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南航大二學生自制火箭成功升空獲知名UP主“稚暉君”點贊

lPCU_elecfans ? 來源:電子發燒友網 ? 作者:吳子鵬 ? 2021-10-15 10:55 ? 次閱讀

電子發燒友網報道(文/吳子鵬)近日,B站科技頻道發布了兩集重磅視頻,先是知名UP主稚暉君的自制機械臂,然后是名為Shang001的UP主的自制火箭。Shang001是南京航空航天大學大二學生,名為劉上,其視頻發布之后,早在B站成名的稚暉君評論稱:很厲害,加油。

本科生的自制火箭

在Shang001的視頻中,他描述了自制可回收火箭的系統結構、3D模型和軟件仿真

Shang001在置頂評論中表示:“從大一做到現在,差不多兩年左右的時間,一點一點學習積累到現在大部分硬件已經做得差不多了,盡管離定點垂直反推著陸的目標仍有一定距離。接下來的重點是去研究一下軟件算法方面的問題。

目前階段干勁很足,學習和創作的欲望都非常強,最大的阻礙實際上來自于時間,平時上課和完成作業占了大量時間,基本上一直以來都只能利用周末和假期來搞火箭,所以速度比較慢。這兩年來投入的經費主要是三個方面,其中大部分是家里的支持,另一部分是B站的視頻收益,以及將來能在學校報銷一部分。”

這枚自制火箭主要包含以下幾個部分:可折疊柵格舵、可擺動四噴管、飛控系統、碳纖維火箭發動機、可折疊著陸腿、整流罩、反推發動機、傳感器系統、矢量控制舵機和噴流致偏器。

Shang001將其命名為“小型反推垂直回收火箭”,該類型火箭在維基百科上面的學名為完全可重復使用運載火箭,是可重復使用發射系統的重要組成部分。

根據視頻中的介紹,Shang001自制的火箭采用CF-20-44主發動機,總沖量為419Ns,平均推力為131N,最大推力為163N,燃燒時間為3.2s,發展質量為749g,燃盡質量為522g,最大推動偏向角為15°,不控制時無推力損失。

在火箭的控制系統,Shang001為其配備了GNSS衛星定位接收機,IMU慣性傳感器,IMU減震底座和主控芯片STM32F407VET6。這顆主控芯片基于ARM Cortex-M4打造,帶DSP和FPU,并內置512 KB Flash、168 MHz CPU、ART加速器、以太網和FSMC。

在軟件方面,這顆自制火箭采用組合導航算法,通過卡爾曼濾波進行組合,用GNSS和慣性導航輸出的位置和速度信息的差值作為測量值,經過卡爾曼濾波之后得出導航系統的誤差,并進行校正。

該火箭也配備了著陸反推發動機,通過對四個噴嘴的獨立控制,以實現對合推力矢量大小和方向的控制。

在演示過程中,由于算法不成熟,當火箭升空之后,反推發動機啟動失敗,最終打開了緊急降落傘完成了著陸。

因此,Shang001才在評論中講到,自己的下一步重點是研究算法問題。

可回收火箭的幾種方法

可回收火箭的實現有重大的經濟/科研價值和發展前景,能夠極大地降低人們探索太空的成本。根據馬斯克此前在節目中的描述,作為第1種成功垂直回收的運載火箭,SpaceX的獵鷹9號火箭成本是6000萬美元,而該火箭的燃料成本僅為20萬美元。因此一旦可回收火箭技術發展成熟,火箭就可以像陸地上的貨車/客車一樣,主體是固定資產,只需要補充燃料,就可以持續的使用。

目前,已經公開的可回收火箭技術大致有四種。

第一種就是視頻中南航學生自制火箭著陸時的應急方案——降落傘回收。降落傘回收的優點是設計簡單,故障率低,SpaceX的獵鷹1號火箭正式采用這種方式回收。但降落傘回收的局限性也很明顯,由于降落傘的原理是用比較大的傘面增加自由落體下降時的阻力,減小下降時的速度,使物體下降到地面的速度成為能夠承受的速度,因此要求火箭重量不能太重,進而限制了火箭的運載能力。

