首枚学生自主设计火箭飞跃卡门线

追逐太空梦想,磨练职业技能


太空竞赛之初,大型政府组织在外太空探索项目上投入大量资金。而在近年,SpaceX、Virgin Galactic 和 Blue Origin 等商业公司陆续进入太空业务领域。这些公司开发火箭以部署卫星,为国际空间站补充物资,并可能在不久的将来实现商业太空旅行。但在耗资不菲的政府和商业项目之外,还有另一群人在追逐着太空梦:世界各地的大学生团队也在研究火箭发射技术,并在此过程中积累重要经验。而且,这些学生团队还面临着另一重挑战:他们往往预算紧张,并且团队还会随着成员毕业每四年彻底换血一次。

图片所有权:USCRPL

南加州大学的火箭推进实验室团队是首个将一枚完全由学生设计和制造的火箭发射到外太空的本科生团队。

将火箭发射到热成层需要精密的工程技术,在高风险的场景下兼顾速度、动力和精度。尽管此前早有学生团体成功制造和送出卫星,但直至现在,才有学生团队首次成功向外太空发射火箭。

2019 年 4 月 21 日,南加州大学火箭推进实验室 (USCRPL) 团队成为首个发射完全由学生设计和制造的火箭的本科生团队,他们发射的火箭越过了国际航空联盟定义的卡门线(即地球海平面上方 100 公里处)。其“旅行者 4 号”火箭飞行高度达到了 103,632 米,误差界限为 +/- 5120.64 米(340,000 英尺 +/- 16,800 英尺),实现了该组织 15 年来的夙愿,使之成为第一个将火箭发射到外太空的大学生团体。

USCRPL 汇集了来自不同研究领域的约 80 名学生。USCRPL 有一名指导老师,并获得了 20 多家商业公司的支持。该团队的目标是帮助本科生获得与行业实际工作类似的工程团队工作经验。团队成员密切合作,为实际工程问题寻找教科书以外的解决方案。

USCRPL 的主要工程团队包括航空电子、复合材料、推进、回收和仿真。另外,他们还拥有多个幕后团队,包括运营、媒体、基础设施和生产系统。

USCRPL 团队

  • 来自航天工程、机械工程、计算机科学等 6 个专业及其他领域的 80 多名学生
  • 全部为本科生,有一名指导老师
  • 校内专门实验室
  • 获得了南加大和 23 位行业领袖的资助与支持

“旅行者 4 号”火箭

  • 长度:3.96 米(13 英尺)
  • 直径:20.32 厘米(8 英寸)
  • 重量:140 千克(310 磅)
  • 高度:103,632 米(340,000 英尺)
  • 固体燃料
  • 最高速度:5.1 马赫(5449 公里/小时,3386 英里/小时)
  • 从坐落在新墨西哥州的美国太空港发射
  • 制造历时 7 个月

USCRPL 工程团队

  • 航空电子:设计、制造和操作火箭头部整流罩的电子单元
  • 复合材料:设计并执行箭体、尾翼、喷管和头部整流罩的绞合
  • 推进:设计和制造火箭发动机
  • 回收:开发并确保降落伞的部署
  • 仿真:制作飞行仿真器和固体火箭发动机仿真器

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以实践实现梦想

与商业同行一样,USCRPL 团队依靠系统仿真来设计和测试火箭。仿真团队采用与其专业同行几乎一致的方法解决系统仿真问题,他们深知,当他们完成学业、进入航空航天公司或投身其他相关领域时,这份经验将很有帮助。设计实践和商业软件使用经验是其中的关键。

USCRPL 仿真团队的负责人 Luke St. Regis 与其他两名学生一起制作了自定义飞行仿真器和自定义固体火箭发动机仿真器。作为一名主修计算机科学和航天工程的大四学生,他表示,MATLAB® 可以帮助团队同时观察许多不同的场景。

St. Regis 表示:“我们使用仿真实现两个不同的目标。首先,在设计阶段,我们使用发动机仿真器确定发动机设计、所需推力和燃烧推进性能曲线。然后,我们用这些数据设计火箭的实际箭体,并确定其长度、外形、头部整流罩和尾翼的形状,以及达到所需高度所要求的整体大小。”

