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本科生只会焊收音机?南航大二学生自制火箭成功升空,获知名UP主“稚晖君”点赞

Felix分析 来源:电子发烧友网 作者:Felix 2021-10-13 09:22 次阅读
近日,B站科技频道发布了两集重磅视频,先是知名UP主稚晖君的自制机械臂,然后是名为Shang001的UP主的自制火箭。Shang001是南京航空航天大学大二学生,名为刘上,其视频发布之后,早在B站成名的稚晖君评论称:很厉害,加油。
图源:B站

本科生的自制火箭

在Shang001的视频中,他描述了自制可回收火箭的系统结构、3D模型和软件仿真。
图源:B站视频截图

Shang001在置顶评论中表示:“从大一做到现在,差不多两年左右的时间,一点一点学习积累到现在大部分硬件已经做得差不多了,尽管离定点垂直反推着陆的目标仍有一定距离。接下来的重点是去研究一下软件算法方面的问题。目前阶段干劲很足,学习和创作的欲望都非常强,最大的阻碍实际上来自于时间,平时上课和完成作业占了大量时间,基本上一直以来都只能利用周末和假期来搞火箭,所以速度比较慢。这两年来投入的经费主要是三个方面,其中大部分是家里的支持,另一部分是B站的视频收益,以及将来能在学校报销一部分。”

这枚自制火箭主要包含以下几个部分:可折叠栅格舵、可摆动四喷管、飞控系统、碳纤维火箭发动机、可折叠着陆腿、整流罩、反推发动机、传感器系统、矢量控制舵机和喷流致偏器。

Shang001将其命名为“小型反推垂直回收火箭”,该类型火箭在维基百科上面的学名为完全可重复使用运载火箭,是可重复使用发射系统的重要组成部分。

根据视频中的介绍,Shang001自制的火箭采用CF-20-44主发动机,总冲量为419Ns,平均推力为131N,最大推力为163N,燃烧时间为3.2s,发展质量为749g,燃尽质量为522g,最大推动偏向角为15°,不控制时无推力损失。
喷射口可控演示(图源:B站视频截图)

在火箭的控制系统,Shang001为其配备了GNSS卫星定位接收机,IMU惯性传感器,IMU减震底座和主控芯片STM32F407VET6。这颗主控芯片基于ARM Cortex-M4打造,带DSP和FPU,并内置512 KB Flash、168 MHz CPU、ART加速器、以太网和FSMC。

在软件方面,这颗自制火箭采用组合导航算法,通过卡尔曼滤波进行组合,用GNSS和惯性导航输出的位置和速度信息的差值作为测量值,经过卡尔曼滤波之后得出导航系统的误差,并进行校正。
卡尔曼滤波基本方程(图源:B站视频截图)

该火箭也配备了着陆反推发动机,通过对四个喷嘴的独立控制,以实现对合推力矢量大小和方向的控制。
图源:B站视频截图

在演示过程中,由于算法不成熟,当火箭升空之后,反推发动机启动失败,最终打开了紧急降落伞完成了着陆。

因此,Shang001才在评论中讲到,自己的下一步重点是研究算法问题。

可回收火箭的几种方法

可回收火箭的实现有重大的经济/科研价值和发展前景,能够极大地降低人们探索太空的成本。根据马斯克此前在节目中的描述,作为第1种成功垂直回收的运载火箭,SpaceX的猎鹰9号火箭成本是6000万美元,而该火箭的燃料成本仅为20万美元。因此一旦可回收火箭技术发展成熟,火箭就可以像陆地上的货车/客车一样,主体是固定资产,只需要补充燃料,就可以持续的使用。

目前,已经公开的可回收火箭技术大致有四种。

第一种就是视频中南航学生自制火箭着陆时的应急方案——降落伞回收。降落伞回收的优点是设计简单,故障率低,SpaceX的猎鹰1号火箭正式采用这种方式回收。但降落伞回收的局限性也很明显,由于降落伞的原理是用比较大的伞面增加自由落体下降时的阻力,减小下降时的速度,使物体下降到地面的速度成为能够承受的速度,因此要求火箭重量不能太重,进而限制了火箭的运载能力。

第二种就是视频中南航学生自制火箭本来要使用的着陆方案——垂直回收。美国当地时间2015年12月21日晚,猎鹰9号火箭在佛罗里达州卡纳维拉尔角成功实现第一节火箭软着陆,从而开创了火箭从太空直接垂直回收的历史。目前,蓝色起源的新谢帕德号也在采用这样的回收方式。美国当地时间2017年3月30日,SpaceX为SES-10卫星发射了此前回收的猎鹰9号,这是第一次重新发射载有有效载荷的轨道火箭返回太空。

第三种是使用空气静力着陆。空气静力学是研究气体静止时的现象以及相关力学行为的科学,应用火箭回收时,是在原火箭的外面加上一个带有可充气、可重复使用的第一级运载火箭,该结构采用轻质量的气体填充可以变大,当火箭降落时,能够在即将着陆时让第一级结构仍然漂浮在空中,进而达到重复使用的目的。

第四种是空中回收,这种方法由Rocket Lab首创,其电子号火箭就是采用这种方法,属于降落伞回收的升级版。主要实现方法是先用降落伞将火箭进行减速,当速度减小到允许回收范围时,由直升机在空中将火箭进行回收。

中外可回收火箭进展对比

从实验结果来看,Shang001的“小型反推垂直回收火箭”还有很长的探索之路,如果从应用角度来看,这个作品还远远够不上火箭的标准。在维基百科对于完全可重复使用运载火箭的描述中,在发射过程中有一个关键的步骤,那就是入轨。那么,真正的商业级/科研级可回收火箭当前的发展现状如何呢?

截止到2021年8月份的统计结果显示,目前美国的SpaceX在这个领域处于领先,旗下有三款火箭属于可回收类型,分别是第一阶段和整流罩可重复使用的猎鹰9;核心、侧面助推器和整流罩可重复使用的猎鹰重型火箭;还有完全可重复使用的星舰,不过星舰目前还处于原型阶段。

蓝色起源同样是美国公司,该公司的新谢泼德号是亚轨道级完全可重复使用火箭,而正在开发中的新格伦号属于轨道级第一阶段可重复利用的火箭。

Rocket Lab的电子号已经完成了第一阶段的回收,只是还没有重新利用,该火箭属于轨道级。而其正在开发中的中子号依然是轨道级,也是第一阶段可重复使用。

除了这三家,美国还有美国宇航局、维珍银河、联合发射联盟和相对空间也在参与这方面的研发工作。这其中,维珍银河的亚轨道级完全可回收火箭已经开始用于太空旅游项目。

除美国之外,世界上其他国家和地区都在研发和测试中,比如俄罗斯航天局的阿穆尔号和中国星际荣耀的双曲线2一号等。

国内目前很重视可回收火箭的发展,航天科技集团正在对长征8号系列火箭进行可回收设计,未来将用于商用市场,补齐我国在商用市场的短板,要在2030年之前完成4000发各型卫星的发射任务。

在民营市场,翎客航天2019年就宣布完成了可回收火箭RLV-T5第三次发射和回收的试验,不过这两年并没有更多进展传出。星际荣耀今年的两次试验也并不顺利,在第二次试验中,由于整流罩未能正常分离,未能将火箭送入预定的500公里SSO(太阳同步轨道),飞行试验未达预期目的。

综合来看,美国目前在全球商用可回收火箭市场属于翘楚,且优势明显,中国和其他各国都还是追赶者。在这个过程中,需要更多像Shang001这种勇于创新的学生,为我国航天事业发展注入新的血液。

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