申请人信息
申请人ID:zsjzsj
真实姓名:张世杰
申请方式:个人
自我介绍:一名高二新生,成功设计并制作过30-160mm模型火箭发动机、35-200mm模型火箭发动机、简易模型火箭。 擅长学习钻研、小发明小制作。
申请人照片:
申请人曾经发表的技术文章:
文号:920895zsjzsj发表于:2023/05/23 18:40:10
并联发动机兼二级火箭可行性验证
文号:921705zsjzsj发表于:2023/06/10 23:17:12
初探-并联发动机加二级发动机
文号:923904zsjzsj发表于:2023/08/12 16:47:42
关于小型可回收二级火箭的设计与制作
文号:920555zsjzsj发表于:2023/05/14 10:28:16
35-200金属发动机
文号:920105zsjzsj发表于:2023/05/03 15:47:42
35-200半金属发动机
文号:919085zsjzsj发表于:2023/04/06 09:57:51
50mm千米射高探空模型火箭
文号:919077zsjzsj发表于:2023/04/06 03:13:37
世舟三号模型火箭
文号:915100zsjzsj发表于:2023/01/25 21:55:06
30-160全金属发动机
项目信息
关于小型可回收二级火箭的设计与制作
学科分类:喷气推进研究周期:60 天
摘要
运用3D建模、编程等技术,以单级模型火箭为基础设计二级探空火箭
Abstract
Using 3D modeling, programming, and other techniques to design a two-stage sounding rocket based on a single stage model rocket
关键词

一、项目背景及目标

虽然有控火箭是一大热门,但其中涉及的电子电路,编程知识,软硬件设计,对于萌新火箭爱好者来说,还是太过困难。而且,目前火箭爱好者所做的模型火箭大多都是难以更换部件,或者回收失败几率很高。

除此之外,“二级火箭”似乎是一个爱好者研究的冷门,很少有成功的案例。

大多数爱好者的火箭都是提前设计好的,单一的,缺乏新颖性,也在一定程度上提前限制了火箭的多元化。

我打算研发一款可靠的、模块化的模型火箭,较为系统地探究模型火箭的制作过程,同时试验二级火箭的可行性,让一些新人爱好者有法所学,有迹可循,有路可走。


何谓可靠?

就是在结合我们的研究成果,并加以优化后,达到基本的一级火箭的稳定发射、稳定回收。

何谓模块化?

就是火箭可以搭配不同的组件,比如,你可以在50mm模型火箭上装配相机、探测设备或小生物,也可以选择轻装上阵。

我们还可以在一个50mm一级火箭上加一套发动机模块,快速实现从一级火箭到二级火箭都转变,以应对特殊场景的需求


此次我的研究目标是设计并制作出一枚直径50mm,长1000mm左右的无控火箭,通过弹簧机械开伞,使用最为简单但可靠的航电采集重要的飞行数据,通过搭配不同型号的发动机以及二级发动机实现不同的火箭射高(100米、300米等等)

设计参数与理论数据的差距不超过20%

总之,该火箭应是具有基本的数据采集,稳定性、一致性强,适合新手入门,体验火箭升空的呼啸声,看着火箭降落伞打开,成功回收的快感。

二、我做过的准备

见我之前所发的文章,我做过30-160金属发动机35-200发动机世舟三号世舟四号初探二级火箭发动机模块

但可能都不太完美,不是性能不高,就是回收失败,令人唏嘘,但也积累了一定的发动机制作基础,模型火箭制作基础。

该火箭的设计制作会有部分继承世舟三号和四号,进一步优化,脱胎换骨。

我使用SRM、SW、CAD、openrocket等软件进行了火箭发动机的重新设计,火箭整体的仿真。

三、项目实施思路总览

以单级火箭为基础设计二级火箭

总结构期望:直径大约50毫米,高度大约1000毫米,重量约1~2千克,可以稳定发射的探空火箭。

设计发动机

设计铝型材试车静态试车台

设计火箭降落伞回收系统

制作基于arduino的航电数据采集系统和相关电路控制

箭体模块化连接

设计发射架

发射单级火箭

(发射单级火箭,回收分析数据,验证实际参数是否达到设计要求,达到要求后进入二级火箭研制阶段)

二级分离方案                          

二级发动机地面静态试车采集数据

二级火箭总体设计、建模、仿真

二级火箭总装

二级火箭发射  

分析数据、总结

四、二级火箭建设方案

先易后难,循序渐进

该项目不侧重于航电,只有有部分简易航电设计,侧重于模块设计,硬件制作。

①发动机

设计搭配不同发动机使用,实现不同发射任务。

吸收之前的发动机制作经验,设计了新的火箭发动机

使用SRM进行固体火箭发动机仿真

image.png image.png

image.png

固体火箭发动机内弹道模拟与性能计算

  image.png image.png

使用CAD2020绘制图纸

image.png image.png

使用solidworks2018绘制发动机3D模型(剖面图)

image.png


主体使用酚醛树脂,搭配304不锈钢衬喉。

通过计算机计算,喷口效率超97%

隔热层使用环氧树脂管,解决PVC管热缩难和加入燃料后受热膨胀的问题。


下面是上次基金申请的二级火箭发动机,为二级火箭做的准备。

20230610205448.png

②主体的设计与制造。

1、使用openrocket(火箭仿真软件)进行总箭设计,slidworks(一个3D建模软件)进行火箭建模精细化设计。

为了便于制造,考虑到制作成本和结构强度,我们使用聚氯乙烯(PVC)管作为箭体。连接结构分为可拆卸和不可拆卸,可拆卸的连接有螺螺纹连接,螺柱连接,卡环连接。不可拆卸连接有焊接,铆接,过盈配合和粘接。

