学术分享丨跨介质飞行器发展现状与关键技术综述

近日，清华大学孙富春教授团队联合北京航空航天大学王田苗教授团队受邀在航空航天领域Top1期刊《Progress in Aerospace Sciences》发表跨介质飞行器相关综述论文“Review of hybrid aquatic-aerial vehicle (HAAV): Classifications, current status, applications, challenges and technology perspectives”。该期刊为仅接受约稿的综述期刊，年发文量约30篇，2022年影响因子为8.934。清华大学博士后姚国才为该论文的第一作者，孙富春教授和杨兴帮副教授为共同通讯作者，参与该论文工作的还有李彦泽、张涵怡和姜垚同三位同学。

跨介质飞行器（Hybrid Aquatic Aerial Vehicle, HAAV）是一种兼具海空两栖作业能力的特种飞行器。它不仅吸收了水下航行器和空中飞行器的性能优点，而且可以突破水域和空域的物理隔离，提高跨海空作业的稳定性和高效性，在民事和军事上都有巨大应用潜力。在民用领域，相对于传统空中飞行器，HAAV可以潜入水中，对更深的水域进行立体感知，极大提高作业空间覆盖范围；而相对于传统水下航行器，HAAV可以借助空中飞行来提高运动效率，实现紧急情况下的快速部署与撤离，并减少流体运动阻力带来的能源消耗。

这些性能优势使得HAAV可以更好地执行水质抽样和水生物观测等水文观测任务，水下科考和水下探矿等水下探测任务，水下打捞和水下搜救等水下作业任务。在军事领域，相对于传统空中飞行器，HAAV可以利用水下潜行策略有效地避开敌方航空雷达和海岸雷达的侦测，提高隐蔽性；而相对于传统水下航行器，HAAV可以利用空中飞行策略增加作业覆盖范围和紧急情况下的机动性。这些性能优势使得HAAV可以更好地执行突然袭击、秘密渗透和通讯干扰等作战任务，反潜、反舰和防空等防卫任务，海域监视、情报侦察和通讯中继等侦察任务。

这篇综述从三个方面详尽论述了跨介质飞行器的发展现况：分类、应用场景与性能、技术挑战与发展前景。

1、分类

在人类探索跨介质飞行器的过程中，先后出现了“飞行潜艇”和“潜水飞机”两类HAAV。一战后，由于飞机在战争中的出色表现，军事科学家们开始谋划这种兼具水空运动能力的跨介质飞行器。在1918年,美国学者率先提交了一份名为Combination Vehicle的专利，从而拉开HAAV研究的序幕。到了1934年，苏联也开始启动了代号为LPL的载人HAAV研制工作。之后又有RFS-1、CONVAIR等HAAV样机陆续出现。然而，这些早期研究都没有研制出真正具备跨介质运动能力的样机。美国国会在1966年叫停了原本寄予厚望但产出不佳的HAAV项目，HAAV从此陷入长达四十多年的沉寂期。

2008年，DARPA为了召集更多社会力量参与HAAV的技术攻关发出了一份关于HAAV的研究提案。在该提案中，DARPA根据早期样机的结构特点，将其归类为“飞行潜艇”，并基于“飞行潜艇”的失败经验，提出了HAAV更应该被设计成“潜水飞机”而非“飞行潜艇”的观点。

以这一节点为分界，HAAV的研究工作可以大致分为先前的“飞行潜艇”和之后的“潜水飞机”两个阶段。发展至今，已经存在多种不同结构形式的“潜水飞机”，这些潜水飞机借鉴了普通航空器的结构形式，可以分为固定翼、后掠翼、旋翼、扑翼和混合翼。

2017年，来自北卡罗莱纳州立大学的WEILSER等人研发了名叫EAGLERAY的样机。该机采用了固定翼布局，通过可充、放水的中空机翼实现了机身密度的变化，从而更好地适应两种介质中的运动。该机进行了12轮完整的跨介质运动测试，证明了设计的可靠性和优越性。

2022年，来自北京航空航天大学的文力教授课题组研发了一款采用多旋翼结构的跨介质飞行器。课题组设计了一种简单、低成本的可折叠螺旋桨，其在水下可以自适应折叠，在空中可以被动展开，使得螺旋桨在两种介质中的工作转速区间减小，缩短了工作转速的切换时间。相比于普通螺旋桨，机器人的跨越介质时间缩短了61.1%，显著提升了机器人跨越水/空界面的速度。该机还具备一种新颖的吸附结构，使机器人能够“暂栖”在静止表面或“搭便车”到运动的物体上，从而延长工作时间、扩大工作范围。

2017年，哈佛大学微型机器人实验室的罗伯特·伍德教授团队研发了一款名叫RoboBee小型跨介质飞行器。该机采用扑翼结构，外加四个平衡臂用于维持机体漂浮在水面时的平衡。该机通过将水电解为氢气和氧气并贮存在其内部气室中，点燃氢氧混合气体，借助爆炸推力实现出水动作。

上海交通大学海洋学院的连琏教授课题组常年致力于研发跨介质飞行器“哪吒”，目前已经迭代了多个设计。最新的机型哪吒III采用固定翼+旋翼的混合翼布局，最深工作深度为水下35.5米，水下续航24小时。

