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”转发）

近日，科技频道发布了两集重磅文章，先是著名UP大师智的自制机械臂，再是UP大师名为尚001的自制火箭。尚001是南京航空航天大学的一名大二学生，名叫尚流。文章发布后，早在就出名的支评论道：很厉害，加油。来源：哔哩哔哩大学生自制火箭在尚001的文章中，他描述了自制返回式火箭的系统结构、3D模型和软件仿真。来源：哔哩哔哩文章截图Shang001在置顶评论里说：“从大一到现在，大概两年了，大部分硬件都是一点一点做出来的，虽然离定点垂直反向落地的目标还有一定距离。接下来的重点是研究软件算法。目前精力充沛，有强烈的学习和创造欲望。最大的障碍其实来自时间。通常，课程和作业会占用很多时间。基本上只能利用周末和假期搞火箭，所以速度比较慢。这两年投入的资金主要在三个方面，大部分是家庭支持，另一部分是哔哩哔哩的文章收入，还有一部分以后可以在学校报销。”这枚自制火箭主要包括以下几个部分：可折叠栅格方向舵、可摆动的四个喷管、飞行控制系统、碳纤维火箭发动机、可折叠支腿、整流罩、推力反向器、传感器系统、矢量控制舵机和喷气偏转器。尚001将其命名为“小型反向垂直回收火箭”。这种火箭在维基百科上被称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。根据文章中的介绍，上001制造的火箭采用CF-20-44主发动机，总冲量419Ns，平均推力131N，最大推力163N，燃烧时间3.2s，发展质量749g，燃尽质量522g，最大推力偏转角15，不受控时无推力损失。可控喷管演示(图片来源：哔哩哔哩文章截图)在火箭控制系统中，上001搭载了GNSS卫星定位接收机、IMU惯性传感器、IMU阻尼基座和主控芯片STM32F407VET6。这款主控芯片基于ARM Cortex-M4，配有DSP和FPU，内置512 KB Flash、168 MHz CPU、ART加速器、以太网和FSMC。软件方面，这枚自制火箭采用组合导航算法，通过卡尔曼滤波组合。将GNSS和惯性导航输出的位置和速度信息之差作为测量值，经卡尔曼滤波后得到导航系统的误差并进行修正。卡尔曼滤波器基本方程(图片来源：哔哩哔哩文章截图)火箭还装有着陆反推装置，通过独立控制四个喷管，可以控制推力矢量的大小和方向。来源：哔哩哔哩文章截图演示过程中，由于算法不成熟，火箭发射时反推发动机启动失败，最终打开应急降落伞完成着陆。所以，尚001在评论中提到，他的下一步是研究算法。返回式火箭的几种方法实现返回式火箭具有巨大的经济/科研价值和发展前景，可以大大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，作为第一个成功的垂直回收运载火箭，SpaceX的猎鹰9号火箭造价6000万美元，而火箭的燃料成本仅为20万美元。因此，一旦可回收火箭技术成熟，火箭就可以像陆地上的卡车/公交车一样持续使用，其主体是固定资产，只需要补充燃料。目前公开的可回收火箭技术大致有四种。第一个是文章中南航学生自制火箭降落时的应急预案——降落伞回收。降落伞回收具有设计简单、故障率低的优点。SpaceX猎鹰1号火箭就是这样正式回收的。

但是降落伞回收的局限性也很明显。因为降落伞的原理是增加自由落体的阻力，降低下落的速度，这样才能维持落地的速度，所以火箭重量不能太重，限制了火箭的运载能力。二是文章中南航学生自制火箭的着陆方案——的垂直回收。美国当地时间2015年12月21日晚，猎鹰9号在佛罗里达州卡纳维拉尔角成功实现火箭首次软着陆，从而创造了火箭从太空直接垂直回收的历史。目前，起源于蓝色的新谢泼德号也在采用这种回收方式。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，这是首次重新发射携带有效载荷的轨道火箭并重返太空。三是利用空气静力降落。空气静力学是一门研究静止气体现象和相关力学行为的科学。应用火箭回收时，在原火箭外增加一个充气式可重复使用的一级运载火箭。这种结构可以通过填充轻质气体来扩大。火箭着陆时，第一级结构在即将着陆时仍能漂浮在空中，达到重复使用的目的。第四种方法是空中回收，由火箭实验室首创，其电子火箭采用了这种方法，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减速，当速度降低到允许回收范围时，在空中由直升机将火箭回收。国内外可回收火箭进展对比从实验结果来看，上001的“小型反向垂直回收火箭”还有很长的探索路要走。从应用来看，这项工作离火箭的标准还有很大差距。在维基百科对完全可重复使用的运载火箭的描述中，发射过程中有一个关键步骤，就是进入轨道。那么，真正的商业/科学返回式火箭目前的发展现状如何？截至2021年8月的统计结果显示，美国SpaceX公司目前在该领域处于领先地位，其三款火箭属于可回收型，分别是猎鹰9号，其第一级和整流罩可重复使用；猎鹰重型火箭，带有可重复使用的核心、侧助推器和整流罩；也有完全可重复使用的星际飞船，但仍处于原型阶段。蓝色的起源也是一家美国公司。该公司的new Shepard是亚轨道完全可重复使用火箭，而正在开发的new Glen属于轨道可重复使用火箭的第一级。Rocket Lab的电子号已经完成了第一阶段的回收，但是没有再利用。火箭属于轨道级。正在研制的中子号，第一阶段仍是轨道式，可重复使用。除了这三家公司，美国宇航局、维珍银河、联合发射联盟和相对空间公司也参与了这项研发工作。其中，维珍银河的亚轨道完全回收火箭已用于太空旅游项目。除了美国，世界上其他国家和地区都在开发和测试，比如俄罗斯航天局的阿穆尔，中国星际荣耀的双曲线21。目前，中国非常重视返回式火箭的研制。航天科技集团正在进行长征八号系列火箭的可回收设计，未来将用于商业市场，填补我国在商业市场的短板，要在2030年前完成4000颗卫星的发射任务。在私人市场上，柯灵航天宣布在2019年完成可回收火箭RLV-T5的第三次发射和回收测试，但两年来没有更多进展。星际荣耀今年的两次实验都不顺利。第二次实验，由于整流罩未能正常分离，火箭未能送入预定的500公里SSO(太阳同步轨道)，飞行试验未能达到预期目的。综合来看，目前美国在全球商业可回收火箭市场处于领先地位，优势明显，而中国等国家仍在追赶。

在这个过程中，需要更多像上001这样的创新型学生，为中国航天事业的发展注入新的血液。