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

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(jī)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(píng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)、3D模型和軟件仿真。

Shang001在置頂評(píng)論中表示：“從大一做到現(xiàn)在，差不多兩年左右的時(shí)間，一點(diǎn)一點(diǎn)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(diǎn)垂直反推著陸的目標(biāo)仍有一定距離。接下來的重點(diǎn)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(qiáng)，最大的阻礙實(shí)際上來自于時(shí)間，平時(shí)上課和完成作業(yè)占了大量時(shí)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(fèi)主要是三個(gè)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(bào)銷一部分?！?br />
這枚自制火箭主要包含以下幾個(gè)部分：可折疊柵格舵、可擺動(dòng)四噴管、飛控系統(tǒng)、碳纖維火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、可折疊著陸腿、整流罩、反推發(fā)動(dòng)機(jī)、傳感器系統(tǒng)、矢量控制舵機(jī)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(yùn)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(dòng)機(jī)，總沖量為419Ns，平均推力為131N，最大推力為163N，燃燒時(shí)間為3.2s，發(fā)展質(zhì)量為749g，燃盡質(zhì)量為522g，最大推動(dòng)偏向角為15°，不控制時(shí)無推力損失。

在火箭的控制系統(tǒng)，Shang001為其配備了GNSS衛(wèi)星定位接收機(jī)，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(cè)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。

該火箭也配備了著陸反推發(fā)動(dòng)機(jī)，通過對(duì)四個(gè)噴嘴的獨(dú)立控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dāng)火箭升空之后，反推發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)失敗，最終打開了緊急降落傘完成了著陸。

因此，Shang001才在評(píng)論中講到，自己的下一步重點(diǎn)是研究算法問題。

可回收火箭的幾種方法

可回收火箭的實(shí)現(xiàn)有重大的經(jīng)濟(jì)/科研價(jià)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(yùn)載火箭，SpaceX的獵鷹9號(hào)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(bǔ)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(shí)的應(yīng)急方案——降落傘回收。降落傘回收的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，故障率低，SpaceX的獵鷹1號(hào)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(shí)的阻力，減小下降時(shí)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(yùn)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(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間2015年12月21日晚，獵鷹9號(hào)火箭在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角成功實(shí)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(hào)也在采用這樣的回收方式。美國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)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(hào)，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?？諝忪o力學(xué)是研究氣體靜止時(shí)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(shí)，是在原火箭的外面加上一個(gè)帶有可充氣、可重復(fù)使用的第一級(jí)運(yùn)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(shí)，能夠在即將著陸時(shí)讓第一級(jí)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(hào)火箭就是采用這種方法，屬于降落傘回收的升級(jí)版。主要實(shí)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(shí)，由直升機(jī)在空中將火箭進(jìn)行回收。

中外可回收火箭進(jìn)展對(duì)比

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，Shang001的“小型反推垂直回收火箭”還有很長(zhǎng)的探索之路，如果從應(yīng)用角度來看，這個(gè)作品還遠(yuǎn)遠(yuǎn)夠不上火箭的標(biāo)準(zhǔn)。在維基百科對(duì)于完全可重復(fù)使用運(yùn)載火箭的描述中，在發(fā)射過程中有一個(gè)關(guān)鍵的步驟，那就是入軌。那么，真正的商業(yè)級(jí)/科研級(jí)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(jì)結(jié)果顯示，目前美國(guó)的SpaceX在這個(gè)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(guó)公司，該公司的新謝潑德號(hào)是亞軌道級(jí)完全可重復(fù)使用火箭，而正在開發(fā)中的新格倫號(hào)屬于軌道級(jí)第一階段可重復(fù)利用的火箭。

Rocket Lab的電子號(hào)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(jí)。而其正在開發(fā)中的中子號(hào)依然是軌道級(jí)，也是第一階段可重復(fù)使用。

除了這三家，美國(guó)還有美國(guó)宇航局、維珍銀河、聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟和相對(duì)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(jí)完全可回收火箭已經(jīng)開始用于太空旅游項(xiàng)目。

除美國(guó)之外，世界上其他國(guó)家和地區(qū)都在研發(fā)和測(cè)試中，比如俄羅斯航天局的阿穆爾號(hào)和中國(guó)星際榮耀的雙曲線2一號(hào)等。

國(guó)內(nèi)目前很重視可回收火箭的發(fā)展，航天科技集團(tuán)正在對(duì)長(zhǎng)征8號(hào)系列火箭進(jìn)行可回收設(shè)計(jì)，未來將用于商用市場(chǎng)，補(bǔ)齊我國(guó)在商用市場(chǎng)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(yíng)市場(chǎng)，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(yàn)，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(yàn)也并不順利，在第二次試驗(yàn)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(yàn)未達(dá)預(yù)期目的。

綜合來看，美國(guó)目前在全球商用可回收火箭市場(chǎng)屬于翹楚，且優(yōu)勢(shì)明顯，中國(guó)和其他各國(guó)都還是追趕者。在這個(gè)過程中，需要更多像Shang001這種勇于創(chuàng)新的學(xué)生，為我國(guó)航天事業(yè)發(fā)展注入新的血液。