“我编写了一个 MATLAB 脚本,可以稍微改变输入,从而一次改变三个输入参数。这就得出了尾翼三维的数千种组合。"

Luke St. Regis,USCRPL 仿真团队负责人

尾翼是火箭设计中的重要组成部分。火箭需要巨大的推力,并且大气层会导致火箭摇晃。尾翼可以帮助改变火箭的质心,使其保持稳定并飞向预定方向。为了设计“旅行者 4 号”的尾翼,该团队对火箭发射的前 30 秒进行了仿真,火箭只有在这段时间才处于大气层中;团队还测试了尾翼设计的不同参数,例如形状和长度。

St. Regis 表示:“我编写了一个 MATLAB 脚本,可以稍微改变输入,从而一次改变三个输入参数。这就得出了尾翼三维的数千种组合。之后,我们可以抽取最低静稳定裕度,以三维方式绘制所有最低静稳定裕度,从而了解我们需要哪种尺寸的尾翼来实现这一良好的平坦性能曲线。”

设计过程的很大一部分是对发射进行仿真,包括发动机性能和飞行轨迹。这些仿真使用了之前的发射尝试中收集的数据。为了收集数据,火箭配备了多个传感器,可以传递定位、速度、温度、方向等信息。这些变量也在飞行仿真器中进行了测试。

St. Regis 表示:“在进入到发射阶段后,我们实际上就是通过飞行仿真器帮助火箭实现瞄准。我们将参数与实际火箭的测量值进行匹配。我们提取实时风力数据以计算所需的飞行路径。”

火箭设计和制造并非易事,因为每次测试都意味着从头开始。而且,作为学生团队,一个不得不考虑的因素是,随着学生毕业离校,团队每四年都会彻底换血。如果团队继续使用 MATLAB,就可以将之前收集的数据和构建的仿真无缝传递下去。

太空梦仍在继续

“旅行者 4 号”的成功是学生们 15 年坚持不懈的辉煌成果。对于之前未能成功进入太空的每一枚火箭,团队成员都从中汲取了经验,并将其应用到下一枚火箭上,这最终让他们获得了成功。此前的多枚火箭都为学生们提供了学习理论和研究制造方法的平台,而“旅行者”系列则是构筑于这些知识经验之上的巅峰成就。

USCRPL 媒体负责人 Michael O’Neill 表示:“接下来,我们将改进这枚成功火箭的设计,让它更轻、更完善。我们希望增加一定的运载能力,以在亚轨道航天飞行中搭载有效载荷,如立方体卫星。”

单级火箭可以很好地实现这一目标,这也是 USCRPL 自 2005 年成立以来的目标。但要将类似卫星这样的有效载荷送入太空,该团队需要开发两级火箭。

目前,该团队正在进行许多开发项目,例如探索使用液体燃料的可能性。液体燃料远不如团队一直使用的固体燃料稳定,但可以增加控制力和推力,从而能携带较大的有效载荷并将其送入轨道。液体燃料火箭的制造成本比固体燃料火箭更高,但 USCRPL 希望摘下业余火箭史上最高发射高度的桂冠,这比创记录的“旅行者 4 号”还要高出约 15,000 米。

图片所有权:USCRPL

学生们在 USCRPL 实践期间获得的实际经验已经转化为他们在航空航天领域的职业技能。O'Neill 表示:“我们的许多成员之后继续投身航天工业,为 NASA 或包括 SpaceX 和 Blue Origin 在内的公司工作。有些人甚至创立了自己的公司,例如 Relativity Space。”

Dennis Smalling 在大四时成为 USCRPL 首席工程师,现在担任 SpaceX 推进工程师,他表示:“在 USCRPL 的时光是我大学生涯中最宝贵的部分。

“USCRPL 让学生们有机会运用课堂知识解决真实的工程难题。学生在大学阶段就着手应对实际挑战,从而掌握在未来的工程类职业生涯中极为宝贵的技能。”