如何避免打造一个失败的两级火箭模型

当工程学遇到雄心壮志…以及偶尔的，地面

所以…我通常不写博客，主要是因为我认为我不是“写博客的类型”（无论那是什么意思）。实际上，这是我的第一篇。但是在我们第一次尝试两级火箭发射后，我想——是的，可能值得写一下。如果不出意外，也许其他人可以开怀大笑，从中学习，并避免犯我们犯过的错误。

一切都像任何一个美好的发射日一样开始。火箭已准备就绪，团队充满热情，有人大喊“开始！”（是我）即使火箭在画面中的某个地方——如果你眯起眼睛并发挥想象力的话。

我们充满信心地开始了倒计时。

3… 2… 1… 发射！

接下来发生的…不是飞行。火箭离发射台可能只有几米，叹了口气，好像它改变了主意，然后像一只昏倒的山羊一样倒了下来。发动机从技术上讲是点火了——只是不足以给任何人留下深刻的印象，包括火箭本身。

我们静静地站在那里。有人鼓掌。我们都笑了。

这篇博客混合了那个故事——以及所有其他略微或严重出错的事情——并总结了关于建造两级模型火箭时不要做什么的实际教训。如果你是一个爱好者，一个好奇的初学者，或者只是来看爆炸的，欢迎加入。

The Dream

在我们谈论 Venessa (是的，给火箭命名为 Venessa 是一个有意识的决定) 的设计、问题和“我的天啊，刚刚发生了什么”的时刻之前，让我们退一步。

为什么首先要建造两级火箭？

很简单——因为它很酷。但也因为它很难。而这正是使其值得去做的原因。与单级飞行相比，两级火箭引入了一个全新的复杂层面。你不再只是发射一枚火箭了——你发射的是一枚在空中分裂成两部分的火箭，并且两部分都需要按照它们应该做的方式去做。

这种复杂性正是我们决定建造 Venessa，我们的第一枚两级火箭的原因。

这次我们没有追求记录或高度。目标很简单：设计、建造并成功执行级分离事件——即上级在第一级燃尽后干净利落地分离并继续其旅程的部分。

仅此而已。

这个小而关键的演示旨在为 Asthsiddhi 铺平道路，Asthsiddhi 是我们更大、更强大的两级火箭，目前正在开发中。Venessa 是一个垫脚石——一个实验，更重要的是，一次学习经历。

我们从第一天起就遵循的指导原则是：“以最简单的方式完成它，同时仍然教会你困难的东西。”

这种理念塑造了一切——我们如何制造我们的发动机，选择我们的材料，设计我们的 Avionic，甚至决定哪些部件值得过度设计（以及哪些部件我们可以简单地粘在一起并祈祷）。

接下来是几个月的设计、迭代、制造、失败的测试和重做。

但这一切都始于一个简单的目标：

我们能否设计出一枚在飞行中解体的火箭——有意的——并且不会被重力完全烤焦？

让我们看看结果如何。

Vanessa 并非要飞得更高或更快。而是要更聪明地飞行。

从一开始，设计理念就很简单：专注于掌握级分离，而不是完美。

因此，我们没有追求每一个性能指标，而是将目光集中在核心挑战上——以一种受控和可靠的方式使两级火箭在飞行中分离。其他一切——结构、推进、Avionics——都是围绕这个单一目标构建的。

我们知道会有妥协。我们对此没问题。并非所有东西都需要是航空航天级的。我们不需要玻璃纤维或碳纤维。我们需要的是能够正常工作，足以让我们达到学习时刻的东西。

在每一步，我们都问自己：

“我们可以用什么最简单的方式来建造它，并且仍然学到深刻的教训？”

有时这意味着使用一个可以 3D 打印的纸板切割零件。有时这意味着使用纸管代替昂贵的复合材料体。有时这意味着让一个级进行弹道坠落，而没有回收系统（安息吧第一级，你完成了你的工作）。

