如何制作Arduino控制的水火箭

第1步：關(guān)于火箭科學的小講座

現(xiàn)在，這是火箭科學，但這并不意味著它很難。以下是我將要使用的一些基本術(shù)語：

Apogee- 火箭飛行所描述的拋物線上的最高點，換句話說，就是火箭離地面最遠，

Cp- 壓力中心，

Cg - 重心。

其他一切都是相對不言自明的。

在設(shè)計和施工過程中要記住的要點（可能還有更多）：

1。拖拽 - 火箭上的阻力越大，它的頂點就越低。因此，盡量減少阻力。

2。推力 - 火箭產(chǎn)生的動力越大，它就越高。因此，增加推力。

3。穩(wěn)定性 - 火箭的Cp必須在它的Cg后面 - 這將使火箭穩(wěn)定并因此增加最大高度。

4。質(zhì)量 - 火箭越輕，它越高。請注意，將火箭的重量減少到幾乎為零會降低其性能 - 理想的質(zhì)量與體積比能夠?qū)崿F(xiàn)最佳性能。

理論上和現(xiàn)實世界都有這種影響阻止我們做一切都在最大潛力。即自行車不能同時具有速度和強度的齒輪鏈比。這種類型的權(quán)衡也發(fā)生在這里 - 我們不能在不增加阻力的情況下增加推力?？諝庖苿釉娇欤诮o定時間內(nèi)空氣的體積（與火箭相互作用）就越大。

我們的目標是設(shè)計具有額外功能的最高飛行火箭比一個簡單的2L瓶火箭更有趣 - 所以這涉及到什么？

第2步：要先進或不成功 - 這就是問題！

簡單的瓶子火箭的問題在于，除了啟動它之外我們不能對它做任何事情并觀察它倒退。我不了解你，但這有點無聊。如果我們能從火箭上觀看飛行怎么辦？數(shù)碼相機應(yīng)該可以解決這個問題。

但是 - 我的相機花了很多錢。 我不希望它被破壞，所以我需要某種恢復機制。也許是降落傘？

如果我不想在發(fā)射火箭時弄濕怎么辦？有一個計時器倒計時設(shè)備會很好。

這些是在施工期間將要解決的幾點。如果你有想法，請寫下來。當你忘記一個對項目成功至關(guān)重要的精彩創(chuàng)意時，情況永遠不會更糟。提出這樣的問題是開發(fā)功能性產(chǎn)品的基礎(chǔ)。

第3步：選項

現(xiàn)在讓我們來決定我們應(yīng)該做些什么。以下是可能冒險的概要：

降落傘恢復

涉及部署小型降落傘以降低火箭的下降速度。通常在模型火箭中使用煙火裝藥，但我們將使用帶有伺服閂鎖裝置的彈簧加載機構(gòu)。

錄像

只有你這樣做才能做到這一點確保您的恢復機制始終無故障。相機很貴。我對你的不幸不負任何責任。

發(fā)布計時器

非常簡單，我認為我們也會這樣做，以幫助降落傘部署時間。涉及一個Arduino和7段顯示器，以及一些按鈕和LED。

這些都是我將要深入討論的，但這里有一些供您試用。我在項目中使用過的大部分內(nèi)容，我也會提供如何操作的想法：

- 基于加速度計的降落傘部署 - 加速度計可用于計算速度，加速度，并且可用于降落傘部署

- 帶數(shù)據(jù)記錄器的氣壓高度計 - 使用便宜的高度計，您可以創(chuàng)建時間與高度圖，以及測量氣溫（盡管這取決于高度計分線板）

- 增加水火箭的體積 - 我稍后將詳細討論這個問題，但基本上可以將瓶子拼接在一起以形成更大的壓力室。這顯然有助于提高海拔高度。

- 逆行恢復裝置 - 這可能是涉及水瓶火箭的最困難的項目之一。我們的想法是在“著陸”之前向下發(fā)射空氣/空氣+水混合物，以增加火箭減速的持續(xù)時間。如果你這個工作，請評論！很高興知道。

- 任何其他有趣的火箭相關(guān)設(shè)備 - 我見過火箭有有效載荷艙，助推器，升級機構(gòu)，噴嘴等。天空是極限！

第4步：設(shè)計

在沒有預見的情況下用完和購買材料絕不是一個好主意，即使他們像這里一樣便宜。我在完成我的技術(shù)設(shè)計高潮項目時遇到了這種情況，順便提一下，上面顯示了這個項目。

