二级探空火箭的制作&发射失败问题分析(科创基金项目)
LHX00609172024/04/25原创 航天技术喷气推进 IP:广东

    该项目最初的目标是:设计制造一枚36mm外径的固体火箭,完成可控的二级分离与点火,箭上搭载摄像机、航电数据采集回传系统以及GPS定位器,在飞行过程中采集航拍视频,记录并回传高度、加速度、姿态数据,确保收集到完整的飞行数据。

    火箭箭体原计划使用3D打印制造,但经测试发现打印件那可怜的Z方向强度在长径比25的火箭上异常的脆弱。为了有足够的强度最后使用了40*38的碳纤维管作为箭体,所有连接套筒使用38*36插入长度两倍径的碳管制造。

    火箭的开伞与分离点火原计划使用主航电完成二级的点火与开伞,一级独立进行延时分离(一级不回收)。但经过水火箭使用气压开伞无一误动作的先例后果断给火箭画了开伞分离小板并进行了测试。火箭的一二级开伞与点火分离均使用气压方案。

    级与级之间的分离:采用热分离的方法,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。



——————————制作——————————


1.航电

    为防止火箭烂尾航电作为了最先设计制造的的设备

    因为火箭没有涉及到姿态控制仅进行数据回传与开伞,不需要性能特备强悍的单片机同时为了加快项目的开发进度使用了Arduino Nano 的单片机ATmega328P作为主控。

    IMU为MPU6050

    气压计为BMP280

    GPS模块为E108-GN02D

    无线数传为A39C-T400A22D1a

    在确定了器件后,航电经过了几次的迭代

IMG_20240424_183311.jpg

右下角为最终的数据记录航电,一二级开伞点火控制在最后因为小火箭布线极不方便所以单独画了三块小板子控制。

IMG_20240411_203140.jpg

IMG_20240424_184244.jpg

开伞的控制逻辑是使用气压计判断垂直上升率大于8m/s后等待到达最高点后下降5m点燃点火头。

间级点火的逻辑是使用气压计判断垂直上升率大于8m/s等待高度大于160m后点燃点火头。



VID_20240411203026.mp4 点击下载

开伞药使用的是绯红之粉


KS.mp4 点击下载 ‎0.8g

降落伞伞布使用的是尼龙,伞绳使用的是0.8mm的凯夫拉纤维线(无图),伞布折叠好后使用玻璃纤维布包裹。


VID_20231203222103.mp4 点击下载




2.箭体

    箭体使用40*38的碳纤维管作为主体,使用38*36的碳纤维管作为连接套筒(套筒的双边延升长度为箭体的两倍径)

mmexport1713957223381.png

IMG_20240424_185838.jpg

1.发动机固定

发动机与箭体的连接使用的是3D打印的转接环+碳管打孔后使用机米螺丝拧上

IMG_20240424_190716.jpg

碳管上所有的孔都是使用3D打印件辅助钻的

IMG20240308045713.jpg

2.尾翼的定位与固定

在使用OpenRocket上确认尾翼尺寸后使用使用CNC把尾翼碳板切割出来

mmexport1713957373331.png

1.通过3D打印的辅助工具对尾翼进行定位(定位时可以使用快干一点的胶水)

IMG_20240424_192358.jpg

2.使用电工胶布做好树脂R角的限制

3.混合好环氧树脂使用3D打印的圆刮板刮好树脂R角(使用粘度高一点的2小时环氧树脂)

IMG_20240424_192741.jpg

4.裁剪好合适大小的玻璃纤维布,对不希望碰到树脂的地方缠好电工胶布

5.使用24小时环氧树脂把玻璃纤维布手糊到尾翼上

IMG_20240424_193330.jpg

6.固话后把尾翼打磨平整,然后在涂上一层薄薄的环氧树脂

IMG_20240424_193703.jpg

3.其他

头锥、相机舱、航电支架均使用3D打印制作

连接均为碳管打孔+机米螺丝

IMG20240308072426.jpg

IMG_20240424_194823.jpg




3.发动机


两台发动机的内弹道曲线都是在openMotor确认的(图片没了)


1.原发动机

    发动机原计划是使用两台30直径的一次性碳机,发动机的参数如下

    发动机使用偏置中孔装药

    隔热为1mm的纸

    发动机直径:30mm

    发动机长度:忘了(时间太久了,还把模型删了)

    设计总冲:185Ns

    设计工作时间:2.2s

    设计装药:180g

    燃料:KNSB

    设计平均工作压力:2.19Mpa

    设计最高工作压力:2.8Mpa

    发动机喉径6.4

    发动机出口直径12.4

    扩张比3.75

IMG20230705211503.jpg

这台发动机拥有极高的装药比(比Winter的61%还高,但是因为年代久远我忘记了具体数值了)

发动机的堵头与喷管均使用光固化打印制造,使用环氧树脂粘合在碳管上。喷喉使用3个6.4mm的碳钢垫片,发动机的点火也提前封装进了堵头。

IMG_20240424_204241.jpg

装药:

IMG_20240424_205435.jpg

第一次试车:


VID_20230809160533.mp4 点击下载


VID_20230809171101.mp4 点击下载

IMG_20240424_210407.jpg

第二次试车:


VID_20230815120625.mp4 点击下载


VID_20230815122353.mp4 点击下载

IMG20230815122812.jpg

两场试车的数据

mmexport1713964134970.png

在发动机爆炸前两台发动机的工作都非常优秀,后面推力下降是喷管型面被烧蚀效率下降所致

第二台发动机甚至是减装药试车(怀疑第一次是隔热的问题所以第二次试车有一段药柱是气模冷却装药)

两台发动机试下来出现了很匪夷所思的问题:发动机都在推力压力下降的过程中发生了爆炸(绝对不是隔热的问题)

有做复合材料的前辈来解释一下为什么吗?


