L.A.R.S. (Система запуска и восстановления): 7 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:50

Обзор

Этот проект представляет собой систему запуска и восстановления (LARS), состоящую из различных моделей и сборок. Все вместе они представляют собой систему восстановления, подходящую для маловысотной водяной ракеты. Ракета состоит из нескольких секций, изготовленных из 1,5-литровых баллонов SmartWater.

Вся система состоит из нескольких элементов:

• Стартовая площадка
• Основной корпус
• Система восстановления

Цель и драйверы

Вдохновением для этого проекта (как и для большинства моих проектов) послужили мои племянники. Короче говоря, много лет назад (когда мои молодые племянники были еще не такими большими) они хотели устроить фейерверк в День независимости. Обычно не так уж и плохо, но тот год был другим: мы планировали длинные выходные в домике их бабушки и дедушки в Макколле, штат Айдахо. Если вы никогда не были в Айдахо, там очень сухо. Если вы никогда не были в Макколле, штат Айдахо: там очень засушливо и много деревьев, кустарников, травы и других видов топлива, идеально подходящих для лесных пожаров. Поскольку это был уже невероятно засушливый год, и Медведь Смоки держал знак пожарной опасности «ВЫСОКАЯ» перед лесной службой, я искал альтернативу.

В то же время я увидел в этом возможность продемонстрировать то, что я пытаюсь произвести на молодые научные умы: ВЫДЕРЖАТЬСЯ. Подумайте нестандартно и придумайте решение множества проблем. Поначалу это может показаться болезненным, но обычно это делают лучшие идеи.

Кроме того, как оказалось, я СУПЕР дешевый. Не столько для экономии денег, но я просто вижу так много, что можно сделать с помощью обычных вещей. В большинстве случаев это обычные вещи, предназначенные для одноразового использования.

Безопасность

Было бы упущением, если бы я не упомянул об этом первым; Я постоянно напоминаю своим племянникам: «Безопасность прежде всего». Это соответствует общей цели, поскольку основными движителями являются вода и воздух. Очевидно, серьезной пожарной опасности это не представляет.

Поскольку я построил больше секций двигательной установки, это увеличило объем для большего количества сжатого воздуха (то есть большего количества топлива). Конечно, это прямо пропорционально максимальной достижимой высоте. Продолжая эту логику немного дальше: да, это означало НАМНОГО БОЛЬШЕ ОПАСНОЙ скорости при возвращении на Землю.

Осознание того, насколько это может быть опасно, стало очевидным после того, как мы впервые успешно запустили ранний прототип с несколькими секциями фюзеляжа. Взгляните на Rocket Boys на YouTube.

Расходы

Важно минимизировать стоимость любой сборки. В моем сценарии я думал, что не менее важно обеспечить минимальную стоимость каждого использования. Я имею в виду, давай - кто хочет вложить массу усилий в одноразовую систему?

Везде, где это было возможно, я использовал хлам: бутылки с водой, которые отправлялись в мусор, старый чемодан из армейского излишка, сломанный зонтик от кресла в местном магазине спортивных товаров, лопнувший воздушный шланг от Harbour Freight и даже сломанный, лопнувший разбрызгиватель вверх - в основном, мне нравится учить детей, что не бывает мусора; это продукт, который нужно перепрофилировать.

Просто спроси

Во многих случаях вещи, которые вы хотите использовать, не обязательно «продаются», а если и продаются, то могут не стоить своей цены. Оригинальный зеленый зонт, который я использовал для парашюта, был на сломанном предмете за 28 долларов в магазине. Я отнес его к прилавку и сказал, что отдам им 4 доллара, которые у меня были. Я показал им, что он все равно сломан, и объяснил, что мне нужен только материал для зонта. Вуаля! у нас сразу появился парашют.

Возможность повторного использования

Практически невозможно говорить о снижении стоимости материалов, не принимая во внимание также то, как дизайн продукта допускает повторное использование. Если мы не можем легко использовать ракету снова и снова, мы можем с таким же успехом поджечь лес с помощью баллонных ракет и М-80.

