先鋒00后大學(xué)生自制火箭成功發(fā)射并回收
未來(lái)想用火箭送快遞
“未來(lái)可期！”“大一就把畢設做完了！”近日，一條學(xué)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(shí)間里，該視頻播放量就達到41.6萬(wàn)，目前閱讀量超過(guò)百萬(wàn)，彈幕留言超6000條，而在抖音中同時(shí)發(fā)布的視頻，已收獲800余萬(wàn)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(shí)開(kāi)始，發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火，火箭拖著(zhù)尾煙升空，飛行190米后下落，降落傘成功打開(kāi)，火箭順利著(zhù)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(fā)射和回收的全過(guò)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(xué)航天學(xué)院航空航天工程專(zhuān)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(zhuān)業(yè)知識之多，令網(wǎng)友們大呼“真是專(zhuān)業(yè)大神”！
37個(gè)視頻，一步步攻克難關(guān)
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(shù)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(shí)看到國外知名的愛(ài)好者‘BPS.space’制作的姿態(tài)控制火箭，激發(fā)了靈感。不過(guò)最初的想法非常粗糙，有很多知識點(diǎn)沒(méi)有理解”。
2019年10月19日，劉上通過(guò)自己的B站賬號發(fā)布了第一個(gè)相關(guān)視頻“小型矢量噴管姿態(tài)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(guò)程。
劉上介紹，最初只打算做成簡(jiǎn)單的火箭模型，在設計時(shí)并未考慮各種現實(shí)性因素，不過(guò)隨著(zhù)模型漸漸完成，便有了使用固體火箭發(fā)動(dòng)機使這個(gè)模型飛起來(lái)的想法。
在視頻的評論區中，劉上寫(xiě)道：“這個(gè)項目我會(huì )持續地做下去，這是一個(gè)充滿(mǎn)著(zhù)困難與挑戰的過(guò)程，同時(shí)也是一個(gè)長(cháng)久的過(guò)程，需要我不斷地去學(xué)習、不斷地去探索、不斷地去嘗試，但只要我一直堅持下去，說(shuō)不定哪天就成功了。”
在半年多里，通過(guò)自學(xué)和與愛(ài)好者們交流，劉上點(diǎn)亮了機械設計、3D建模、發(fā)動(dòng)機、燃料、編程、飛控算法、3D打印的“技能樹(shù)”，才最終實(shí)現火箭的成功發(fā)射。B站賬號上的37個(gè)視頻，則記錄了劉上一步一個(gè)腳印的研制過(guò)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?；鸺褂昧藙⑸献灾频腡VC發(fā)動(dòng)機。發(fā)動(dòng)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(dòng)機是劉上此次最滿(mǎn)意的設計之一，在民間火箭愛(ài)好者的圈子里也是一個(gè)不小的突破。此外，發(fā)動(dòng)機使用“C型”燃料內孔，推力平穩；自帶起落架，無(wú)需發(fā)射架輔助便能起飛。
對劉上而言，為火箭安裝姿態(tài)控制系統同樣是全新的嘗試。有了它，升空后的火箭會(huì )根據傳感器收到的數據，在空中自動(dòng)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(wú)需遙控。
10個(gè)月試驗，在一次次失敗中找到答案
在研制中，矢量發(fā)動(dòng)機的部分是耗時(shí)最久的。近4個(gè)月的嘗試，劉上經(jīng)歷了數次失敗。
第一大難題便是發(fā)動(dòng)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(shū)，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(shí)驗高度吻合。
“另一個(gè)是燃料問(wèn)題，我對于燃料方面的了解不夠深入。”劉上說(shuō)。研制過(guò)程需要大量實(shí)驗驗證改進(jìn)，火箭燃料的安全問(wèn)題更是重中之重，不容許一點(diǎn)失誤。“雖然有危險，但都是可控的。試驗的時(shí)候會(huì )找無(wú)人的地方，提前找好掩體，備好滅火器，遙控點(diǎn)火”。
6月的發(fā)動(dòng)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(guò)一番調整，他和伙伴中的燃料高手不斷討論，最后通過(guò)調整配方、冷凍燃料表面等方法解決了問(wèn)題。
南航航天學(xué)院2019級航天中烏班學(xué)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(zhù)交流。
去年航天學(xué)院運動(dòng)會(huì )，白澔烔發(fā)現劉上在操場(chǎng)上自學(xué)單片機相關(guān)知識，“他快速突破一個(gè)個(gè)知識點(diǎn)，尤其是疫情期間，研究進(jìn)程突飛猛進(jìn)”。白澔烔說(shuō)，劉上的個(gè)人能力毋庸置疑，但有控火箭涉及方面很多，不可能每一點(diǎn)都兼顧，“愛(ài)好者之間相互幫助交流是很重要的環(huán)節”。
劉上表示，同鄉兼網(wǎng)友劉奕兵是給予自己最大幫助的人。從最初的發(fā)動(dòng)機加工一直到視頻后期制作，劉奕兵幾乎在現場(chǎng)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(ài)好者組建的交流群中分享自己的研制進(jìn)度和難點(diǎn)，與成員們相互交流。由于常常埋頭研究到凌晨?jì)扇c(diǎn)或者更晚，第二天早上照常上課，群友們都稱(chēng)他為“肝帝”。
“這枚火箭還沒(méi)有達到最高的性能。”劉上表示，通過(guò)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(lèi)數據，將繼續改進(jìn)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(diǎn)軟著(zhù)陸。”
7年熱愛(ài)，追求無(wú)止境
早在初中時(shí)，劉上就已發(fā)射過(guò)自制火箭，并用自制的無(wú)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(shuō)。
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(shū)籍全是自己搜集來(lái)的專(zhuān)業(yè)書(shū)，房間內也擺滿(mǎn)了各類(lèi)制作模型的設備和工具，劉上自己都覺(jué)得“有點(diǎn)走火入魔的感覺(jué)”。
在劉上的房間里，貼著(zhù)一張SpaceX的海報，SpaceX的創(chuàng )始人馬斯克是劉上的偶像。初中時(shí)，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(lèi)科幻電影的喜愛(ài)，都影響了他的研究方向。
“我就是想搞點(diǎn)好玩炫酷、對社會(huì )有價(jià)值的東西出來(lái)。”在劉上看來(lái)，視頻的爆紅有因可循，“以前大家都覺(jué)得只有國外網(wǎng)友能玩火箭，所以在國內看到會(huì )覺(jué)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(fā)布后，“BPS.space”也注意到了劉上的成果，并評價(jià)：“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(huà)風(fēng)’不同，劉上的朋友圈記錄了他在航天道路上的每一步成長(cháng)。”劉上的本科生導師、航天學(xué)院副院長(cháng)朱旭東說(shuō)。了解到劉上在航天科創(chuàng )方面的熱情后，學(xué)院聯(lián)系了相關(guān)領(lǐng)域的教授對他進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的指導。據了解，本科生導師制是航天學(xué)院為學(xué)生選任專(zhuān)門(mén)指導老師的培養制度，在本科生入學(xué)時(shí)為每個(gè)寢室4名學(xué)生配備1名專(zhuān)業(yè)指導老師。
大一期間，劉上加入了學(xué)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(xué)校的經(jīng)費支持。
2014年，還在上初中的劉上曾在QQ空間里寫(xiě)下：“我覺(jué)得最吸引我的東西是航模、火箭、化學(xué)。”7年里，他一直堅持著(zhù)自己的熱愛(ài)，“我的追求一直沒(méi)停，今后希望將熱愛(ài)變成事業(yè)”。（記者 李潤文）
(責任編輯：張云文)
