深圳師生團隊攻克火箭垂直起降關(guān)鍵技術(shù)

5月14日下午，在廣東陽江海陵島，銀色機身的“逸仙-3號”火箭靜立在簡易發(fā)射架上。它高4.5米，直徑0.6米，重量約1噸，在動輒數(shù)十噸的運載火箭家族里顯得有些“嬌小”。但它即將挑戰(zhàn)的是可回收火箭的業(yè)界難題：垂直起飛，懸停，再垂直降落，而且必須落回附近地面上指定范圍內(nèi)。

當(dāng)天是個陰雨天，且有風(fēng)，給火箭的發(fā)射帶來了一些挑戰(zhàn)，但是中山大學(xué)航空航天學(xué)院吳志剛教授團隊很有信心。點火！發(fā)動機轟鳴聲打破海邊的寧靜。火箭拔地而起，升至預(yù)定高度后，穩(wěn)穩(wěn)懸停，隨后它微微調(diào)整姿態(tài)，開始減速下降，穩(wěn)穩(wěn)著陸在白色圓環(huán)靶心。整個過程只有30秒鐘左右，但每個環(huán)節(jié)完全按照原計劃完成，試驗圓滿成功。

中山大學(xué)航空航天學(xué)院是中山大學(xué)深圳校區(qū)首批建設(shè)的工科學(xué)院之一。這是國內(nèi)首枚由高校主導(dǎo)研制的面對稱可回收液體火箭。中大師生團隊共同攻克火箭垂直起降關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了低空飛行。

“逸仙-3號”火箭。

攻堅“垂直起飛，垂直降落”

“逸仙-3號”要完成的任務(wù)，在航天領(lǐng)域有一個專門的縮寫：VTVL，即垂直起飛、垂直著陸（Vertical Takeoff,Vertical Landing）。這是可重復(fù)使用火箭的核心技術(shù)——它決定了火箭能否在完成任務(wù)后安全返回地面，經(jīng)過檢修再次發(fā)射。

傳統(tǒng)火箭是一次性的，昂貴的發(fā)動機、控制系統(tǒng)、貯箱全部在大氣層中燒毀；而VTVL讓火箭像直升機一樣垂直降落，降低發(fā)射成本，也為未來“航班化”高頻次發(fā)射鋪平了道路。

但VTVL的技術(shù)難度較高，涉及氣動、制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制、推力調(diào)節(jié)、結(jié)構(gòu)輕量化等多個跨學(xué)科領(lǐng)域。任何一個微小失誤，都可能導(dǎo)致失敗。

“逸仙-3號”采取了面對稱設(shè)計。項目主要負責(zé)老師、航空航天學(xué)院副教授張亮解釋：“傳統(tǒng)軸對稱火箭返回時是垂直下來的，靠柵格舵減速。相比傳統(tǒng)的軸對稱火箭，面對稱設(shè)計能在大氣層內(nèi)提供更好的升力和姿態(tài)穩(wěn)定性，可以提供更大的減速效果，尤其適合垂直起降回收。”

值得關(guān)注的是，“逸仙-3號”研究的是二子級回收火箭的重復(fù)使用技術(shù)，難度比一子級更高。“國內(nèi)在這塊目前還沒有其他單位開展飛行實驗，我們做的是創(chuàng)新研究。”張亮說。

“逸仙-3號”于2025年1月正式啟動。張亮在航空航天學(xué)院開設(shè)了7年的《科研創(chuàng)新訓(xùn)練課》，這門課一直帶著本科生做小火箭，鍛煉總體設(shè)計、加工組裝、控制算法等能力。正是多年的積累，讓學(xué)生團隊敢于挑戰(zhàn)這一難題。

等待發(fā)射的“逸仙-3號”火箭。

他們是學(xué)生，也是工程師

在這枚火箭的研制中，有很多學(xué)生參與了進來，其中10位學(xué)生發(fā)揮了重要作用，包括5名本科生、5名研究生。學(xué)院為他們配備了六位不同專長的導(dǎo)師，組成師生團隊，共同協(xié)作攻關(guān)。

