00后大学生自主开发火箭垂直起降飞控程序算法

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近日在陕西西安,一名00后的大学生自主开发了火箭垂直起降飞控程序,一架模型火箭稳稳的落地。

 

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大一新生张立中正式开始造火箭是从2021年6月25日开始,最先开始选择的也是开源框架,但张立中表示,等到我真正去做的时候发现了一些问题,就是这些开源框架部署起来不够快,就自己去写了一套框架,极大程度减少了开发时间。

 

 

 

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据悉,这个火箭(验证机)名为AVP,第一版本的算法验证火箭高2.1m,净质量9.8kg,满载质量12.1kg,动力采用涡喷发动机,用于开发验证垂直回收复用火箭在大气层内着陆段的控制算法。当前版本的飞控程序可以较为稳定地完成起飞、降落以及包括空间中的悬停,低速下的一些机动等。

 

 

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注:以上图片均来自白鹿视频截图

张立中表示,在大学里研究算法的同时,还准备创立第二条主线,造出来一个液体火箭发动机。

从视频中及后续数据分析中,可以看见这个火箭能有效的控制姿态,基本满足设计要求。

传统的运载火箭的起飞过程,首先火箭需要经过事先组装、调试以及某些试验后,便用运输系统(火车或汽车、拖车)将之运往发射场,竖立在发射架上,然后进行发射前的准备工作,如航天器的安装、所有管线的连接等。

如果是液体推进剂火箭,还要加注推进剂,填充压缩空气和安装爆炸螺栓等火工品(航天器安装要先于火工品安装,以保障安全);然后进行全箭检查,火箭垂直度调整和方向粗瞄准;最后再进行方向精瞄准和临射检查;向火箭推进剂贮箱充气增压;启动发动机;火箭起飞,沿预定轨道飞行。当然,点火起飞是由电子计算机倒计时和一系列控制指令实现的。

而视频中的火箭是属于验证机,虽然“简陋”,但这系统整合能力确实很强悍。该创作者能通过自己设计的飞控控制算法,有效的控制火箭的垂直起降。

所谓的垂直起降火箭,就是能够垂直起飞、垂直降落的火箭。通过垂直降落可以达到回收一级火箭并重复利用的目的。

在2020年,一名00后少年刘上也因自制火箭发射的话题冲上热搜,他通过自主设计火箭模型,将火箭的主体结构零件利用3D打印机打印出来,耗时半年完成了第一代火箭的各项组装工作。这枚火箭高约96cm,直径9.5厘米,重3.1千克。

 

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刘上在一处空旷的田野成功发射这枚可回收固体火箭。视频显示,当时正值傍晚,只见火箭点火后,尾烟喷出,周围尘土四射,火箭直冲云霄,在夜空中划出一道弧线,之后降落伞打开,顺利着陆被回收。

 

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关于刘上的火箭发射中涉及的技术有:

1.火箭总体设计+3维建模(SOLIDWORKS)+模型渲染

这里的不是单纯的建模这么简单,要进行总体火箭方案的设计,一系列的选型、发动机的设计、矢量喷口的设计、鸭翼的设计、传感器的布置等。

2.CFD模拟,模拟了飞行过程中的风压,对箭体强度进行了校核。

3.制造过程中运用了3D打印,技术快速制造。

4.自行制作的单片机,电路板是自己设计的,加了很多控制开关,并自行焊接元器件。

5.编写了飞控程序,这个程序包括上升阶段矢量喷口的动作、鸭翼动作、打开整流罩弹出降落、降落过程中鸭翼动作姿态控制、传感器数据的记录等

6.后续的数据分析。

而且该火箭发射的姿态控制算法,以及最后的数据采集和分析都是难点,还有他的个人系统整合的能力也是高的惊人。

火箭的重要性不言而喻。

Space X公司的“猎鹰”9号火箭是现今世界上最具代表性的垂直起降火箭,截至 2015年 4月共进行了6次一子级回收试验。根据其预先设定的试验目标,这6次试验有3次成功,3次失败。

目前作为人类进入空间主要工具的运载火箭均为一次性使用,成本相对高昂,以较低成本进入太空是人类长久以来的梦想。

现运载火箭子级的重复使用,是可行的技术途径之一。垂直返回回收技术是实现火箭子级无损回收的一种技术途径,在 20世纪90年代麦道公司就提出了基于垂直返回回收方案的“德尔它快帆”飞行器。

麦·道公司提出了“德尔它快帆”(DC-X/XA)方案。当时,该方案成功中标美国1990 年 8 月提出的“单级入轨火箭技术计划”,该方案采用垂直起降方式实现回收和重复使用,后来由于单级入轨计划的终止,“德尔塔快帆”项目随之终止。

1993年,"德尔它快帆"试验火箭(DC-X),从新墨西哥州军用白沙导弹发射场点火起飞,向上飞至150米,然后像一架直升机一样,减速悬在空中。火箭开始尾部朝下着陆的时候,也采用了装有盘状脚的伸缩腿,它利用4个小发动机所喷发出来的火焰减速以达到平稳着陆的目的。

在 K-1 火箭之后,美国的 SpaceX 公司也开展了“猎鹰”火箭的可重复使用技术研究。

为了研发完全可重复使用“猎鹰-9”火箭,SpaceX公司实施了“蚱蜢”计划验证垂直返回技术,并结合火箭发射任务,开展了一子级陆上和海上软着陆试验。各项试验取得重要进展,验证了垂直返回技术的可行性。

2015年12月22日,Space X公司的"猎鹰"9号发生成功,并在10分钟后完成了一级火箭的陆地回收。

2016年1月18日,美国太空探索技术公司(Space X)用"猎鹰-9"运载火箭成功将一颗海洋观测卫星送入轨道,但在随后的第一级火箭海上回收试验中,没能延续近1个月前陆地回收试验成功的好运,以失败告终。

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