北京航空航天大学梁建宏课题组从2010年开始以生物鲣鸟为仿生对象，进行后掠翼式跨介质飞行器仿生设计研究，对跨介质飞行器的高效入水运动技术进行了重点探索，得到了结构外形、入水姿态、入水速度、机体密度等参数对入水性能的规律，并将结论用于仿生结构设计、跨域控制算法开发。

出入水运动是跨介质飞行器研究的核心问题，目前入水运动可以分为滑跑入水、飘落入水和溅落入水；出水运动可以分为滑跑出水、提拉出水和发射出水。

2、应用

跨介质飞行器具有广阔的应用前景，在军事和民用领域均有涉及。

以下展示两个有代表性的例子：

跨介质飞行器由运载机输送到敌方基地一定距离海域并空投释放，接着贴近海面飞行到封闭海域后潜入水中，再隐蔽地潜行到敌方基地附近并等待，伺机出水起飞进行情报的快速采集，完成任务后再次潜入水中并逃逸。

跨介质飞行器快速飞到目标水域上空后，降落到水面并下沉，采集不同深度水样，到达目标深度后快速上浮，当抵达水面后出水起飞，快速飞到下一个监测点，如此反复工作。

两个工作场景都应用了跨介质飞行器在空中飞行速度快的特点，也对其余指标提出了一定要求。总结跨介质飞行器的性能指标，可以归纳为：运动能力和负载能力；运动能力又包含水下潜航和飞行性能，以及跨介质运动性能。

3、技术难题

针对以上提出的各个性能指标，一些新颖的技术和方法被用于提升跨介质飞行器的表现，主要分为变翼型技术、变桨叶技术、变密度技术和结构缓冲技术。

除了在传统工程技术方法上进行创新，跨介质飞行器的技术发展道路有一个非常突出的特点，那就是不断向大自然中的生物学习，通过仿生理论研究、仿生技术开发、仿生工程实现的进阶化道路去不断攻克传统工程技术方法无法解决的问题。王田苗教授和梁建宏副教授领导的北京航空航天大学特种机器人实验室在国家自然科学基金的资助下，对鲣鸟、鸬鹚、乌贼和飞鱼的两栖跨介质运动进行了大量仿生研究。

鲣鸟可以从空中30多米高处直接俯冲向水面，以高达100km/h的速度冲击入水，靠惯性抵达水下10多米深处捕获沙丁鱼。姚国才博士和杨兴帮博士等人通过对鲣鸟溅落入水行为的仿生研究，得出了入水速度、入水姿态、机体形状、机体密度等参数对入水冲击力、入水运动轨迹的影响规律，并开展了机理分析与仿生应用探索。

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鸬鹚则表现出了出色的水面起飞能力，它可以综合利用翅膀升力与脚蹼扑力来实现水面短距起飞，相对于水上飞机的水面滑跑起飞方式大大缩短了滑跑距离，从而减少了对水面环境的需求，极大地增加了环境适应能力。利用脚蹼扑力来补偿翅膀升力的做法，也提高了飞行器的负载能力，增加了跨介质飞行器的应用价值。黄晋国博士和薛小强硕士对鸬鹚水面短距起飞机理及仿生设计开展了系统研究。

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乌贼可以利用喷水推进的方式从水下快速升空，然后展开薄膜型鳍片进行无动力滑行。乌贼的喷射出水方式对水面环境的要求比鸬鹚更低，而且出水速度极快，在对速度要求较高的军事应用场合具有重大价值。侯涛刚博士和苏浩鸿硕士对乌贼的喷水起飞机理进行了CFD仿真分析，并研究了基于压缩气体的水下喷水起飞技术，此外还利用软体材料制作了可伸展式软体变结构鱼鳍，在仿生样机上实现了喷射式出水起飞。

[1] Hou T, Yang X, Su H, et al. Design and experiments of a squid-like aquatic-aerial vehicle with soft morphing fins and arms[C]//2019 International Conference on Robotics and Automation (ICRA). IEEE, 2019: 4681-4687.

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4、总结展望

现在，任何一种类型的跨介质飞行器都不能满足所有的应用场景。 尽管后掠翼型跨介质飞行器具有最大的应用潜力，但它也面临最严峻的技术挑战。 混合翼型跨介质飞行器，虽然存在空中横向运动速度不够高、航程不够大的不足，但已经取得了相对成功的工程应用。 而扑翼型跨介质飞行器是唯一已经验证适用于毫米级机型的设计。 因此，各个类型的跨介质飞行器都应该得到关注和发展。

笔者很高兴看到越来越多的新技术被应用到这一领域，其中一些可能已经在其他航空领域得到广泛使用，而另一些则是专门为跨介质飞行器而研发。此外，先进的材料和创新的制造工艺也有助于提高性能，这个行业会在各方的共同努力下进步。未来的跨介质飞行器可能会根据其独特的工作环境而在结构形式和驱动模式上有所不同，但毫无疑问，它们将共同引领人们走向更多样化的生活。

本文由CAAI认知系统与信息处理专委会供稿