2022級航空航天工程專業(yè)本科生金兆銘在項目中擔(dān)任副總師，參與了從設(shè)計到研發(fā)到制造的全流程。他說：“我印象深刻的是著陸腿的研制過程，最開始我設(shè)計了一版用套桿形式的著陸腿，但仿真計算后發(fā)現(xiàn)強度不夠，腿的關(guān)節(jié)處受到的應(yīng)力太大，會導(dǎo)致變形甚至斷裂，不足以支撐火箭。”

三次大改、無數(shù)次小改，才成為現(xiàn)在的樣子，并最終通過了試驗。金兆銘說：“在參與過程中，我鍛煉了解決問題的能力，對火箭的研發(fā)有了更全面的了解，也更堅定了繼續(xù)在這個領(lǐng)域深造的想法。”

“在現(xiàn)場，看到火箭一點一點組裝起來，那一刻，我對從夢想到現(xiàn)實有了實感。”航空航天學(xué)院機械專業(yè)2024級研究生張璐明感慨道。他擔(dān)任伺服結(jié)構(gòu)主任設(shè)計師，負責(zé)火箭的前后舵面及偏轉(zhuǎn)機構(gòu)。“我是第一次參與到火箭的設(shè)計和裝配過程，從設(shè)計方案到優(yōu)化，再到實物制作和裝配，我深度參與了一個完整的項目流程，從理論到實踐，我對火箭更有熱情了”。

學(xué)生深度參與到各個環(huán)節(jié)。張亮老師提到，大家經(jīng)常參與討論方案，“晚上十點多，隨時隨地打開騰訊會議，溝通設(shè)計進展”。這種跨專業(yè)、高強度的協(xié)作，讓課堂知識在真實的工程中得到了檢驗。培養(yǎng)“學(xué)習(xí)力、思想力和行動力”，以及“以研帶學(xué)、以學(xué)促研”的育人方式，在這枚火箭上得到了最直接的體現(xiàn)。

在現(xiàn)場的師生團隊。

由深圳高校與深圳企業(yè)聯(lián)合完成

本次試驗火箭由中山大學(xué)、深圳馭龍航天科技有限公司等聯(lián)合完成設(shè)計、研發(fā)與關(guān)鍵部件集成制造。項目探索了“廣東設(shè)計、制造、飛行”的產(chǎn)學(xué)研融合新路徑，實現(xiàn)了在粵港澳大灣區(qū)域內(nèi)全產(chǎn)業(yè)鏈條閉環(huán)，顯著縮短了研發(fā)周期、降低了試驗成本。

“逸仙-3號”的低空試飛成功，只是一個開始。張亮副教授透露了未來的路線圖：“預(yù)計今年底，完成10公里高度的大姿態(tài)翻轉(zhuǎn)著陸飛行試驗。再下一步，就是亞軌道發(fā)射。”這將驗證高精度著陸方法的有效性。

未來，中山大學(xué)航空航天學(xué)院計劃依托可重復(fù)使用火箭平臺，開展亞軌道科學(xué)實驗等任務(wù)，并在智能空天系統(tǒng)等前沿領(lǐng)域持續(xù)深耕。中山大學(xué)持續(xù)大力推動相關(guān)學(xué)科發(fā)展以科技力量奔赴浩瀚星河，接力探索、逐夢空天，為中國航天事業(yè)貢獻來自高校的創(chuàng)新探索樣本。

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中山大學(xué)航空航天學(xué)院成立于2017年5月，是中山大學(xué)深圳校區(qū)首批建設(shè)的工科學(xué)院之一。2018年6月，中山大學(xué)工學(xué)院應(yīng)用力學(xué)與工程系整體并入航空航天學(xué)院。依托中山大學(xué)多學(xué)科綜合優(yōu)勢和粵港澳大灣區(qū)發(fā)展戰(zhàn)略、深圳建設(shè)中國特色社會主義先行示范區(qū)戰(zhàn)略，學(xué)院在科研平臺建設(shè)、重大項目推進方面進展順利，已與國內(nèi)多家相關(guān)業(yè)務(wù)的主管單位、科研機構(gòu)、工業(yè)部門建立了良好合作關(guān)系，一批重大項目已經(jīng)或正在落地。

采寫：南都N視頻記者 伍曼娜 通訊員 李建平