喷气推进
YT5备选方案:超音速遥测火箭(STR)设计方案
拔刀斋 2013-12-11
本帖最后由 拔刀斋 于 2013-12-12 00:34 编辑

1,背景需求:
科创航天局的YT5探空火箭即将立项预研,项目的具体目标尚未确定。但万变不离其宗,从目前的讨论当中可以总结出一些典型的共性需求,或者说实用探空火箭的共性特点:无控火箭、进行数据采集/遥测/回收、飞行高度高于YT4(甚至可能达到30Km)。这些特点背后有以下共性的技术问题:箭体气动布局的稳定性、具备数据采集/遥测功能的航电系统、可靠的开伞回收、(按照发动机关机后的竖直上抛过程计算)更高的飞行速度。由于YT4的飞行速度已经达到高亚音速,进一步增加飞行速度将达到超音速。因此火箭要有达到超音速的能力,并且能承受跨音速、超音速下的空气动力学现象(所谓“音障”)。只要在一个方案里解决了这些共性的技术问题并发射验证成功,之后就可以方便的针对各种需求定制具体方案。

上述共性的技术问题当中,开伞回收、遥测数据回传、超音速飞行三个难点不够成熟,需要重点解决。

2,项目目标:
本方案可作为YT5项目的备选方案,也可作为YT5项目(如果规模较大)之前先行的验证项目。方案目标是解决开伞回收、遥测数据回传、超音速飞行三个技术难题,实现完整和易于缩放规模的探空火箭方案,为下一步的各类探空火箭方案提供通用的基础技术平台。同时尽可能在现有成熟技术方案上进行改进,使用现有成品模块降低研发周期和成本。

在方案规模方面,作为基础技术平台验证方案选取较小的发动机(50~81mm)以降低成本。由于小火箭受空气阻力影响相对明显,在使用50mm规格的发动机时可能出现飞行速度达到超音速而理论射高略低于YT4的情况。允许这种现象存在,以后其他方案加大尺寸即可增加射高。

3,基本方案:
参考论坛现有较为成熟的方案:【QHarryQ Studio】征途一号(75mm小型气象火箭)
https://www.kechuang.org/t/58923
总体方案完备,数据回传和开伞回收系统基本满足目标要求,易于重复实现。
下面要换装KC自产的航电系统并将箭体设计改造为超音速火箭,包括提高发动机比冲、减重、增强结构强度。

航电系统方案:搭载KC316、惯导、GPS、数传模块,具体方案待定,体积最好小到能安装到头锥内。
提高发动机比冲:将KNDX推进剂更换为APCP推进剂,目前论坛已有多种APCP发动机,具体选取哪一款待定。
减重:简化舱段设计,最好加长头锥将航电系统安装在头锥内,箭体除了发动机只保留回收系统一个舱段。
增强结构强度:取消箭体上影响强度的侧面舱门,使用类似YT4或QU8K经过超音速强度计算的铝合金焊接尾翼。
可能把箭体结构由箭体内装发动机改成二者相同直径,类似YT4或QU8K,以减重、减阻,待定。

详细方案未完待续
2013-12-13 13:02:19
1楼
完全同意此方案

需要核算QharryQ的箭体改为50mm APCP发动机之后能否超音速
箭体改为铝材,与发动机做成一体结构,航电安装在头锥延长段

在尾翼加装高带宽的气压传感器
拔刀斋(作者)
2楼
本帖最后由 拔刀斋 于 2013-12-13 13:55 编辑

warmonkey 发表于 2013-12-13 13:02
完全同意此方案

需要核算QharryQ的箭体改为50mm APCP发动机之后能否超音速


爪机软件Rocket and Air Baloon Calc 算出来如果保持箭体直径75mm不变、燃料质量600g不变,按比冲200、阻力系数0.5计算,把箭体和发动机空重总和减到2Kg可以达到M1.2左右。原有KNDX发动机较短,换APCP可以加长发动机多装燃料,具体数据要再用OpenRocket算一次。

如果箭体和发动机一体化,减小箭体直径还是加大发动机直径待定,取决于航电系统能否装进50mm直径的头锥。

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+10  科创币    氢离子   2013-12-13   刀版,这是用的nexus5?
拔刀斋(作者)
3楼
下面进入具体设计目标环节