但这就是学习原型的美妙之处——可以故意犯错的自由。

Vanessa 不是一枚为荣耀而建造的火箭——它是一枚为教导我们而建造的火箭。

Propulsion

在推进方面，我们决定从我们不可靠的 PVC 时代毕业，最终进入金属时代。

我们设计的固体火箭发动机具有不锈钢外壳、铝端盖和低碳钢喷嘴。很花哨，对吧？事实证明，PVC 从来都不是最佳选择。是的，它很轻，但在压力下也具有像湿饼干一样的结构完整性。金属虽然更难加工，但给了我们更有价值的东西——一致性和安心（加上静态测试期间减少了心脏病发作）。

Drawing 固体火箭发动机的横截面

对于燃料，我们使用了良好的旧 KNDX——硝酸钾（氧化剂）和葡萄糖（燃料）的混合物。为什么？因为我们已经用这种含糖的美味烹饪了一年多了。在这一点上，我们的搅拌机可能可以经营一家面包店。或者我们是这么认为的（我保证这不是伏笔）

该过程包括按化学计量比混合成分，然后小心地熔化、浇铸和固化成颗粒——那些决定你的燃烧曲线的小型圆柱形推力包。老实说，整件事都应该有自己的博客。也许有一天。

浇铸燃料颗粒 颗粒的试射

为了模拟和设计发动机，我们使用了OpenMotor，一个开源软件，你可以在其中输入你的颗粒几何形状、颗粒数量和喷嘴尺寸等——它会输出性能预测。我们在发动机设计中始终首先修复两件事：

静态点火测试 另一个静态点火测试

一旦我们锁定了这些，那就是一个调整游戏，直到图形看起来像你会在你的实验室墙上自豪地装裱的东西。

我们最终得到了两个发动机：

命名不是随机的；如果你想了解更多，请查看本指南。TL;DR：字母后的数字告诉你平均推力（以牛顿为单位）。所以是的，G136 比 G96 更猛。

每个级都有自己的发动机。G136 为第一级提供动力，G96 在分离发生后接管。没有花哨的点火系统——只有我们 Avionics 系统和计算是正确的纯粹希望。

所以，推进是物理、数学和祈祷的结合。不知何故，这种组合没有在我们脸上爆炸。

反正也不是很糟糕。

Structure

如果推进是火焰，结构就是将所有东西连接在一起的骨架——对于我们来说，那个骨架是用……纸做的。是的，你没看错。

Body

我们火箭的主要管体是用纸条手工制作的——特别是，学生们遗弃的旧工程图纸。我们没有购买现成的纸板管，而是重新利用了这些厚实、高质量的纸张。这不仅使建造过程更加有趣和亲力亲为，而且还节省了一点成本（尽管这不是主要原因）。

建造方法非常巧妙

我们通过在 PVC 管上螺旋缠绕纸条来逐层构建管体。每一层使用大约 5-6 条纸条，并且每个新层都以与前一个层相反的方向缠绕。这种交替的螺旋创造了一个交叉影线图案，增加了令人印象深刻的强度和刚度。总共，我们应用了大约 5-6 个这样的层，所有这些层都用我们值得信赖的 Fevicol 和水的混合物粘合在一起——就像一个制作精良的纸浆外壳，但专为飞行而设计。

我们的新学员学习如何制作纸管体

Nose Cone

我们的锥形头遵循干净的 ogive 轮廓，并使用 PLA 长丝进行 3D 打印。虽然我们过去也尝试过纸质锥形头，但 3D 打印提供了始终如一、精确和快速的优势。如果你有打印机——那就不费吹灰之力了。

3D 打印的锥形头 飞行后弹出的锥形头

Fincan & Fins

鳍管和鳍也是 3D 打印的。当然，与玻璃纤维或碳纤维相比，我们牺牲了一些强度，但对于这次飞行来说，结构完整性不是主要关注点——而是级分离测试。3D 打印使我们能够快速制作原型，并专注于真正重要的事情：功能而不是过度设计。

第一级和第二级鳍管 组装好的鳍管

First Stage

第一级非常简单：

我们没有使用任何机械分离系统。它被“松散地”连接起来，所以在燃尽后，它会直接掉下来——或者在第二级点亮后被热分级。（老实说，我们中的一部分人很想看到热分级发生。）

