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南航“00后”學(xué)生借助3D打印自制火箭成功發(fā)射并回收,未來(lái)想用火箭送快遞 

2020-08-17 08:54
“太強(qiáng)了,這才是后浪”“大一就把畢設(shè)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(dá)到41.6萬(wàn),目前閱讀量超過(guò)百萬(wàn),有著超6000條彈幕留言,而在抖音中同時(shí)發(fā)布的視頻,已收獲800余萬(wàn)播放。

        
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         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(jì)時(shí)開(kāi)始,發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火,火箭拖著尾煙升空,成為點(diǎn)綴在晚霞與圓月構(gòu)成背景板上的一處明麗的光亮,火箭升空飛行190米,隨后下落,降落傘成功打開(kāi),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(shè)計(jì),到流體仿真、制造、測(cè)試、控制,并最終發(fā)射和回收的全過(guò)程。

        
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        這則視頻的作者、火箭的設(shè)計(jì)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(jié)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(shí)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)
“推力矢量控制(TVC)”“姿態(tài)控制”“模塊化設(shè)計(jì)”“可重復(fù)使用”……這些都是這枚火箭的“?!碧幩?。火箭搭載了劉上自制的TVC發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)是劉上此次最滿意的設(shè)計(jì)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(jī)使用“c型”燃料內(nèi)孔,推力平穩(wěn);自帶起落架,無(wú)需發(fā)射架輔助便能起飛。

        
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         為火箭安裝姿態(tài)控制系統(tǒng)對(duì)劉上而言同樣是全新的嘗試。有了它,升空后的火箭會(huì)根據(jù)傳感器收到的數(shù)據(jù),在空中自動(dòng)調(diào)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。 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。

但早在去年10月,劉上已經(jīng)有了這樣的設(shè)想?!爱?dāng)時(shí)看到國(guó)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,有很多空白的知識(shí)點(diǎn)沒(méi)有去了解?!?/font> 2019年10月19日,劉上通過(guò)自己的B站賬號(hào)發(fā)布了第一個(gè)相關(guān)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的制作過(guò)程。 劉上介紹,這枚火箭他最初只打算做成簡(jiǎn)單的模型,所以在設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮各種現(xiàn)實(shí)性因素,不過(guò)隨著模型漸漸完成,便有了使用固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)使這個(gè)模型飛起來(lái)的想法。

在視頻的評(píng)論區(qū)中,劉上寫(xiě)道:“這個(gè)項(xiàng)目我會(huì)持續(xù)地做下去,這是一個(gè)充滿著困難與挑戰(zhàn)的過(guò)程,同時(shí)也是一個(gè)長(zhǎng)久的過(guò)程,需要我不斷地去學(xué)習(xí)、不斷地去探索、不斷地去嘗試,但只要我一直堅(jiān)持下去,說(shuō)不定哪天就成功了?!?/font> 保持著這樣的決心,在半年多的時(shí)間里,通過(guò)自學(xué)和與愛(ài)好者們交流,劉上點(diǎn)亮了機(jī)械設(shè)計(jì)、3D建模、發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料、編程、飛控算法、3D打印的“技能樹(shù)”,才最終實(shí)現(xiàn)火箭的成功發(fā)射。 《模型小火箭發(fā)射》《小型火箭TVC推力矢量控制器》《固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車(chē)失敗》《自制碳纖維固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)第七次測(cè)試取得圓滿成功》……B站賬號(hào)上的37個(gè)視頻,記錄了劉上一步一腳印的研制過(guò)程。 “用半年的時(shí)間一步步做出來(lái),看到火箭發(fā)射成功還是很有成就感的,但想的更多的還是如何改進(jìn)?!眲⑸险f(shuō)自己喜歡用相機(jī)把過(guò)程拍攝下來(lái),記錄下自己一步步攻克難關(guān)的不易。

10個(gè)月實(shí)驗(yàn),在一次次失敗中找到答案
在研制中,矢量發(fā)動(dòng)機(jī)的部分是耗時(shí)最久的。近四個(gè)月嘗試,劉上經(jīng)歷了數(shù)次失敗。 第一大難題便是發(fā)動(dòng)機(jī)矢量噴口的設(shè)計(jì),對(duì)這方面知識(shí)儲(chǔ)備不足的劉上參考了很多圖書(shū),設(shè)計(jì)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(jié)果與實(shí)驗(yàn)高度吻合。 “另一個(gè)是燃料問(wèn)題,我對(duì)于燃料方面的了解不夠深入?!眲⑸险f(shuō)。研制過(guò)程需要大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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?!半m然有危險(xiǎn),但都是可控的。試驗(yàn)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?!?/font>