首先确定有效载荷即航电系统的具体设计目标,因为火箭其他部分的设计目标要服务于运送有效载荷的任务。

概述一下航电系统的功能,包括:数据测量、数据存储与控制、数据回传、开伞控制、回收信标5大类,其中数据测量又包括姿态测量(IMU)、定位测量(GPS)、大气参数测量(温度、气压、空速),视频摄录,以及实现特定科研任务功能的测量传感器。

在科研任务功能方面,本方案是KCSA第一枚携带航电系统记录突破音障过程的超音速火箭方案。为了研究突破音障时威胁尾翼结构的跨音速气动振荡现象、为今后超音速火箭结构强度设计指标提供参考,计划在尾翼附近安装传感器记录气压振荡现象。可选的传感器组成包括成品的硅压力传感器芯片和麦克风,分别连接到航电主系统和摄像头录音通道上采集数据信号。

对上述系统中每一部分功能,需要定义其具体目标。而且从项目的总目标出发,这些具体目标应该能用现有模块简单组合实现,不需要开发复杂模块。
2013-12-15 00:52:21
拔刀斋(作者)
4楼
本帖最后由 拔刀斋 于 2013-12-15 00:55 编辑

warmonkey 发表于 2013-12-13 13:02
完全同意此方案

需要核算QharryQ的箭体改为50mm APCP发动机之后能否超音速


由于可选模块种类很有限,航电系统的指标定义实际转化为看指标选型。需要现有各种自产和外购航电模块(包括成品GPS和4432之类数传模块)的资料,其中316在论坛已有公开资料、110mm航电系统直径过大无法使用,其余待定。

在列出可用模块后需要考虑在头锥里装配航电的结构,包括电池和天线以及传感器开窗等。目前箭体设计可能使用发动机与箭体等直径的结构(未定),此时50mm发动机只能推动50mm箭体,更换75mm发动机推动75mm箭体会使成本增加数倍。因此航电系统可能遇到(未必选用)的最小箭体直径是50mm。

如果上述模块组成功能齐全的航电系统体积过大难以装入50—75mm头锥,可能需要删除部分或全部气动类传感器,设计一个只保留基本的定位和遥测功能的最小系统。

为了避免不必要的纠结,拟分别设计一个完整版和一个最小版的航电系统并以此为依据设计两个版本的火箭总体方案,完成设计后决定实际制造和发射哪个版本。
拔刀斋(作者)
5楼
诚邀各路高人和低人参与航电系统设计,不需要会设计PCB或者写惯导程序或者有时间和经费干活,只要会用成品模块,甚至只要对如何把电路板塞进狭小的头锥里固定有见解,都可以参与。
6楼
推进剂可以考虑用含能材料配方来增加比冲
7楼
已有了什么资料?
寻回系统可以参考用业余无线电爱好者的猎狐装置,如果能信号回传,则可以直接回传GPS坐标。测温不是问题,测速测高可以使用GPS数据。
姿态控制怎么个控制法,尾翼都固定了的说。视频系统估计暂时得砍掉,除非装在侧面,但估计会影响飞行。视频数据怎么录制需要考虑;存储可以使用U盘,回传估计不大可能。
8楼
燃料用 APCP ?
拔刀斋(作者)
9楼
本帖最后由 拔刀斋 于 2013-12-17 20:18 编辑

功能重要性排序

目标:
1,本次科研任务要测量跨音速激波振荡现象产生的振荡气压及其对尾翼施加的振动应力,需要在尾翼两侧安装1~2路气压传感器如MPX5700,并在尾翼上贴应变片,这两种传感器在下文中简称尾翼振动传感器。
2,需要精度一般的惯导(或只用加速度计)给出每个时刻的速度和高度作为数据的测试条件。
3,要考虑如何回传或保存数据。其余功能都属于可选内容。

已知条件:
1,尾翼激波振荡基频理论值为几百HZ,奈奎斯特采样率需1ksps以上,多路信号总的数据带宽达到数十kbps以上即相当于音频,很难实时回传,存储也麻烦。如果采样率较低便于存储和传输如KC316的50sps,则无法重建波形但仍能给出振动幅度信息,对今后的尾翼设计已经很重要。
2,9600bps以下的数传有成熟可靠廉价的4432等模块,而高带宽很难做。
3,定位落地点需要高精度惯导或GPS或信标,并且都不保证可靠。
4,大量案例表明回收成功率受很多不确定因素影响,很难做可靠。
5,QU8K的案例表明定时开伞相对较可靠而且开伞时间可以很精确。

