近期，美國北卡羅來納州立大學成功演示驗證一款“鷹鰩”固定翼跨介質(zhì)飛行器。這種飛行器長1.4米，翼展1.5米，可實現(xiàn)空中、水面、水下反復轉(zhuǎn)換機動。搭載相應(yīng)功能載荷后，可遂行跨域機動作戰(zhàn)任務(wù)。這意味著，融合空中飛行、水面游弋、水下巡航能力于一體的跨介質(zhì)飛行器技術(shù)有了新的進展。
跨介質(zhì)飛行器技術(shù)，是無人飛行器技術(shù)和無人潛航器技術(shù)的融合，所催生的新概念武器可在水和空氣兩種差異顯著的流體介質(zhì)中靈活機動，俗稱“會飛的潛艇”或“能潛水的飛機”。
目前，不僅僅是美國，世界上已有多個國家的研究機構(gòu)正在積極開展相關(guān)探索和研究。
歷經(jīng)百年的“新概念”武器技術(shù)
早在20世紀30年代第二次世界大戰(zhàn)前，蘇聯(lián)便提出載人“飛行潛艇”計劃，制定將飛機和潛艇結(jié)合的設(shè)計方案，并成立專門的技術(shù)攻關(guān)小組。其設(shè)計方案為飛行時速200公里、水下航速2～3節(jié)，可從空中搜索確定目標，而后降落并潛入敵艦航路下設(shè)伏，達成突襲作戰(zhàn)效果。但受當時技術(shù)條件限制，該計劃并未進入工程化研發(fā)階段，最終在1938年被終止。
此后，美國進行了持續(xù)跟進。20世紀70年代，美國為分散部署其戰(zhàn)略核武器，提出一種大型潛水飛機方案。其設(shè)計方案為空中作戰(zhàn)半徑4000公里、水下潛伏5天、載荷180噸，可執(zhí)行戰(zhàn)略導彈發(fā)射任務(wù)。當時，由于動力系統(tǒng)仍不成熟，不足以實現(xiàn)有戰(zhàn)術(shù)價值的水下待機和潛航，加之復合材料成本高昂難以承受和核戰(zhàn)略調(diào)整影響，該項目僅完成了概念設(shè)計。但是盡管如此，也為后續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
2008年，美國DARPA（國防高級研究計劃局）又提出一種特種運輸潛水飛機計劃，用于突擊敵海岸的特種作戰(zhàn)行動。其設(shè)計方案為承載8人及相應(yīng)裝備，可同時完成空中飛行1800公里、貼水面飛行180公里、水下持續(xù)潛航至少22公里，直到突擊上岸。當時，DARPA進行了可行性研究和試驗，證明已基本具備研發(fā)潛水飛機的技術(shù)條件。但由于空氣動力學和水動力學技術(shù)要求的顯著差異，很多專家學者仍對設(shè)計這種兩用武器持有異議。
歷經(jīng)近百年的探索，帶動了跨介質(zhì)飛行器原理和關(guān)鍵技術(shù)的研究驗證，但目前還沒有一款載人跨介質(zhì)飛行器樣機能夠?qū)崿F(xiàn)水空兩棲航行。近年來，隨著自主控制、結(jié)構(gòu)兼容性設(shè)計、水空跨越、新型動力等技術(shù)的快速發(fā)展，很多國家相繼啟動相關(guān)技術(shù)儲備，再次制定跨介質(zhì)飛行器研制規(guī)劃，進行工程化推進。
突破跨介質(zhì)飛行器技術(shù)瓶頸
當前，人工智能技術(shù)蓬勃發(fā)展，各國更加重視發(fā)展無人飛行器、無人潛航器等無人系統(tǒng)，相繼推出各種高性能的空中、水面、水下無人作戰(zhàn)平臺，使單介質(zhì)無人系統(tǒng)設(shè)計與控制技術(shù)日趨成熟，為跨介質(zhì)飛行器研制提供了堅實的技術(shù)支撐。尤其是自主控制技術(shù)的突破，使跨介質(zhì)飛行器不用再考慮人員工作艙、生命保障系統(tǒng)等因素，大大降低了技術(shù)復雜度。
在結(jié)構(gòu)布局上，跨介質(zhì)飛行器如何滿足水下、水上和空中航行的兼容性，是其在不同介質(zhì)中實現(xiàn)高效穩(wěn)定航行的關(guān)鍵。從現(xiàn)有典型樣機看，大都采用橫向折疊機翼、變后掠角機翼或仿生撲翼式兩棲驅(qū)動翼等變體結(jié)構(gòu)設(shè)計。如國外某研究機構(gòu)采用仿生撲翼式結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一款水空兩棲多模式仿生樣機，通過調(diào)節(jié)撲翼關(guān)節(jié)角切換運動模式，產(chǎn)生空中飛行的升力或水下游動的推力，并成功進行了試飛驗證。
更為復雜的是，由于水體和空氣的介質(zhì)密度相差約800倍，實現(xiàn)介質(zhì)間穩(wěn)定可靠的轉(zhuǎn)換是跨介質(zhì)機動的難點。目前，樣機的介質(zhì)過渡方式主要模仿自然界中具有兩棲生存能力的生物，如飛魚的跳躍起飛、飛烏賊的噴水推進式起飛、鰹鳥的濺落式入水等。2016年，英國帝國理工學院設(shè)計了一款仿鰹鳥兩棲飛行器，采用仿飛烏賊噴射式起飛、仿鰹鳥濺落式入水，成功實現(xiàn)了從水下到空中、從空中到水下的轉(zhuǎn)換。
