L.A.R.S. (Launch and Recovery System): 7 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:41

Översikt

Detta projekt är ett Launch And Recovery System (LARS) som består av olika modeller och sammansättningar. Sammantaget representerar de ett återvinningssystem som är lämpligt för en vattenraket på låg höjd. Raketen består av flera sektioner, tillverkade av 1,5 liters SmartWater -flaskor.

Hela systemet består av flera element:

• Startplatta
• Huvudkropp
• Återställningssystem

Syfte och drivrutiner

Inspirationen till detta projekt (som de flesta av mina projekt) härstammar från mina brorson. Lång historia kort, för år sedan (när mina unga brorsöner inte var så stora) ville de sätta igång några fyrverkerier på självständighetsdagen. Normalt sett inte så illa, men det året var annorlunda: vi planerade en långhelg på deras farförälders stuga, i McCall, Idaho. Om du aldrig har varit i Idaho är det väldigt torrt. Om du aldrig har varit i McCall, Idaho: det är väldigt torrt och det finns MASSOR av träd, buskar, gräs och andra bränslen perfekta för skogsbränder. Eftersom det redan var ett otroligt torrt år och Smokey the Bear höll "HÖG" brandrisken utanför skogstjänstkontoret, sökte jag ett alternativ.

Samtidigt såg jag det som ett tillfälle att visa vad jag försöker imponera på unga, vetenskapliga sinnen: STÅ UT. Tänk utanför boxen och hitta lösningen på flera problem. Det kan sticka ut som en öm tumme först, men de bästa idéerna brukar göra.

Som det visar sig är jag också SUPER billig. Inte så mycket för att spara pengar, men jag ser bara så mycket som kan göras med vanliga saker. För det mesta är vanliga saker som är avsedda att vara engångsbruk.

Säkerhet

Jag vore ledsen om jag inte nämnde detta först; Jag påminner hela tiden mina brorson "Säkerhet först." Detta passar in i det övergripande målet eftersom den primära framdrivningen är vatten och luft. Uppenbarligen utgör detta ingen allvarlig brandfara.

När jag byggde fler delar av framdrivningssystemet tillförde jag denna volym för mer högkomprimerad luft (dvs. mer drivmedel). Naturligtvis är detta direkt proportionellt mot den maximala höjden som kan uppnås. Fortsatte med denna logik lite längre: ja, detta innebar MYCKET FARLIGARE hastighet när man återvände till jorden.

Insikten om hur farligt detta kan vara blev uppenbart efter att vi hade vår första framgångsrika lansering av en tidig prototyp, med hjälp av flera sektioner i flygkroppen. Ta en titt på Rocket Boys, på YouTube.

Kosta

Det är viktigt att minimera kostnaden för en byggnad. I mitt scenario tyckte jag att det var lika viktigt att se till att kostnaden för varje användning var minimal. Jag menar, vem vill lägga ner massor av arbete för ett engångssystem?

Var som helst använde jag skräp: vattenflaskor som skulle gå till papperskorgen, ett gammalt flygfodral från arméöverskottsbutiken, ett trasigt stolparaply från en lokal sportvaruaffär, en sprängd luftslang från Harbour Freight och till och med en trasig, pop -upp sprinklerhuvud - i princip gillar jag att lära barnen att det inte finns något som heter skräp; det är en produkt som behöver omarbetas.

Fråga bara

I många fall är saker du vill använda inte nödvändigtvis "till salu" och, om de är det, kanske inte är värda sitt pris. Det ursprungliga, gröna paraplyet jag använde för fallskärmen låg på ett trasigt objekt på 28 dollar i en butik. Jag tog den till disken och sa att jag skulle ge dem $ 4 jag hade på mig. Jag visade dem att det var trasigt ändå och förklarade att jag bara ville ha paraplymaterialet. Voila! vi fick en fallskärm direkt.

Återanvändbarhet

Det är nästan omöjligt att prata om att hålla materialkostnaden nere utan att också överväga hur produktdesignen lämpar sig för återanvändning. Om vi inte enkelt kunde använda raketen om och om igen kan vi lika gärna sätta eld i skogen med flaskraketer och M-80-tal.

Bärbarhet

Efter bara en testlansering av vår första prototyp insåg jag att hela raketsystemet måste vara så kompakt som möjligt. Samtidigt ville jag låna ut den till alla som ville prova den. Jag ville inte skriva en massa detaljerade monteringsanvisningar eller hyra en flyttbil för transport.

Till slut använde jag lådan där jag lagrade alla delar som startplatta. Några modifieringar gjorde det möjligt att fästa luftkompressorbeslag, slang och returventil samtidigt som det lämnade gott om utrymme inuti för alla delar av raketdrivnings-/återvinningssystemen.