排序结果:
1,主控板(单片机、电源、开伞驱动接口):基础平台,在不用传感器时可以定时开伞。
2,数传模块:可靠的回传遥测数据。
3,简易惯导或仅加速度计:测量飞行高度和速度。
4,基本科研任务载荷:尾翼振动传感器、低速ADC。
==以上4部分构成最小系统==
5,完整科研任务载荷:尾翼振动传感器、高速ADC和存储器或音频系统。
6,其他任务载荷备选件:摄像头(商品内置摄录存储的摄像头,音频通道可能改测振动信号)、温度传感器、气压高度计、空速管等。
7,用于回收的备选件:无线视频图传(音频通道可能改测振动信号)、高精度惯导、GPS、信标、发烟等。

现在不用纠结了,分两步方案实现:
基本版STR50:50mm APCP发动机,最小系统方案,可能带摄像头。
升级版STR75:75mm APCP发动机,带完整科研任务载荷、可能带改装音频通道的摄像头或无线视频图传等、可能带部分其他备选件。
10楼
有意入伙,懂点基础8051,懂点基础的焊接,入门级别用程序抄电路板,但是搭建电路弱智级别,懂点基础化学,热力学 传热学比较了解,一月五号之后有大量闲暇时间,坐标内蒙,想?入伙,要来个投名状什么的么←_←
11楼
拔刀斋 发表于 2013-12-17 19:31
功能重要性排序

目标:


KC316x作为姿态仪和气压高度表
DTM-HX711 V1.2 改制尾翼气压传感器,z轴大量程加速度计,尾翼应变仪
12楼
既然都这么说了,就来凑个热闹。把电路做好之后,直接浇筑头锥,包进去,留下数据接口啥的。。。以前的想法。
2013-12-21 00:40:02
拔刀斋(作者)
13楼
enigmae 发表于 2013-12-18 22:48
既然都这么说了,就来凑个热闹。把电路做好之后,直接浇筑头锥,包进去,留下数据接口啥的。。。以前的想法 ...


整体灌封能极大的提高抗加速度能力,可达几千个g。不过需要权衡重量、维修、以及改变介电常数对天线的影响等问题。
2013-12-24 20:23:24
拔刀斋(作者)
14楼
本帖最后由 拔刀斋 于 2013-12-24 20:41 编辑

darkorochi 发表于 2013-12-18 15:47
有意入伙,懂点基础8051,懂点基础的焊接,入门级别用程序抄电路板,但是搭建电路弱智级别,懂点基础化学, ...


欢迎电子爱好者加入KCSA项目,航天局公开群的群号是177957196。
YT5航电部分招标方案
https://www.kechuang.org/t/63023
2014-7-26 21:05:55
15楼
拔刀斋 发表于 2013-12-15 03:46
诚邀各路高人和低人参与航电系统设计,不需要会设计PCB或者写惯导程序或者有时间和经费干活,只要会用成品 ...


载物仓不一定要圆形啊,还可以加大直径,参考捆绑式卫星仓
2014-12-7 15:02:29
16楼
敢问楼主那个爪机软件在哪下?搜名字搜不到啊
17楼
高度绝对绝对不能用GPS测,GPS在测高速物体方面精度差的不以道理计,尤其是高空物体
箭体的流线型可以用数控车一个薄模子,外裹碳纤维布,保证跨声速机动时的结构不被激波破坏,另外要配一个金属头锥
航电必须灌封,否则在强震动环境下会造成零件失灵甚至脱落,
2014-12-12 19:36:49
18楼
回收的话可以只回收仪器部分啊。超音速火箭的话可以做二级或者多级的吧
19楼
固体火箭不太懂。。。。。。。。。。
20楼
引用 拔刀斋:
本帖最后由 拔刀斋 于 2013-12-24 20:41 编辑



欢迎电子爱好者加入KCSA项目,航天局公开群的群号是177957196。
YT5航电部分招标方案
http://bbs.kechuang.org/read-kc...
QQ群居然不让进啊。我QQ573957539
2014-12-13 23:31:20
拔刀斋(作者)
21楼
引用 我的烦恼:
QQ群居然不让进啊。我QQ573957539
现在的科创航天官方公开群177957196

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