YH-1小型探空模型火箭的设计与制造
ZYH492023/07/08原创 喷气推进 IP:四川
中文摘要
本文讲述YH-1小型探空模型火箭从设计到制造的全过程。这也是时隔1年的再次发帖,同时也十分感谢帮助我的朋友!如有不规范的地方欢迎批评指正!

摘要:本项目旨在设计并制作一个小型探空模型火箭,这种小型可回收探空模型火箭的设计方案,可用于气象火箭,生物实验火箭,物理实验火箭,微重力实验火箭观赏火箭等探空领域任务,具有简单易操作、可重复使用等特点。自主运用科学、工程和技术方面的知识完成设计并测试验证。

关键词:可回收复用;低成本;探空模型火箭

.研究背景

小型探空模型火箭的意义与目的体现在以下几个方面:

1.1  低成本

小型探空模型火箭相比传统的大型火箭,制造和运行成本较低。

1.2  可重复使用

可回收性是这类火箭的一个重要特点。火箭在发射升空后,可以实现组件的回收再利用,从而降低每次发射任务的成本。

1.3  灵活性

小型探空模型火箭通常体积较小、重量较轻,这使得它们在发射场地需求、发射窗口以及运输方面具有较高的灵活性。

1.4  探空科研任务

小型探空模型火箭可以进行近地层以及高空大气层的探测,为气象观测、地球物理学、天文学等领域提供数据支持。同时,这类火箭也可以携带实验器材进行各种科学实验。

总结起来,小型探空模型火箭有助于推动航天技术的创新与发展,降低探空成本,并为科学研究提供相应的数据。

 

 

.设计过程

image.png  

  小型低成本可回收复用探空模型火箭研发流程图

2.1  箭翼气动选择

image.png  

  火箭箭翼径向布置的种类

十字型与×字型

优点:各向都能产生最大机动过载,且任何方向产生升力都具有快速响应特性,大大简化了控制系统的设计。

缺点:在大攻角情况下,涡流将引起大的滚动干扰。

由于火箭发射时间短,需要短时间内迅速做出机动动作。并对箭翼气动效率要求较高。因此经过论证,我们选择十字形箭翼沿弹身径向布置的方案。

image.png  

 

openrocket 火箭尾翼外形设计

2.2  箭体气动外形设计仿真及制造

我们发现在有风的天气 ,即使发射时导向杆使模型火箭弹体完全与地面垂直,发射后的模型火箭仍会沿曲线轨道上升。这是因为吹在火箭尾翼上的风,会使火箭像风标一样 ,箭头逐渐朝迎风方向偏转,从而降低模型火箭的飞行高度。对于长机身、大尾翼的模型火箭,这种现象更为明显。

具有方向稳定性的模型火箭在飞行中,由于其重心在压力中心前 ,因此始终有减小其飞行迎角的恢复力距。

如果这个恢复力距过大,模型火箭在达到零迎角状态后不会立即停止,而继续偏向另一负迎角方向,然后再次向零迎角方向摆动。如此反复,模型火箭会出现摇摆震荡飞行状态。如图所示:

image.png  

火箭飞行时摇摆不定

我们综合考虑模型火箭的稳定性和阻尼特性 ,同步通过OpenRocket模拟仿真。不断修正的外形 ,快速得出并比较了不同火箭外形风圧中心位置 ,最终将其重心控制在风圧中心前 1-2个弹体直径处 。设置尾翼,但不宜过大;且模型火箭的弹体长度大致为其直径的12倍左右。

根据弹体长 、重心靠前 、重量大的模型火箭由于阻尼大摆动频率慢 ,衰减快;弹体短,重心靠后,重量小尾翼大的模型火箭由于阻尼小摆动频率高 ,衰减慢的结论。并设计出了火箭的气动外形。

同时我们查阅资料,为了减小火箭飞行时阻力,我们将火箭整流罩设计为抛物线整流罩,抛物线整流罩是利于减少空气阻力和发射过程中的脉动压力,更好地发挥整流罩“整流”的作用,提升运载能力,为保障火箭成功发射。

image.png  

整流罩3D建模图

image.png  

光固化3D打印的整流罩

火箭箭体设计指标主要使用open rocket软件进行确定,如火箭的长度,宽度,有效载荷等基本信息外,我们还通过此平台进行对火箭的气动设计进行相应优化,确定相应参数后通过使用soildworks软件进行火箭外形的绘制。最后用ANSYS FLUENT软件进行空气动力学外流场的仿真分析,以此验证前面的设计。

主要部件及加工方式:

1) 整流罩(光固化)

2) 箭体(pc管)

3) 尾翼(光固化)

4) 伞舱(PLA)

5) 降落伞

6) 发动机

7) 航电模块(气压开伞模块,备用手动应急开伞模块

8) 硝化纤维开伞装置

整流罩采用抛物线设计,3d打印制作:长160mm;

箭体采用亚克力管,规格:长510mm  外径:60mm 内径:56mm;

尾翼采用光固化3D打印;

降落伞采用尼龙布伞经:1m   伞绳为凯夫拉纤维绳。

 

 

OpenRocket整体仿真设计

长度:830mm

最大直径:60mm

总质量(含发动机):1.5kg

image.png image.png  

openrocket软件建模火箭设计

image.png  

ANSYS FLUENT软件空气动力学流迹曲线仿真

image.png

ANSYS FLUENT软件空气动力学外流场速度仿真

image.png  

openrocket飞行仿真结果

image.png  

SOLIDWORKS建模小型可回收探空火箭

image.png  

小型可回收探空火箭模块功能示意图

  IMG_20230527_213045.jpg

3D打印火箭部件

 

IMG_20230522_235356.jpg  

小型可回收探空火箭实物图

2.2  发动机的设计仿真与制造(详见https://www.kechuang.org/t/87968)

首先进行喷口部分设计,拉尔喷管是一种使气流从亚音速加速到超音速的收缩-扩张喷管,主要用途为产生超音速气流,如下图所示。对于燃烧室出口气流压强较大的航空发动机而言,经过收敛喷管流动后,喷管已经达到超临界状态,喷管出口压强仍然远大于外界压强,则可以考虑通过扩张喷管减少气体的不完全膨胀而导致的推力损失,实现对发动机性能的提升。喷口采用拉瓦尔喷管。

image.png  

拉瓦尔喷管原理图

管体6061铝合金无缝管长200mm

41mm   45mm 2mm

喷口采用不锈钢304/45/酚醛电木

堵头采用铝合金6061/酚醛电木

喷喉直径10mm

收敛角90  扩张角19.85

喷口长40mm

堵头长25mm

隔热采用40毫米pvc

密封圈40mm  2mm线径

固定:螺丝m4*10 8/卡簧固定

拉瓦尔喷管的设计参数如图15所示

image.png image.png  

尔喷管主要技术参数

尔喷管主要技术参数:

1)设计推力:300N

2)出口马赫:2.7

3)出口压强:112Kpa

4)室内压强:3.5Mpa

使用 ANSYS FLUENT软件对喷口的超高音速气流进行流体力学仿真计算,对上文设计参数进行验证和优化。

image.png  

ANSYS FLUENT软件发动机喷口内流场仿真速度云图

image.png  

ANSYS FLUENT软件发动机喷口内流场仿真压力云图


喷口3D设计图

mmexport1681722539523.jpg

mmexport1684237603505.jpg


喷口仿真

mmexport1684237607073.jpg

喷然比计算



3   测试实验

3.1 发动机制造组装试车

IMG_20230515_142316.jpg  

 喷口,堵头由数控车床加工

  IMG_20230518_213024.jpg

 发动机装配


 

image.png  

 推力采集卡


5月18日.mp4 点击下载 ‎ 

发动机试车


1aadcb03ba17544e5d30b7159c15293.jpg

发动机推力曲线图



 

原理:固体火箭发动机属于化学火箭发动机,用固态物质作为推进剂。 固体推进剂点燃后在燃烧室中燃烧,产生高温高压的燃气,即把化学能转化为热能;燃气经喷管膨胀加速,热能转化为动能,以极高的速度从喷管排出从而产生推力推动火箭向前飞行。

3.2 发射测试



video_20230620_165403_edit.mp4 点击下载


video_20230620_203555_edit.mp4 点击下载


video_20230624_125547_edit.mp4 点击下载

 飞行测试

IMG_20230620_143509.jpg

IMG_20230620_143515.jpg

 

Screenshot_20230622_013311.jpg Screenshot_20230622_012728.jpg IMG_20230620_195714.jpg

这个阶段我们完成了模型火箭的初步设计和制造。进行了发动机的安装测试以及数据和结果分析,以及发射测试。遗憾的是最终回收并不顺利,这个问题将在下一代的火箭中改进完善。

4   设计总结与展望

第一阶段;完成基本火箭设计掌握设计制造并实现百米级探空高度积累基础经验。

第二阶段;完成可控火箭的设计制造并首次开展科学载荷探空实验。

当前已完成第一阶段任务,正在进行第二阶段研制.......