… naturligtvis, efter den senaste lanseringen, insåg jag att hela systemet kunde stå mer portabelt, ha.

Tillbehör

Startplatta

• 1 x gammal arméöverskottsfraktcontainer

  • Jag tror att vi hämtade detta på The Reuseum - ett bra ställe att kolla in om du är i Boise, Idaho;)
  • Spoiler Alert: de lagrar faktiskt inte dessa typer av armécontainrar eftersom de bytte plats.
• 1 x luftkompressorslang (~ 15 '… eller på vilket avstånd du känner dig säker)

• 1 x luftkompressorslang (~ 2 '… detta går bara inuti lådan)

  • Båda de tidigare slangarna byggde jag från en $ 5 -slang som jag hittade vid en Harbour Freight -parkeringsförsäljning. Såg ut som att det exploderade/splittrade gummiskalet där någon lät det bli för varmt/smälta. Annat än det var det bra för vad vi behövde
  • Om du skär/skarvar något gammalt kan du hitta bra, superbilliga delar på Harbor Freight.

• 1 x Ingen returventil - Här är en

  Massor av alternativ där ute. Få något billigt

• 1 x 90º armbåge - går från ¼ kompressorgänga till trädgårdsslangtråd (något liknande)

  • Jag glömmer var jag fick detta, men med tanke på att detta är en supersmart (och superförlåtande) publik, antar jag att du kan ta reda på hur du går från en tråd till en annan efter några minuter i D&B eller TSC.
  • Kanske kombinera med något liknande.

• 1 x Gängad, roterande luftkompressor hanadapter (vi återanvände något liknande det här, från Harbor Freight)

  Detta används för att fästa den korta slangbiten på insidan av överskottsbehållaren

• 1 x Gardena kvinnlig adapter

Fuselage

• 12 x smarta vattenflaskor (1,5 liter)
• 4 x Essentia vattenflaskor (1,5 liter)
• 1 x anpassat munstycke (dvs. 3D -tryckt 2 liters flaskgänga på en Gardena -slangkontakt)
• 1 x rör med Sikaflex -lim (som denna konstruktionstätning)

• 1 x rollband av tejp (eller bandband)

  Jag använde en kombination av vitt och svart tejp på flygkroppssektionerna. Jag trodde att det gav raketten mer av ett Apollo-era utseende, ha

Återställningssystem: ej tryckt

• 1 x popup-sprinkler (vi använde den här, från Lowe's)
• 1 x gammalt paraply
• 1 x pingisboll
• 1 x Polen vårflaska (eller någon annan flaska formad mer som en rakets näsa - jag glömmer det exakta märket på den vi använde)
• 1 x Kroeger-seltzervatten (dvs. säljs också i butiker som QFC eller Fred-Meyer)
• 1 x glasfiber elektrisk staketstång (vi hade den här, jag tror att den var från D&B Supply)

Återställningssystem: krets

• 1 x Arduino Pro Mini
• 1 x 24 -stifts DIP -sockeladapter (länk)
• 1 x 5V spänningsregulator (länk)
• 1 x Piezo -summer (länk)
• 1 x 220Ω motstånd (länk)

• 1 x MPL3115A2 -modul

  • Den som används här är inte längre tillgänglig
  • Jag började arbeta med ett alternativ som loggar data och utnyttjar en gyro tillsammans med barometern - koden på Github (se lars) bör fortfarande vara tillämplig om du har ett alternativ

• 1 x tryckknappslåsknapp

  Om du inte har märkt det är jag ett fan av Tayda för små saker i små mängder till ett litet pris

Steg 1: Starta Pad

Uppskjutningsplattan är en multifunktionsutrustning. Den är gjord av en gammal utrustningsbox som jag hittade på Boises ökända Reuseum och har tre funktioner:

1. Tankningsmekanism (… i brist på en bättre term)
2. Förvaring för raketkroppsdelarna
3. Startplatta

Tankning/fyllning

Innan vi pratar om att elda raketen är det viktigt att ta en minut att tänka på de grundläggande vetenskapliga principerna som stöder den. Från Wikipedia:

En vattenraket är en typ av modellraket som använder vatten som reaktionsmassa. Vattnet tvingas ut av en gas under tryck, vanligtvis tryckluft. Liksom alla raketmotorer fungerar den enligt principen i Newtons tredje rörelselag.

Att bryta ner det lite är reaktionsmassan helt enkelt något som används för att pressa emot. Den trycker mot marken och luften pressar mot vattnet. Luften skjuter också mot flaskan. Åtgärd är den expanderande luften, reaktionen är ett objekt med minst massa (dvs. flaskraketen) tvingas bort från skjutdynan.

