在剛剛落下帷幕的
中國國際大學生創新大賽（2024）
冠軍爭奪賽上
上海交通大學海洋學院
“哪吒—全球首個海空一體
跨域航行器平臺項目”
從全球153個國家和地區的
5406所學校的514萬個項目中脫穎而出
奪得大賽冠軍
同時創造了此賽事最高成績記錄
他們如破浪之舟，攀登巔峰
展現了交大海洋人的風采
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
負責人：呂晨昕
指導老師：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跨越空中、水面和水下介質的原創探索性多域無人系統，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”與跨介質連續觀測能力，在海洋探測、海洋工程建設、海洋資源開發保障和國防建設領域有巨大市場前景，為海空環境要素聯合觀測、水下目標探測識別、跨介質通信中繼以及海事應急搜救等重要應用領域提供革新性平臺。
創新概念
實現海天之間自由穿梭
“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。
上海交通大學海洋學院自2013年學院前身海洋研究院成立起，就一直致力于海洋科學與技術交叉融合發展。2016年，曾錚副研究員加入連璉教授領航的海洋技術團隊。在一次和研究海洋與大氣的學者交流時，團隊敏銳地捕捉到臺風和颶風研究領域對水上500米、水下50米的氣象和水文數據的迫切需求，而當時國際上尚無專門收集這類數據的設備。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運載平臺。
團隊在進行海試
然而，這一設想的實現并不輕松。理想與現實之間的差距使得團隊面臨了前所未有的技術挑戰。比如，飛行器的特點需要“輕”，海洋中的潛水器則需要“穩”。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中都能高效穩定地航行？從2016年開始，團隊經過八年的探索和創新，重點突破應用于跨域航行器功能融合多目標設計優化的方法，開展了“總體結構—水動—氣動”協同設計、多旋翼飛行與潛航推進系統融合、小型輕量化浮力調節、出入水感知和跨介質穩定控制等關鍵技術攻關。
“哪吒”項目也得到學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，“在人們的傳統印象中，空氣和水是兩種截然不同的介質，航行器是不可能同時飛行的。哪吒就是要打破這種成見，實現在空氣和水里的自由穿越。”
團隊接力
技術迭代尋求不斷突破
“哪吒”團隊深知技術的迭代更新是推動創新的關鍵。2017年，承載著團隊最初夢想的“哪吒”1型誕生，實現了水上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年度海洋工程科學技術獎、2022年度上海海洋科學技術獎、上海交通大學第三屆十大科學進展、上海交通大學“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計，創新性地實現垂直起降與懸停、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能力，是當時國內外公開發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計，實現“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3級海況下反復海空穿越，并在海試中率先突破了百米潛深，引領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，使得航行器在水面與空中呈現四旋翼構型，在執行水下任務中機臂折疊后呈流線浮標外形。該設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生的阻尼，在執行相同任務時該結構能幫助航行器節省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”與跨介質連續觀測能力，在海洋探測、海洋工程建設、海洋資源開發保障和國防建設領域有巨大市場前景，為海空環境要素聯合觀測、水下目標探測識別、跨介質通信中繼以及海事應急搜救等重要應用領域提供革新性平臺。未來團隊將繼續創新，保持技術優勢，并努力拓寬跨域航行器的應用場景，將技術優勢轉化為應用優勢。
積蓄力量
有志青年探索廣闊海洋
“哪吒”團隊除了指導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，年輕人就會產出越多豐碩的創新成果。
“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，很多參數都需要自己不斷摸索、調整，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，“已經不記得炸了多少次機了”。每次“炸機”后，曾錚都會陪著學生一起再從頭開始，就這樣，從湖泊到靜海，再從靜海到風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，團隊成功研發了承壓耐蝕高速電機、小型輕量化浮力調節系統、海空跨介質航行的非線性穩定控制器等一系列關鍵核心技術。最重要的是，團隊首創“沖浪算法”，為海空跨域業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境中風浪流干擾下航行器穩定跨域出水的難題，其靈感來源于沖浪者不斷調整槳板朝向、等待浪涌瞬間的一躍而起。經過三年攻關后，該團隊成功將這一想法轉化為實際算法。
如今，參加研制的第一批博士生已經畢業，完成整體設計的盧迪去了廣西科學院繼續從事科研，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計。“幾乎所有的團隊成員畢業后都去了國家重點行業。”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驗為起點，永葆闖的精神，精進創的本領，為服務國家重大戰略需求貢獻青年人的力量。”