根據(jù)你的能力設(shè)計你的火箭。第一張圖片描繪了我的計劃，而第二張圖片則是結(jié)果。沒有大型火箭因泄漏而飛行。最終的結(jié)果是一個小而有效的裝置，它保持著學校的海拔高度為90米@ 65psi（磅/平方英寸，壓力的測量）。

有些東西在基本方面是通用的。施工。你需要一個圓形的鼻錐，因為這是遇到空氣阻力最小的形狀。鰭應(yīng)盡可能遠地放置。嘗試通過將所有內(nèi)容放置在非常緊湊的布局中來限制額外的重量和尺寸。

步驟5：項目構(gòu)建 - Delta-V水火箭

這是我將詳細描述的火箭。它使用兩個1升的瓶子，一個用于壓力室，一個用于鼻錐和有效負載。它具有可編程定時器功能，可在升空后的任何所需時間部署降落傘，啟動檢測機構(gòu)，用于編程的七段LED顯示屏，伺服電機部署系統(tǒng)和十八英寸降落傘。它與簡單的發(fā)射器一起使用，不需要任何類型的噴嘴。最重要的是 - 它可以攜帶GoPro Hero 5相機或任何其他相機。

構(gòu)建它的總成本低于5美元。 ：）

另外，在購買任何產(chǎn)品之前，請仔細閱讀本Instructable的末尾，因為提供的替代方案可能比初始項目更容易獲取。

第6步：所需材料以及相關(guān)工具

這些是構(gòu)建火箭物理結(jié)構(gòu)所需的材料（不包括任何類型的電子設(shè)備）：

-1升瓶（x4）嘗試將那些非常細長且具有光滑墻壁的瓶子，以及平滑，流動的曲線朝向瓶頸。你只需要三個，但為了以防萬一，請多加一點。買一杯你真正喜歡的飲料 - 這樣你就不會浪費資源。這樣，你會更加環(huán)保。

- 塑料板（絕對最小50x50cm）再次，得到足夠的，這樣你可以嘗試和重建，如果有什么不不行。大多數(shù)學校都有這些東西的廢料，如果你不在學校，那就看看美元店。 “For Sale”標志是由罰款制成的。

- 乒乓球（x1）對于鼻錐。如果您沒有，請查看任何體育用品商店。如果你有一個，請確保沒有人看到你接受它。

- 橡皮筋（盡可能多，最少2個）

-Thick彩色紙（幾張）

- 透明膠帶，即蘇格蘭威士忌（一個應(yīng)該足夠）任何膠帶都可以，但透明膠帶看起來更好。來源是美元商店。

- 使用膠槍（x1）連接膠棒（根據(jù)需要）將膠帶粘在一起比將膠帶粘在一起更容易他們沒有機會弄濕的地方。膠水槍可以從Mastercraft，Lowe‘s，Canadian Tire，Hobby shop等購買。最好是迷你版，因為全尺寸的膠套太容易融化塑料。此外，不要忘記膠棒（經(jīng)常發(fā)生，相信我）

-X-acto刀，或任何其他愛好刀（x1）用于切割瓦楞塑料。任何業(yè)余愛好商店都會為您提供各種各樣的刀具。

- 一把剪刀（x1）

-Ruler

-Pencil，eraser

第7步：電子設(shè)備和相關(guān)工具

如果您已經(jīng)無法使用，那么您需要購買這個原型來構(gòu)建這個原型：

- Arduino Nano Rev3.0或同等版本（x1）這是火箭的控制中心。

http://www.ebay.ca/itm/Nano-V3-0-Mini- USB-ATmega32的。..

- 通用7段LED顯示屏，共陽極或共陰極（x1）用戶界面的一部分。

http://www.ebay.ca/itm/5PCS-0-56-7-Segment-Red-LED 。..

- 通用按鈕，SPST觸覺類型（最少2個）用戶界面。

- 滑動開關(guān)，通用（通孔，面包板引腳間距@ 1/10“）

- 傾斜開關(guān)，通用（x1）用于檢測升空時火箭的加速度。

http：//www.ebay.ca/itm/10Pcs-Metal-Ball-Tilt-Shaki 。..。..

- 通用跳線，20厘米長（男性對男性或男性對女性，在決定之前閱讀第9步）

- 男性標題針，足以讓您的Arduino（閱讀第9步） ）

-LED分類

-Buzzer，泛型

- 帶臂的微型伺服電機（x1） http://www.ebay.ca/itm/POP-9

G-SG90-Micro-Servo-mot 。..

- 至少4個220歐姆電阻額定值為1/4W

-Pe rforated板，鍍銅5x7厘米（x2）

http：//www.ebay.ca/itm/Carte-Prototypage-Simple-fa 。..

