“未來可期!”“大一就把畢設(shè)做完了!”近日，一條學(xué)生自制固體火箭成功發(fā)射的視頻在嗶哩嗶哩視頻網(wǎng)站(B站)上火了。不到一天的時(shí)間里，該視頻播放量就達(dá)到41.6萬，目前閱讀量超過百萬，彈幕留言超6000條，而在抖音中同時(shí)發(fā)布的視頻，已收獲800余萬的播放量。
視頻中，一枚擁有透明箭體、外形炫酷的火箭矗立在一片空地上等待發(fā)射。倒計(jì)時(shí)開始，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，火箭拖著尾煙升空，飛行190米后下落，降落傘成功打開，火箭順利著陸并被回收。隨后，視頻完整展現(xiàn)了一枚火箭從自主設(shè)計(jì)，到流體仿真、制造、測(cè)試、控制，并最終發(fā)射和回收的全過程。
這則視頻的作者、火箭的設(shè)計(jì)者名叫劉上，就讀于南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院航空航天工程專業(yè)，剛結(jié)束大一的所有課程。視頻中所有步驟都由他自主完成，其中涉及的專業(yè)知識(shí)之多，令網(wǎng)友們大呼“真是專業(yè)大神”!
37個(gè)視頻，一步步攻克難關(guān)
這枚火箭高約96cm，直徑9.5cm，重3.1kg，不同部件用到了光固化樹脂、電木、尼龍、PC塑料、碳纖維、不銹鋼等材料，是劉上疫情期間在家中上網(wǎng)課之余制作的。
早在去年10月，劉上已經(jīng)有了這樣的設(shè)想。“當(dāng)時(shí)看到國外知名的愛好者‘BPS.space’制作的姿態(tài)控制火箭，激發(fā)了靈感。不過最初的想法非常粗糙，有很多知識(shí)點(diǎn)沒有理解”。
2019年10月19日，劉上通過自己的B站賬號(hào)發(fā)布了第一個(gè)相關(guān)視頻“小型矢量噴管姿態(tài)自穩(wěn)固體火箭”，展示了作為固體火箭雛形的模型火箭制作過程。
劉上介紹，最初只打算做成簡(jiǎn)單的火箭模型，在設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮各種現(xiàn)實(shí)性因素，不過隨著模型漸漸完成，便有了使用固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)使這個(gè)模型飛起來的想法。
在視頻的評(píng)論區(qū)中，劉上寫道：“這個(gè)項(xiàng)目我會(huì)持續(xù)地做下去，這是一個(gè)充滿著困難與挑戰(zhàn)的過程，同時(shí)也是一個(gè)長(zhǎng)久的過程，需要我不斷地去學(xué)習(xí)、不斷地去探索、不斷地去嘗試，但只要我一直堅(jiān)持下去，說不定哪天就成功了。”
在半年多里，通過自學(xué)和與愛好者們交流，劉上點(diǎn)亮了機(jī)械設(shè)計(jì)、3D建模、發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料、編程、飛控算法、3D打印的“技能樹”，才最終實(shí)現(xiàn)火箭的成功發(fā)射。B站賬號(hào)上的37個(gè)視頻，則記錄了劉上一步一個(gè)腳印的研制過程。
“推力矢量控制(TVC)”“姿態(tài)控制”“模塊化設(shè)計(jì)”“可重復(fù)使用”……這些都是這枚火箭的“牛”處所在。火箭使用了劉上自制的TVC發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)的噴口可以向不同方向偏轉(zhuǎn)，只要稍稍改變方向，就可以保證火箭筆直升空。這枚TVC發(fā)動(dòng)機(jī)是劉上此次最滿意的設(shè)計(jì)之一，在民間火箭愛好者的圈子里也是一個(gè)不小的突破。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)使用“C型”燃料內(nèi)孔，推力平穩(wěn);自帶起落架，無需發(fā)射架輔助便能起飛。
對(duì)劉上而言，為火箭安裝姿態(tài)控制系統(tǒng)同樣是全新的嘗試。有了它，升空后的火箭會(huì)根據(jù)傳感器收到的數(shù)據(jù)，在空中自動(dòng)調(diào)整姿態(tài)。火箭還在空中完成了推力矢量和鴨翼控制的切換，全程無需遙控。
10個(gè)月試驗(yàn)，在一次次失敗中找到答案
在研制中，矢量發(fā)動(dòng)機(jī)的部分是耗時(shí)最久的。近4個(gè)月的嘗試，劉上經(jīng)歷了數(shù)次失敗。
第一大難題便是發(fā)動(dòng)機(jī)矢量噴口的設(shè)計(jì)，對(duì)這方面知識(shí)儲(chǔ)備不足的劉上參考了很多圖書，設(shè)計(jì)完成后，和朋友一同完成了推力矢量的流體仿真，最終的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)高度吻合。