第二種就是視頻中南航學生自制火箭本來要使用的著陸方案——垂直回收。美國當地時間2015年12月21日晚,獵鷹9號火箭在佛羅里達州卡納維拉爾角成功實現第一節火箭軟著陸,從而開創了火箭從太空直接垂直回收的歷史。目前,藍色起源的新謝帕德號也在采用這樣的回收方式。美國當地時間2017年3月30日,SpaceX為SES-10衛星發射了此前回收的獵鷹9號,這是第一次重新發射載有有效載荷的軌道火箭返回太空。

第三種是使用空氣靜力著陸。空氣靜力學是研究氣體靜止時的現象以及相關力學行為的科學,應用火箭回收時,是在原火箭的外面加上一個帶有可充氣、可重復使用的第一級運載火箭,該結構采用輕質量的氣體填充可以變大,當火箭降落時,能夠在即將著陸時讓第一級結構仍然漂浮在空中,進而達到重復使用的目的。

第四種是空中回收,這種方法由Rocket Lab首創,其電子號火箭就是采用這種方法,屬于降落傘回收的升級版。主要實現方法是先用降落傘將火箭進行減速,當速度減小到允許回收范圍時,由直升機在空中將火箭進行回收。

中外可回收火箭進展對比

從實驗結果來看,Shang001的“小型反推垂直回收火箭”還有很長的探索之路,如果從應用角度來看,這個作品還遠遠夠不上火箭的標準。在維基百科對于完全可重復使用運載火箭的描述中,在發射過程中有一個關鍵的步驟,那就是入軌。那么,真正的商業級/科研級可回收火箭當前的發展現狀如何呢?

截止到2021年8月份的統計結果顯示,目前美國的SpaceX在這個領域處于領先,旗下有三款火箭屬于可回收類型,分別是第一階段和整流罩可重復使用的獵鷹9;核心、側面助推器和整流罩可重復使用的獵鷹重型火箭;還有完全可重復使用的星艦,不過星艦目前還處于原型階段。

藍色起源同樣是美國公司,該公司的新謝潑德號是亞軌道級完全可重復使用火箭,而正在開發中的新格倫號屬于軌道級第一階段可重復利用的火箭。

Rocket Lab的電子號已經完成了第一階段的回收,只是還沒有重新利用,該火箭屬于軌道級。而其正在開發中的中子號依然是軌道級,也是第一階段可重復使用。

除了這三家,美國還有美國宇航局、維珍銀河、聯合發射聯盟和相對空間也在參與這方面的研發工作。這其中,維珍銀河的亞軌道級完全可回收火箭已經開始用于太空旅游項目。

除美國之外,世界上其他國家和地區都在研發和測試中,比如俄羅斯航天局的阿穆爾號和中國星際榮耀的雙曲線2一號等。

國內目前很重視可回收火箭的發展,航天科技集團正在對長征8號系列火箭進行可回收設計,未來將用于商用市場,補齊我國在商用市場的短板,要在2030年之前完成4000發各型衛星的發射任務。

在民營市場,翎客航天2019年就宣布完成了可回收火箭RLV-T5第三次發射和回收的試驗,不過這兩年并沒有更多進展傳出。星際榮耀今年的兩次試驗也并不順利,在第二次試驗中,由于整流罩未能正常分離,未能將火箭送入預定的500公里SSO(太陽同步軌道),飛行試驗未達預期目的。

綜合來看,美國目前在全球商用可回收火箭市場屬于翹楚,且優勢明顯,中國和其他各國都還是追趕者。在這個過程中,需要更多像Shang001這種勇于創新的學生,為我國航天事業發展注入新的血液。

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原文標題:本科生只會焊收音機?南航大二學生自制火箭成功升空,獲知名UP主“稚暉君”點贊

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