如何制作Arduino控制的水火箭

第1步：关于火箭科学的小讲座

现在，这是火箭科学，但这并不意味着它很难。以下是我将要使用的一些基本术语：

Apogee- 火箭飞行所描述的抛物线上的最高点，换句话说，就是火箭离地面最远，

Cp- 压力中心，

Cg - 重心。

其他一切都是相对不言自明的。

在设计和施工过程中要记住的要点（可能还有更多）：

1。拖拽 - 火箭上的阻力越大，它的顶点就越低。因此，尽量减少阻力。

2。推力 - 火箭产生的动力越大，它就越高。因此，增加推力。

3。稳定性 - 火箭的Cp必须在它的Cg后面 - 这将使火箭稳定并因此增加最大高度。

4。质量 - 火箭越轻，它越高。请注意，将火箭的重量减少到几乎为零会降低其性能 - 理想的质量与体积比能够实现最佳性能。

理论上和现实世界都有这种影响阻止我们做一切都在最大潜力。即自行车不能同时具有速度和强度的齿轮链比。这种类型的权衡也发生在这里 - 我们不能在不增加阻力的情况下增加推力。空气移动越快，在给定时间内空气的体积（与火箭相互作用）就越大。

我们的目标是设计具有额外功能的最高飞行火箭比一个简单的2L瓶火箭更有趣 - 所以这涉及到什么？

第2步：要先进或不成功 - 这就是问题！

简单的瓶子火箭的问题在于，除了启动它之外我们不能对它做任何事情并观察它倒退。我不了解你，但这有点无聊。如果我们能从火箭上观看飞行怎么办？数码相机应该可以解决这个问题。

但是 - 我的相机花了很多钱。 我不希望它被破坏，所以我需要某种恢复机制。也许是降落伞？

如果我不想在发射火箭时弄湿怎么办？有一个计时器倒计时设备会很好。

这些是在施工期间将要解决的几点。如果你有想法，请写下来。当你忘记一个对项目成功至关重要的精彩创意时，情况永远不会更糟。提出这样的问题是开发功能性产品的基础。

第3步：选项

现在让我们来决定我们应该做些什么。以下是可能冒险的概要：

降落伞恢复

涉及部署小型降落伞以降低火箭的下降速度。通常在模型火箭中使用烟火装药，但我们将使用带有伺服闩锁装置的弹簧加载机构。

录像

只有你这样做才能做到这一点确保您的恢复机制始终无故障。相机很贵。我对你的不幸不负任何责任。

发布计时器

非常简单，我认为我们也会这样做，以帮助降落伞部署时间。涉及一个Arduino和7段显示器，以及一些按钮和LED。

这些都是我将要深入讨论的，但这里有一些供您试用。我在项目中使用过的大部分内容，我也会提供如何操作的想法：

- 基于加速度计的降落伞部署 - 加速度计可用于计算速度，加速度，并且可用于降落伞部署

- 带数据记录器的气压高度计 - 使用便宜的高度计，您可以创建时间与高度图，以及测量气温（尽管这取决于高度计分线板）

- 增加水火箭的体积 - 我稍后将详细讨论这个问题，但基本上可以将瓶子拼接在一起以形成更大的压力室。这显然有助于提高海拔高度。

- 逆行恢复装置 - 这可能是涉及水瓶火箭的最困难的项目之一。我们的想法是在“着陆”之前向下发射空气/空气+水混合物，以增加火箭减速的持续时间。如果你这个工作，请评论！很高兴知道。

- 任何其他有趣的火箭相关设备 - 我见过火箭有有效载荷舱，助推器，升级机构，喷嘴等。天空是极限！

第4步：设计

在没有预见的情况下用完和购买材料绝不是一个好主意，即使他们像这里一样便宜。我在完成我的技术设计高潮项目时遇到了这种情况，顺便提一下，上面显示了这个项目。

根据你的能力设计你的火箭。第一张图片描绘了我的计划，而第二张图片则是结果。没有大型火箭因泄漏而飞行。最终的结果是一个小而有效的装置，它保持着学校的海拔高度为90米@ 65psi（磅/平方英寸，压力的测量）。

