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本文来自微信公众号“悦智网”（gh_ad4cb8f6a543）作者：Mads Stenfatt

DIY火箭能将业余爱好者送入太空吗？

这是我见过最美丽的景象之一：我们自制的火箭背着一个橙白色降落伞慢慢从空中飘落，这个降落伞是我在餐桌边花了许多个晚上才完成的。这枚6.7米高的Nexø II火箭由哥本哈根亚轨道团队设计和建造的二元推进剂发动机提供动力。发动机将乙醇和液氧混合在一起，产生5千牛顿的推力，将火箭发射到6500米的高度。更重要的是，火箭返回时是完整的。

2018年8月那次任务的成功，标志着我们朝着利用DIY火箭将业余宇航员送入太空边缘的目标迈出了一大步。现在，我们正在建造Spica火箭来实现这一目标，希望10年后能够发射载人火箭。

“哥本哈根亚轨道”是目前全球唯一一个众筹载人航天计划，世界各地成百上千位慷慨的捐赠者每年共同为该计划资助近10万美元。我们的项目成员由多样化的志愿者组成，他们白天从事各种各样的工作。我们有很多工程师，还有我这种爱好跳伞的物价经理。我也是3名候选宇航员之一。

我们进入了新的航天时代：国家航天局不再是唯一的“玩家”，太空变得越来越容易接近。现在，蓝色起源等商业公司制造的火箭能够将普通公民送入轨道。不过，蓝色起源、太空探索和维珍银河都得到了亿万富翁的大量支持，而且它们都计划以几十万至数百万美元的价格出售太空旅行的机会。哥本哈根亚轨道组织的愿景完全不同。我们认为，任何愿意投入时间和精力的人都应该有太空飞行的机会。

2008年，一位自学成才的工程师和一位曾在美国国家航空航天局（NASA）工作过的太空建筑师成立了哥本哈根亚轨道组织。从一开始，它的使命就很明确，那就是载人航天。2014年，两位创始人都离开了该组织，但那时项目已经有了大约50位志愿者和充足的动力。本刊封面是5位现任志愿者的照片：左起依次为作者马德斯•斯坦法特（Mads Stenfatt）、马丁•海德加德•彼得森（Martin Hedegaard Petersen）、约根•斯凯（Jørgen Skyt）、卡斯滕•奥尔森（Carsten Olsen）和安娜•奥尔森（Anna Olsen）。

团队的基本原则是，一个勤奋、聪明、敬业的团队可以逐个解决建造廉价载人航天器所面临的工程学问题。当有人问我为什么要这样做时，我有时会回答：“因为我们可以。”

我们的目标是到达海拔100千米的卡门线，它是地球和外太空的分界线。发动机关闭后，到达该高度的宇航员将经历几分钟的静默和失重，并将看到令人叹为观止的美景，但这样的旅程并不轻松。在下降过程中，以高达3500公里/小时的速度从空中猛冲时，太空舱将经历400°C的外部温度和3.5倍的重力。

2011年我加入了这个组织，当时该组织已经从一艘退役渡轮内的创客空间搬到了哥本哈根海滨附近的一个机库。那年年初，我观看了哥本哈根亚轨道组织的首次发射，HEAT-1X火箭从波罗的海的一个移动发射平台上发射出去，但不幸的是，由于大部分降落伞未能展开，火箭坠入了大海。我把从多年跳伞经历中获得的一些有关运动降落伞的基本知识带到了这个组织，希望能将这些知识转化为有用的技能。

团队的下一个重要事件发生在2013年，这一年，我们成功发射了蓝宝石火箭，这是我们第一枚包含制导和导航系统的火箭。它的导航计算机使用了1个三轴加速度计和1个三轴陀螺仪来跟踪其位置，通过移动插入到排气管总成的4个伺服安装的铜燃气舵，它的推力控制系统将火箭保持在了正确的轨道上。

HEAT-1X和蓝宝石火箭均采用固体聚氨酯和液氧混合燃料。我们很想开发一种混合液态乙醇和液氧的二元推进剂火箭发动机，因为这种液态推进剂发动机既高效又强大。我们原本打算用计划于2014年底发射的HEAT-2X火箭来展示这项技术，但不幸的是，其发动机在计划发射前几周的一次静态点火测试中起火了。那次测试本应进行一次90秒的受控燃烧；然而，由于焊接错误，大量乙醇在几秒钟内喷入了燃烧室，引起了大规模火灾。我就站在几百米远的地方，即使在那个距离，也能感觉到脸上有热气袭来。

HEAT-2X火箭的发动机被判定无法工作，任务被取消。虽然这次事件非常令人失望，但我们吸取了一些宝贵的教训。在那之前，我们的设计一直以我们现有的能力（车间里的工具和项目人员）为基础。失败迫使我们退后一步，思考了我们需要掌握什么样的新技术和技能才能达到最终目标。那次反思促使我们设计了相对较小的Nexø I和Nexø II火箭来演示降落伞系统、二元推进剂发动机和燃料罐压力调节组件等关键技术。