“另一個(gè)是燃料問題，我對(duì)于燃料方面的了解不夠深入。”劉上說。研制過程需要大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)，火箭燃料的安全問題更是重中之重，不容許一點(diǎn)失誤。“雖然有危險(xiǎn)，但都是可控的。試驗(yàn)的時(shí)候會(huì)找無人的地方，提前找好掩體，備好滅火器，遙控點(diǎn)火”。
6月的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試接連兩次失敗，劉上損失了上千元，也對(duì)他造成了不小的打擊。經(jīng)過一番調(diào)整，他和伙伴中的燃料高手不斷討論，最后通過調(diào)整配方、冷凍燃料表面等方法解決了問題。
南航航天學(xué)院2019級(jí)航天中烏班學(xué)生白澔烔是劉上的好友。去年劉上提出制作火箭的設(shè)想后，白澔烔一直與劉上保持著交流。
去年航天學(xué)院運(yùn)動(dòng)會(huì)，白澔烔發(fā)現(xiàn)劉上在操場(chǎng)上自學(xué)單片機(jī)相關(guān)知識(shí)，“他快速突破一個(gè)個(gè)知識(shí)點(diǎn)，尤其是疫情期間，研究進(jìn)程突飛猛進(jìn)”。白澔烔說，劉上的個(gè)人能力毋庸置疑，但有控火箭涉及方面很多，不可能每一點(diǎn)都兼顧，“愛好者之間相互幫助交流是很重要的環(huán)節(jié)”。
劉上表示，同鄉(xiāng)兼網(wǎng)友劉奕兵是給予自己最大幫助的人。從最初的發(fā)動(dòng)機(jī)加工一直到視頻后期制作，劉奕兵幾乎在現(xiàn)場(chǎng)參與了每一次測(cè)試和火箭最后的發(fā)射。
劉上也經(jīng)常在愛好者組建的交流群中分享自己的研制進(jìn)度和難點(diǎn)，與成員們相互交流。由于常常埋頭研究到凌晨?jī)扇c(diǎn)或者更晚，第二天早上照常上課，群友們都稱他為“肝帝”。
“這枚火箭還沒有達(dá)到最高的性能。”劉上表示，通過安裝在火箭上的傳感器和定位模塊，他采集到了本次飛行的各類數(shù)據(jù)，將繼續(xù)改進(jìn)程序算法。“我的最終目標(biāo)是用火箭送快遞。”劉上介紹。為此，他確定了三步走的研發(fā)策略：“姿態(tài)控制、飛行軌跡控制、定點(diǎn)軟著陸。”
7年熱愛，追求無止境
早在初中時(shí)，劉上就已發(fā)射過自制火箭，并用自制的無人機(jī)航拍。“攝影、視頻制作、航模、穿越機(jī)花飛、火箭、外骨骼，他什么都玩。”白澔烔說。
得益于父母的大力支持，劉上能將更多的精力投入到興趣上。平日里，劉上閱讀的書籍全是自己搜集來的專業(yè)書，房間內(nèi)也擺滿了各類制作模型的設(shè)備和工具，劉上自己都覺得“有點(diǎn)走火入魔的感覺”。
在劉上的房間里，貼著一張SpaceX的海報(bào)，SpaceX的創(chuàng)始人馬斯克是劉上的偶像。初中時(shí)，劉上了解到SpaceX公司的可回收垂直起降的火箭，瞬間被吸引，加上對(duì)各類科幻電影的喜愛，都影響了他的研究方向。
“我就是想搞點(diǎn)好玩炫酷、對(duì)社會(huì)有價(jià)值的東西出來。”在劉上看來，視頻的爆紅有因可循，“以前大家都覺得只有國外網(wǎng)友能玩火箭，所以在國內(nèi)看到會(huì)覺得還蠻驚喜的。如果我能繼續(xù)成功，應(yīng)該還是挺鼓舞人的。”
在視頻發(fā)布后，“BPS.space”也注意到了劉上的成果，并評(píng)價(jià)：“不可思議，這是非凡的作品!”
“與其他大一新生的微信朋友圈‘畫風(fēng)’不同，劉上的朋友圈記錄了他在航天道路上的每一步成長(zhǎng)。”劉上的本科生導(dǎo)師、航天學(xué)院副院長(zhǎng)朱旭東說。了解到劉上在航天科創(chuàng)方面的熱情后，學(xué)院聯(lián)系了相關(guān)領(lǐng)域的教授對(duì)他進(jìn)行專門的指導(dǎo)。據(jù)了解，本科生導(dǎo)師制是航天學(xué)院為學(xué)生選任專門指導(dǎo)老師的培養(yǎng)制度，在本科生入學(xué)時(shí)為每個(gè)寢室4名學(xué)生配備1名專業(yè)指導(dǎo)老師。
大一期間，劉上加入了學(xué)校的航模隊(duì)。航模隊(duì)老師史明雙指導(dǎo)劉上用自制火箭申報(bào)了航空特色科技創(chuàng)新基地創(chuàng)新項(xiàng)目，獲得了學(xué)校的經(jīng)費(fèi)支持。
2014年，還在上初中的劉上曾在QQ空間里寫下：“我覺得最吸引我的東西是航模、火箭、化學(xué)。”7年里，他一直堅(jiān)持著自己的熱愛，“我的追求一直沒停，今后希望將熱愛變成事業(yè)”。( 張紫略 倪子涵 李潤文)