- 焊接設(shè)備（包括烙鐵，無鉛焊料，支架）

https://www.creatroninc.com/product/30w-general-pu 。.. -Iron

https://www.creatroninc.com/產(chǎn)品/烙鐵。.. - 支架

https://www.creatroninc.com/product/63-37-lead-sol.。.-焊料

不要從eBay或亞馬遜購買設(shè)備和工具 - 廉價制造的工具比質(zhì)量工具更危險。此外，非eBay工具往往使用壽命更長，因此您不必每年購買新的焊接臺。從eBay（大部分時間）購買電子產(chǎn)品是可以的，特別是如果它是通用的 - 但是預計大多數(shù)亞洲來源提供2-5周的電子產(chǎn)品。

Arduino Nano也可以從ebay購買，但是我建議從諸如sparkfun或robotshop等網(wǎng)站購買一個，因為在后兩種情況下質(zhì)量得到保證。

步驟8：火箭結(jié)構(gòu)，第1部分殼牌

現(xiàn)在，我們將開始建造火箭體。

首先從瓶子上取下標簽和瓶蓋。如果您有困難，在溫水下沖洗有幫助。如果標簽非常緊，或者由塑料制成，那么您不需要將其取下。然后，測量瓶子的直徑并記錄下來。

使用X-acto刀，從頸部開始約1cm處切掉其中一個瓶子的頂部。另外，在距離頂部約25厘米的地方切掉同一個瓶子的底部，這樣你就會得到一個帶有一個錐形邊緣的圓柱體，兩端都是開口的。較小的一端應(yīng)測量直徑約2.5厘米。請保留截止部分 - 你需要它。

切掉一半的乒乓球，小心地將它粘在瓶子錐形端的內(nèi)部，與切口齊平邊緣。您希望最終得到一個具有拋物線輪廓的鼻錐。可能需要幾次嘗試來確保乒乓球，因此它不會脫落。當膠水冷卻時，它有助于將殼體倒置。一旦膠水凝固，將你剛剛制作的所有物品移到一邊，但記住不要偶然扔掉它

步驟9：火箭結(jié)構(gòu)，第2部分 - 降落傘室

你現(xiàn)在需要建造一個降落傘和控制系統(tǒng)艙，里面裝有Arduino ，電子模塊和伺服，以及降落傘本身。請注意，我使用的紙板是一種與瓦楞塑料具有幾乎相同結(jié)構(gòu)特征的材料，因為那時我自己沒有可用的塑料。您應(yīng)該能夠以完全相同的方式執(zhí)行所有步驟。事實上，你也可以使用紙板，但是如果它被弄濕了你就會遇到問題。

首先拿一塊瓦楞塑料并切出2個相同的圓圈（缺少更好的單詞）用X-acto刀（1）。圓圈應(yīng)該與瓶子的直徑相同，希望您按照說明操作并更早記錄下來。

切出一個長10厘米，寬度等于瓶子直徑的矩形（2）。沿著其中間對矩形進行評分，使得刀只切割部分材料（3）。這樣可以讓你彎曲塑料，而不會將它分成兩塊。

將矩形放在你面前，使其相對于你（4）垂直向內(nèi)彎曲。在彎曲塑料的右半部分，在頂部中間區(qū)域切出另一個較小的矩形 - 確切位置無關(guān)緊要（5）。在大多數(shù)情況下，對于微型伺服模型，尺寸大約在1.5 x 2.5厘米左右 - 但要測量您的伺服系統(tǒng)，并使用這些尺寸。

取一個圓圈并平放。彎曲的矩形上的熱膠使得兩個底角都放置在圓周（6）的圓周上。你應(yīng)該確保整個彎曲的矩形與圓圈齊平。

頂部圓圈上的膠水（7）確保滿足與底部相同的條件。使用厚色紙，通過切割L形支架并將它們粘合在一起來加固接頭。您應(yīng)該得到類似于圖8中的裝配的東西。

步驟10：電子工作

構(gòu)建fritzing圖中所示的電路。首先焊接多孔板。我建議以非常緊湊的布局焊接組件，因為您需要將它們安裝在瓶子火箭內(nèi)。有關(guān)近似布局和尺寸規(guī)劃，請參閱模塊的三張照片。請不要嘗試遵循所有連接 - 按照圖表更容易。..