2018年8月发射Nexø II时，我们的发射场位于丹麦最东端的博恩霍尔姆岛以东30公里处，它属于波罗的海的一部分，也是丹麦海军进行军事演习的地方。为了及时到达指定海域，在瑞典空中交通管制部门批准的时间（上午9点）进行发射，我们于凌晨1点离开了博恩霍尔姆的Nexø港。（虽然我们的船在国际水域，但波罗的海上空的空域由瑞典监管。）发射前一天，我们许多成员一整天都在测试火箭的各个系统，一直靠咖啡维持不眠不休的状态。

Nexø II发射升空与发射塔整齐分离时，我们都欢呼了起来。火箭继续沿着轨道飞行，到达6500米的远地点时抛掉了前锥体，并一直向我们的任务控制船发送遥测数据。开始下降时，它首先展开了球伞（一种用于在高空稳定航天器的气球式降落伞），然后展开了主降落伞，主降落伞带它轻轻地落到海浪中。

这次发射使我们离掌握海上发射和着陆的组织工作更近一步。我们还在这次发射中测试了我们预测火箭路径的能力。我搭建的模型预测降落将发生在发射平台以东4.2公里处；它实际在平台以东4.0公里处着陆。这是我们第一次在降落伞完全展开的情况下实现受控海面着陆，这是一次重要的概念验证，因为软着陆对于任何载人任务来说都是绝对必要的。

Nexø II的BPM5发动机是少数几个并非完全在我们车间加工的部件之一；一家丹麦公司负责制造了最复杂的发动机部件。不过，这些部件于发射日前不久到达车间后，我们发现排气喷管有点变形。由于没有时间再去订购新的部件，因此我们的一位志愿者雅各布•拉森（Jacob Larsen）用大锤将其敲打成型。这台发动机不太好看，于是我们给它起了个绰号叫“弗兰肯发动机”，但它确实发挥作用了。自从Nexø II号发射以来，我们已经对这台发动机进行了30多次点火测试，有时甚至超过了其设计极限，但它并没有损坏。

这次任务还展示了我们新的动态压力调节（DPR）系统，它能够帮我们控制进入燃烧室的燃料量。Nexø I使用的系统更简单，叫做压力排放系统，其燃料箱的1/3是压缩气体，能够将液体燃料推入燃烧室。在DPR系统中，燃料箱充满燃料，并通过一组控制阀与高压下的独立氦气箱相连。由此，我们可以调节流入燃料箱的氦气量，将燃料推入燃烧室，从而在火箭飞行过程中的不同点设定不同的推力。

2018年的Nexø II任务证明，我们的设计和技术从根本上来说是合理的。是时候开始研制Spica载人火箭了。

加上太空舱后，Spica火箭将高达13米，总发射重量达4000千克，其中2600千克为燃料。这将是有史以来由业余爱好者建造的最大的火箭。

其发动机是100千牛的BPM100，使用的是我们在BPM5中掌握的技术，并进行了一些改进。与之前的设计一样，它使用了再生冷却技术，其中一些燃料会通过燃烧室周围的通道来限制发动机的温度。为了将燃料推入燃烧室，它结合了飞行第一阶段的简单压力排放方法和DPR系统，后者能让我们能够更好地控制火箭推力。发动机零部件将使用不锈钢制作，而且我们希望利用轧制薄板制造大部分组件。最棘手的是连接燃烧室和排气喷管的双曲“咽喉”部分，这需要我们所没有的计算机控制加工设备。幸运的是，我们知道业内谁能提供帮助。

从Nexø II的莲蓬式燃料喷注器换成同轴离心式燃料喷注器是一个重要变化。莲蓬式喷注器有大约200个非常小的燃油通道，很难制造，因为如果在制作其中一个通道时出了问题，比如钻头卡住了，我们就只能把整个喷注器扔掉。在同轴离心式喷注器中，液体燃料以两层旋转液膜的形式进入燃烧室，液膜发生碰撞时会被雾化，产生燃烧的推进剂。我们的离心式喷注器使用了大约150个旋流器元件，共同组装成了一个结构。这种模块化设计应该更易于制造和测试，并且能保证质量。

2021年4月，我们对几种类型的喷注器进行了静态测试。我们首先用一个十分熟悉的莲蓬式喷注器进行了一次试验，制定了一个基线，然后测试了用传统机铣制造的黄铜离心式喷注器和3D打印的钢制离心式喷注器。我们对两种离心式喷注器的性能总体上都很满意，此外，我们还在分析数据以确定哪一种的性能更好。不过，我们确实看到了一些燃烧不稳定性问题，也就是喷注器和发动机喉部之间的火焰出现了一些振荡，这种现象有潜在的危险。我们很清楚这些振荡产生的原因，因此我们相信，通过一些设计调整可以解决这个问题。

