关于小型可回收二级火箭的设计与制作
张世杰
zsjzsj2024/02/03原创 喷气推进科创基金 IP:湖南
中文摘要
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
Design a two-stage sounding rocket based on a single-stage model rocket using 3D modeling, programming and other technologies.
关键词
模块化低成本可复用稳定可靠可回收二级火箭
Modularlow-costreusablestable and reliablerecyclabletwo-stage rocket

一、项目概要

基于火箭相关知识,自主研发设计具有科普观赏、气象探空、理化学实验等功能的小型可回收二级火箭。

 

二、项目创新点

利用Openrocket、SRM、CAD、Solidworkes、Mixly、Arduino等软件,使用3D建模、仿真、编程等技术,进行包括但不限于降落伞的设计及制造、发射架的设计、降落伞的弹出结构方案设计、基于Arduino的航电数据采集系统、二级分离结构以及控制方案的设计。

①模块化火箭,使于制造、储存、运输,机动性强;

②多功能火箭,通过模块化设计,我们可以搭载不同的设备用于多种实验任务;

③可复用火箭,使每次发射过后只需简单的清理、安装、即可进行第二次发射;

④低成本火箭,大多数模块可以回收重复使用,适合各种低预算发射实验活动。

 

三、项目实用性

本项目的低成本模块化二级火箭具有无限的实验前景,可用于航天科普机构、学校等机构的科普教育。我们的低成本火箭方案可以很好的应用于学校,给中小学生一个很好的科普教育机会,为祖国培养航天人才、科技创新人才。学校里面为学生讲解火箭相关知识时,可以不再局限于课本上单调的文字,可以让学生们深切感受火箭相关结构,甚至可以让学生们亲眼观看模型火箭发射,以真实的火焰,以火箭的上升、开伞、回收,激发学生们强烈兴趣和共鸣。  

 

四、项目背景

查阅文献资料,我们很少见关于设计与制造业余模型火箭的文章,更不用说多级火箭了。即使偶尔找到一两篇,也不过是泛泛而谈,或者没有一个完整的火箭项目研究,相关科普机构需求不小,但只能用“水火箭”演示,有射程短,载荷小,效果差等诸多不便。我国在模型火箭方面的研究有所缺陷,缺少系统详细的报告式教程。我们此项目旨在研究、设计与制造小型可回收二级火箭,填补中国业余火箭相关方面的空白。

 

五、项目实施思路总览

以单级火箭为基础设计二级火箭,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。

 

项目名称

1.箭体设计

2.设计小型固体火箭发动机

3.设计火箭降落伞回收系统

4.制作基于Arduino的航电数据采集系统和相关电路控制系统

5.模块化连接设计

6.设计火箭发射架

7.发射单级火箭

8.二级火箭总设计

9.二级发动机点火、分离设计

10.二级发动机地面静态试车采集数据

11.二级火箭发射 

 

六、正式设计与制造。

1.箭体设计

使用Openrocket(火箭仿真软件)进行火箭的总体设计,Solidworks(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,可拆卸的连接有螺柱连接,卡环连接等;不可拆卸

连接有焊接,铆接,过盈配合和粘接等。我们的火箭采用螺柱连接,便于实现模块化目的。

 

连接段

  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,还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。该设计具有结构强度高,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,自稳性强,飞行姿态稳定。

尾翼数量的选择同样重要,随着尾翼片数量的增加,尾翼段阻力系数呈正比增加,升力系数增加较少,因此我们适中选择四片尾翼的结构。

 

 

尾翼的3D模型

  QQ截图20240203171140.jpg

 

2、设计发动机

火箭发动机是使火箭能够飞行的推进装置,固体火箭发动机的结构设计主要包括燃烧室、喷管、支持装置及点火装置。喷管是火箭发动机能量转换的主要部件,它把推进剂燃料产生的高温高压燃气的热能和压强势能转变为高速排出气体动能产生反作用力。

喷管设计的主要任务是选择喷管的结构形式,设计内型面参数,确定热防护措施。喷管型面由收敛段,临界段(喉部)和扩张段构成。

喷管设计参数包括扩张半角、收敛半角,扩张比等。造成火箭发动机性能损失的原因有两相流损失、散热损失和气流扩散损失等。

喷管内流动的高温燃气或一定量的熔融颗粒流剧烈冲刷及烧灼使发动机内型面遭到破坏,同时燃气热量通过壁面向外壁传导,使喷管壁面材料温度升高,因此做好发动机的热防护可以保证发动机稳定工作。