有些东西在基本方面是通用的。施工。你需要一个圆形的鼻锥，因为这是遇到空气阻力最小的形状。鳍应尽可能远地放置。尝试通过将所有内容放置在非常紧凑的布局中来限制额外的重量和尺寸。

步骤5：项目构建 - Delta-V水火箭

这是我将详细描述的火箭。它使用两个1升的瓶子，一个用于压力室，一个用于鼻锥和有效负载。它具有可编程定时器功能，可在升空后的任何所需时间部署降落伞，启动检测机构，用于编程的七段LED显示屏，伺服电机部署系统和十八英寸降落伞。它与简单的发射器一起使用，不需要任何类型的喷嘴。最重要的是 - 它可以携带GoPro Hero 5相机或任何其他相机。

构建它的总成本低于5美元。 ：）

另外，在购买任何产品之前，请仔细阅读本Instructable的末尾，因为提供的替代方案可能比初始项目更容易获取。

第6步：所需材料以及相关工具

这些是构建火箭物理结构所需的材料（不包括任何类型的电子设备）：

-1升瓶（x4）尝试将那些非常细长且具有光滑墙壁的瓶子，以及平滑，流动的曲线朝向瓶颈。你只需要三个，但为了以防万一，请多加一点。买一杯你真正喜欢的饮料 - 这样你就不会浪费资源。这样，你会更加环保。

- 塑料板（绝对最小50x50cm）再次，得到足够的，这样你可以尝试和重建，如果有什么不不行。大多数学校都有这些东西的废料，如果你不在学校，那就看看美元店。 “For Sale”标志是由罚款制成的。

- 乒乓球（x1）对于鼻锥。如果您没有，请查看任何体育用品商店。如果你有一个，请确保没有人看到你接受它。

- 橡皮筋（尽可能多，最少2个）

-Thick彩色纸（几张）

- 透明胶带，即苏格兰威士忌（一个应该足够）任何胶带都可以，但透明胶带看起来更好。来源是美元商店。

- 使用胶枪（x1）连接胶棒（根据需要）将胶带粘在一起比将胶带粘在一起更容易他们没有机会弄湿的地方。胶水枪可以从Mastercraft，Lowe‘s，Canadian Tire，Hobby shop等购买。最好是迷你版，因为全尺寸的胶套太容易融化塑料。此外，不要忘记胶棒（经常发生，相信我）

-X-acto刀，或任何其他爱好刀（x1）用于切割瓦楞塑料。任何业余爱好商店都会为您提供各种各样的刀具。

- 一把剪刀（x1）

-Ruler

-Pencil，eraser

第7步：电子设备和相关工具

如果您已经无法使用，那么您需要购买这个原型来构建这个原型：

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

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

- 通用7段LED显示屏，共阳极或共阴极（x1）用户界面的一部分。

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

- 通用按钮，SPST触觉类型（最少2个）用户界面。

- 滑动开关，通用（通孔，面包板引脚间距@ 1/10“）

- 倾斜开关，通用（x1）用于检测升空时火箭的加速度。

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

- 通用跳线，20厘米长（男性对男性或男性对女性，在决定之前阅读第9步）

- 男性标题针，足以让您的Arduino（阅读第9步） ）

-LED分类

-Buzzer，泛型

- 带臂的微型伺服电机（x1） http://www.ebay.ca/itm/POP-9

G-SG90-Micro-Servo-mot 。..

