『硬核』愛好，自制火箭上蒼穹

文依江寧

倒計時開始，一枚擁有透明箭體、外形炫酷的火箭拖著尾煙驟然升空。隨后，火箭下落，降落傘成功打開，火箭順利著陸并被成功回收。

看到火箭成功發(fā)射，一名手拿遙控器的小伙子興奮地跑了起來。他就是這枚火箭的獨立研制者、南京航空航天大學(xué)大一學(xué)生劉上。

2020年8月，劉上把錄制的《疫情在家耗時半年自制一枚矢量噴管TVC姿態(tài)控制傘降回收固體火箭（成功發(fā)射-回收）》視頻發(fā)在視頻網(wǎng)站上，引來百萬網(wǎng)友圍觀。

堅持七年的“硬核”愛好

劉上今年19 歲，但做火箭這個“硬核”愛好并不是一朝一夕養(yǎng)成的。劉上做火箭受埃隆·馬斯克的影響。讀初中時，劉上在一本雜志上看到了實現(xiàn)私營企業(yè)火箭順利折返、海上火箭回收等壯舉的馬斯克。劉上被馬斯克的追夢故事深深吸引，他也想成為這樣的人，從此航天成了他最熱愛的事情。

初一時劉上就加入學(xué)校的科技社團“玩航模”，學(xué)習(xí)組裝無人機，從1600 米高空航拍家鄉(xiāng)常德的美景。平日里，劉上閱讀的全都是航空航天專業(yè)書，他的房間里也擺滿了各類制作航空模型的設(shè)備和工具，劉上自己都覺得有點“走火入魔”了。

2015 年年初，劉上在網(wǎng)上發(fā)現(xiàn)竟然有一群民間火箭愛好者在論壇上討論得熱火朝天，他一頭陷進去不能自拔，自此萌發(fā)了研制探空火箭的想法。通過上網(wǎng)查資料自學(xué)，和火箭愛好者們交流，劉上決定將想法付諸行動。

劉上網(wǎng)購了高氯酸銨、高分子粘結(jié)劑等材料回家研究。對于孩子的愛好，劉上的父母始終保持大力支持和開明的態(tài)度，哪怕是做實驗曾經(jīng)差點讓家里燒起來，父母也沒有反對過。那年暑假，劉上對火箭發(fā)動機進行了第二次地面熱試車，當他按下遙控器的點火按鈕時，“轟”的一聲巨響，發(fā)動機及試車裝置在煙霧中化為了碎片。

這次試車雖然失敗了，但劉上并沒有因此氣餒。他對爆炸原因進行了分析，再次改進發(fā)動機。用PVC水管制作箭體、買來3D 打印機打印出火箭頭錐，經(jīng)歷了多次制作、調(diào)試和發(fā)射，2016年8月4日，劉上終于把一枚長135厘米、重4.4公斤的火箭，拖到了湖北省常德市芙蓉北路的一處空曠工地上進行試飛。

倒數(shù)聲中，火箭“嗖”的一聲沖上高空，鉆進厚厚的云層，消失在劉上的視野里，攝影機根本來不及捕捉它的身影。點火、發(fā)射、升空、開傘控制裝置、降落傘彈出，整個過程都在劉上的計劃中，但是降落傘在彈出的一瞬間撕裂了，導(dǎo)致火箭硬著陸，用于采集溫度、氣壓等大氣數(shù)據(jù)的探測設(shè)備都損壞了。他從恢復(fù)的殘缺數(shù)據(jù)中，大致推算出火箭的飛行高度達到了1000米左右。

“大神”是這樣煉成的

這次發(fā)射在劉上的父親劉正華眼里“非常成功”。他說，兒子投入科技制作、學(xué)習(xí)鉆研的那股勁讓他感到驕傲。劉上也沒有辜負父母的期望，不僅動手能力強，學(xué)習(xí)成績也很好，考上了他理想中的南京航空航天大學(xué)。

進入大學(xué)，劉上的風(fēng)格和其他新生明顯不一樣。他在微信朋友圈發(fā)的都是火箭制作材料的圖片和“推力矢量控制（TVC）”“姿態(tài)控制”“模塊化設(shè)計”等專有名詞，一般人根本看不懂。學(xué)院舉行運動會，同學(xué)們都看著賽道為自己班級的運動員加油，只有劉上獨自呆在一個角落埋頭看手機。和他要好的同學(xué)跑過去一看，劉上并沒有在打游戲，而是在自學(xué)單片機（一種集成電路芯片）的相關(guān)知識。原來，他一直在研究怎么改進火箭。