模塊完成后，您可以通過在必要時互連模塊來開始完成電路。在做這個項目時，我將公頭插針焊接到Arduino上并使用母頭到公頭的跳線，因此我可以插入連接。我之所以這樣做是因為我不想在項目完成后拆開所有電線 - 我建議你這樣做，特別是如果你的Arduino帶有插頭引腳的話。否則，你可以單獨購買它們或完全省略它們。

你會注意到我沒有建立我提供的精確設(shè)計的精確設(shè)計，原因是它不是最多的緊湊的設(shè)計。

確保一切正常之前你把它放在火箭中 - 讓一切都分開是一種痛苦（相信我，我已經(jīng)完成了前3個連續(xù)幾次）。

第11步：完成它

現(xiàn)在你我們需要把它們放在一起 - 首先，將伺服電機放在你切出的空腔中，從外面插入。將熱膠粘到位。

將所有電子元件安裝在您之前制造的波紋塑料結(jié)構(gòu)中。您可以將穿孔板熱粘到位，或?qū)⑺鼈冋迟N在一起。確保你有9V電池的空間，不要忘記將其插入。你應(yīng)該用一個精心打造的電路，有足夠的空間容納所有東西。

滑動頂殼，用鼻錐，并用永久性標記，畫出降落傘室的輪廓和伺服器周圍約1’x1‘的正方形。取下外殼并切掉那些部分。伺服切口應(yīng)類似于（1）。重新打開外殼，必要時修剪。確保鼻錐仍然可拆卸以便接近伺服。

取出一些剩余的材料，切出一個比降落傘室的切口長約2厘米，寬度大的皮瓣。將其從腔室后面1厘米處粘貼到位，以便在關(guān)閉時可以完全覆蓋開口。切出另一個相同長度但略薄的皮瓣并將其粘貼在降落傘室內(nèi)，使其自然彈出，但可以向內(nèi)凹陷。這是彈射板。見圖。在蓋子的擺動端切出一個小孔，并用橡皮筋穿過它。這將在稍后進入伺服臂。

切出孔以便訪問所有開關(guān)以進行控制。您可以使用x-acto刀進行此操作。

步驟12：鰭

鰭可以是任何形狀你想要的，在這個層面。你可以用任何你想要的東西制作它們，只要它不鋒利且不會破碎，它不應(yīng)該過重。一般來說，我使用波紋塑料制成一個簡單的矩形形狀的翅片，從頂部可能有點錐形。我喜歡將它對齊，以便空氣穿過它，即我。波紋與火箭體平行。我將紙膠支架粘到兩側(cè)，然后用熱膠將支架粘到火箭體上。

嘗試使用三個翅片，最多四個。確保它們沿著身體的圓周均勻分布，并且盡可能遠地安裝它們。這將使你的火箭飛得更直。

如果你想讓你的火箭在沒有旋轉(zhuǎn)的情況下飛行，那么鰭必須絕對是直的。即使其中一個稍微傾斜也會使你的火箭旋轉(zhuǎn)。

我已經(jīng)附上一個鏈接到3和4-fin構(gòu)造的好模板：

http：//hortondeakins。 com/survivors/wp-content/uplo 。..

步驟13：降落傘

降落傘變化很大。模型火箭的標準降落傘是八角形，中間有一個小孔，每個角上有一個孔，用于連接電纜（或弦）。這些電纜導致火箭主體上的共同錨。在我的情況下，我只是用繩子附著在火箭上，身上有一個簡單的套索，但如果你愿意的話，你可以更優(yōu)雅。

一般來說，你必須折疊降落傘，使它們適合艙室。我這樣做是通過一手拿中間，另一只手將所有的末端匯集在一起，然后卷起降落傘。然后我將它包裹在降落傘繩索中，直到有大約10厘米的自由繩索，這樣降落傘實際上就可以被推出艙室。

步驟14：代碼

代碼附在下面。代碼在腳本中解釋。如果出現(xiàn)任何問題，我很樂意在評論中回答。請記住，我很久以前就寫過這段代碼，但這并不是完成工作的最有效方法 - 但它確實有效。當我有機會時，我會更新它。

第15步：啟動

顯然，你會需要一個發(fā)射器。我打算再做一個專門討論這個問題的指導。圖片顯示了我們使用的發(fā)射器;第一個是學校一個，第二個是gardena發(fā)射器。我建議你訪問www.aircommandrockets.com，因為他們有關(guān)于建造發(fā)射器的最佳建議，以及一般的水火箭。

否則，許多零售商店出售能夠完成這項工作的簡單火箭發(fā)射器。/p》

該程序嵌入了解釋啟動選項和程序的注釋。有兩種模式，啟動觸發(fā)和定時器，每個模式都有一個可編程的降落傘部署延遲。

在你做任何事情之前，你需要測試部署機制。請遵循代碼中的準則。如果電路不起作用，請按照標準故障排除指南來解決問題。檢查以確保伺服成功解鎖腔室蓋，并且降落傘被推出足以開始展開。這將有助于進行跌落測試，以確保您的降落傘正常運行。