综上所述,我们开始看手设计一枚30毫米直径160毫米长的微型固体火箭发动机和一枚35毫米直径200毫米长的微型固体火箭发动机。(下面以制作30毫米直径160毫米长的微型固体火箭发动机为例)

想要减轻发动机的总重量,但不失强度,6061铝管是个不错的选择,后堵片所承受的直接侵蚀较小,选用酚醛树脂(俗称电木)即可达到目的,喷管的设计是较为复杂但极为重要的,用304不锈钢固然可以减少侵蚀,但结构重量太大,得不偿失,而如果全采用酚醛树脂用作喷管,高温高压的燃气带来的强烈冲刷,会使其喉部严重扩张带来的巨大的损失,也不可取,但如果使用酚醛树脂用作喷管主体结构,用石墨充当喷管喷口的喉部,则可以达到优异的效果。燃烧室及喷管的连接要求可靠性好、连接部分密封性好。我们将喷管与6061铝管燃烧室用两枚氟胶圈密封。考虑到发动机尺寸和加工条件等因素,我们使用环氧树脂管作为热防护的功能材料。

确定好喷口扩张比后,使用相关设计工具设计喷管内型面尺寸

QQ截图20240203171203.jpg  

综合考虑电木和石墨的耐冲刷耐高温能力与喷口尺寸,我们使用一个直径6mm,外径12mm ,厚度3mm的石墨衬喉,套在电木喷管立体入口内

 

发动机喷口剖面图

QQ截图20240203171211.jpg  

 

装药药型基本原则 :足够的燃烧面 ,还应满足燃烧时间的要求 ,对燃烧室壁传热小,中药药柱在燃烧室内易固定 ,装药有足够的程度管 ,药柱内孔有多种形状选取,如星型内孔,十字形内孔,圆形内孔 ……各种孔型的内孔没有设计不同的优缺点 ,如星孔装药可以大大增加 燃烧面积,增加总冲,但其装药的形状较为复杂,给药柱加工带来不少困难 ,微型固体火箭发动机使用圆形内孔是一个很好的选择 ,有着足够的强度和燃烧面积 ,易于加工,燃烧稳定。

 

使用SRM(固体火箭发动机相关性能计算工具)火箭发动机仿真

QQ截图20240203171935.jpg QQ截图20240203172113.jpg QQ截图20240203172300.jpg  

固体火箭发动机内弹道模拟与性能计算

QQ截图20240203172326.jpg  

 

使用CAD2020绘制30-160固体火箭发动机图纸

QQ截图20240203172341.jpg  

 

使用solidworks2018绘制发动机3D模型(剖面图)

QQ截图20240203172359.jpg  

 

至此,我们已完成30-160mm微型固体火箭发动机的设计,交给数控车床加工厂加工。 

 

加工成品

QQ截图20240203172412.jpg  

 

3.设计降落伞回收系统

降落伞回收系统主要包括降落伞的制作和弹出结构设计。

 

①降落伞的制作

我们火箭的总重量为1~2千克,降落伞的布料需要加工性能好,材料柔软。伞绳需要强度高,抗疲劳、凯夫拉绳是个绝佳选择。伞绳不可能与单薄的布料直接连接,因此需要采用小垫环。来缓冲由弹出伞包和自由落体带来的巨大冲击力。测试单个伞绳与已经打好垫环的伞布的最大抗拉能力。

 

垫环与布料连接

QQ截图20240203194159.jpg  

 

结合实际情况,我们使用十二股伞绳,每根伞绳1.5米长。因为在一个平面内与定点距离相等的点围成一个圆,于是我们以1.5x1.5的布料中心为定点,拉一根75厘米长的一端固定有记号笔的细绳绕其转动,我们可以用此方法裁出一个近乎完美的圆。

 

已裁好的圆形布料

QQ截图20240203194208.jpg  

 

然后在圆形布料的四周的合适位置每隔30度打一个垫环,连接伞绳,接着将所有伞绳,收于一端,打结,剪去线头。自此已完成降落伞的制作。

 

降落伞展开效果

QQ截图20240203194224.jpg  

 