+1  科创币    WnJaHn    2023/07/16 资瓷
+1  科创币    zsjzsj    2023/08/19 支持
+1  学术分    虎哥    2024/01/07 文章报导较为全面,有一些理论分析,但系统性还不够,对实验结果也缺少解释。就文章撰写和设计测试过程来看,满足加分条件。
来自:航空航天 / 喷气推进动手实践:实验报导
10
 
23
已屏蔽 原因:{{ notice.reason }}已屏蔽
{{notice.noticeContent}}
~~空空如也
反氚
9个月9天前 IP:江苏
922558

话说喷管计算数据是不是错了?

我记得燃烧温度是1520k

分子量是41.98

比热比是1.133

引用
评论(1)
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
不毒奶
9个月9天前 IP:上海
922562

气象不用探空气球用火箭不划算吧

引用
评论(3)
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
zsjzsj
7个月29天前 IP:湖南
924344

图文并茂,阅读十分舒适!

sticker

引用
评论
6
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
TSAaaa
5个月26天前 IP:湖南
926398

很好的帖子,数据也发的非常的详细。这种帖子在科创甚至都不多见了。 sticker

引用
评论
7
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
Snowflake001
4个月4天前 IP:河南
927611

请问lz发动机的电木喷口是找人代加工的吗?这些喷口和堵头一共花费多少钱?

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
chenruixi
3个月15天前 IP:江苏
928021

唉,又醉了。

大哥,你的火箭是向上飞的,十字型和X型有什么区别?

也不知道你从哪本书上抄来的,如果你要造巡航导弹,那我不介意

装逼前动动脑子,什么“发射窗口”“点火时机”“空大气层的探测,为气象观测、地球物理学、天文学等领域提供数据支持”,你所谓的小型,是狭义上的吗?

一些家喻户晓的东西,为何要扯出来泛泛而谈

还有发动机推力达到指标了吗,图连个单位也没有,还非要用英文,单词还抄错,是thrust,r在u前面。我是不是可以理解为发动机推力连期望的三分之一都没到?你发动机设计用的原始数据是认真的?

算了,也不说多了,一些kcer的通病,浮于表面。

看书,不只是用来抄,用来提升逼格,要真正理解。

哦,想起来了,好久之前用铝合金做喷管的那个就是你吧


引用
评论(1)
1
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
GTyzkadxmm
2个月29天前 IP:湖南
928318

我有一个问题:这发动机下面有一个类似于十字架的东西是什么? 1705325380567.png


引用
评论
1
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
Similar_Triangles
2个月25天前 IP:江苏
928418

中考考生。。。

引用
评论
1
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
帝江航天空间动力
15天0时前 IP:黑龙江
930656

先庆祝一下!

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论

想参与大家的讨论?现在就 登录 或者 注册

所属专业
上级专业
同级专业
ZYH49
学者 机友 笔友
文章
3
回复
90
学术分
1
2021/11/21注册,1天5时前活动

我们的征途是星辰大海!

主体类型:个人
所属领域:无
认证方式:手机号
IP归属地:四川
文件下载
加载中...
{{errorInfo}}
{{downloadWarning}}
你在 {{downloadTime}} 下载过当前文件。
文件名称:{{resource.defaultFile.name}}
下载次数:{{resource.hits}}
上传用户:{{uploader.username}}
所需积分:{{costScores}},{{holdScores}}下载当前附件免费{{description}}
积分不足,去充值
文件已丢失

当前账号的附件下载数量限制如下:
时段 个数
{{f.startingTime}}点 - {{f.endTime}}点 {{f.fileCount}}
视频暂不能访问,请登录试试
仅供内部学术交流或培训使用,请先保存到本地。本内容不代表科创观点,未经原作者同意,请勿转载。
音频暂不能访问,请登录试试
支持的图片格式:jpg, jpeg, png
插入公式
评论控制
加载中...
文号:{{pid}}
投诉或举报
加载中...
{{tip}}
请选择违规类型:
{{reason.type}}

空空如也

加载中...
详情
详情
推送到专栏从专栏移除
设为匿名取消匿名
查看作者
回复
只看作者
加入收藏取消收藏
收藏
取消收藏
折叠回复
置顶取消置顶
评学术分
鼓励
设为精选取消精选
管理提醒
编辑
通过审核
评论控制
退修或删除
历史版本
违规记录
投诉或举报
加入黑名单移除黑名单
查看IP
{{format('YYYY/MM/DD HH:mm:ss', toc)}}