我们的火箭采用螺柱连接,便于实现模块化

  连接段.png

从尾翼本身的刚度看,可分为刚性尾翼和弹性尾翼。从尾翼尺寸和弹径的关系看,分为同口径尾翼和超口径尾翼。另有固定式尾翼和张开式尾翼;矩形,梯形,三角形尾翼等。 

我们使用套筒式梯形尾翼,就是超口径尾翼。(放图)该设计具有结构强度,便于加工,空气动力条件优越等优点。可以一次性3D打印成型,外形结构特点,自稳性强,飞行姿态稳定。尾翼翼型确定后数量同样重要。随着尾翼片数量的增加,尾翼段阻力系数正比增加,生力系数增加较少,我们适中选择四片尾翼的结构。

尾翼.png


③模块连接

总结之前的经验,我们发现模型火箭在实际装配中随意打孔,会对火箭各个级段连接的稳定性造成极大的隐患。因此,我的解决方案是:首先,在连接段建模时要开好孔(如下图);

其次,我又做了一个PVC管的开孔定位器,辅助人工精准打孔:把开孔器卡在pvc管一端,再用电钻直接对着孔打下去,然后撤出开孔器,塞入连接段,孔对孔,最后拧上机米螺丝。

固定件.png


③相机固定

先将小运动相机卡入槽中,用轧带固定,再放入管中预定位置拧上机米螺丝固定

20230812153508.png


④航电系统

基于arduino nano ,利用mixly编程,使用MPU6050和BME280采集加速度,温度,湿度,气压,高度等数据,存进内存卡。

20230812151134.png

氢离子的商品航电(仅有开伞和高度记录的功能)作为备选方案。

遥控接收模块,作为地面人工紧急开伞。

在航电系统的下方,还将装备一个小型箭载纪录相机。

⑤回收系统

使用弹簧开伞而不是NC开伞,可重复多次使用,安全可靠性高,但有些许笨重。

除航电开伞外,我还将使用遥控模块或延时模块(独立供电)实现双重开伞,多一份保障。


⑥发射架

主体使用便宜的pvc管,用3d打印件固定。

再结合地钉,绳索固定在地面。

该方案较为成熟可靠。

发射架.png




四、我所要做的:

①整体设计、仿真与建模

②发动机的设计与制造

③航电部分的设计与制作

④降落伞模块制作

⑤发射架的设计与制作

⑥多次进行发动机测试、整箭回收测试,确保可靠性


开源协议
一切成果将会在科创发布,在其他视频网站发布视频时会备注KC基金项目。 将公开所有有关二级火箭的有用资料,科创用户们可以借鉴使用
资金预算
用途 规格型号 单价(元) 数量 单位 合计(元) 专家建议(元) 实际批准(元)
降落伞材料 30 1 30 30 30
火箭管体 50mmPVC管 7.98 1 7.98 7.98 7.98
弹簧 7.02 1 7.02 7.02 7.02
尼龙绳(弹簧固定) 5 1 5 5 5
遥控模块 12.88 2 25.76 25.76 25.76
arduino nano 19 1 19 19 19
MPU6050 11.1 1 11.1 11.1 11.1
BME280 1.8 1 1.8 1.8 1.8
800毫安电池 14.9 2 29.8 29.8 29.8
发射架 固定件3d打印 18 3 54 54 54
发射架 20mmpvc管 2.38 6 14.28 14.28 14.28
火箭头锥 头锥3d打印 21 1 21 21 21
火箭尾翼 尾翼3d打印 23 2 46 46 46
发射架 地钉 6.09 1 6.09 6.09 6.09
发射架 固定绳 7.8 1 7.8 7.8 7.8
GPS模块 独立GPS 72.9 1 72.9 72.9 72.9
发动机加工 30-160和35-200mm的发动机 100 2 200 200 200
申请金额 559.53 元,专家建议 559.53 元,实际批准 559.53 元
实际花费
用途 规格型号 单价(元) 数量 单位 合计(元)
降落伞材料 30 1 30
火箭管体 50mmPVC管 7.98 1 7.98
弹簧 7.02 1 7.02
尼龙绳(弹簧固定) 5 1 5
遥控模块 12.88 2 25.76
arduino nano 19 1 19
MPU6050 11.1 1 11.1
BME280 1.8 1 1.8
800毫安电池 14.9 2 29.8
发射架 固定件3d打印 18 3 54
发射架 20mmpvc管 2.38 6 14.28
火箭头锥 头锥3d打印 21 1 21
火箭尾翼 尾翼3d打印 23 2 46
发射架 地钉 6.09 1 6.09
发射架 固定绳 7.8 1 7.8
GPS模块 独立GPS 72.9 1 72.9
发动机加工 30-160和35-200mm的发动机 100 2 200
箭载相机 148 1 148
实际花费 707.53 元,应退金额 0 元
拨款详情
序号 金额 状态
第 1 期 559.53 元 已拨款
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项目状态
提交申请
专家审核
管理员复核
第 1 期拨款 559.53 元
结题
最新进展
来自:航空航天 / 喷气推进自助服务区 / 科创基金
1
已屏蔽 原因:{{ notice.reason }}已屏蔽
{{notice.noticeContent}}
~~空空如也
zsjzsj 作者
4个月20天前 IP:中国
928727

现已基本完成该项目,正在总结,下周发表

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2021/08/27注册,2时35分前活动

现就读于新邵二中,喜欢火箭,化学,物理

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