Портативность

После всего лишь одного испытательного запуска нашего первого прототипа я понял, что вся ракетная система должна быть как можно более компактной. В то же время я хотел одолжить это всем, кто хотел попробовать. Не хотелось писать кучу подробных инструкций по сборке или арендовать фургон для перевозки.

В конце концов, я использовал коробку, в которой хранил все детали, как стартовую площадку. Несколько модификаций позволили прикрепить фитинги воздушного компрессора, шланг и обратный клапан, оставив при этом достаточно места внутри для всех секций систем движения / восстановления ракеты.

… Конечно, после последнего запуска я понял, что вся система может стать более портативной, ха.

Запасы

Стартовая площадка

• 1 х старый армейский транспортный контейнер

  • Думаю, мы подобрали это в Reuseum - отличном месте, чтобы проверить, находитесь ли вы в Бойсе, штат Айдахо;)
  • Предупреждение о спойлере: на самом деле они не хранят эти типы армейских контейнеров, так как они изменили местоположение.
• 1 шланг воздушного компрессора (~ 15 футов… или на любом другом расстоянии, на котором вы чувствуете себя в безопасности)

• 1 шланг воздушного компрессора (~ 2 '… он просто входит в коробку)

  • Оба предыдущих шланга я построил из шланга за 5 долларов, который я нашел на распродаже на стоянке Harbour Freight. Похоже, он взорвался / расколол резиновую оболочку, где кто-то позволил ей слишком нагреться / расплавиться. Помимо этого, это было здорово для того, что нам было нужно
  • Если вы разрезаете / соединяете что-то старое, вы можете найти отличные и супер-дешевые запчасти в Harbour Freight.

• 1 х невозвратный клапан - вот один

  Есть много вариантов. Купи что-нибудь дешевое

• 1 колено 90º - идет от резьбы компрессора ¼ до резьбы садового шланга (примерно так)

  • Я забыл, где у меня это получилось, но, учитывая, что это очень умная (и очень снисходительная) аудитория, я предполагаю, что вы сможете понять, как переходить от одного потока к другому через несколько минут в D&B или TSC.
  • Может быть, совместить с чем-то вроде этого.

• 1 х резьбовой вращающийся переходник для воздушного компрессора (мы повторно использовали что-то вроде этого, от Harbour Freight)

  Используется для прикрепления короткого отрезка шланга к внутренней части емкости для излишков

• 1 x женский адаптер Gardena

Фюзеляж

• 12 умных бутылок для воды (1,5 л)
• 4 бутылки для воды Essentia (1,5 л)
• 1 х нестандартная насадка (например, резьба для бутылки объемом 2 литра, напечатанная на 3D-принтере, на штекере для шланга Gardena)
• 1 тюбик клея Sikaflex (как этот строительный герметик)

• 1 x роль клейкой ленты (или обвязочной ленты)

  Я использовал комбинацию белой и черной клейкой ленты на секциях фюзеляжа. Я думал, что это придало ракете больше облика эпохи Аполлона, ха

Система восстановления: без печати

• 1 х выдвижной спринклер (мы использовали этот от Lowe's)
• 1 х старый зонт
• 1 х мяч для пинг-понга
• 1 бутылка Poland Spring (или другая бутылка, имеющая форму носа ракеты - я забыл точную марку той, которую мы использовали)
• 1 х сельтерская вода марки Kroeger (т. Е. Также продается в таких магазинах, как QFC или Fred-Meyer)
• 1 столб для электрического забора из стекловолокна (у нас был этот, я думаю, он был от D&B Supply)

Система восстановления: цепь

• 1 х Arduino Pro Mini
• 1 x 24-контактный переходник DIP-гнезда (ссылка)
• 1 x регулятор напряжения 5 В (ссылка)
• 1 х пьезо-зуммер (ссылка)
• 1 резистор 220 Ом (ссылка)

• 1 модуль MPL3115A2

  • Тот, который здесь использовался, больше не доступен
  • Я начал работать над альтернативой, которая регистрирует данные и использует гироскоп вместе с барометром - код на Github (см. Lars) все равно должен быть применим, если у вас есть альтернатива.