- 至少4个220欧姆电阻额定值为1/4W

-Pe rforated板，镀铜5x7厘米（x2）

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

- 焊接设备（包括烙铁，无铅焊料，支架）

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

https://www.creatroninc.com/产品/烙铁。.. - 支架

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

不要从eBay或亚马逊购买设备和工具 - 廉价制造的工具比质量工具更危险。此外，非eBay工具往往使用寿命更长，因此您不必每年购买新的焊接台。从eBay（大部分时间）购买电子产品是可以的，特别是如果它是通用的 - 但是预计大多数亚洲来源提供2-5周的电子产品。

Arduino Nano也可以从ebay购买，但是我建议从诸如sparkfun或robotshop等网站购买一个，因为在后两种情况下质量得到保证。

步骤8：火箭结构，第1部分壳牌

现在，我们将开始建造火箭体。

首先从瓶子上取下标签和瓶盖。如果您有困难，在温水下冲洗有帮助。如果标签非常紧，或者由塑料制成，那么您不需要将其取下。然后，测量瓶子的直径并记录下来。

使用X-acto刀，从颈部开始约1cm处切掉其中一个瓶子的顶部。另外，在距离顶部约25厘米的地方切掉同一个瓶子的底部，这样你就会得到一个带有一个锥形边缘的圆柱体，两端都是开口的。较小的一端应测量直径约2.5厘米。请保留截止部分 - 你需要它。

切掉一半的乒乓球，小心地将它粘在瓶子锥形端的内部，与切口齐平边缘。您希望最终得到一个具有抛物线轮廓的鼻锥。可能需要几次尝试来确保乒乓球，因此它不会脱落。当胶水冷却时，它有助于将壳体倒置。一旦胶水凝固，将你刚刚制作的所有物品移到一边，但记住不要偶然扔掉它

步骤9：火箭结构，第2部分 - 降落伞室

你现在需要建造一个降落伞和控制系统舱，里面装有Arduino ，电子模块和伺服，以及降落伞本身。请注意，我使用的纸板是一种与瓦楞塑料具有几乎相同结构特征的材料，因为那时我自己没有可用的塑料。您应该能够以完全相同的方式执行所有步骤。事实上，你也可以使用纸板，但是如果它被弄湿了你就会遇到问题。

首先拿一块瓦楞塑料并切出2个相同的圆圈（缺少更好的单词）用X-acto刀（1）。圆圈应该与瓶子的直径相同，希望您按照说明操作并更早记录下来。

切出一个长10厘米，宽度等于瓶子直径的矩形（2）。沿着其中间对矩形进行评分，使得刀只切割部分材料（3）。这样可以让你弯曲塑料，而不会将它分成两块。

将矩形放在你面前，使其相对于你（4）垂直向内弯曲。在弯曲塑料的右半部分，在顶部中间区域切出另一个较小的矩形 - 确切位置无关紧要（5）。在大多数情况下，对于微型伺服模型，尺寸大约在1.5 x 2.5厘米左右 - 但要测量您的伺服系统，并使用这些尺寸。

取一个圆圈并平放。弯曲的矩形上的热胶使得两个底角都放置在圆周（6）的圆周上。你应该确保整个弯曲的矩形与圆圈齐平。

顶部圆圈上的胶水（7）确保满足与底部相同的条件。使用厚色纸，通过切割L形支架并将它们粘合在一起来加固接头。您应该得到类似于图8中的装配的东西。

步骤10：电子工作

构建fritzing图中所示的电路。首先焊接多孔板。我建议以非常紧凑的布局焊接组件，因为您需要将它们安装在瓶子火箭内。有关近似布局和尺寸规划，请参阅模块的三张照片。请不要尝试遵循所有连接 - 按照图表更容易。..

