在太空竞赛开始时，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)等商业公司也进入了太空业务。这些公司开发用于部署卫星的火箭，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，第三个团体一直在追求明星:世界各地大学的学生团队正在开发和发射火箭技术，并在此过程中吸取了一些重要的经验教训。雪上加霜的是，这些学生组织预算紧张，每四年，随着团队成员毕业，他们的队伍就会更替。
图片来源:USCRPL
南加州大学(University of Southern California)的火箭推进实验室(Rocket Propulsion Laboratory)是首个将完全由学生设计和制造的火箭发射到外太空的本科生团队。
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(USCRPL)成为首个发射完全由学生设计和制造的火箭的本科生团队，该火箭越过了Kármán线，该线被世界航空运动联合会定义为距地球海平面100公里。他们的火箭“旅行者四号”(Traveler IV)达到103,632米的高度，误差为+/- 5120.64米(340,000英尺+/- 16,800英尺)，完成了该组织15年的任务，成为第一个进入外太空的大学生团队。
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的主要工程团队是航空电子设备、复合材料、推进、回收和模拟。他们还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多名学生
- 100%的本科生，有一名指导教师
- 校园专用实验室
- 来自南加州大学和23个行万博1manbetx业领袖的资金和支持
旅行者4号火箭
- 长度:3.96米(13英尺)
- 直径:20.32厘米(8英寸)
- 体重: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)
- 在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:为火箭体、翼、喷嘴和头锥设计并进行铺层
- 推进:设计和制造火箭发动机
- 恢复: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
图片来源:USCRPL
动手,远离世界的经历
就像他们的商业对手一样，USCRPL团队依靠系统模拟来设计和测试他们的火箭。模拟团队解决这些和其他系统模拟问题的方式与他们的专业同行基本相同，知道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相关领域的职业生涯。有实际操作设计和商业软件的经验是关键。
卢克·瑞吉是USCRPL模拟团队的负责人，他和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发动机模拟器。作为一名主修计算机科学和航天工程的大四学生，他说MATLAB®帮助团队同时查看许多不同的场景。
瑞吉说:“我们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，所需的推力和燃烧长度剖面。然后我们利用这些数据来设计火箭的实际机身，确定它的长度、形状、头锥和鳍的形状，以及达到预期高度所需的尺寸。
“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。这就产生了数千种鳍上的三维组合。”
卢克·瑞吉是USCRPL模拟小组的负责人
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。
St. Regis说:“使用我写的一个脚本，MATLAB会稍微改变输入，这样它就会同时扫过三个输入参数。”“这就产生了数千种鳍上的三维组合。然后我们可以提取最低的静态边际，将它们绘制成3D图，然后看看为了达到良好的平面轮廓，我们想要什么样的鳍。”
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了测试。
“在发射阶段，飞行模拟器实际上是我们瞄准火箭的方式，”瑞吉斯说。“我们将参数与真正火箭的测量值进行匹配。我们利用实时风场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4》的成功是15年工作的顶峰。对于每一枚未能进入太空的火箭，团队成员都吸取了一些教训，并将其应用到下一枚火箭上，这最终导致了成功。之前的许多火箭都是一个学习理论和发展制造方法的平台，而旅行者系列就是这种知识的顶峰。
“下一步，我们将改进我们的成功火箭的设计，使其更轻、更优化，”USCRPL媒体负责人迈克尔·奥尼尔(Michael O 'Neill)说。“我们希望在亚轨道太空飞行中增加足够的有效载荷，比如立方体卫星。”
单级火箭对于实现这一目标很有帮助，USCRPL自2005年成立以来就一直拥有这一目标。但要将像卫星一样的有效载荷发射到太空，该团队将需要开发一种二级火箭。
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，但将允许增加控制和推力，以携带较大的有效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，比“旅行者4号”的创纪录高度还要高出1.5万米。
图片来源:USCRPL
在USCRPL工作期间获得的实际经验已经转化为许多过去成员在航天领域的职业生涯。奥尼尔表示:“我们的许多成员后来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。”
丹尼斯·斯莫林(Dennis Smalling)大四时是USCRPL的首席工程师，现在是SpaceX的一名推进工程师，他说:“我在USCRPL的时光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到实际工程挑战中。在大学里解决这些实际的挑战，让学生有机会培养在工程生涯中极其宝贵的技能。”