• 1 х кнопочный переключатель с фиксацией

  Если вы не заметили, я фанат Тайды по мелочам в небольших количествах за небольшую цену

Шаг 1: запуск панели

Стартовая площадка - это многофункциональное оборудование. Сделанный из старого ящика с оборудованием, который я нашел в печально известном Reuseum Бойсе, он выполняет три функции:

1. Топливный механизм (… за неимением лучшего термина)
2. Хранение частей корпуса ракеты
3. Стартовая площадка

Заправка / Заправка

Прежде чем говорить о заправке ракеты, важно на минутку подумать об основных научных принципах, поддерживающих ее. Из Википедии:

Водяная ракета - это тип модели ракеты, в которой в качестве реакционной массы используется вода. Вода вытесняется сжатым газом, обычно сжатым воздухом. Как и все ракетные двигатели, он работает по принципу третьего закона движения Ньютона.

Если немного разложить ее, то реакционная масса - это просто то, что используется для того, чтобы противостоять ей. Он упирается в землю, а воздух - в воду. Воздух также давит на бутылку. Действие - это расширяющийся воздух, реакция - объект с наименьшей массой (например, баллонная ракета) отталкивается от стартовой площадки.

Создание давления в ракете должно быть дополнительным процессом. Это требует нагнетания воздуха в сосуд, не допуская выхода воздуха или воды. Это достигается с помощью небольшого устройства, называемого «обратный клапан» (иногда называемого обратным клапаном).

Ракета крепится через соединитель Gardena Hose на стартовой площадке. В нижней части ракеты имеется сопло с контуром, совпадающим с коннектором Gardena Tap Connector. Я смоделировал сопло в Fusion 360, сочетая профиль переходника Gardena Tap Connector с резьбой бутылки 1,5 л.

Шланг, соединяющий все это, был взят от лопнувшего воздушного шланга. Я нашел его на распродаже парковки в гавани за пару долларов - похоже, кто-то вернул его, потому что он лопнул. Когда я увидел это, я понял, что его нужно сращивать. Я подумал, что сейчас самое время отрезать короткий кусок, чтобы навсегда прикрепить его к стартовой площадке.

Будущие улучшения

Я бы хотел купить или напечатать на 3D-принтере несколько дополнительных деталей. Я хочу, чтобы точки соединения на коробке находились заподлицо с остальной поверхностью коробки. Из-за того, что эти маленькие резьбы садового шланга и штуцер воздушного компрессора торчат, его трудно хранить, не повредив. Кроме того, он подвержен повреждениям при транспортировке на стартовую площадку.

Место хранения

В разобранном виде секции корпуса ракеты удобно помещаются в коробку. Кроме того, у меня было достаточно места, чтобы сохранить там сборку восстановления. Я храню эти детали в отдельной коробке на случай, если другие части передвигаются и разбивают детали, напечатанные на 3D-принтере.

Стартовая площадка

Когда пришло время запускать ракету, нам нужно что-то, чтобы поддержать ракету. Кроме того, совершенно необходимо, чтобы он начинался в правильном направлении (то есть в Первом законе движения Ньютона). Чтобы добиться этого, я использовал две части алюминиевого канала для отделки, соединенные двумя деталями, напечатанными на 3D-принтере.

В нижнем кронштейне, напечатанном на 3D-принтере, есть место для шестигранной гайки диаметром ¼ дюйма. Я использовал этот размер, поскольку он является стандартом для крепления насадок к штативу камеры (я расскажу об этом через секунду). Однажды я отшлифовал стороны нейлона шестигранная гайка, она плотно вошла в кронштейн.

