上天入海的“哪吒”如何煉成？學生“炸機”，導師跳水打撈
在上海交通大學海洋學院“哪吒實驗室”，學生間口口相傳著一個故事：有個師兄在千島湖試驗時，航行器不慎“炸機”墜入湖中，導師曾錚一個猛子扎下去，把機體撈了上來，它當時纏在湖底的水草上。
澎湃新聞記者向曾錚求證，他笑道：“跳水主要在早期，后期機體越來越成熟，我跳水的機會也越來越少了。2018到2020年是航行器滾動迭代、攻堅克難最緊張的時期，我跳水最多。”
“哪吒實驗室”研發的是海空跨域無人航行器——上天入海、飛潛合一，可在海空連續穿越并反復跨域。
從2016年起步，到2024年在中國國際大學生創新大賽奪冠，“哪吒”系列航行器歷經多次迭代，已完成全球首例真實海況下自主飛行、水下潛航及海空跨域航行全流程試驗，下潛深度突破100米，并實現3級海況（浪高0.5米至1.25米）下跨域起飛。
2024年中國國際大學生創新大賽上，“哪吒”團隊奪冠。受訪者供圖
“‘哪吒’是在炸機中炸出來的。”曾錚經常鼓勵學生，航行器要在真正的風浪中測試迭代，不要害怕失敗，“出什么亂子我來兜底。所謂兜底是什么？我跳水去撈機體。”身為海洋學院研究員，他本身也是水上運動愛好者，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，是無數次的試驗受挫：航行器被浪打翻、莫名故障、起飛失敗……在漫長的理論驗證、設計加工、組裝測試后，仍可能面臨推倒重來。博士生鄧嵐加入團隊僅三個月，卻感覺像過了一年，“人在痛苦的時候總是覺得時間很漫長”，隨即話鋒一轉，“但這三個月比我過去一年的收獲都多”。
從“炸機”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翼，或者給無人機穿雨衣嗎？有什么難？
9月28日晚，“青春華章·共赴山海向未來”主題展演的舞臺上，“哪吒”團隊成員用脫口秀回應：“海水密度是空氣的800多倍！什么概念？就好比讓你家電風扇不僅能吹風，還得跳進泳池當螺旋槳！更得自己蹦出來，甩甩水，繼續吹！”
2016年，曾錚在學術交流中了解到，臺風研究亟需水上水下一體化觀測設備，以便收集氣象和水文數據，而當時國際上尚無此類設備。一個大膽的想法由此誕生——設計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迥異的介質中高效穩定地航行？
沒有先例可循，初期試驗充滿挫敗。曾錚記得，有時機體飛出去一分鐘就“炸”了，投到海里可能一去不回，反反復復幾個月時間，團隊只能不斷摸索和調整參數，持續改進。
2017年，“哪吒Ⅰ”誕生，實現了水上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%，轉戰南海真實海況后卻降至20%以下，外海更是無法起飛。很長一段時間，團隊找不到突破方向。
“哪吒IV”航行器在南海試驗。受訪者供圖
有次在分界洲島試驗時，“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，一股浪涌來，他借力輕松地攀上浮臺，浪退時卻難以抓住欄桿。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，是否能順水推舟？
于是，團隊開始研發“沖浪算法”，讓航行器自主感知波浪，選擇在波峰起飛。從理論驗證、人工造波模擬、湖泊試驗、海洋試驗，積累各種數據，最后試驗成功，幾乎花了3年時間。
“哪吒”海空跨域無人航行器。受訪者供圖
2022年起，“哪吒”陸續完成全球首例真實海洋環境下自主飛行、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，并在海洋試驗中率先突破了百米潛深，引領跨域航行器進入百米級時代。
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。我們非常幸運地看到了跨域航行器史無前例的一刻，它朝著實際應用邁出了堅實的一步。我們是它的創造者，那就更幸運了。”“沖浪算法”使“哪吒”一次性起飛成功率提升至86%，功耗、起飛速度也得到優化。
曾錚強調，“沖浪算法”不是憑空想象、閉門造車能發現的，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”團隊每年組織至少2次湖泊試驗、1次海洋試驗，讓學生在實際風浪中發現問題、解決問題。
在極限環境中錘煉，“痛苦也是進步的過程”
“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，還喉嚨發苦、沒食欲、高反……”脫口秀表演中，團隊成員調侃：“本以為是來搞科研，結果變成荒野求生。”
班公湖位于西藏阿里地區，是一座咸淡水交匯的高原湖泊。博士生宋緒旺對2023年7月的那次試驗記憶深刻：大片荒蕪，空氣稀薄，晝夜溫差大，住宿是行軍帳篷。
