在太空竞赛开始时，大型政府组织在探索外层空间的项目上投入了大量资金。最近，SpaceX、Virgin Galactic和Blue Origin等商业公司进入了太空业务。这些公司开发了用于部署卫星的火箭，为国际空间站补充燃料，并可能实现不久的将来将进行商业太空旅行。但与政府和商业项目的大预算运作相去甚远的是，第三个群体已经开始接触星星：全球各大学的学生团队正在开发和发射火箭技术，并在这一过程中吸取了一些重要的经验教训。除了挑战之外，这些学生组织在预算紧张的情况下工作，随着团队成员的毕业，他们的排名每四年就会发生变化。
图片来源：USCRPL
南加州大学火箭推进实验室是第一个发射完全学生设计和学生造火箭到达外层空间的大学生组。
向热层发射火箭的努力需要精确的工程，在高风险的情况下，速度、功率和精度必须结合在一起。虽然学生小组已经成功地建造和飞行了相当长一段时间的卫星，但迄今为止还没有一个小组向外层空间发射过火箭。
2019年4月21日，南加州大学火箭推进实验室（USPCRPL）成为第一个大学生组，它发射了一个完全由学生设计的学生造火箭，穿越了由世界航空运动联盟定义的位于地球海平面100公里处的卡拉姆线。他们的“旅行者四号”（Traveler IV）火箭射入空中的高度达到103632米，误差为+/-5120.64米（340000英尺+/-16800英尺），完成了该组织15年的使命，成为第一个到达外层空间的大学团体。
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有一名教员顾问，并得到20多家商业公司的支持。该团队的目标是：帮助本科生获得在工程团队中工作的经验，这与他们在行业中会发现的类似。该团队共同努力，为教科书中没有回答万博1manbetx的实际工程问题创建解决方案。万博 尤文图斯
USCRPL的主要工程团队包括航空电子、复合材料、推进、恢复和模拟。他们还拥有幕后工作团队，包括运营、媒体、基础设施和生产系统。
USCRPL团队
- 超过80名学生来自六个专业，包括航天工程、机械工程和计算机科学
- 100%本科生，配备一名教员顾问
- 校园专用实验室
- 南加州大学和23家行业领万博1manbetx导者提供的资金和支持
旅行者四号火箭
- 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：103632米（340000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
- 七个月建成
USCRPL工程团队
- 航空电子设备：设计、制造和操作火箭前锥中的电子设备
- 复合材料：设计并进行火箭体、翼片、喷管和前锥的上篮
- 推进：设计和制造火箭发动机
- 回收：开发并确保降落伞的展开
- 模拟：创建飞行模拟器和固体发动机模拟器
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亲身体验，走出这个世界
与商业同行一样，USCRPL团队依靠系统仿真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，他们知道所获得的经验将有助于他们毕业后进入航空航天公司或其他行业其他相关领域。具有动手设计和商业软件经验是关键。
USCRPL仿真团队的负责人卢克·圣雷吉斯（Luke St.Regis）与另外两名学生一起创建了一个定制飞行模拟器和一个定制固体发动机模拟器。作为一名主修计算机科学和宇航工程的大四学生，他说MATLAB®帮助团队同时查看许多不同的场景。
“我们使用模拟实现两个不同的目标，”圣雷吉斯说。“首先，在设计阶段，我们使用发动机模拟器得出发动机设计、所需推力和燃烧长度曲线。然后，我们使用这些数据设计火箭的实际机身，并确定其长度、形状、鼻锥和鳍的形状，以及达到所需高度所需的大小。
“使用我编写的脚本，MATLAB会稍微更改输入，以便它能同时扫描三个输入参数。这在鳍上生成了数千个三维组合。”
Luke St.Regis，USCRPL模拟团队负责人
翅片是火箭设计中的关键部件。火箭需要巨大的推力，而大气层会导致火箭摇摆。鳍有助于改变火箭的质心，保持稳定，并指向它应该去的地方。为了设计旅行者四号的尾翼，研究小组对发射的前30秒进行了模拟，这是火箭唯一一次进入大气层，并测试了尾翼设计的不同参数，如形状和长度。
“使用我编写的脚本，MATLAB会稍微改变输入，以便它能同时扫描三个输入参数，”St.Regis说。“这在鳍上产生了数千个三维组合。然后我们可以提取最低的静态裕度，绘制所有三维图，然后看看我们希望鳍具有什么样的尺寸，以获得良好的平面轮廓。”
设计过程的很大一部分是模拟发射，包括发动机性能和飞行轨迹。模拟利用了以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，可以传递定位、速度、温度、方向等信息。这些变量也在飞行模拟器中进行测试。
“进入发射阶段，飞行模拟器实际上就是我们瞄准火箭的方式，”圣里吉斯说。“我们将参数与真实火箭的测量值进行匹配。我们提取实时风数据来计算所需的飞行路径。”
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，随着学生的毕业和升迁，成员资格每四年就完全移交一次。通过继续在MATLAB中工作，先前团队收集和构建的数据和模拟可以无缝地传递下去。
仍然在寻找星星
旅行者四号的成功是15年工作的顶峰。对于前一个没有进入太空的火箭，团队成员学到了一些他们在下一个火箭上实现的东西，这最终导致了成功。以前的许多火箭都是学习理论和开发制造方法的平台，旅行者系列就是这种知识的结晶。
“下一步，我们将改进我们成功的火箭的设计，使其更轻、更优化，”USCRPL媒体主管迈克尔·奥尼尔（Michael O’Neill）说。“我们希望增加足够的容量，以便在亚轨道太空飞行中使用有效载荷，如立方体卫星。”
单级火箭非常适合实现这一目标，USCRPL自2005年成立以来就一直拥有这一目标。但要将有效载荷像卫星一样发射到太空中，该团队需要研制一种两级火箭。
该团队正在进行许多开发项目，例如探索液体燃料的使用。液体燃料比研究小组一直使用的固体燃料更易挥发，但将允许增加控制和推力，以携带大型有效载荷并将其送入轨道。这些火箭的制造成本甚至比固体燃料火箭还要高，但USCRPL希望获得历史上最高业余火箭发射的称号，这比旅行者四号的创纪录高度高出约15000米。
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在USCRPL任职期间获得的真实世界经验已成为许多过去成员在航空航天领域的职业生涯。“我们的许多成员继续为美国宇航局或SpaceX和Blue Origin等公司工作，”奥尼尔说。“一些成员甚至创建了自己的公司，如相对论空间公司。”
丹尼斯·斯莫林（Dennis Smalling）是USCRPL大四的首席工程师，现在是SpaceX的推进工程师，他说：“我在USCRPL的时间是我大学经历中最宝贵的部分。
“USCRPL让学生有机会将课堂上学到的知识应用到实际的工程挑战中。在大学里应对这些实际挑战让学生有机会培养在工程职业生涯中极其有价值的技能。”