Мой брат - отличный фотограф на открытом воздухе и, как и все специалисты в своей области, ломает или модернизирует свое оборудование. Находясь у него дома, я заметил в мусоре штатив. Единственное, что не понравилось - регулировка высоты по вертикали. В остальном это был хороший штатив. В то время я не знал, для чего буду использовать его, но в нем было много замечательных деталей.

Когда я начал строить стартовую площадку для ракеты, я дошел до того момента, когда мне понадобилось что-то переносное, чтобы удерживать направляющие. BOO YA - перепрофилируйте сломанный штатив. Он хорошо регулируется в нескольких направлениях, отлично подходит для неровностей на вашей стартовой площадке. Также упаковывается и хорошо помещается в стартовой коробке.

Я также спроектировал и напечатал на 3D-принтере деталь, которая помещается между рельсами и прикрепляется к основному корпусу ракеты. Эта деталь удерживает ракету близко к рельсам и не дает ей опрокинуться. Я прикрепил его к основному корпусу с помощью монтажной ленты 3M 414 Scotch® Extreme. Когда я конструировал изделие, я утопил два места в месте прохождения поролоновой ленты, чтобы деталь прилегала заподлицо с изогнутой пластиковой поверхностью.

Будущие улучшения

Я хотел бы напечатать на 3D-принтере некоторые соединители, которые позволят разрезать направляющие на более мелкие сегменты. С небольшими сегментами я могу хранить в коробке направляющие. Пытаться перевезти рельсы длиной 8 футов - не меньше - на джипе - было проблемой. Кроме того, сборка всего этого сделала пластиковые детали склонными к ломанию (что они и сделали) в машине.

Шаг 2: основной корпус

Основная конструкция ракеты состоит из множества идентичных компонентов. Компоненты состоят из двух бутылок SmartWater на 1,5 л и одной бутылки для воды Essentia на 1,5 л.

1. Вырежьте дно из 1,5-литровых бутылок SmartWater.

   Обязательно оставьте немного изогнутой части. Это большая площадь поверхности для адгезии Siaflex

2. Отрежьте верх и низ бутылки с эссенцией объемом 1,5 л.

3. Вставьте нижнюю часть одной из разрезанных бутылок SmartWater в разрезанную бутылку Essentia.

   Попытайтесь совместить дно бутылки SmartWater с серединой бутылки Essentia

4. Вставьте дно другой бутылки SmartWater в другой конец бутылки Essentia.

   Надавите на бутылку SmartWater вниз, пока она не коснется другой емкости SmartWater

Отметьте бутылки

Пометьте бутылки, чтобы при необходимости точно выровнять их. (ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ О СПОЙЛЕРЕ: вам придется собрать его позже).

Используйте метод, который лучше всего подходит вам. Мне нравится рисовать несколько очевидных отметин на двух разных бутылках. Когда центр заполнен Sikaflex, и вы не видите, где они встречаются посередине, это более полезное руководство.

Склеивание бутылок

Мне нравится покрывать внутреннюю часть флакона Essentia слоем Sikaflex. Это отличный клей, который также допускает некоторое расширение. Это полезная особенность, поскольку бутылки имеют тенденцию расширяться при наполнении сжатым воздухом. Также полезно, когда он падает на землю (… да, вы, вероятно, столкнетесь в какой-то момент) - бутылки легче согнуть обратно в форму и использовать повторно.

Соединение секций

Когда вы склеите все секции вместе, соедините их чем-то, что называется «трубкой торнадо». ЭТО САМАЯ БОЛЬШАЯ ТОЧКА НЕИСПРАВНОСТИ.

Пластик бутылок и пластик трубок торнадо довольно жесткий. Они не всегда идеально подходят друг к другу, и при заполнении под высоким давлением на квадратный дюйм может вытечь много воздуха. Кроме того, при использовании прокладок для садовых шлангов в точках контакта существует риск чрезмерного затягивания до такой степени, что прокладка будет вдавлена внутрь бутылки. Когда это происходит, прокладка становится бесполезной, поскольку она больше не герметизирует соединение между бутылкой и трубкой торнадо.

