太空竞赛刚开始时，大型政府机构在探索外太空的项目上投入了大量资金。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。这些公司开发火箭来部署卫星，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。但是，与政府和商业项目的大预算运作相距甚远的是，第三个群体一直在追求星星:全球各地大学的学生团队正在开发和发射火箭技术，并在此过程中学习一些重要的经验教训。更有挑战的是，这些学生组织的预算很紧张，每四年当团队成员毕业时，他们的队伍就会更换一次。
图片来源:USCRPL
南加州大学的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的工程，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建造并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)成为第一个发射完全由学生设计和学生制造的火箭的本科生团体，该火箭越过了Kármán线，这条线被世界航空运动联合会定义为高于地球海平面100公里。他们的火箭旅行者IV达到了103632米的高度，误差范围为+/- 5120.64米(340,000英尺+/- 16,800英尺)，完成了该组织15年的任务，成为第一个到达外太空的大学团体。
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。金宝app该团队的目标是:帮助本科生在工程团队中获得工作经验，这与他们在工业中找到的类似。该团队共同努力，为教科书中没有回答的现实工程问题提供解决方案。金宝搏官方网站
USCRPL的主要工程团队是航空电子、复合材料、推进、回收和模拟。他们也有在幕后工作的团队，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%的本科生和一位指导老师
- 校园专用实验室
- 来自南加州大学和23个行金宝app业领导者的资助和支持
旅行者4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(340,000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太空港发射
- 7个月建成
USCRPL工程团队
- 航空电子设备:设计、制造和操作火箭前锥的电子设备
- 复合材料:设计并进行火箭体、翼片、喷嘴和鼻锥的上铺
- 推进:设计和制造火箭发动机
- 回收:开发和确保降落伞的展开
- 模拟:创建一个飞行模拟器和固体马达模拟器
图片来源:USCRPL
亲身体验，超凡脱俗的体验
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。仿真团队解决这些和其他系统仿真问题的方式与他们的专业同行几乎相同，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。具有实际设计和商业软件的经验是关键。
USCRPL模拟团队的负责人卢克·瑞吉斯(Luke St. Regis)与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。作为一名计算机科学和航天工程专业的大四学生，他说MATLAB®帮助团队同时查看许多不同的场景。
瑞吉说:“我们使用模拟来实现两个不同的目标。“首先，在设计阶段，我们使用电机模拟器来提出电机设计、所需推力和燃烧长度轮廓。然后我们使用这些数据来设计火箭的实际身体，并确定它的长度、形状、鼻锥和鳍的形状，以及它需要多大才能达到所需的高度。
“使用我写的一个脚本，MATLAB会稍微改变输入，这样它就会一次扫过三个输入参数。这在鳍上产生了数千种三维组合。”
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，大气层会导致火箭摇摆。翼片有助于改变火箭的质心，保持稳定，并指向它应该去的地方。为了为旅行者4号设计翼片，研究小组对发射的前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。
“使用我写的一个脚本，MATLAB会稍微改变输入，这样它就能一次扫过三个输入参数，”St. Regis说。“这在鳍上产生了数千种三维组合。然后我们可以提取出最低的静态裕度，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。模拟使用了之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相匹配。我们利用实时风向数据来计算理想的飞行路线。”
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前进，成员每四年就会完全更换。通过继续在MATLAB中工作，以前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年工作的高潮。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，并在下一次发射时加以应用，最终取得成功。以前的许多火箭都是作为学习理论和发展制造方法的平台，而旅行者系列是这些知识的顶峰。
“接下来，我们将改进我们成功的火箭的设计，使其更轻、更优化，”USCRPL媒体负责人迈克尔·奥尼尔(Michael O 'Neill)说。“我们希望在亚轨道航天飞行中增加足够的有效载荷能力，比如立方体卫星。”
单级火箭很好地实现了这一目标，USCRPL自2005年成立以来一直有这个目标。但要将卫星等有效载荷发射到太空，该团队将需要开发一种两级火箭。
该团队正在进行许多开发项目，例如探索液体燃料的使用。液体燃料比团队一直使用的固体燃料更不稳定，但可以增加控制和推力，以携带大载荷并将其送入轨道。这些火箭的建造成本甚至比固体燃料火箭还要高，但USCRPL想要获得历史上业余火箭发射最高的头衔，这比旅行者4号的创纪录高度高出约1.5万米。
图片来源:USCRPL
在USCRPL工作期间获得的实际经验已经成为许多过去成员在航空航天领域的职业生涯。奥尼尔说:“我们的许多成员后来都在美国国家航空航天局(NASA)或SpaceX和蓝色起源(Blue Origin)等公司的航天行业工作。”“有些人甚至创建了自己的公司，比如Relativity Space。”
Dennis Smalling是USCRPL大四的首席工程师，现在是SpaceX的一名推进工程师，他说:“我在USCRPL的时间是我大学经历中最有价值的部分。
“USCRPL为学生提供了一个机会，将他们在课堂上学到的知识应用于现实世界的工程挑战。在大学里解决这些实际挑战，让学生有机会培养在工程职业生涯中非常有价值的技能。”