2019 年10 月，劉上看到國外知名的火箭愛好者“BPS.space”制作的姿態(tài)控制火箭，大開眼界。為火箭安裝姿態(tài)控制系統(tǒng)后，升空的火箭會根據(jù)傳感器收到的數(shù)據(jù)，在空中自動調(diào)整姿態(tài)。火箭還能在空中完成推力矢量和鴨翼控制的切換，全程無需遙控。

劉上決定也要做出這樣的火箭，這對他是一次全新的嘗試，也是挑戰(zhàn)。他自學(xué)機械設(shè)計、3D 建模、發(fā)動機、燃料、編程、飛控算法、3D打印等相關(guān)知識和技能。新冠肺炎疫情防控期間，劉上被困在湖南老家不能返校，但他一點也沒閑著，一邊上網(wǎng)課，一邊研制新型火箭。研制中，矢量發(fā)動機的部分是耗時最久的。近四個月嘗試，劉上經(jīng)歷了數(shù)次失敗。第一大難題便是發(fā)動機矢量噴口的設(shè)計，對這方面知識儲備不足的劉上參考了很多圖書，設(shè)計完成后，和朋友一同完成了推力矢量的流體仿真，最終的仿真結(jié)果與實驗高度吻合。

劉上研制的火箭

另一個難點是燃料問題，這方面的知識也是劉上的一個短板。火箭燃料的安全問題更是重中之重，不容許一點失誤。因此他做了大量的實驗驗證，不斷改進。實驗過程雖然有危險，但都是可控的。他選擇無人的地方做實驗，提前找好掩體，備好滅火器，再遙控點火。

在今年6 月的發(fā)動機測試中，劉上接連兩次失敗。測試時，矢量控制系統(tǒng)已經(jīng)成型，發(fā)動機上安裝有矢量噴口、高速舵機等部件，成本很高。兩次失敗讓劉上損失了上千元，也對他造成了不小的打擊。

遇到困難的時候，劉上就給自己打氣：“這個項目我會持續(xù)地做下去，這是一個充滿困難與挑戰(zhàn)的過程，同時也是一個長久的過程，需要我不斷地學(xué)習(xí)，不斷地嘗試，只要我一直堅持下去，說不定哪天就成功了。”

經(jīng)過一番調(diào)整，劉上和火箭愛好者群體中燃料方面的高手不斷探討，最后通過調(diào)整配方、冷凍燃料表面等方法解決了問題。

目標是用火箭送快遞

做火箭的過程中，劉上喜歡用相機把研制過程拍攝下來，記錄下一步步攻克難關(guān)的不易。后來，他把這些視頻陸續(xù)發(fā)到視頻網(wǎng)站上，方便火箭愛好者一起交流。

《模型小火箭發(fā)射》《小型火箭TVC 推力矢量控制器》《固體火箭發(fā)動機地面試車失敗》《自制碳纖維固體火箭發(fā)動機第七次測試取得圓滿成功》……37 個視頻記錄了劉上一步一個腳印的研制過程。

通過耗時半年多的努力，一枚搭載了劉上自制的TVC 發(fā)動機，高約96厘米、直徑9.5厘米、重3.1公斤的姿態(tài)控制火箭終于研制成功。發(fā)動機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)動機是劉上此次最滿意的設(shè)計之一，在民間火箭愛好者的圈子里也是一個不小的突破。

今年8 月，火箭成功發(fā)射并回收，劉上錄制的全過程視頻爆紅網(wǎng)絡(luò)。通過安裝在火箭上的攝像頭，觀眾們得以在空中俯瞰平原上的城市與遙遠的地平線，一時間視頻上刷起了“跟蹤正常、遙感正常”的彈幕，仿佛個個置身于火箭發(fā)射中心，體驗了一把親臨發(fā)射現(xiàn)場的激動。

劉上沒有就此停止研究，他說：“這枚火箭還沒有達到最高的性能比。”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)改進程序算法。“我最終的目標是用火箭送快遞。”劉上介紹，裝載著貨物的火箭“快遞員”會精準地射向目的地，并在到達后通過減速發(fā)動機安全軟著陸。為此，劉上確定了三步走的研發(fā)策略：“姿態(tài)控制、飛行軌跡控制、定點軟著陸。”此次的成功發(fā)射，讓他離目標更近了一步。