模块完成后，您可以通过在必要时互连模块来开始完成电路。在做这个项目时，我将公头插针焊接到Arduino上并使用母头到公头的跳线，因此我可以插入连接。我之所以这样做是因为我不想在项目完成后拆开所有电线 - 我建议你这样做，特别是如果你的Arduino带有插头引脚的话。否则，你可以单独购买它们或完全省略它们。

你会注意到我没有建立我提供的精确设计的精确设计，原因是它不是最多的紧凑的设计。

确保一切正常之前你把它放在火箭中 - 让一切都分开是一种痛苦（相信我，我已经完成了前3个连续几次）。

第11步：完成它

现在你我们需要把它们放在一起 - 首先，将伺服电机放在你切出的空腔中，从外面插入。将热胶粘到位。

将所有电子元件安装在您之前制造的波纹塑料结构中。您可以将穿孔板热粘到位，或将它们粘贴在一起。确保你有9V电池的空间，不要忘记将其插入。你应该用一个精心打造的电路，有足够的空间容纳所有东西。

滑动顶壳，用鼻锥，并用永久性标记，画出降落伞室的轮廓和伺服器周围约1’x1‘的正方形。取下外壳并切掉那些部分。伺服切口应类似于（1）。重新打开外壳，必要时修剪。确保鼻锥仍然可拆卸以便接近伺服。

取出一些剩余的材料，切出一个比降落伞室的切口长约2厘米，宽度大的皮瓣。将其从腔室后面1厘米处粘贴到位，以便在关闭时可以完全覆盖开口。切出另一个相同长度但略薄的皮瓣并将其粘贴在降落伞室内，使其自然弹出，但可以向内凹陷。这是弹射板。见图。在盖子的摆动端切出一个小孔，并用橡皮筋穿过它。这将在稍后进入伺服臂。

切出孔以便访问所有开关以进行控制。您可以使用x-acto刀进行此操作。

步骤12：鳍

鳍可以是任何形状你想要的，在这个层面。你可以用任何你想要的东西制作它们，只要它不锋利且不会破碎，它不应该过重。一般来说，我使用波纹塑料制成一个简单的矩形形状的翅片，从顶部可能有点锥形。我喜欢将它对齐，以便空气穿过它，即我。波纹与火箭体平行。我将纸胶支架粘到两侧，然后用热胶将支架粘到火箭体上。

尝试使用三个翅片，最多四个。确保它们沿着身体的圆周均匀分布，并且尽可能远地安装它们。这将使你的火箭飞得更直。

如果你想让你的火箭在没有旋转的情况下飞行，那么鳍必须绝对是直的。即使其中一个稍微倾斜也会使你的火箭旋转。

我已经附上一个链接到3和4-fin构造的好模板：

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

步骤13：降落伞

降落伞变化很大。模型火箭的标准降落伞是八角形，中间有一个小孔，每个角上有一个孔，用于连接电缆（或弦）。这些电缆导致火箭主体上的共同锚。在我的情况下，我只是用绳子附着在火箭上，身上有一个简单的套索，但如果你愿意的话，你可以更优雅。

一般来说，你必须折叠降落伞，使它们适合舱室。我这样做是通过一手拿中间，另一只手将所有的末端汇集在一起，然后卷起降落伞。然后我将它包裹在降落伞绳索中，直到有大约10厘米的自由绳索，这样降落伞实际上就可以被推出舱室。

步骤14：代码

代码附在下面。代码在脚本中解释。如果出现任何问题，我很乐意在评论中回答。请记住，我很久以前就写过这段代码，但这并不是完成工作的最有效方法 - 但它确实有效。当我有机会时，我会更新它。

第15步：启动

显然，你会需要一个发射器。我打算再做一个专门讨论这个问题的指导。图片显示了我们使用的发射器;第一个是学校一个，第二个是gardena发射器。我建议你访问www.aircommandrockets.com，因为他们有关于建造发射器的最佳建议，以及一般的水火箭。

否则，许多零售商店出售能够完成这项工作的简单火箭发射器。/p》

该程序嵌入了解释启动选项和程序的注释。有两种模式，启动触发和定时器，每个模式都有一个可编程的降落伞部署延迟。

在你做任何事情之前，你需要测试部署机制。请遵循代码中的准则。如果电路不起作用，请按照标准故障排除指南来解决问题。检查以确保伺服成功解锁腔室盖，并且降落伞被推出足以开始展开。这将有助于进行跌落测试，以确保您的降落伞正常运行。