Tryck på raketen måste vara en additiv process. Det kräver att luft pressas in i kärlet utan att luft eller vatten släpps ut. Detta åstadkoms med hjälp av en liten anordning som kallas en "backventil" (ibland kallad backventil).

Raketen fästs via en Gardena Hose -kontakt på startplattan. Rakets botten har ett munstycke med en kontur som matchar Gardena Tap Connector. Jag modellerade ett munstycke i Fusion 360 som kombinerade profilen på Gardena Tap Connector med trådarna på en 1,5 L flaska.

Slangen som förbinder det hela togs från en sprängd luftslang. Jag hittade den på en Harbour Freight -parkeringsförsäljning för ett par dollar - såg ut som om någon lämnade tillbaka den eftersom den sprack upp. När jag såg den visste jag att den behövde skarvas. Jag trodde att det här skulle vara en bra tid att klippa ett kort stycke för att permanent fästa på startskivan.

Framtida förbättringar

Jag vill antingen köpa eller 3D -skriva ut några extra delar. Jag skulle vilja att anslutningspunkterna på lådan skulle ligga i linje med resten av lådans yta. Med de små trädgårdsslangtrådarna och luftkompressoranslutningen sticker ut är det svårt att lagra utan att bli skadad. Det är också benäget att skada vid transport till en lanseringsplats.

Lagring

Vid demontering passar raketkroppens delar fint i lådan. Jag hade också tillräckligt med utrymme kvar för att hålla återställningsenheten där inne också. Jag förvarar dessa delar i en separat låda om de andra bitarna rör sig runt och krossar de 3D -tryckta delarna.

Startplatta

När det är dags att skjuta upp raketen behöver vi något som hjälper till att stötta upp raketen. Det är också viktigt att det börjar i rätt riktning (dvs Newtons första rörelselag). För att uppnå detta använde jag två stycken aluminiumtrimkanaler anslutna med två 3D -tryckta bitar.

Det nedre 3D -tryckta fästet har plats för en ¼ sexkantmutter. Jag använde den här storleken eftersom det är en standard för montering av tillbehör på ett kamerastativ (jag pratar om det om en sekund). När jag slipade ner sidorna av nylon sexkantmutter, passade den tätt in i fästet.

Min bror är en fantastisk utomhusfotograf och som med alla experter inom sitt område bryter eller uppgraderar deras utrustning. När jag var hemma hos honom märkte jag ett stativ i papperskorgen. Det enda som var fel med den var den vertikala höjdjusteringen. Förutom det var det ett bra stativ. Jag visste inte vad jag skulle använda det till då, men det hade många bra delar.

När jag började bygga raketuppskjutningsplattan nådde jag en punkt där jag behövde något bärbart för att hålla upp styrskenorna. BOO YA - återanvänd det trasiga stativet. Den justeras snyggt i flera riktningar, perfekt för ojämn mark på din lanseringsplats. Packar också ihop och passar bra i startlådan.

Jag har också designat och 3D -tryckt en bit som passar mellan skenorna och fästs på raketens huvudkropp. Det här stycket håller raketen nära rälsen och låter den inte välta. Jag fäst detta på huvudkroppen med lite 3M 414 Scotch® Extreme Mounting Tape. När jag designade biten fördjupade jag två platser där skumtejpen går, så att biten sitter i linje med den böjda plastytan.

Framtida förbättringar

Jag skulle vilja 3D -skriva ut några kontakter som gör det möjligt att skära styrskenorna i mindre segment. Med mindre segment kan jag också lagra startskenorna i lådan. Att försöka transportera skenorna i 8ft längder - i en Jeep, inte mindre - var en smärta. Att få allt att göra gjorde också plastbitarna benägna att knäppa (vilket de gjorde) i bilen.

Steg 2: Huvudkropp

Rakettens huvudstruktur består av flera, identiska komponenter. Komponenterna består av två 1,5 L SmartWater -flaskor och en 1,5 L Essentia -vattenflaska.

1. Skär bottnarna ur 1,5 L SmartWater -flaskorna

   Var noga med att lämna lite av den böjda delen. Detta är mer yta för Siaflex vidhäftning

2. Skär toppen och botten av en 1,5 L Essentia -flaska

3. Sätt i botten på en av de snittade SmartWater -flaskorna inuti den skurna Essentia -flaskan

   Försök att rikta in botten av SmartWater -flaskan med mittpunkten på Essentia -flaskan

4. Sätt i botten på den andra SmartWater -flaskan i den andra änden av Essentia -flaskan

   Tryck ner SmartWater -flaskan tills den vidrör den andra SmartWater -flaskan

Markera flaskorna

Markera flaskorna för att justera dem exakt om du måste. (SPOILER ALERT: du måste montera ihop det senare).