在6月份的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試中,劉上接連發(fā)生兩次失敗。測(cè)試時(shí),矢量控制系統(tǒng)已經(jīng)成型,發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝有矢量噴口、高速舵機(jī)等部件,成本很高。兩次失敗讓劉上損失了上千元,也對(duì)他造成了不小的打擊。經(jīng)過(guò)一番調(diào)整,他和伙伴中燃料方面的高手不斷討論,最后通過(guò)調(diào)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(jí)航天中烏班學(xué)生白澔烔是劉上的好友,早在二人考入南航之前,白澔烔便以“Boss Monkey”的網(wǎng)名與劉上在科技論壇相識(shí)。去年劉上提出制作火箭的設(shè)想后,白澔烔一直與劉上保持著交流。 “去年航天學(xué)院運(yùn)動(dòng)會(huì),我就發(fā)現(xiàn)他在操場(chǎng)上獨(dú)自在自學(xué)單片機(jī)相關(guān)知識(shí),他就是這樣非??焖俚赝黄屏艘粋€(gè)個(gè)知識(shí)點(diǎn),尤其是疫情期間,研究進(jìn)程突飛猛進(jìn)。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,所以愛(ài)好者之間相互幫助交流是很重要的環(huán)節(jié)?!卑诐粸f(shuō)。

劉上表示,自己的同鄉(xiāng)兼網(wǎng)友劉奕兵是給予他最大幫助的人。從最初的發(fā)動(dòng)機(jī)加工一直到視頻后期制作,這位朋友始終支持著自己,“他幾乎在現(xiàn)場(chǎng)參與了每一次測(cè)試和火箭最后的發(fā)射,測(cè)試時(shí)的素材他拍攝的比我自己還多,特別感謝他?!眲⑸辖榻B,劉奕兵是自己的同齡人,也是高校內(nèi)的火箭愛(ài)好者,二人在網(wǎng)上認(rèn)識(shí)后一拍即合,很快成為火箭研制之路上的堅(jiān)強(qiáng)支持。 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),與成員們相互請(qǐng)教。由于常常埋頭研究到凌晨?jī)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(dá)到最高的性能?!眲⑸媳硎?,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(shù)據(jù),將繼續(xù)改進(jìn)程序算法?!拔业淖罱K目標(biāo)是用火箭送快遞,”劉上介紹,裝載著貨物的火箭“快遞員”會(huì)精準(zhǔn)地射向目的地,并在到達(dá)后通過(guò)減速發(fā)動(dòng)機(jī)安全軟著陸。為此,劉上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)軟著陸?!?/font>

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(jī)航拍?!八婕胺矫婧芏?,攝影、視頻制作、航模、穿越機(jī)花飛、火箭、外骨骼,什么都玩?!卑诐粸@樣形容劉上。平日在朋友眼中“不太愛(ài)說(shuō)話”的他,總能對(duì)自己的作品侃侃而談。 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),他的房間內(nèi)也擺滿了各類(lèi)制作模型的設(shè)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,貼著一張SpaceX的海報(bào),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(duì)各類(lèi)科幻電影的喜愛(ài),都影響了劉上的研究方向。 “我就是想搞點(diǎn)好玩炫酷、對(duì)社會(huì)有價(jià)值的東西出來(lái)?!痹趧⑸峡磥?lái),視頻的爆紅有因可循,“以前大家都覺(jué)得只有國(guó)外網(wǎng)友能玩火箭,所以在國(guó)內(nèi)看到會(huì)覺(jué)得還蠻驚喜的。如果我能繼續(xù)做成功,應(yīng)該還是挺有鼓舞性的?!?/font> 而在視頻發(fā)布后,“BPS.space”也注意到了劉上的成果,“不可思議,這是非凡的作品!”對(duì)于這句評(píng)價(jià),劉上感到自己的作品獲得了認(rèn)可。 去年,劉上考入南航航天學(xué)院學(xué)習(xí)。

“之前圈子里有個(gè)厲害的‘前輩’來(lái)了南航。探索永無(wú)止境,在南航學(xué)習(xí),我相信自己在未來(lái)只會(huì)更加專(zhuān)業(yè)?!?/font> “與其他大一新生的微信朋友圈’畫(huà)風(fēng)’不同,他的朋友圈記錄了他在航天道路上的每一步成長(zhǎng)?!眲⑸系谋究粕鷮?dǎo)師、航天學(xué)院副院長(zhǎng)朱旭東對(duì)劉上有很深的印象,“了解到他在航天科創(chuàng)方面的熱情后,學(xué)院聯(lián)系了相關(guān)領(lǐng)域的教授對(duì)他進(jìn)行科創(chuàng)指導(dǎo)?!?/font>

據(jù)了解,本科生導(dǎo)師制是航天學(xué)院為學(xué)生選任專(zhuān)門(mén)指導(dǎo)老師的培養(yǎng)制度,在本科生入學(xué)時(shí)為每個(gè)寢室4名學(xué)生配備一名專(zhuān)業(yè)指導(dǎo)老師。大一期間,劉上還加入了學(xué)校的航模隊(duì)。航模隊(duì)老師史明雙指導(dǎo)劉上用自制火箭申報(bào)了航空特色科技創(chuàng)新基地創(chuàng)新項(xiàng)目,獲得了學(xué)校的經(jīng)費(fèi)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)?!?年里,他一直堅(jiān)持著自己的熱愛(ài)。“我的興趣好像沒(méi)有起源,追求一直沒(méi)斷,今后希望將熱愛(ài)變成事業(yè)?!?/font>

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