此外，由于水和空氣含氧量及航行環(huán)境的差異，跨介質(zhì)飛行器的能量系統(tǒng)如何設(shè)計，是其在不同介質(zhì)中均能獲得足夠動力的核心。目前，這一問題已有一些可行的技術(shù)解決方案。如氫質(zhì)子交換膜燃料電池，可不通過燃燒就能將燃料的化學能轉(zhuǎn)換為電能，能量密度較高、轉(zhuǎn)換效率優(yōu)異，且由燃料電池供能的推進系統(tǒng)也易于密封，適合水下作業(yè)環(huán)境，相關(guān)技術(shù)在一些潛射無人機研制中已得到應(yīng)用。
融合空中水面水下機動優(yōu)勢
跨介質(zhì)飛行器之所以成為各國競相發(fā)展的對象，是因其可在水和空氣兩種介質(zhì)中自主地連續(xù)航行，并能順利實現(xiàn)介質(zhì)間的過渡轉(zhuǎn)換，融合無人飛行器的快速部署能力、無人水面艦艇的高速游弋能力和無人潛航器的高隱蔽性等優(yōu)勢，具有跨介質(zhì)機動轉(zhuǎn)換、水空兩棲隱身和自主化作戰(zhàn)等性能。
試想，如果運用跨介質(zhì)飛行器，進攻時可從空中快速接近目標，到達目標范圍后，可靈活選擇空中、水面或水下攻擊方式。接近目標途中，如遇防空導彈攔截，可潛入水下躲避；如遇水下攻擊，可飛到空中躲避；如遇任務(wù)調(diào)整，還可浮于水面待機。運用這種方式，跨介質(zhì)飛行器將大大提高空中、水下突防概率，成為應(yīng)對水面艦船、潛艇、反潛直升機等海上傳統(tǒng)作戰(zhàn)力量的撒手锏武器。
從設(shè)計目標看，跨介質(zhì)飛行器還具有部署靈活、用途廣泛、駐留待機時間長等諸多優(yōu)勢。其可借助水下平臺、水面艦艇、近岸陸基平臺、空中平臺等載體進行多樣化部署；可通過搭載不同的模塊化功能設(shè)備，執(zhí)行偵察、攻擊、防衛(wèi)、通信中繼、電子干擾等多樣化作戰(zhàn)任務(wù)；可在海面上長期漂浮駐留，并通過太陽能補充能量，適用于多種場合和時機。
需要指出的是，目前跨介質(zhì)飛行器正處于快速發(fā)展階段，潛射型跨介質(zhì)飛行器技術(shù)相對最為成熟，但其水下航行、發(fā)射、回收等仍需借助載體。如美軍“鸕鶿”潛射無人機已列裝部隊，其機身總重不到4噸，可攜帶453千克載荷，飛行時速可達880公里，作戰(zhàn)半徑可達926公里。另外，真正具備空中、水面、水下自主航行能力的潛航型跨介質(zhì)飛行器，如美國的仿飛魚機器人樣機、多模式水空兩棲仿生樣機、機器蜂和英國的仿鰹鳥兩棲無人飛行器等，雖已完成關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)功能的驗證、集成和協(xié)同演示，但仍處于系統(tǒng)研制與演示階段。
巨大軍事應(yīng)用潛力有待開掘
經(jīng)過幾十年的發(fā)展，跨介質(zhì)飛行器技術(shù)經(jīng)歷了由載人到無人的轉(zhuǎn)變，目前正由潛射型向潛航型、低融合度向高融合度升級。在軍事需求和科學技術(shù)迅猛發(fā)展的推動下，真正實現(xiàn)跨介質(zhì)飛行器空中飛行、水面游弋、水下巡航作業(yè)只是一個時間問題。這種融合陸、海、空3種無人系統(tǒng)特點于一體的無人系統(tǒng)，將降低不同空間無人系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)的復雜度，提高操作的可靠性，大大提升任務(wù)的成功率。潛航型跨介質(zhì)飛行器一旦投入實戰(zhàn)，將會釋放巨大的軍事應(yīng)用潛力。
未來跨介質(zhì)飛行器可與潛艇、艦船、反潛機等配合使用。如跨介質(zhì)無人飛行器伴隨潛艇遠海作戰(zhàn)，能為潛艇提供多次、快速的空中支持，充當其延伸的“耳目”和“拳頭”，減小其偵察、通信設(shè)備受地球曲率和海洋環(huán)境的影響，大大改善其態(tài)勢感知能力、隱蔽生存能力、水下通信能力，有效拓展其偵察、反艦、防空、對陸攻擊等作戰(zhàn)行動的范圍，整體提升潛艇的體系作戰(zhàn)能力。
隨著跨介質(zhì)自主傳感與控制、多流體環(huán)境高能量密度燃料、跨介質(zhì)通信等技術(shù)的突破，跨介質(zhì)飛行器的自主作戰(zhàn)能力將會越來越強。未來高度自主的跨介質(zhì)飛行器，可用作突破敵方防線的利器，還可作為偵察和戰(zhàn)斗武器進行巡邏警戒、搜索反潛、近海探雷等。尤其是成群運用后，將具備強大的分布式殺傷和飽和攻擊能力，讓對手防不勝防，成為現(xiàn)代海上作戰(zhàn)體系中新的戰(zhàn)斗力增量。
圖為某跨介質(zhì)飛行器樣機起飛瞬間示意圖。