Använd en metod som fungerar bäst för dig. Jag gillar att dra några tydliga märken över de två olika flaskorna. När mitten är fylld med Sikaflex och du inte kan se var de två möts i mitten är det en mer användbar guide.

Limma flaskorna

Jag gillar att täcka insidan av Essentia -flaskan med ett lager Sikaflex. Det är ett bra lim och möjliggör också viss expansion. Detta är en fördelaktig funktion eftersom flaskorna tenderar att expandera när de fylls med tryckluft. Också fördelaktigt när det kraschar till marken (… ja, du kommer sannolikt att ha en krasch någon gång) - flaskorna är lättare att böja sig tillbaka till form och återanvända.

Ansluta sektionerna

När du har alla sektionerna limmade ihop kan du ansluta dem till något som kallas ett "Tornado Tube". DETTA ÄR DET STÖRSTA PUNKTET FEL.

Flaskornas plast och tornado -rörens plast är ganska styva. De passar inte alltid perfekt ihop och mycket luft kan läcka ut när det fylls på ett högt PSI. Vid användning av trädgårdsslangpackningar vid kontaktpunkterna finns det också risk för överdragning till en punkt där packningen tvingas in i flaskan. När detta händer gör det i princip packningen värdelös eftersom den inte längre tätar anslutningen mellan flaskan och tornado -röret.

Jag planerar att skapa mina egna anslutningar med ett 3D-tryck med dubbla extruderingar. Jag tror att det kan vara ett enkelt sätt att skriva ut ett styvt yttre (för trådarna) och en flexibel tätning i mitten (för att byta ut slangpackningarna). Jag lägger upp dessa planer när de är klara.

Steg 3: Återställningssystem: krets

Fallskärmslogik liknar andra scenarion i livet: distribuera för tidigt och dåliga saker kan hända; inte distribuerar alls, dåliga saker händer.

Jag ville se till att fallskärmen inte distribuerades förrän raketen började falla. Med tanke på de komponenter jag hade till mitt förfogande valde jag att använda en barometrisk lufttryckssensor som ger en exakt höjdmätning.

Hela systemet behöver skydd från elementen. Jag utformade nyttolasten för att rymma kretsar och sensorer. Jag ville inte ta isär det hela varje gång jag ville aktivera eller återställa systemet, så jag utformade nyttolasten med en extern switch.

När systemet är aktiverat görs en första mätning - detta är vår "marknivå". När raketens höjd ökar, sparas den nya höjden och jämförs med nästa mätning. När det sparade värdet är högre än den nyuppmätta höjden antas raketen falla.

När du arbetar med återställningssystemet på marken är det möjligt att fallskärmen kommer att användas oavsiktligt. Koden anser faktiskt inte att raketen "flyger" förrän den uppmätta höjden är minst 1 meter över den initiala marknivåmätningen som gjordes när systemet slogs på.

När raketen anses falla faller fallskärmen ut. Detta görs genom att aktivera det anslutna servot tillräckligt långt för att låsa upp det popup-sprinklerhuvud som är fäst på de 3D-tryckta delarna. Naturligtvis tryckte våren i sprinklern ut paraply fallskärmen, den faller till marken, alla skrattar sin butz och så vidare och så vidare.

Kretsen bestod av tre huvuddelar:

1. Arduino
2. Servo
3. Barometrisk trycksensor

Arduino

Jag skapade ursprungligen en anpassad bräda med en arduino med bara ben. När jag försökte återuppliva den för den här artikeln bestämde jag mig för att sluta fungera:

Jag använde en Arduino Pro Mini, men det är lite överkill. Det är också mycket större än den tidigare versionen. Den större storleken krävde en omdesign av vissa 3D -tryckta delar - jag är säker på att det finns vissa skillnader i delarna från bilderna jag har lagt upp (… förlåt för inkonsekvensen).

Jag lade upp koden i ett offentligt arkiv på Github. Kassa LARS.

Servo

Spärren aktiveras av en vanlig SG90 -servo. Servon får sin ström direkt från spänningsregulatorn, inte via Arduino.

Barometrisk trycksensor

Den speciella breakout som jag använde i detta projekt var något jag hittade på Tindie (… men har sedan dess gått i pension). Den använder sensorn MPL3115A2. Detta ger Arduino en exakt avläsning av den aktuella höjden.

