操作。簡(jiǎn)言之，研究人員可在船上遠(yuǎn)程操控，“哪吒”自主采樣或空中掃描目標(biāo)。

宋緒旺負(fù)責(zé)在航行器上安裝科學(xué)載荷。他解釋：“航行器相當(dāng)于一個(gè)平臺(tái)，可以在空中、水下、水面航行，只有結(jié)合傳感器才能真正發(fā)揮作用。多光譜相機(jī)、溫鹽深傳感器，相當(dāng)于給航行器賦予視覺、嗅覺?！?/p>

“哪咤”也正從單機(jī)往多機(jī)群協(xié)同方向發(fā)展。水下電磁波衰減嚴(yán)重，不同機(jī)體之間依賴聲波來實(shí)現(xiàn)定位、通信和導(dǎo)航。主攻水下聲學(xué)定位導(dǎo)航的助理研究員王英強(qiáng)，去年加入了“哪吒”團(tuán)隊(duì)。

原有的聲學(xué)系統(tǒng)只適用于大型潛水器，“哪吒”這樣的10千克量級(jí)機(jī)型無法承載，所以，王英強(qiáng)的任務(wù)是研制小型化、輕量化的聲學(xué)艙。他表示：“市場(chǎng)上能夠買到的模塊很難做到足夠小，所以內(nèi)部的電路、模塊都要自己設(shè)計(jì)，相當(dāng)于全部自主研發(fā)，這是比較大的挑戰(zhàn)。”

上海交通大學(xué)木蘭船建大樓一樓走廊的盡頭，貼著“上天入?！贝郝?lián)的便是“哪吒實(shí)驗(yàn)室”。貨架上擺著各種零部件與機(jī)體，黃色機(jī)身四旋翼的是“大寶貝”，黑色三角翼的是“二寶貝”……四周墻上掛著許多發(fā)明專利、獲獎(jiǎng)證書，也留下不少優(yōu)秀畢業(yè)生的肖像畫，他們都為“哪吒”的研發(fā)做出過重要貢獻(xiàn)。

9月23日，上海交通大學(xué)木蘭船建大樓，一位博士生在樓道的水箱中進(jìn)行跨域航行器螺旋槳推力測(cè)試。澎湃新聞?dòng)浾?陳悅 攝

除了導(dǎo)師曾錚和連璉，“哪吒”團(tuán)隊(duì)全部由學(xué)生組成。過去的九年，一屆屆學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室埋頭計(jì)算、加工零件、組裝機(jī)體、調(diào)試參數(shù)，有時(shí)去學(xué)校的湖里試驗(yàn)。這是科研更日常的狀態(tài)。

記者采訪時(shí)，樓道拐角處，一位博士生正在水箱中進(jìn)行跨域航行器螺旋槳推力測(cè)試，采集數(shù)據(jù)。噪音轟鳴，他坐在折疊椅上緊盯電腦，發(fā)現(xiàn)隔著玻璃門有人，轉(zhuǎn)頭看了一眼又轉(zhuǎn)向屏幕。兩個(gè)多小時(shí)后，他還是一模一樣的姿勢(shì)，旁邊同學(xué)說：“他大概要做一個(gè)多月?！?/p>

（中國互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展基金會(huì)中國正能量網(wǎng)絡(luò)傳播專項(xiàng)基金資助支持項(xiàng)目）

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