Я планирую создать свои собственные соединения с помощью 3D-печати с двойной экструзией. Я думаю, что есть простой способ напечатать жесткий внешний вид (для резьбы) и гибкое уплотнение посередине (для замены прокладок шланга). Я отправлю эти планы, когда они будут завершены.

Шаг 3: Система восстановления: схема

Логика парашюта очень похожа на другие жизненные сценарии: слишком быстрое развертывание - могут случиться плохие вещи; не развертываются вообще, случаются плохие вещи.

Я хотел убедиться, что парашют не раскрывается, пока не начнет падать ракета. Учитывая компоненты, которые у меня были в моем распоряжении, я решил использовать датчик барометрического давления воздуха, который обеспечивает точное измерение высоты.

Вся система нуждается в защите от непогоды. Я разработал полезную нагрузку для размещения схем и датчиков. Мне не хотелось разбирать все это каждый раз, когда я хотел активировать или перезагрузить систему, поэтому я разработал полезную нагрузку с внешним переключателем.

Когда система включена, производится начальное измерение - это наша «земля». По мере увеличения высоты ракеты ее новая высота сохраняется и сравнивается со следующим выполненным измерением. Когда сохраненное значение выше вновь измеренной высоты, предполагается, что ракета падает.

При работе с системой спасения на земле возможно случайное раскрытие парашюта. Код фактически не считает ракету "летящей" до тех пор, пока измеренная высота не станет как минимум на 1 метр выше начального измерения уровня земли, сделанного при включении системы.

Как только ракета считается падающей, парашют раскрывается. Это делается путем активации прикрепленного сервопривода на достаточном расстоянии, чтобы разблокировать выдвижную головку спринклера, прикрепленную к деталям, напечатанным на 3D-принтере. Конечно, пружина в разбрызгивателе вытолкнула парашют зонта, он упал на землю, все смеются, и так далее, и тому подобное.

Схема состояла из трех основных частей:

1. Ардуино
2. Сервопривод
3. Датчик атмосферного давления

Ардуино

Изначально я создал специальную плату с простой Arduino на ней. Когда я попытался оживить его для этой статьи, он решил перестать работать:

Я использовал Arduino Pro Mini, но это немного перебор. Он также намного больше, чем предыдущая версия. Увеличение размера потребовало переделки некоторых деталей, напечатанных на 3D-принтере - я уверен, что в деталях есть некоторые отличия от фотографий, которые я опубликовал (… извините за несоответствие).

Я разместил код в публичном репозитории на Github. Касса ЛАРС.

Сервопривод

Защелка приводится в действие обычным сервоприводом SG90. Сервопривод получает питание напрямую от регулятора напряжения, а не через Arduino.

Датчик барометрического давления

Конкретный прорыв, который я использовал в этом проекте, я нашел на Tindie (… но с тех пор был удален). В нем используется датчик MPL3115A2. Это обеспечивает Arduino точным показанием текущей высоты.

Шаг 4. Система восстановления: корпус

Система восстановления включает в себя несколько простых продуктов, которые у вас наверняка есть. Например, парашют сделан из старого сломанного зонта и раскрывается с помощью сжатой пружины из всплывающего спринклера. Не переживайте и по мелочам - я использовал скрепку, чтобы соединить рог сервопривода с защелкой спринклерной головки. Даже часть сырья, которую можно найти в случайных местах, например, алюминиевый профиль, который я нашел в мусорном ведре Goodwill.

В другом дизайне я использовал несколько столбов для забора из стекловолокна вместо алюминиевых, показанных на фотографиях. Стекловолокно валялось из какой-то поездки за деревню (я думаю), которую кто-то предпринял, они использовали для создания импровизированного электрического забора для лошадей. Не очень важно для этого дизайна, но хочу, чтобы вы подумали об альтернативах.