我们很快就会开始制造一个包括新火箭制导系统的全尺寸BPM100发动机。在之前的火箭中，发动机的排气喷管内有金属叶片，我们会移动这些叶片来改变推力的角度，但这些叶片在排气流中产生了阻力，将有效推力降低了约10%。我们在新设计中加入了常平架，它可以前后旋转整个发动机来控制推力矢量。我们的常平架系统是由荷兰的21岁大学本科生乔普•尼延胡伊斯（Jop Nijenhuis）设计和测试的，他将这个常平架设计作为了他的毕业论文项目（并因此获得了最高分），这进一步支持了我们的信念，即聪明且敬业的人可以解决棘手的工程问题。

我们使用的是与Nexø火箭相同的制导、导航和控制（GNC）计算机。不过，太空舱成为了新的挑战；太空舱与火箭分离后，为了使它们能按照期望的方向返回地球，我们需要单独控制每个部分。分离发生时，这两部分的GNC计算机需要了解到最优飞行的参数已经改变，但从软件的角度来看，与我们已经解决的问题相比，这只是一个小问题。

我的特长是降落伞设计。我一直在研究气球式降落伞，这种降落伞会在70千米的高度充气，放慢载人太空舱在初始高速下降时的速度；我还研究会在太空舱离海面4千米时充气的主降落伞。我们已经通过让跳伞者带着降落伞跳出飞机的方式对这两种类型的降落伞进行了测试，最近一次是2019年的气球式降落伞测试。虽然降落伞测试因疫情迫而被迫暂停，但应该很快就会恢复。

我的第一个将在助推火箭上展开的减速降落伞原型是以一种叫做“超音速X”的设计为基础的，这是一种看起来像飞行的洋葱的降落伞，它非常容易制作。不过，我还是无奈地换成了条带式降落伞，这种降落伞在高应力情况下经过了更全面的测试，并且更稳定、更结实。之所以说“无奈”，是因为我知道组装这样一个装置需要做多少工作。我首先制作了一个直径为1.24米的降落伞，其中有27条带子穿过12个伞面，每个伞面有3个连接点。所以仅仅在这个小原型上，我就得缝972个连接点。全尺寸版本将有7920个连接点。我试着对这一挑战持开放态度，但如果进一步测试表明“超音速X”设计足以满足我们的要求，我也不会反对。

在过去的发射任务中，我们已经测试了两个载人太空舱：2011年的“第谷布拉赫号”和2012年的“第谷深空号”。下一代Spica太空舱的空间不大，但足以容纳一名宇航员，宇航员将在15分钟的飞行（以及两个小时的飞行前检查）中保持坐姿状态。我们正在建造的第一个航天器是一个重型钢制“样品”舱，它是一个基础原型，我们正在使用它研究实际的布局和设计。此外，我们还会用这个模型来测试舱口设计、整体耐压和真空情况，以及外形的空气动力学和流体动力学情况，因为我们希望太空舱能够在对舱内宇航员冲击最小的情况下落入海中。对样品设计满意后，我们将制作轻量级飞行版本。

目前，我、卡斯滕•奥尔森（Carsten Olsen）以及他的女儿安娜•奥尔森（Anna Olsen）3名哥本哈根亚轨道团队成员，将是第一次载人飞行任务的宇航员候选人。我们都了解并接受乘坐自制火箭飞入太空的风险。在日常工作中，我们3位宇航员候选人并没有享受任何特殊待遇或接受任何特殊训练。到目前为止，我们的一项额外工作是坐在太空舱的座位上检查它的尺寸。由于距离我们首次载人飞行还有十年时间，候选人名单可能会发生变化。对我而言，仅仅是参与这项任务并帮助建造把首位业余宇航员送入太空的火箭就已经非常光荣了。无论最终能否成为那名宇航员，我都会永远为我们的成就感到骄傲。

人们可能想知道我们是如何靠每年约10万美元的微薄预算支撑下去的，尤其是当他们知道我们一半的收入都用于支付车间的租金时。我们会尽可能多地购买现成的标准零件来降低成本，在需要定制设计时，我们很幸运地与愿意给我们慷慨折扣并支持我们项目的公司进行了合作。由于是从国际水域发射，因此我们不必支付发射设施的费用。在前往博恩霍尔姆发射时，每位志愿者都会自付交通费，我们住在一个体育运动俱乐部里，睡在地板的垫子上，在更衣室里洗澡。有时我开玩笑说，我们的预算也就是美国国家航空航天局在咖啡上花费的1/10左右。不过，这可能足以支撑我们完成这项工作。

我们原打算在2021年夏季首次发射Spica，但计划被新冠疫情推迟了，我们的车间被迫关闭了好几个月。现在我们希望于2022年夏季进行试射，那时波罗的海的条件相对温和。在Spica的初步测试中，我们会在中途加注燃料箱，并计划将火箭送到大约30到50千米的高度。

如果这次飞行成功，Spica将在下次测试中携带更多的燃料并飞得更高。如果2022年的飞行失败，我们将找出问题所在并解决问题，然后再试一次。想到20多年的工作将带来Spica宇航员最终的15分钟星际之旅，我就觉得很神奇。不过我们知道，我们的支持者们正在倒计时，等待历史性的一天的到来：一名业余宇航员将登上自制的火箭，向地球挥手告别，准备实现DIY界的一次巨大飞跃。