 

②降落伞弹出方式和结构设计

结构设计·示意图

QQ截图20240203194232.jpg  

结构:连接杆下端有钩状设计,充当推动伞包的作用,底座2中有1个孔可拧螺丝与连接杆相连,底座1固定,底座2在筒内自由活动;
  原理:先将电子点火头与已打好结的绵线相连,将底座2下压到合适位置(将动能转化为弹性势能),再用已打好结的绵线将连接杆下端与下方的螺柱相接,固定好后备用;接通电源,熔断绵线,弹簧释放,(弹性势能转化为动能)向上推出伞包,同时,因为底座1已与弹簧固定,固弹簧底座1不会连同弹簧起推出内筒。可概括为烧断细线使弹簧推动伞包出舱。

使用物理方法开伞,此结构稳定可靠,弹出伞包的成功率极大,大大提高了降落伞的开伞成功率,同时还可以防止因火工开伞而引燃降落伞,造成的安全事故。

 

内部结构

QQ截图20240203194240.jpg  

 

点火头点火熔断棉线

QQ截图20240203194252.jpg  

 

装配示意图

QQ截图20240203194310.jpg  

 

 

 

无人机挂载回收系统进行空中抛落开伞测试

QQ截图20240203194318.jpg  

 

5.航电设计

我们的航电系统计划基于Arduino nano ,利用Mixly编程,使用MPU6050和BME280等模块,采集高度、加速度、温度、湿度、气压、高度等数据,存进内存卡。

 

QQ截图20240203195048.jpg QQ截图20240203195057.jpg  

 

 

此外我们还配备了遥控接收模块(不同于上述航电系统,单独供电),作为地面人工紧急开伞方案。

 

在航电系统的下方,还将装配一个小型箭载记录相机,用来记录火箭升空时的第一视角的画面,还可以用来分析火箭的姿态稳定性、上升时间,下降时间等数据。

 

 

6.各系统、段间级的模块化连接

各个系统基本独立运行,通过连接段连接。

 

连接段

QQ截图20240203195113.jpg

这种模块化设计可以使火箭的各个系统组合更加灵活,拆装运输方便,实现在设计范围不同载荷的自由组合。

 

我们又设计了一个PVC管的开孔定位器,辅助人工精准打孔,以便将PVC与连接段较精确的连接。

 

开孔定位器

QQ截图20240203195123.jpg  

操作过程:把开孔器卡在pvc管一端,再用电钻对着打一个孔,拧上机米螺丝,接着打出其他三个孔,然后撤出开孔器,塞入连接段,孔对孔,最后拧上机米螺丝即可。


 

7.制作发射架

发射架是使火箭在离架后具有一定初速度、能够顺利进入预定弹道飞行的重要保证,其应具有便于拆卸、便于维修、防火防爆的特点。

 

我们以四根1.5米长,直径20毫米的聚氯乙烯管作为导轨,用三个3D打印的固定环将其固定,内有60毫米直径的可动范围,可以使火箭以较小的摩擦力,实现较大的初速度冲出发射架。通过四根绳子,将在四个方向的地钉与发射架中部的固定环连接,以固定发射架。为了确保发射架垂直于水平面,我们在上端固定环上设计安装了微型水平仪。

 

发射机上端固定环

QQ截图20240203195142.jpg  

 

发射机3D装配示意图

QQ截图20240203195150.jpg  

 


8. 发射单级火箭

 

火箭各系统组装

QQ截图20240203195205.jpg  

组装发射架

QQ截图20240203195217.jpg  


发射

发动机点火正常

QQ截图20240203195224.jpg  

火箭上升姿态正常

 

QQ截图20240203195244.jpg QQ截图20240203195251.jpg  

回收系统工作正常

成功打开降落伞

QQ截图20240203195258.jpg  

整箭顺利回收,发射高度约50m,数据成功采集,开始研制二级火箭。

 

9.设计二级模型火箭

①多级火箭的原理

通过高中物理的学习,我们已经知道,单级火箭所能达到的速度增量,取决于其火箭发动机的有效排气速度和火箭的起飞质量与发动机熄火时的质量比。现代火箭发动机的喷气速度在短期内难以大量提升,于是有了多级火箭的概念,即将多个火箭发动机串联起来,一级发动机工作完后抛离,二级开始工作,如此往复。但分离机构较为复杂,且质量较大,如果级数过多火箭的可靠性反而会大幅降降低,因此多级火箭一般不会超过三级。