Влияния и изменения дизайна

Я знал, что однажды поделюсь этим дизайном с друзьями и семьей (… нет, никогда не думал, что это будет на Instructables, ха). Я также предположил, что не у всех будет одна и та же марка сельтерской воды в местном магазине. Несмотря на то, что есть возможности для значительных улучшений, я изменил свой дизайн, чтобы позволить бутылкам разного размера помещаться наверху.

Лучший способ, который я мог придумать для обеспечения надежной, но съемной посадки, - это использовать гибкий материал. Введите: NinjaFlex … мой достопочтенный MakerDojo силен, да ниндзя на моей стороне.

С помощью печати с двойной экструзией я мог создать изделие с жестким низом и гибким верхом. Гибкая часть была достаточно эластичной, чтобы втиснуться внутрь бутылки, и достаточно прочной, чтобы оказывать давление, необходимое для удержания бутылки на месте.

Шаг 5: Система восстановления: парашют

Это должно быть одна из моих любимых частей дизайна. Я имею в виду, давай, сколько раз ты думал о том, чтобы плавать в стиле Мэри Поппинс с зонтиком? Было забавно, наконец, увидеть, как зонт действует как парашют.

Я нашел один зонт на сломанном продукте в DICK'S Sporting Goods - я предложил им несколько долларов, и они взяли его. Я нашел еще один, ныряя в мусорные ведра в Goodwill. Конечно, после этих двух я нашел в магазине Second Use (в Сиэтле) замечательный старый зонт для гольфа. Зонт для гольфа был бы потрясающе огромным и из него был бы отличный парашют.

Какой бы зонт вы ни выбрали, убедитесь, что он надежно прикреплен к вашей ракете. Когда парашют раскрывается, в зависимости от размера / веса вашей ракеты сила раскрытия парашюта может быть значительной. В моем случае я прикрепил кусок гибкого эластичного шнура, который у меня был (… я думаю, моя сестра выбрасывала его из какой-то сломанной багажной сетки). С этим эластичным шнуром снижается нагрузка на пластмассовые детали при раскрытии парашюта.

Шаг 6: Обзор деталей, напечатанных на 3D-принтере

Прыгать в…

1. Полная сборка
2. Парашютный поршень системы восстановления Thingy
3. Руководство по сжатию системы восстановления
4. Верхняя часть с резьбой для полезной нагрузки системы восстановления
5. Полезная нагрузка системы восстановления
6. Адаптер с водяной ракеты на Gardena

Полная сборка

Эта модель в основном содержит все остальные модели, но собрана так, как если бы она была в производстве. Он также включает в себя многоразовые детали, не напечатанные на 3D-принтере (только для справки).

Парашютный поршень системы восстановления Thingy

Вернуться к началу ↑

Руководство по сжатию системы восстановления

Вернуться к началу ↑

Верхняя часть с резьбой для полезной нагрузки системы восстановления

Вернуться к началу ↑

Полезная нагрузка системы восстановления

Вернуться к началу ↑

Адаптер с водяной ракеты на Gardena

Вернуться к началу ↑

Шаг 7. Заключение

Я многое здесь не упомянул. Полагаю, чем больше я писал, тем больше понимал, что забывал документировать. Эта статья больше походила на нечто среднее между исчерпывающим «пошаговым», но с вызовом всех переменных, чтобы вы могли попробовать это самостоятельно. Для нас у нас было так много разных дизайнов и методов, которые не сработали, но предоставили новые возможности обучения как мне, так и моим племянникам. Это отличное маленькое приключение, в которое можно отправиться со своими учениками и любым другим подающим надежды молодым ученым.

В общем, это фантастическое упражнение в области многократного использования, творчества и технологий - отличное упражнение для детей и еще большее развлечение для родителей.

Будьте смелыми, думайте иначе и, как всегда, выделяйте свои идеи.

Финалист в конкурсе повторного использования