Steg 4: Återställningssystem: Hölje

Återställningssystemet innehåller flera enkla produkter som du förmodligen har. Till exempel är fallskärmen gjord av ett gammalt, trasigt paraply och det används med en komprimerad fjäder från en popup-sprinkler. Svett inte heller de små grejerna - jag använde ett gem för att ansluta servohornet till sprinklerhuvudspärren. Till och med en del av råvaran kan du hitta från slumpmässiga platser, som aluminiumsträngsprutningen jag hittade i en Goodwill -behållare.

I en annan design använde jag några staketstolpar av glasfiber istället för aluminiumet som visas på bilderna. Glasfibern låg runt från någon backcountry -resa (tror jag) någon tog, de är vana att skapa ett improviserat elstängsel för hästar. Inte oerhört viktigt för denna design, men vill att du ska tänka på alternativ.

Designinflytanden och förändringar

Jag visste att jag en dag skulle dela denna design med vänner och familj (… nej, trodde aldrig att den skulle finnas på Instructables, ha). Jag antog också att inte alla skulle ha samma märke seltzervatten tillgängligt i sin lokala butik. Även om det finns utrymme för mycket förbättringar, ändrade jag min design så att flaskor i olika storlekar kunde passa på toppen.

Det bästa sättet jag kunde tänka mig för att säkerställa en säker men ändå avtagbar passform var att använda ett flexibelt material. Ange: NinjaFlex … min ärade MakerDojo är stark med da ninja på min sida.

Med ett tryck med dubbla extruderingar kunde jag skapa ett stycke med en styv botten och en flexibel topp. Den flexibla delen var tillräckligt töjbar för att klämma in i flaskan och tillräckligt stark för att applicera det tryck som behövdes för att hålla flaskan på plats.

Steg 5: Återställningssystem: Fallskärm

Detta måste vara en av mina favoritdelar i designen. Jag menar, hur många gånger har du tänkt flyta runt hela Mary Poppins-stil med ett paraply? Det var kul att äntligen se ett paraply som faktiskt fungerar som en fallskärm.

Jag hittade ett paraply på en trasig produkt på DICK'S Sporting Goods - jag erbjöd dem några dollar och de tog det. Jag hittade en till när jag dykade genom soptunnor vid Goodwill. Naturligtvis hittade jag ett fantastiskt, gammalt golfparaply vid Second Use (i Seattle) efter de andra två. Golfparaply skulle vara otroligt stort och göra en fantastisk fallskärm.

Oavsett vilket paraply du väljer, se till att det sitter ordentligt på din raket. Beroende på storleken/vikten på din raket kan fallskärmsöppningens kraft vara betydande när fallskärmen används. I mitt fall har jag fäst en bit flexibel bungee -sladd som jag hade (… jag tror att min syster kastade bort den från en trasig bagagelast). Med bungee -sladden på plats minskar det mängden påfrestningar på plastdelarna när fallskärmen sätts ut.

Steg 6: Översikt över 3D -utskrivna delar

Hoppa till…

1. Fullständig montering
2. Recovery System Parachute Plunger Thingy
3. Komprimeringsguide för återställningssystem
4. Återställningssystemets nyttolast gängad topp
5. Återställningssystemets nyttolast
6. Water Rocket to Gardena Adapter

Hela församlingen

Denna modell innehåller i princip alla andra modeller, men monterad som den skulle vara i produktion. Den innehåller också de icke-3D-tryckta återanvändbara delarna (bara för referens).

Recovery System Parachute Plunger Thingy

Tillbaka till början ↑

Komprimeringsguide för återställningssystem

Tillbaka till början ↑

Återställningssystemets nyttolast gängad topp

Tillbaka till början ↑

Återställningssystemets nyttolast

Tillbaka till början ↑

Water Rocket to Gardena Adapter

Tillbaka till början ↑

Steg 7: Avsluta

Det finns mycket här som jag inte nämnde. Jag antar att ju mer jag skrev, desto mer insåg jag att jag glömde dokumentera längs vägen. Den här artikeln hamnade mer som en korsning mellan en omfattande "steg-för-steg" men kallade ut alla variabler så att du kan prova det på egen hand. För oss hade vi så många olika design och metoder som inte fungerade men presenterade nya inlärningsmöjligheter för både mig och mina brorsöner. Det är ett stort, litet äventyr att ge dig ut på med dina studenter och alla andra spirande, unga forskare.

Sammantaget är det en fantastisk övning inom återanvändbarhet, kreativitet och teknik - en bra för barn och ännu roligare för föräldrar.

Var djärv, tänk annorlunda och låt som alltid dina idéer sticka ut.

Tvåa i återanvändningstävlingen