②二级模型火箭的设计

参照以上原理,我们设计了二级模型火箭。

图片7.jpg

由多级火箭相关概念,我们可以知道:最下面的一级发动机及其外壳叫做第一级发动机,其上面的发动机及其外壳叫做第二级火箭。整个二级火箭模型叫做子火箭1或者1号子火箭,第二部分叫做子火箭2或2号子火箭。

 

使用openrocket(火箭仿真软件)进行总箭设计:二级火箭长度107cm,最大直径5cm,含发动机的总质量1705g,最高点966m,最大速度151米每秒,最大加速度84.9米每平方秒。

 

Rocket Design

 

图片1.png  

 

图片4.jpg 图片3.jpg 图片6.jpg  

 

 

10.二级发动机点火、分离设计

二级模型火箭的制作显然要比单级模型火箭更为复杂,首先需要解决的是级与级之间的分离问题和二级发动机点火问题,其次是稳定翼的选取。

a.级与级之间的分离问题

我们采用热分离的方法,以二级发动机点火后工作产生的大量高温高压燃气将第一级火箭抛离。

b.发动机点火问题

该火箭的第一级发动机可以通过地面设备点火,但第二级发动机必须在空中点火,时间极为重要。延时时间一但订错,后果很严重,可能导致火箭箭体倾斜开始有下降趋势时二级发动机才刚点火,将火箭推离弹道。延时过长,也可能导致一级发动机还在工作时,发动机就点火造成发动机动能损耗和安全事故。我们的火箭一级发动机工作时间约为1秒,还有惯性上升阶段,初定于一级点火后延时1.8秒点燃二级发动机。

二级发动机点火电路的一个难点是如何在一级发动机点火后顺利启动延时,在一定时间后点火。我们使用了一种电子延时模块:其电路板上有三对插头分别为电源接头,短接导线接头,点火输出接头。工作原理是通过旋转电位器调节不同延时时间,在接通电源后,拔掉短接导线,延时已设定好的时间后输出电流。我们可以将短接导线固定在发射架上,当一级级发动机点火后,随着火箭箭体升高,短接导线随即拔出,延时开始。该方案完美解决了二级发动机点火问题。

c.稳定翼的选取

我们看到诸如导弹类的多级火箭的一级尾翼要比二级尾翼更小,这是因为导弹要有一个良好的机动性,可以灵活控制弹道,但我们的二级模型火箭是为了要稳定垂直上升,因此我们的二级比一级的面积更小,一级比二级大约大20%

 

一、二级间

图片8.jpg                         

 

 

11.二级发动机地面静态试车采集数据

二级发动机系统地面热试车,通过试车台采集数据,导入计算机软件绘制推理曲线图。

   图片9.jpg

一级发动机点火

图片10.jpg  

二级发动机点火

图片11.jpg  

 

 

 

将试车台采集的数据导入电脑,使用WPS绘制二级发动机推力曲线图

图片12.jpg  

 

 

 

装配二级火箭

图片13.jpg 图片14.jpg  

 

 

搭建发射架

图片15.jpg  

 

一级发动机点火成功

图片16.jpg  

二级分离成功

图片17.jpg 图片18.jpg  

 

箭载相机拍摄画面

 

图片19.jpg  

 

 

火箭回收成功

图片20.jpg  

分析发射数据,该二级模型火箭达到设计要求。

 

七、总结与反思

这就是我们对二级模型火箭的相关研究,有关箭体设计、降落伞的回收、航电系统的设计等方面都或多或少有所欠缺,在未来的时间里我们将深入改进做到绿色环保可回收可持续利用,让科技创新深入整个研究项目中,为祖国航空航天事业奉献出我们这代青年的力量!

 


参考文献

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+5  科创币    TSAaaa    2024/02/04 NB!
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TSAaaa
17天1时前 IP:湖南
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spaceXfirst
16天20时前 IP:广东
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好!!!!!



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白沫0001
15天11时前 IP:辽宁
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支持,期待搭载姿态控制系统

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勿忘我_954
15天3时前 IP:重庆
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2021/08/27注册,20时42分前活动

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