将火箭填充至其总容量的1/3 - 这是最有效的空气 - 水比 - 并将其设置为开启你的发射台。在任何情况下都不要超过80psi。理想情况下，你会对正在使用的压力室进行爆破测试，但我认为在这种情况下没有必要。如果您伤害自己或造成财产损失，我不承担任何法律责任，如果您遵循我刚才告诉您的情况，我将不会发生这种情况。

最后，我建议您不要尝试除了最大高度之外的其他任何事情。 ，因为这是迄今为止最安全的，火箭更有可能完好无损地返回。一般来说，你想让发射器直指向上，但在强风中，将它倾斜到风中是一个好主意。如果你愿意，与地面成45度的发射角将给你纵向最大距离，但很少有实际应用会使用这种东西。同样，降落伞很可能在飞行过程中被扯掉（否则它会在近乎不动的时刻部署，在远地点，如果垂直发射）。发射火箭，特别是鳍和低阻力系数，是非常危险的。只有在你清除了范围并且确定它不会击中任何人时才这样做。

第16步：启动视频

上面是项目构建启动。滚动到1:33查看发布。它似乎没有部署任何东西（因为下降速度相当快）但是风很强，所以我使用了一个小型降落伞。以下是早期原型的视频。

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

第17步：改进

我已经提到我的目标是让你开始使用火箭。如果您想尝试下列步骤，我认为这是下一步：

添加相机 - 如果您想要一些有趣的照片/视频，那么您就是对你的火箭充满信心（或者如果你有一个巨大的预算）你可以继续添加一个摄像头。我建议使用GoPro，因为它体积小，经久耐用。

添加气压高度计 - 在eBay上，您可以找到非常便宜的气压高度计。这些使用空气压力（实际上它们只是空气压力传感器）来返回可用于计算空气压力的值（空气压力随高度降低）。您可以使用它在更好的时刻部署降落伞（当高度开始下降时）。

添加数据记录器 - 添加数据记录器（最简单的是使用与Arduino接口的SD卡模块将允许您从传感器随时间存储大量数据，如温度，海拔高度等。稍后您可以调用变量（在代码中）并将其显示在某种图形中。

增加火箭容量 - 您可以将两个瓶子拼接在一起，并将这些拼接链接起来相互增加以增加火箭的体积，从而增加最大高度。

增加最大压力您可以用玻璃纤维覆盖压力室，这将有助于应对额外的压力。这也可以通过将同一瓶的第二层放在顶部，然后将所有东西包在电子胶带中来完成（如第一张照片中所示）。我不推荐这个，因为这意味着你需要一个远程发射系统，因为如果你的火箭爆裂，更高的压力意味着更危险的爆炸。这可能非常危险，将由您自己承担风险。此外，只有在您完全了解主题并在安全的环境中进行广泛的爆破测试后才能尝试这一点。

不同的恢复设备 - 我们使用了最流行的恢复设备有 - 降落伞。滑翔机怎么样？还是撞击前的逆行火箭，如Spacex Falcon 9？根据我的研究，还没有人用逆行恢复系统制造水火箭

添加助推器 - 这需要在启动板上增加额外的插座，但会增加你的最终速度。

添加第二阶段再次，你通过给第一阶段提升来提高你的最终速度。

到达空间（330，000英尺） - 虽然这个不能用2L流行瓶完成，但为什么不考虑呢？如果你有很多钱，或找到获得资金的方法，这将是让社会更容易进入太空旅行的一步（燃料成本=水的成本）。我想象一个轻质的铝制腔室，可以承受超过100，000 psi，干重30公斤。根据我的计算，这将达到110，000英尺的高度，或大约是通往太空的三分之一。当然，它可能很昂贵，但如果你有时间和金钱，尝试会很有趣。它甚至可能在以后成为主流。

在微重力下进行实验 - 如果你曾经想过0-G会发生什么，那么你可以使用你的火箭进行测试一个理论，因为在远地点有一个失重的时刻。