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

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。