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本科生只會焊收音機?南航大二學(xué)生自制火箭成功升空,獲知名UP主“稚暉君”點贊

Felix分析 ? 來源:電子發(fā)燒友網(wǎng) ? 作者:Felix ? 2021-10-13 09:22 ? 次閱讀
近日,B站科技頻道發(fā)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(xué)大二學(xué)生,名為劉上,其視頻發(fā)布之后,早在B站成名的稚暉君評論稱:很厲害,加油。
圖源:B站

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(tǒng)結(jié)構(gòu)、3D模型和軟件仿真
圖源:B站視頻截圖

Shang001在置頂評論中表示:“從大一做到現(xiàn)在,差不多兩年左右的時間,一點一點學(xué)習(xí)積累到現(xiàn)在大部分硬件已經(jīng)做得差不多了,盡管離定點垂直反推著陸的目標(biāo)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(xué)習(xí)和創(chuàng)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(yè)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(jīng)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(xué)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(tǒng)、碳纖維火箭發(fā)動機、可折疊著陸腿、整流罩、反推發(fā)動機、傳感器系統(tǒng)、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(xué)名為完全可重復(fù)使用運載火箭,是可重復(fù)使用發(fā)射系統(tǒng)的重要組成部分。

根據(jù)視頻中的介紹,Shang001自制的火箭采用CF-20-44主發(fā)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(fā)展質(zhì)量為749g,燃盡質(zhì)量為522g,最大推動偏向角為15°,不控制時無推力損失。
噴射口可控演示(圖源:B站視頻截圖)

在火箭的控制系統(tǒng),Shang001為其配備了GNSS衛(wèi)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(nèi)置512 KB Flash、168 MHz CPU、ART加速器、以太網(wǎng)和FSMC。

在軟件方面,這顆自制火箭采用組合導(dǎo)航算法,通過卡爾曼濾波進(jìn)行組合,用GNSS和慣性導(dǎo)航輸出的位置和速度信息的差值作為測量值,經(jīng)過卡爾曼濾波之后得出導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差,并進(jìn)行校正。
卡爾曼濾波基本方程(圖源:B站視頻截圖)

該火箭也配備了著陸反推發(fā)動機,通過對四個噴嘴的獨立控制,以實現(xiàn)對合推力矢量大小和方向的控制。
圖源:B站視頻截圖

在演示過程中,由于算法不成熟,當(dāng)火箭升空之后,反推發(fā)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(xiàn)有重大的經(jīng)濟/科研價值和發(fā)展前景,能夠極大地降低人們探索太空的成本。根據(jù)馬斯克此前在節(jié)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(shù)發(fā)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(chǎn),只需要補充燃料,就可以持續(xù)的使用。

目前,已經(jīng)公開的可回收火箭技術(shù)大致有四種。

第一種就是視頻中南航學(xué)生自制火箭著陸時的應(yīng)急方案——降落傘回收。降落傘回收的優(yōu)點是設(shè)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(jìn)而限制了火箭的運載能力。

第二種就是視頻中南航學(xué)生自制火箭本來要使用的著陸方案——垂直回收。美國當(dāng)?shù)貢r間2015年12月21日晚,獵鷹9號火箭在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角成功實現(xiàn)第一節(jié)火箭軟著陸,從而開創(chuàng)了火箭從太空直接垂直回收的歷史。目前,藍(lán)色起源的新謝帕德號也在采用這樣的回收方式。美國當(dāng)?shù)貢r間2017年3月30日,SpaceX為SES-10衛(wèi)星發(fā)射了此前回收的獵鷹9號,這是第一次重新發(fā)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(xué)是研究氣體靜止時的現(xiàn)象以及相關(guān)力學(xué)行為的科學(xué),應(yīng)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(fù)使用的第一級運載火箭,該結(jié)構(gòu)采用輕質(zhì)量的氣體填充可以變大,當(dāng)火箭降落時,能夠在即將著陸時讓第一級結(jié)構(gòu)仍然漂浮在空中,進(jìn)而達(dá)到重復(fù)使用的目的。

第四種是空中回收,這種方法由Rocket Lab首創(chuàng),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(xiàn)方法是先用降落傘將火箭進(jìn)行減速,當(dāng)速度減小到允許回收范圍時,由直升機在空中將火箭進(jìn)行回收。

中外可回收火箭進(jìn)展對比

從實驗結(jié)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(yīng)用角度來看,這個作品還遠(yuǎn)遠(yuǎn)夠不上火箭的標(biāo)準(zhǔn)。在維基百科對于完全可重復(fù)使用運載火箭的描述中,在發(fā)射過程中有一個關(guān)鍵的步驟,那就是入軌。那么,真正的商業(yè)級/科研級可回收火箭當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀如何呢?

截止到2021年8月份的統(tǒng)計結(jié)果顯示,目前美國的SpaceX在這個領(lǐng)域處于領(lǐng)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(fù)使用的獵鷹9;核心、側(cè)面助推器和整流罩可重復(fù)使用的獵鷹重型火箭;還有完全可重復(fù)使用的星艦,不過星艦?zāi)壳斑€處于原型階段。

藍(lán)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(fù)使用火箭,而正在開發(fā)中的新格倫號屬于軌道級第一階段可重復(fù)利用的火箭。

Rocket Lab的電子號已經(jīng)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(fā)中的中子號依然是軌道級,也是第一階段可重復(fù)使用。

除了這三家,美國還有美國宇航局、維珍銀河、聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟和相對空間也在參與這方面的研發(fā)工作。這其中,維珍銀河的亞軌道級完全可回收火箭已經(jīng)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(qū)都在研發(fā)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(nèi)目前很重視可回收火箭的發(fā)展,航天科技集團正在對長征8號系列火箭進(jìn)行可回收設(shè)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(fā)各型衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)。

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(fā)射和回收的試驗,不過這兩年并沒有更多進(jìn)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(yù)定的500公里SSO(太陽同步軌道),飛行試驗未達(dá)預(yù)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(yōu)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(chuàng)新的學(xué)生,為我國航天事業(yè)發(fā)展注入新的血液。

聲明:本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網(wǎng)站授權(quán)轉(zhuǎn)載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場。文章及其配圖僅供工程師學(xué)習(xí)之用,如有內(nèi)容侵權(quán)或者其他違規(guī)問題,請聯(lián)系本站處理。 舉報投訴
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