从万户的风筝到火箭的模型:航天发烧友的硬核DIY

2022-03-17 09:19啸云3D打印
13

近年来,有关航天发烧友自制火箭、研发卫星的新闻报道屡见不鲜。他们在追逐航天梦想的路上汲取养分、竞相成长,助力航天科普活动在大众中传播,展现了一些颇有新意的研究成果。

随着时代发展,这类航天发烧友的硬核DIY享受着一系列新技术便利,可能创造出产业价值,甚至改变行业面貌。

星光不问赶路人

自古以来,中国人对于飞行的追求始终热情高涨,嫦娥飞天的神话故事体现了古人对于地球之外的向往,飞天梦也许在人们仰望星空的时候就埋下了种子。

在科技不发达的古代,载人航天被绝大多数人视为“荒诞不经”“神话传说”,一些航天发烧友却已经勇敢地迈出第一步。

明朝官员万户坐在绑着47支火箭的椅子上,手持风筝,飞向天空,不经意间成为“世界航天第一人”。虽然火箭爆炸了,万户飞天失败,献出生命,但他的事迹仍被各国的火箭学家铭记,激励人们投身航天事业,敢于创新甚至为科学献身。

20世纪70年代,国际天文学联合会将月球背面的环形山以这位曾经鲜为人知的中国人命名。

随着科教普及,追逐航天梦想的不仅有航天科研工作者,还有一脸稚嫩的高中生、大学生,也有勤勤恳恳的农民、工人。

被学界称作“中国农民第一飞”的刘亦兵在1997年实现了飞天梦,他和自制“飞机”被载入《中国航空史》。湖北武汉农民舒满胜花费近百万元,自制了几十种飞行器,包括往往在科幻作品中才会出现的“飞行背包”。


▲1996年,刘亦兵与自己制造的飞机合影。

新华社记者 刘泉龙 摄

南京航空航天大学00后学生刘上因疫情被困家中,索性耗时半年,制造出高约1米的小火箭,整流罩、降落伞、主载荷、飞控设备、GPS装置、摄像头、舵机、固体火箭发动机和推力矢量控制机构等一应俱全。

他上传的视频展现了小火箭从制作、试车、发射到回收的完整过程。其中,超音速气流马赫环、鸭翼滚转控制测试等炫酷场面由简陋工具和日常材料造就,一时轰动全网。近日,他自制的第三代反推回收火箭再获成功,向梦想实现又近了一步。

▲2022年2月下旬,刘上成功发射自制第三代反推回收火箭模型,并用视频记录下来。 来源: 刘 上 抖音 账 号 @Lshang001

毕竟兴趣是最好的老师,可以激发人的创造热情、好奇心和求知欲。

航天发烧友仅凭借着对航天事业的热爱,购买书籍,上网充电,咨询专家,克服了种种困难,只为实现理想——无论是低成本探索外星球,还是“火箭送快递”,或是“简易太空旅行舱”,无一不体现着梦想的魅力。

3D打印来帮忙

传统上,制造航空航天飞行器离不开复杂的机加工,要经过备料、落料、粗加工、热处理、精加工、钻、铣等工艺步骤,生产周期常常以月为单位,从技术和成本两方面提高了制造者的“门槛”。

此外,由于工艺限制,以往对航空航天飞行器进行轻量化设计较为困难,直接影响飞行器的性能提升。

随着科技进步,以3D打印技术为代表的新工艺为航空航天飞行器制造提供了更多可能。

简单地说,3D打印技术利用计算机构建三维模型,再将三维模型如切菜般进行“切片”,指导3D打印机逐层制造。因其具有成型精度高、制造周期短、可成型复杂外形和中空结构的特点,被广泛应用于现代工业领域。

综合来看,3D打印技术助力实现航天产品的轻量化设计,显著缩短了研制周期,能满足高性能设计需求,被认为是航天领域未来结构设计与制造技术变革方向之一。

2013年,同济大学学子制作的3D打印小飞机成功试飞。后来,中国科研单位又陆续完成了仿生小飞机、“远古”飞行器、微小飞行器、微小螺旋桨等设计与制作,甚至尝试3D打印“纸飞机”等,探索气动、结构等技术潜力。


▲同济大学生展示做好的3D小飞机,背后是3D打印机。来源:人民网

2020年5月5日,3D打印机乘坐长征五号B运载火箭飞天,完成了中国首次太空3D打印实验,这也是全世界第一次在太空中开展连续纤维增强复合材料的3D打印实验。


▲2020年 5月5日,长征五号B运载火箭点火升空。 本报记者 宿东 摄

国外相关成果也层出不穷。2018年,美国轨道ATK公司对新型高超声速战斗部成功进行了试爆工作。该型战斗部是公开资料披露的首个以3D打印为主要制造手段的高超声速飞行器分系统产品,其成功制备与试验是高超声速技术的重要突破性应用,具备较大的军用价值。

但是,不要看到炫目的技术成果,就以为3D打印距离航天发烧友“遥不可及”。

思维活跃的00后大学生、目光敏锐的民营航天企业家都积极应用了3D打印技术,助力新型火箭、卫星等快速、低成本、批量涌现。

甚至就在大众惊叹于3D打印技术奥妙时,4D打印技术正悄悄地登上历史舞台,其制造效能更进一步,制成品有望随着时间推移而发生形状或者性能的所需改变。相信在未来的某一天,它可以推动航天事业发展到新阶段,更带给航天发烧友们无限遐想。

虚拟现实前景广阔

竹蜻蜓作为中国民间传统的儿童玩具,堪称人类最早的仿生学娱乐实践之一,这样一个小小的玩具竟然为设计直升机螺旋桨的复杂工程提供了启示。事实上,高科技产品研发思路已经更进一步,迈向科幻作品构想的“虚拟与现实交织”。

21世纪初,美国密歇根大学的产品生命周期管理课程上首次提出了数字孪生的构想,即在虚拟空间内搭建数字模型,与物理实体交互映射,忠实地描述物理实体生命周期内运作轨迹,两者相辅相成,促进共同发展。

借助3D物联网可视化技术,航天发烧友已经利用商业软件对“胖五”火箭的发射过程进行了可视化仿真。

长征五号火箭箭体结构、发射厂区布局、垂直总装和运转流程、点火发射及飞行过程等都被“民间高手”进行数据化精细呈现。

特效视频中,火箭助推器分离、整流罩分离、一二级分离、末修调姿、上面级与基础级分离等一览无余,让大众更直观地体验到中国航天工程进步。

当前太空竞争日益激烈,对卫星的要求越来越高。卫星在轨状态综合检测技术能够为卫星安全可靠运行提供有效的监测手段,并降低全寿命成本。

可视化技术将大量枯燥数据转化为直观的影像,数字孪生模型配合真实的流畅影像,能够为地面团队提供直观、高效的工作方式,及时修正甚至“预测”隐患。

可以说,数字孪生平台的构建对航天事业发展大有裨益,不仅能满足航天发烧友的好奇心,还为行业进步提供了更广阔的空间。


昵称:
内容:
验证码:
提交评论