00后大學生自制火箭成功發(fā)射 未來想用火箭送快遞
先鋒00后大學生自制火箭成功發(fā)射并回收
未來想用火箭送快遞
“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(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?!?/p>
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“?!碧幩??;鸺褂昧藙⑸献灾频腡VC發(fā)動機。發(fā)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(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),在空中自動調整姿態(tài)?;鸺€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?!半m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(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?!眲⑸媳硎?,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?!?/p>
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?!皵z影、視頻制作、航模、穿越機花飛、火箭、外骨骼,他什么都玩?!卑诐粸f。
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?!痹趧⑸峡磥?,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(xù)成功,應該還是挺鼓舞人的?!?/p>
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?!眲⑸系谋究粕鷮煛⒑教鞂W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?!?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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