“我們幾個人高反嚴重，去的路上就吐了。頭兩天，白天一半時間在吸氧，晚上睡覺也得插著氧氣瓶。”宋緒旺說，更艱難的是試驗中，“要集中注意力調試設備，做著做著，腦袋開始發暈發脹，喘不上氣。”
熬過前幾天，團隊慢慢適應高原環境。半個月時間，“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、強風環境的考驗。宋緒旺說：“第一次去高原做實驗，每個人都非常興奮。雖然身體有不適，但大家都把這當作新奇的體驗，我們當時心態還是比較好的。”
“哪吒實驗室”部分成員。受訪者供圖
高原缺氧、出海暈船是自然環境帶來的身體挑戰，科研更多時候考驗的是心理承受力。
今年7月加入團隊的鄧嵐，不到3個月時間已完整經歷了機體結構設計、電路連接、軟件調試與湖泊試驗。進組一個月，他發現自己的進度落后于計劃，經常忙到凌晨2點，第二天早晨8點又到實驗室。9月初的千島湖試驗，更是對精神和體力的雙重考驗。
他在千島湖的一天大概是：早晨把設備搬到湖邊開始調試和下水測試，測試的過程中，經常遇到跟預想不一樣的場景，然后拆開設備，檢查每個零件，分析采集的數據，猜測原因，思考處理辦法，最后組裝回去，準備下一次實驗，“這種事情基本在一天內要完成，整個人的精神非常緊繃。”
最后一天，機體突發多處故障，時間緊迫，壓力巨大。幸運的是，“兩個師兄暫時放下他們手上的東西，那天上午一直在幫我組裝、調試，甚至前一天凌晨2點還幫我調試代碼，我很感動。”鄧嵐說，“每個人有自己的任務，但他們完全把我的事情當成他們自己的事情。”
這次試驗讓他感受到“精神上的突破”：“就像長距離跑步，后面已經沒有知覺了，完全靠大腦指令抬腳，但最終跑完了。痛苦也是進步的過程——肌肉斷了之后會長得更粗，精神也會變得更加強壯。”
從一個零件的組合設計，到一個系統的穩定性調試，到整個概念變成實物、進行試驗，科研的每個階段都可能有成就感，也會有挫敗感。“曾老師會鼓勵我說，沒事，這是你剛開始的錯誤，后面的錯誤多著呢，不要擔心這一點問題。”鄧嵐笑道，“你麻木地往前走，回頭看的時候，你會發現自己已經成長了很多。我覺得這三個月比我過去一年的收獲都多。”這或許正是科研的魅力所在。
從實驗室到海洋，“哪吒”邁向實際應用
“過去10年是一個摸索的過程，國內外都在開展相關研究，摸索跨域航行器飛潛融合的最優構型。接下來10年是跨域航行器走向應用的過程。”曾錚表示。
目前，跟國內外同類產品對比，“哪吒”在下潛深度、負載能力以及海況適應性上都處于領先地位。“哪吒”系列也已研發出多款不同的構型，各有所長，除了空中飛行，還能實現垂直浮潛、水下滑翔以及水下自主潛航。小型輕便或高速的機型也陸續產出，靈活適配不同場景。
“既可以在空中對海面進行大范圍的遙感觀測，又能夠對水面或者水下目標進行精細化探查，這是海空跨域航空器最大的優點。”宋緒旺表示，團隊正推進“哪吒”產業化應用，臺風預測、生態監測、海域偵查等都是可應用的領域。這兩年陸續有單位提出合作意向，團隊根據需求開展定制化服務。
“哪吒-飛潛”航行器。受訪者供圖
今年，“哪吒”團隊與自然資源部第二海洋研究所合作，在千島湖對“哪吒-飛潛”和“哪吒-飛漂”兩款設備進行試驗。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、自動采水等任務；后者配備輻照度計、多光譜相機等科學載荷，可實現表層水體監測、光譜成像及多點采樣等操作。簡言之，研究人員可在船上遠程操控，“哪吒”自主采樣或空中掃描目標。
宋緒旺負責在航行器上安裝科學載荷。他解釋：“航行器相當于一個平臺，可以在空中、水下、水面航行，只有結合傳感器才能真正發揮作用。多光譜相機、溫鹽深傳感器，相當于給航行器賦予視覺、嗅覺。”
“哪咤”也正從單機往多機群協同方向發展。水下電磁波衰減嚴重，不同機體之間依賴聲波來實現定位、通信和導航。主攻水下聲學定位導航的助理研究員王英強，去年加入了“哪吒”團隊。
原有的聲學系統只適用于大型潛水器，“哪吒”這樣的10千克量級機型無法承載，所以，王英強的任務是研制小型化、輕量化的聲學艙。他表示：“市場上能夠買到的模塊很難做到足夠小，所以內部的電路、模塊都要自己設計，相當于全部自主研發，這是比較大的挑戰。”
上海交通大學木蘭船建大樓一樓走廊的盡頭，貼著“上天入海”春聯的便是“哪吒實驗室”。貨架上擺著各種零部件與機體，黃色機身四旋翼的是“大寶貝”，黑色三角翼的是“二寶貝”……四周墻上掛著許多發明專利、獲獎證書，也留下不少優秀畢業生的肖像畫，他們都為“哪吒”的研發做出過重要貢獻。
除了導師曾錚和連璉，“哪吒”團隊全部由學生組成。過去的九年，一屆屆學生在實驗室埋頭計算、加工零件、組裝機體、調試參數，有時去學校的湖里試驗。這是科研更日常的狀態。
記者采訪時，樓道拐角處，一位博士生正在水箱中進行跨域航行器螺旋槳推力測試，采集數據。噪音轟鳴，他坐在折疊椅上緊盯電腦，發現隔著玻璃門有人，轉頭看了一眼又轉向屏幕。兩個多小時后，他還是一模一樣的姿勢，旁邊同學說：“他大概要做一個多月。”
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