第一枚学生设计的火箭越过Kármán线

学生在追逐星空的过程中学习职业技能

在太空竞赛开始时，大型政府机构在探索外层空间的项目上投入巨资。最近，SpaceX、维珍银河(Virgin Galactic)和蓝色起源(Blue Origin)等商业公司都进入了太空业务。这些公司开发用于部署卫星的火箭，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。但与政府和商业项目的高预算运作相距甚远的是，第三类人一直在追求星星:全球各地大学的学生团队正在开发和发射火箭技术，并在此过程中吸取了一些重要的经验教训。更大的挑战是，这些学生组织的预算很紧张，每四年，随着团队成员的毕业，他们的队伍就会更替一次。

图片来源:USCRPL

南加州大学火箭推进实验室是第一个发射完全由学生设计和制造的火箭到达外太空的本科生小组。

将火箭发射到热层的努力需要精密工程，在高风险的情况下，速度、动力和精度都必须结合在一起。虽然学生团体已经成功制造和发射卫星很长一段时间了，但直到现在还没有人向外太空发射过火箭。

2019年4月21日，南加州大学火箭推进实验室(USCRPL)成为首个发射完全由学生设计和制造的火箭的本科生团体，该火箭越过了Kármán线(世界航空运动联合会将Kármán线定义为高于地球海平面100公里)。他们的火箭“旅行者四号”升空高度为103632米，误差范围为±5120.64米(34万英尺±16800英尺)，完成了该组织长达15年的使命，成为第一个进入外太空的大学团体。

USCRPL是一个由来自不同研究领域的大约80名学生组成的团队。USCRPL有一名教师顾问，并得到20多家商业公司的支持。该团队的目标是:帮助本科生在工程团队中积累经验，这与他们在工业中会发现的类似。该团队共同努力，为教科书中没有回答的现实工程问题创造解决方案。

USCRPL的主要工程团队是航空电子设备、复合材料、推进、回收和仿真。他们也有团队在幕后工作，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个专业的80余名学生
100%本科生，一名指导教师
校园专用实验室
来自南加州大学和23个行业领袖的资助和支持

旅行者四号火箭

长度:3.96米(13英尺)
直径:20.32厘米(8英寸)
重量:140公斤(310磅)
海拔:103,632米(34万英尺)
固体燃料
最高速度:5.1马赫(5449公里/小时，3386英里/小时)
从新墨西哥州的美国航天港发射
七个月建成

USCRPL工程团队

航空电子设备:设计、制造和操作火箭头锥上的电子装置
复合材料:设计和进行火箭主体、翼片、喷嘴和头锥的叠层
推进:设计和制造火箭发动机
回收:开发和确保降落伞的部署
模拟:创建飞行模拟器和固体电机模拟器

图片来源:USCRPL

动手,远离世界的经历

就像他们的商业同行一样，USCRPL团队依靠系统模拟来设计和测试他们的火箭。模拟团队解决这些和其他系统模拟问题的方式与他们的专业同行非常相似，他们知道所获得的经验将有助于他们毕业并进入航空航天公司或其他相关领域的职业生涯。有实践设计和商业软件的经验是关键。

Luke St. Regis是USCRPL模拟团队的负责人，他和另外两名学生一起创建了一个定制的飞行模拟器和一个定制的固体电机模拟器。作为一名主修计算机科学和航天工程的大四学生，他说MATLAB^®帮助团队同时考虑许多不同的场景。

“我们将模拟应用于两个不同的目标，”St. Regis说。“首先，在设计阶段，我们使用电机模拟器来设计电机、所需推力和燃烧长度。然后我们用这些数据来设计火箭的实际主体，确定它的长度、形状、鼻锥和鳍的形状，以及达到所需高度需要多大。

“用我写的一个脚本，MATLAB会稍微改变输入，这样它就可以一次扫过三个输入参数。这就产生了鳍上数以千计的三维组合。”
Luke St. Regis是USCRPL模拟团队的负责人

翼片是火箭设计中的一个关键部件。火箭需要巨大的推力，大气会导致火箭摆动。翼板帮助改变火箭的质心，保持火箭稳定，并指向它应该去的地方。为了为旅行者四号设计翼片，该团队对发射的前30秒进行了模拟，这是火箭在大气层中的唯一时间，并测试了翼片设计的不同参数，如形状和长度。

“用我写的一个脚本，MATLAB会稍微改变输入，这样它就可以一次扫过三个输入参数，”St. Regis说。“这产生了鳍上成千上万的三维组合。然后我们可以提取最低静态裕度，在3D中绘制它们，看看我们想要什么样的尺寸，以实现良好的平面轮廓。”

设计过程的很大一部分是模拟发射，包括电机性能和飞行轨迹。模拟使用了以前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，可以中继定位、速度、温度、方向等。这些变量也在飞行模拟器中进行了测试。

瑞吉斯说:“进入发射阶段，飞行模拟器实际上是我们如何瞄准火箭的。”“我们将参数与真实火箭的测量值进行匹配。我们利用实时风数据来计算所需的飞行路径。”

火箭很难设计和制造，因为每次测试都意味着重新开始。学生团体还必须考虑到，随着学生毕业和继续学习，每四年成员的完全更替。通过继续在MATLAB中工作，以前的团队收集和构建的数据和模拟可以无缝地传递下去。

仍在摘星星

旅行者4号的成功是15年工作的顶点。对于之前每一枚未能进入太空的火箭，团队成员都会学到一些东西，并将其应用到下一枚火箭上，最终取得了成功。以前的许多火箭都是学习理论和发展制造方法的平台，旅行者系列是这些知识的顶点。

“下一步，我们将改进我们成功的火箭的设计，使其更轻、更优化，”美国科学和研究实验室媒体负责人迈克尔·奥尼尔说。“我们希望在亚轨道太空飞行中增加足够的有效载荷，比如立方体卫星(CubeSat)。”

单级火箭很好地实现了这一目标，这是USCRPL自2005年成立以来一直坚持的目标。但要将卫星这样的有效载荷发射到太空，该团队需要开发两级火箭。

该团队正在进行许多开发项目，比如探索液体燃料的使用。液体燃料的挥发性比该团队一直使用的固体燃料强得多，但可以增加控制和推力，以携带大载荷并将其送入轨道。这些火箭的制造成本甚至比固体燃料火箭还要高，但USCRPL想要获得历史上最高的业余火箭发射的头衔，这比旅行者四号的创纪录高度还要高出约15000米。