2.新发动机
    碳机的两次试车失败且找不到原因后,果断跳回了复用金属机的怀抱

    发动机的喷管与堵头均采用316L不锈钢3D打印制造,耐压壳体使用无缝6061-T6铝合金管制造,喷管与堵头使用卡簧固定

     mmexport1713998321717.png

    发动机的参数如下:

    发动机使用C孔装药

    发动机直径:36mm

    发动机长度:251mm

    隔热为2mm的PVC管

    设计总冲:180Ns

    设计工作时间:0.8s

    设计装药:180g

    燃料:KNSB

    设计平均工作压力:6.X(忘了)

    设计最高工作压力:6.X(忘了)

    发动机喉径5.7

    发动机出口直径16

    扩张比7.87


第一次试车:


VID_20231222180019.mp4 点击下载


VID_20231222182252.mp4 点击下载

mmexport1713999621179.png

因为发动机固定方式的问题,推力数据直接作废

IMG20231222162033.jpg


第二次试车

装药前发现过量的表面活性剂可以降低燃料的燃速,为了降低推力并延长发动机工作时间,我决定给第二台发动机加入了燃料质量百分之一的月桂醇硫酸酯铵。


123456789.mp4 点击下载


1234567890.mp4 点击下载

123456789012.jpg

IMG_20240425_073217.jpg

0852580147.jpg

mmexport1714000455210.png

第二次试车的推力曲线与拍扁的仿真一模一样

试车的具体参数如下:

平均推力:72N

工作时间:2.5S

总冲:178N-S

比冲:96.3S

H级发动机

试车完后对发动机的各项参数的非常满意,上箭的发动机没有做任何的更改直接CV了一下。


因为使用了C孔装药而且比较成功,所以分享下我的C孔药柱制造方法:

  1. 使用仿真软件确定模具的几何数据。要考虑实际生产的难度,比如我的窄边宽度是5mm木棒+聚四氟乙烯胶布的厚度

  2. 使用激光切割机切割出药柱固定模具

  3. 使用聚四氟乙烯胶布包裹住药柱芯棒

  4. 装配好模具装药

IMG_20240425_074116.jpg

    6.在等待药柱冷却的过程中时刻注意收缩的药柱,注意补齐药柱液面

    7.等待完全冷却

    8.大力出奇迹脱模

IMG_20240425_074512.jpg


08522580.mp4 点击下载


085225800.mp4 点击下载



4.发射架

    发射架就没撒好说的了,就激光切割的支架+不锈钢管+打印件辅助固定

qwer.jpg

5.点火器

    点火器使用120m长的二芯屏蔽线+继电器

asd.jpg


———————————发射——————————


    在准备好所有东西后在学校与同学进行可一次除点火外的彩排,随后便收拾好东西放学后直奔发射场地。

IMG_20240425_081252.jpg

然后就是固定好发射架——>装配航电——>航电全部上电——>火工品安装——>等待航电初始化——>发射

IMG_20240425_082428.jpg


FS1.mp4 点击下载


FS2.mp4 点击下载


FS3.mp4 点击下载

mmexport1714009909881.png

发射✓

二级点火X

一级开伞✓

二级开伞✓

回收X(GPS--0)

最大高度647m

最大速度119m/s


    在火箭发射一级发动机关机后,因为在地面脑抽忘记了在一二级之间绑一圈电工胶布,一级直接在空中不受控分离了。又因为二级的点火小板在一级伞舱里,而二级的点火条件是到达160m高度,这使二级直接就失去了点火的机会。

mmexport1714012630721.png

    而GPS在地面第一次搜星成功后,我发现运动相机没开随后又重新拧下头锥打开相机,相机搞定后又检查了一下GPS的状态。在确定没有问题后重新拧上头锥,殊不知在拧头锥螺丝时碰掉了GPS的连接线,而发射时我确认了一次GPS位置没有留意卫星数量发射全过程GPS卫星数0-0。

    在二级落地后的1小时里,我都能完整的接收到无线数传的信号,甚至在田里玩起了无线电测向,但最后直到电脑电量告急都没有找回火箭。

    发射火箭一定一定一定要有发射检查单!!!


