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大学生自制火箭成功发射并回收:未来想用火箭送快递

2020-08-11 16:27:42
来源:科技日报 作者:张紫略 倪子涵 柯龙婕旻 科技日报记者 张晔 评论:0
导语:“未来可期”“太强了,这才是后浪”“大一就把毕设做完了!”近日,一条学生自制固体火箭成功发射的视频在哔哩哔哩视频网站(B站)上火了。不到一天的时间里,该视频播放量就达到41 6万,目前阅读量超过百万,有着超6000条弹幕留言,而在抖音中同时发布的视频,已收获800余万播放。

  “未来可期”“太强了,这才是后浪”“大一就把毕设做完了!”近日,一条学生自制固体火箭成功发射的视频在哔哩哔哩视频网站(B站)上火了。不到一天的时间里,该视频播放量就达到41.6万,目前阅读量超过百万,有着超6000条弹幕留言,而在抖音中同时发布的视频,已收获800余万播放。

  视频中,一枚拥有透明箭体、外形炫酷的火箭矗立在一片空地上等待发射。倒计时开始,发动机点火,火箭拖着尾烟升空,成为点缀在晚霞与圆月构成背景板上的一处明丽的光亮。随后火箭下落,降落伞成功打开,火箭顺利着陆并被回收。随后,视频完整展现了一枚火箭从自主设计,到流体仿真、制造、测试、控制,并最终发射和回收的全过程。

  这则视频的作者、火箭的设计者名叫刘上,就读于南京航空航天大学航天学院航空航天工程专业,刚结束大一的所有课程。视频中所有步骤都由他自主完成,其中涉及的专业知识之多,令网友们大呼“真是专业大神!”

  37个视频,一步步攻克难关

  “推力矢量控制(TVC)”“姿态控制”“模块化设计”“可重复使用”……这些都是这枚火箭的“牛”处所在。火箭搭载了刘上自制的TVC发动机。发动机的喷口可以向不同方向偏转,只要稍稍改变方向,就可以保证火箭笔直升空。这枚TVC发动机是刘上此次最满意的设计之一,在民间火箭爱好者的圈子里也是一个不小的突破。此外,发动机使用“c型”燃料内孔,推力平稳;自带起落架,无需发射架辅助便能起飞。

  为火箭安装姿态控制系统对刘上而言同样是全新的尝试。有了它,升空后的火箭会根据传感器收到的数据,在空中自动调整姿态。火箭还在空中完成了推力矢量和鸭翼控制的切换,全程无需遥控。

  这枚火箭高约96cm,直径9.5cm,重3.1kg,不同部件用到了光固化树脂、电木、尼龙、PC塑料、碳纤维、不锈钢等材料,是刘上疫情期间在家中上网课之余制作的。但早在去年10月,刘上已经有了这样的设想。“当时看到国外知名的爱好者’BPS.space’制作的姿态控制火箭,激发了灵感。不过最初的想法非常粗糙,有很多空白的知识点没有去了解。”

  2019年10月19日,刘上通过自己的B站账号发布了第一个相关视频《小型矢量喷管姿态自稳固体火箭》,展示了作为固体火箭雏形的模型火箭的制作过程。

  刘上介绍,这枚火箭他最初只打算做成简单的模型,所以在设计时并未考虑各种现实性因素,不过随着模型渐渐完成,便有了使用固体火箭发动机使这个模型飞起来的想法。

  在半年多的时间里,通过自学和与爱好者们交流,刘上点亮了机械设计、3D建模、发动机、燃料、编程、飞控算法、3D打印的“技能树”,才最终实现火箭的成功发射。

  《模型小火箭发射》《小型火箭TVC推力矢量控制器》《固体火箭发动机地面试车失败》《自制碳纤维固体火箭发动机第七次测试取得圆满成功》……B站账号上的37个视频,记录了刘上一步一脚印的研制过程。

  10个月实验,在一次次失败中找到答案

  在研制中,矢量发动机的部分是耗时最久的。近四个月尝试,刘上经历了数次失败。

  第一大难题便是发动机矢量喷口的设计,对这方面知识储备不足的刘上参考了很多图书,设计完成后,和朋友一同完成了推力矢量的流体仿真,最终的仿真结果与实验高度吻合。

  “另一个是燃料问题,我对于燃料方面的了解不够深入。”刘上说。研制过程需要大量实验验证改进,火箭燃料的安全问题更是重中之重,不容许一点失误。“虽然有危险,但都是可控的。试验的时候会找无人的地方,提前找好掩体,备好灭火器,遥控点火。”

  在6月份的发动机测试中,刘上接连发生两次失败。测试时,矢量控制系统已经成型,发动机上安装有矢量喷口、高速舵机等部件,成本很高。两次失败让刘上损失了上千元,也对他造成了不小的打击。经过一番调整,他和伙伴中燃料方面的高手不断讨论,最后通过调整配方、冷冻燃料表面等方法解决了问题。

  南航航天学院2019级航天中乌班学生白澔烔是刘上的好友,早在二人考入南航之前,白澔烔便以“Boss Monkey”的网名与刘上在科技论坛相识。去年刘上提出制作火箭的设想后,白澔烔一直与刘上保持着交流。

  “去年航天学院运动会,我就发现他在操场上独自在自学单片机相关知识,他就是这样非常快速地突破了一个个知识点,尤其是疫情期间,研究进程突飞猛进。刘上的个人能力毋庸置疑,但有控火箭涉及方面很多,不可能每一点都兼顾,所以爱好者之间相互帮助交流是很重要的环节。”白澔烔说。

  刘上表示,自己的同乡兼网友刘奕兵是给予他最大帮助的人。从最初的发动机加工一直到视频后期制作,这位朋友始终支持着自己,“他几乎在现场参与了每一次测试和火箭最后的发射,测试时的素材他拍摄的比我自己还多,特别感谢他。”刘上介绍,刘奕兵是自己的同龄人,也是高校内的火箭爱好者,二人在网上认识后一拍即合,很快成为火箭研制之路上的坚强支持。

  “这枚火箭还没有达到最高的性能。”刘上表示,通过安装在火箭上的传感器和定位模块,他采集到了本次飞行的各类数据,将继续改进程序算法。“我的最终目标是用火箭送快递,”刘上介绍,装载着货物的火箭“快递员”会精准地射向目的地,并在到达后通过减速发动机安全软着陆。为此,刘上确定了三步走的研发策略:“姿态控制、飞行轨迹控制、定点软着陆。”

(责任编辑:韩梦晨)

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