學生自制固體火箭成功發射未來想用火箭送快遞

2020-08-17 10:20:40來源：中國青年報

“未來可期!”“大一就把畢設做完了!”近日，一條學生自制固體火箭成功發射的視頻在嗶哩嗶哩視頻網站(B站)上火了。不到一天的時間里，該視頻播放量就達到41.6萬，目前閱讀量超過百萬，彈幕留言超6000條，而在抖音中同時發布的視頻，已收獲800余萬的播放量。

視頻中，一枚擁有透明箭體、外形炫酷的火箭矗立在一片空地上等待發射。倒計時開始，發動機點火，火箭拖著尾煙升空，飛行190米后下落，降落傘成功打開，火箭順利著陸并被回收。隨后，視頻完整展現了一枚火箭從自主設計，到流體仿真、制造、測試、控制，并最終發射和回收的全過程。

這則視頻的作者、火箭的設計者名叫劉上，就讀于南京航空航天大學航天學院航空航天工程專業，剛結束大一的所有課程。視頻中所有步驟都由他自主完成，其中涉及的專業知識之多，令網友們大呼“真是專業大神”!

37個視頻，一步步攻克難關

這枚火箭高約96cm，直徑9.5cm，重3.1kg，不同部件用到了光固化樹脂、電木、尼龍、PC塑料、碳纖維、不銹鋼等材料，是劉上疫情期間在家中上網課之余制作的。

早在去年10月，劉上已經有了這樣的設想。“當時看到國外知名的愛好者‘BPS.space’制作的姿態控制火箭，激發了靈感。不過最初的想法非常粗糙，有很多知識點沒有理解”。

2019年10月19日，劉上通過自己的B站賬號發布了第一個相關視頻“小型矢量噴管姿態自穩固體火箭”，展示了作為固體火箭雛形的模型火箭制作過程。

劉上介紹，最初只打算做成簡單的火箭模型，在設計時并未考慮各種現實性因素，不過隨著模型漸漸完成，便有了使用固體火箭發動機使這個模型飛起來的想法。

在視頻的評論區中，劉上寫道：“這個項目我會持續地做下去，這是一個充滿著困難與挑戰的過程，同時也是一個長久的過程，需要我不斷地去學習、不斷地去探索、不斷地去嘗試，但只要我一直堅持下去，說不定哪天就成功了。”

在半年多里，通過自學和與愛好者們交流，劉上點亮了機械設計、3D建模、發動機、燃料、編程、飛控算法、3D打印的“技能樹”，才最終實現火箭的成功發射。B站賬號上的37個視頻，則記錄了劉上一步一個腳印的研制過程。

“推力矢量控制(TVC)”“姿態控制”“模塊化設計”“可重復使用”……這些都是這枚火箭的“牛”處所在。火箭使用了劉上自制的TVC發動機。發動機的噴口可以向不同方向偏轉，只要稍稍改變方向，就可以保證火箭筆直升空。這枚TVC發動機是劉上此次最滿意的設計之一，在民間火箭愛好者的圈子里也是一個不小的突破。此外，發動機使用“C型”燃料內孔，推力平穩;自帶起落架，無需發射架輔助便能起飛。

對劉上而言，為火箭安裝姿態控制系統同樣是全新的嘗試。有了它，升空后的火箭會根據傳感器收到的數據，在空中自動調整姿態。火箭還在空中完成了推力矢量和鴨翼控制的切換，全程無需遙控。

10個月試驗，在一次次失敗中找到答案

在研制中，矢量發動機的部分是耗時最久的。近4個月的嘗試，劉上經歷了數次失敗。

第一大難題便是發動機矢量噴口的設計，對這方面知識儲備不足的劉上參考了很多圖書，設計完成后，和朋友一同完成了推力矢量的流體仿真，最終的仿真結果與實驗高度吻合。

“另一個是燃料問題，我對于燃料方面的了解不夠深入。”劉上說。研制過程需要大量實驗驗證改進，火箭燃料的安全問題更是重中之重，不容許一點失誤。“雖然有危險，但都是可控的。試驗的時候會找無人的地方，提前找好掩體，備好滅火器，遙控點火”。