———————————————————————


    通过二级火箭的设计制作及发射使我在这半年的时间里学到了很多,我对因为我的“小问题”造成最后的发射失败深表歉意,辜负了许多Kcer的期待,在此更要感谢科创基金的支持与无私的基金。

    欢迎大家在楼下进行交流讨论,本人的语文水平较差请多多包涵。


+1  科创币    TSAaaa    2024/04/26 写的很详细,具有极高的科研素质
来自:航空航天 / 航天技术航空航天 / 喷气推进动手实践:实验报导
10
 
8
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~~空空如也
TSAaaa
27天0时前 IP:中国
931529

前排支持!楼主nb,建议加精!写的很详细,具有极高的科研素质。羡慕LZ的环境和LZ极强的动手能力 sticker

几个小问题:1.火箭壳体为何不选择便宜的PVC管?2.一二级分离是冷分离还是热分离,看着像后者,但没有看到任何防热措施,直接对着降落伞,这样不会烧蚀降落伞吗?

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LHX0060917作者
26天19时前 IP:广东
931532
引用TSAaaa发表于1楼的内容
前排支持!楼主nb,建议加精!写的很详细,具有极高的科研素质。羡慕LZ的环境和LZ极强的动手能力几个...

感谢支持😄

  1. 火箭壳体为何不选择便宜的PVC管?

    火箭的长径比实在太高了,薄壁PVC管的刚性不够,厚一点的如果是40外径发动机又放不下,50外径火箭太死重了。而且PVC管的精度不是很够,随便一量都能差0.4-0.5。使用PVC管连接套筒几乎只能使用打印件,而打印件的Z方向强度低的太可怜了😅

  2. 2.一二级分离是冷分离还是热分离

    一二级是热分离,隔热措施有。隔热措施是使用玻纤布隔离(降落伞叠成伞包后也使用了两层玻纤布包裹)

    mmexport1714084621084.jpg

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TonyStark
25天2时前 IP:江苏
931590

赞一个楼主的整体设计和制造工艺。赏心悦目!

楼主发动机设计有明显问题。二级碳纤维外壳用偏置中孔装药很容易出问题。而且一级喷管设计也明显欠膨胀。建议发动机设计数据保守一点,太暴力会出问题。


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就是氧化铁喽
18天12时前 IP:河北
931758

非常好的文章,大赞!

但是楼主的发动机设计好像没有计算之类的,可以过srm,金属机试车明显的欠膨胀,发动机设计参数太暴力了,knsb六兆帕以上燃料很容易压碎爆燃,看视频压力没上那么高,KnSb的比冲有90s吗?


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LHX0060917作者
18天12时前 IP:广东
931760
引用就是氧化铁喽发表于4楼的内容
非常好的文章,大赞!但是楼主的发动机设计好像没有计算之类的,可以过srm,金属机试车明显的欠膨胀,发...

第一次金属机点火是有问题的,而且那更药柱要比正常的轻了了6-7g(没有表面活性剂不好浇筑导致的气泡把)而且推力曲线明显和仿真有很大的差别(固定方式也背锅)

第二次是添加了燃料质量百分之一的月桂醇硫酸酯铵(过量,正常是千分之一)削了燃速后的装药,发动机室压在3Mpa左右

计算都是有的,几台发动机都使用的都是openMotor计算的(只不过太过久远了图片丢可😂,第一台碳机那几条模拟的曲线就是从软件导出的😆

KNSB比冲96.3不很正常吗😂(好像还有点低)


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就是氧化铁喽
18天2时前 IP:河北
931783
引用LHX0060917发表于5楼的内容
第一次金属机点火是有问题的,而且那更药柱要比正常的轻了了6-7g(没有表面活性剂不好浇筑导致的气泡把...

我感觉糖类燃料发动机计算还是srm比较好一些,Knsb的比冲90?80就已经很高了,一般也就七十几,你把你发动机采集到的推力数据算一下比冲,应该没那么高

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LHX0060917作者
17天18时前 IP:广东
931788
引用就是氧化铁喽发表于6楼的内容
我感觉糖类燃料发动机计算还是srm比较好一些,Knsb的比冲90?80就已经很高了,一般也就七十几,...

Screenshot_2024-05-05-07-46-23-29_9e5553d857869454dfe83d0e5172bec0.jpg

第二次试车的数据就是采集和计算出来的,就是96.3😂

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LHX0060917作者
17天18时前 IP:广东
931789
引用就是氧化铁喽发表于6楼的内容
我感觉糖类燃料发动机计算还是srm比较好一些,Knsb的比冲90?80就已经很高了,一般也就七十几,...

SRM计算出来的比冲不知道为什么小发动机特别高,大发动机特别低?而且前两次碳机试车在开花前的数据也印证了openMotor的计算没有问题😄

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就是氧化铁喽
16天13时前 IP:河北
931817
引用LHX0060917发表于8楼的内容
SRM计算出来的比冲不知道为什么小发动机特别高,大发动机特别低?而且前两次碳机试车在开花前的数据也印...

那就是高室压导至比冲高,knsb压力尽量别过六,感觉这发动机的设计参数多多少少有点暴力


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就是氧化铁喽
16天13时前 IP:河北
931818
引用就是氧化铁喽发表于9楼的内容
那就是高室压导至比冲高,knsb压力尽量别过六,感觉这发动机的设计参数多多少少有点暴力

超过6Mpa容易导致燃料被压碎爆燃

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