发射后第一级检查 第一级在弹道下降后与地面相遇

Avionics Bay

这是火箭大脑的所在地。我们 3D 打印了一个安装板，上面有一个用于电源开关的插槽，以及两个带有孔的圆盘，用于使用螺钉将其安装在管体内部。它装有两个飞行计算机，一个位于板的每一侧。

在它上方，我们安装了一个弹簧式弹出系统——用螺钉固定。（稍后在回收部分中会详细介绍。）

Avionics Bay（3D 打印） 安装在 Avionics Bay 上的弹出系统（木制）

Engine Block

为了防止发动机在火箭中向上滑动，我们添加了一个木制发动机挡块——只是一个从胶合板上切割下来的圆盘，并用环氧树脂粘合到位。简单、坚固，并且有效地将推力直接传递到机身。

我们使用了 OpenRocket，一个很棒的开源模拟器，来模拟我们的完整设计。它可以让我们估计稳定性、重心/压力中心和飞行性能。OpenRocket 之于结构，就像 OpenMotor 之于推进——超级有用且对初学者友好。

Avionics

这是任务中最重要的子系统——我们的主要挑战是设计一个能够进行主动级分离的 Avionics 系统。

在大多数传统的两级模型火箭中，级分离是被动的。这些火箭通常使用具有众所周知的推力曲线的 COTS (Commercial Off-The-Shelf) 发动机。这使得设计一个系统变得容易，该系统只需在固定的时间延迟后或在某个高度触发级分离，基于可预测的发动机行为。

但我们的情况不同——我们正在飞行内部制造的发动机，所以我们没有精确推力曲线的奢侈。这意味着我们必须根据实时传感器数据主动和智能地触发分离。

Burnout Detection Logic

我们决定依靠加速度值来检测发动机燃尽。在推力期间，加速度显着为正。在发动机燃尽的那一刻，加速度下降——由于阻力和推力损失而变为负值。我们使用这种突然的下降作为发动机燃尽的主要指标。

为了使其更健壮，我们还检查了负加速度持续的时间——增加了一层冗余逻辑以避免错误触发。

Drawing

Hardware Overview

Avionics 中的冗余至关重要——而不同的冗余（使用不同的硬件架构）更好。虽然我们在某些领域做得很好，但我们也有改进的空间。

我们飞行了两台独立的飞行计算机：

Grace Rocket Nerve

两个系统都遵循相同的基本架构：

这种模块化设置使我们能够处理实时飞行数据并可靠地触发级分离和降落伞弹出。 Drawing 飞行计算机硬件架构

Firmware & Control Logic

两台飞行计算机都运行定制固件，旨在：

  1. 持续监控加速度和高度
  2. 根据加速度下降检测燃尽
  3. 触发级分离
  4. 监控高度以进行远地点检测
  5. 触发降落伞弹出

我们将在即将发布的博客文章中介绍此逻辑的详细固件和流程图，但关键是：一切都是实时的和事件驱动的，而不是基于时间的。 Drawing Avionics 固件架构

Recovery

对于这次飞行，我们决定只回收第二级。从技术上讲，我们也回收了第一级——但不是通过任何专用系统。它只是弹道坠落。由于火箭不会达到极端高度，我们认为这是可以接受的。

Second Stage Recovery

上级（第二级）有一个弹簧式降落伞弹出系统，配有球形防撕裂尼龙降落伞。降落伞连接到弹出机构和锥形头，允许在远地点后安全回收两个组件。

加载的弹出系统 发射后拆卸

How the Ejection System Worked

Deployment Logic

一旦检测到远地点，任何一台飞行计算机都可以触发电子火柴。当发射时：

  1. 电子火柴烧断了线。
  2. 弹簧被释放，将降落伞和锥形头向外推。
  3. 降落伞在空中展开，安全地回收第二级。

这是一个简单、健壮且轻量级的回收系统，其工作方式与计划的一样——没有活塞，没有 CO₂ 罐，只有良好的旧机械独创性和一点火药魔法。 测试弹出系统 发射后损坏的弹出系统

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