將火箭填充至其總?cè)萘康?/3 - 這是最有效的空氣 - 水比 - 并將其設(shè)置為開啟你的發(fā)射臺。在任何情況下都不要超過80psi。理想情況下，你會對正在使用的壓力室進行爆破測試，但我認為在這種情況下沒有必要。如果您傷害自己或造成財產(chǎn)損失，我不承擔任何法律責任，如果您遵循我剛才告訴您的情況，我將不會發(fā)生這種情況。

最后，我建議您不要嘗試除了最大高度之外的其他任何事情。 ，因為這是迄今為止最安全的，火箭更有可能完好無損地返回。一般來說，你想讓發(fā)射器直指向上，但在強風中，將它傾斜到風中是一個好主意。如果你愿意，與地面成45度的發(fā)射角將給你縱向最大距離，但很少有實際應(yīng)用會使用這種東西。同樣，降落傘很可能在飛行過程中被扯掉（否則它會在近乎不動的時刻部署，在遠地點，如果垂直發(fā)射）。發(fā)射火箭，特別是鰭和低阻力系數(shù)，是非常危險的。只有在你清除了范圍并且確定它不會擊中任何人時才這樣做。

第16步：啟動視頻

上面是項目構(gòu)建啟動。滾動到1:33查看發(fā)布。它似乎沒有部署任何東西（因為下降速度相當快）但是風很強，所以我使用了一個小型降落傘。以下是早期原型的視頻。

https://drive.google.com/file/d/0B75LoR3MZ3_EdUxvR 。..

第17步：改進

我已經(jīng)提到我的目標是讓你開始使用火箭。如果您想嘗試下列步驟，我認為這是下一步：

添加相機 - 如果您想要一些有趣的照片/視頻，那么您就是對你的火箭充滿信心（或者如果你有一個巨大的預算）你可以繼續(xù)添加一個攝像頭。我建議使用GoPro，因為它體積小，經(jīng)久耐用。

添加氣壓高度計 - 在eBay上，您可以找到非常便宜的氣壓高度計。這些使用空氣壓力（實際上它們只是空氣壓力傳感器）來返回可用于計算空氣壓力的值（空氣壓力隨高度降低）。您可以使用它在更好的時刻部署降落傘（當高度開始下降時）。

添加數(shù)據(jù)記錄器 - 添加數(shù)據(jù)記錄器（最簡單的是使用與Arduino接口的SD卡模塊將允許您從傳感器隨時間存儲大量數(shù)據(jù)，如溫度，海拔高度等。稍后您可以調(diào)用變量（在代碼中）并將其顯示在某種圖形中。

增加火箭容量 - 您可以將兩個瓶子拼接在一起，并將這些拼接鏈接起來相互增加以增加火箭的體積，從而增加最大高度。

增加最大壓力您可以用玻璃纖維覆蓋壓力室，這將有助于應(yīng)對額外的壓力。這也可以通過將同一瓶的第二層放在頂部，然后將所有東西包在電子膠帶中來完成（如第一張照片中所示）。我不推薦這個，因為這意味著你需要一個遠程發(fā)射系統(tǒng)，因為如果你的火箭爆裂，更高的壓力意味著更危險的爆炸。這可能非常危險，將由您自己承擔風險。此外，只有在您完全了解主題并在安全的環(huán)境中進行廣泛的爆破測試后才能嘗試這一點。

不同的恢復設(shè)備 - 我們使用了最流行的恢復設(shè)備有 - 降落傘?；铏C怎么樣？還是撞擊前的逆行火箭，如Spacex Falcon 9？根據(jù)我的研究，還沒有人用逆行恢復系統(tǒng)制造水火箭

添加助推器 - 這需要在啟動板上增加額外的插座，但會增加你的最終速度。

添加第二階段再次，你通過給第一階段提升來提高你的最終速度。

到達空間（330，000英尺） - 雖然這個不能用2L流行瓶完成，但為什么不考慮呢？如果你有很多錢，或找到獲得資金的方法，這將是讓社會更容易進入太空旅行的一步（燃料成本=水的成本）。我想象一個輕質(zhì)的鋁制腔室，可以承受超過100，000 psi，干重30公斤。根據(jù)我的計算，這將達到110，000英尺的高度，或大約是通往太空的三分之一。當然，它可能很昂貴，但如果你有時間和金錢，嘗試會很有趣。它甚至可能在以后成為主流。

在微重力下進行實驗 - 如果你曾經(jīng)想過0-G會發(fā)生什么，那么你可以使用你的火箭進行測試一個理論，因為在遠地點有一個失重的時刻。