6月的發動機測試接連兩次失敗，劉上損失了上千元，也對他造成了不小的打擊。經過一番調整，他和伙伴中的燃料高手不斷討論，最后通過調整配方、冷凍燃料表面等方法解決了問題。

南航航天學院2019級航天中烏班學生白澔烔是劉上的好友。去年劉上提出制作火箭的設想后，白澔烔一直與劉上保持著交流。

去年航天學院運動會，白澔烔發現劉上在操場上自學單片機相關知識，“他快速突破一個個知識點，尤其是疫情期間，研究進程突飛猛進”。白澔烔說，劉上的個人能力毋庸置疑，但有控火箭涉及方面很多，不可能每一點都兼顧，“愛好者之間相互幫助交流是很重要的環節”。

劉上表示，同鄉兼網友劉奕兵是給予自己最大幫助的人。從最初的發動機加工一直到視頻后期制作，劉奕兵幾乎在現場參與了每一次測試和火箭最后的發射。

劉上也經常在愛好者組建的交流群中分享自己的研制進度和難點，與成員們相互交流。由于常常埋頭研究到凌晨兩三點或者更晚，第二天早上照常上課，群友們都稱他為“肝帝”。

“這枚火箭還沒有達到最高的性能。”劉上表示，通過安裝在火箭上的傳感器和定位模塊，他采集到了本次飛行的各類數據，將繼續改進程序算法。“我的最終目標是用火箭送快遞。”劉上介紹。為此，他確定了三步走的研發策略：“姿態控制、飛行軌跡控制、定點軟著陸。”

7年熱愛，追求無止境

早在初中時，劉上就已發射過自制火箭，并用自制的無人機航拍。“攝影、視頻制作、航模、穿越機花飛、火箭、外骨骼，他什么都玩。”白澔烔說。

得益于父母的大力支持，劉上能將更多的精力投入到興趣上。平日里，劉上閱讀的書籍全是自己搜集來的專業書，房間內也擺滿了各類制作模型的設備和工具，劉上自己都覺得“有點走火入魔的感覺”。

在劉上的房間里，貼著一張SpaceX的海報，SpaceX的創始人馬斯克是劉上的偶像。初中時，劉上了解到SpaceX公司的可回收垂直起降的火箭，瞬間被吸引，加上對各類科幻電影的喜愛，都影響了他的研究方向。

“我就是想搞點好玩炫酷、對社會有價值的東西出來。”在劉上看來，視頻的爆紅有因可循，“以前大家都覺得只有國外網友能玩火箭，所以在國內看到會覺得還蠻驚喜的。如果我能繼續成功，應該還是挺鼓舞人的。”

在視頻發布后，“BPS.space”也注意到了劉上的成果，并評價：“不可思議，這是非凡的作品!”

“與其他大一新生的微信朋友圈‘畫風’不同，劉上的朋友圈記錄了他在航天道路上的每一步成長。”劉上的本科生導師、航天學院副院長朱旭東說。了解到劉上在航天科創方面的熱情后，學院聯系了相關領域的教授對他進行專門的指導。據了解，本科生導師制是航天學院為學生選任專門指導老師的培養制度，在本科生入學時為每個寢室4名學生配備1名專業指導老師。

大一期間，劉上加入了學校的航模隊。航模隊老師史明雙指導劉上用自制火箭申報了航空特色科技創新基地創新項目，獲得了學校的經費支持。

2014年，還在上初中的劉上曾在QQ空間里寫下：“我覺得最吸引我的東西是航模、火箭、化學。”7年里，他一直堅持著自己的熱愛，“我的追求一直沒停，今后希望將熱愛變成事業”。

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