學生自制固體火箭成功發(fā)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(fā)射的視頻在嗶哩嗶哩視頻網(wǎng)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(fā)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(fā)射。倒計時開始，發(fā)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(xiàn)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(fā)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(yè)，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(yè)知識之多，令網(wǎng)友們大呼“真是專業(yè)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(wǎng)課之余制作的。

早在去年10月，劉上已經(jīng)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(tài)控制火箭，激發(fā)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(fā)布了第一個相關視頻“小型矢量噴管姿態(tài)自穩(wěn)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(xiàn)實性因素，不過隨著模型漸漸完成，便有了使用固體火箭發(fā)動機使這個模型飛起來的想法。

在視頻的評論區(qū)中，劉上寫道：“這個項目我會持續(xù)地做下去，這是一個充滿著困難與挑戰(zhàn)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(fā)動機、燃料、編程、飛控算法、3D打印的“技能樹”，才最終實現(xiàn)火箭的成功發(fā)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(tài)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(fā)動機。發(fā)動機的噴口可以向不同方向偏轉(zhuǎn)，只要稍稍改變方向，就可以保證火箭筆直升空。這枚TVC發(fā)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(fā)動機使用“C型”燃料內(nèi)孔，推力平穩(wěn);自帶起落架，無需發(fā)射架輔助便能起飛。

對劉上而言，為火箭安裝姿態(tài)控制系統(tǒng)同樣是全新的嘗試。有了它，升空后的火箭會根據(jù)傳感器收到的數(shù)據(jù)，在空中自動調(diào)整姿態(tài)。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(fā)動機的部分是耗時最久的。近4個月的嘗試，劉上經(jīng)歷了數(shù)次失敗。

第一大難題便是發(fā)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(fā)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(jīng)過一番調(diào)整，他和伙伴中的燃料高手不斷討論，最后通過調(diào)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(fā)現(xiàn)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(huán)節(jié)”。

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

劉上也經(jīng)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(shù)據(jù)，將繼續(xù)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(fā)策略：“姿態(tài)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(fā)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(yè)書，房間內(nèi)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(chuàng)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(wǎng)友能玩火箭，所以在國內(nèi)看到會覺得還蠻驚喜的。如果我能繼續(xù)成功，應該還是挺鼓舞人的。”

在視頻發(fā)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(chuàng)方面的熱情后，學院聯(lián)系了相關領域的教授對他進行專門的指導。據(jù)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(yǎng)制度，在本科生入學時為每個寢室4名學生配備1名專業(yè)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(chuàng)新基地創(chuàng)新項目，獲得了學校的經(jīng)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(yè)”。

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