L.A.R.S. (Sistema de inicialização e recuperação): 7 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:36

Visão geral

Este projeto é um Sistema de Lançamento e Recuperação (LARS) composto por vários modelos e montagens. Juntos, eles representam um sistema de recuperação adequado para um foguete de água de baixa altitude. O foguete é composto por várias seções, fabricadas a partir de garrafas SmartWater de 1,5 litro.

Todo o sistema é composto por vários elementos:

• Plataforma de lançamento
• Corpo Principal
• Sistema de recuperação

Objetivo e motivadores

A inspiração para este projeto (como a maioria dos meus projetos) se originou com meus sobrinhos. Para encurtar a história, anos atrás (quando meus jovens sobrinhos não eram tão grandes), eles queriam detonar alguns fogos de artifício no Dia da Independência. Normalmente, não tão ruim, mas aquele ano foi diferente: estávamos planejando um longo fim de semana na cabana de seus avós, em McCall, Idaho. Se você nunca foi a Idaho, é muito seco. Se você nunca foi a McCall, Idaho: é muito seco e há MUITAS árvores, arbustos, grama e outros combustíveis perfeitos para incêndios florestais. Como já era um ano incrivelmente seco e Smokey the Bear estava segurando a placa de risco de incêndio "ALTO" do lado de fora do escritório do serviço florestal, procurei uma alternativa.

Ao mesmo tempo, vi isso como uma oportunidade de demonstrar o que tento impressionar as mentes jovens e científicas: SE DESTAQUE. Pense fora da caixa e encontre a solução para vários problemas. Pode parecer uma ferida no polegar no início, mas as melhores ideias geralmente ficam.

Além disso, descobri que sou SUPER barato. Não tanto para economizar dinheiro, mas vejo tanto que pode ser feito com coisas comuns. Na maioria das vezes, coisas comuns que se destinam a ser de uso único.

Segurança

Eu seria negligente se não mencionasse isso primeiro; Estou constantemente lembrando meus sobrinhos "Segurança, primeiro." Isso se encaixa no objetivo geral, uma vez que a propulsão primária é água e ar. Obviamente, isso não representa nenhum perigo grave de incêndio.

Conforme construí mais seções do sistema de propulsão, este volume adicionado para mais ar altamente comprimido (ou seja, mais propelente). Claro, isso é diretamente proporcional à altitude máxima atingível. Continuando com essa lógica um pouco mais: sim, isso significava UMA velocidade MUITO MAIS PERIGOSA ao retornar à Terra.

A percepção de como isso poderia ser perigoso se tornou aparente depois que tivemos nosso primeiro lançamento bem-sucedido de um protótipo inicial, usando várias seções na fuselagem. Dê uma olhada no Rocket Boys, no YouTube.

Custo

Minimizar o custo de qualquer construção é importante. No meu cenário, achei igualmente importante garantir que o custo de cada uso fosse mínimo. Quero dizer, vamos - quem quer trabalhar muito para um sistema de uso único?

Sempre que possível, usei lixo: garrafas de água que iriam para o lixo, uma velha caixa de voo da loja de excedentes do exército, um guarda-sol quebrado de uma loja de artigos esportivos local, uma mangueira de ar estourada da Harbor Freight e até mesmo um estalo quebrado -up sprinkler head - basicamente, eu gosto de ensinar às crianças que não existe lixo; é um produto que precisa ser reaproveitado.

Basta perguntar

Em muitos casos, as coisas que você deseja usar não estão necessariamente "à venda" e, se estiverem, podem não valer seu preço. O guarda-chuva verde original que usei para o pára-quedas estava em um item quebrado de US $ 28 em uma loja. Levei-o ao balcão e disse que daria a eles os $ 4 que estava comigo. Mostrei a eles que estava quebrado mesmo assim e expliquei que só queria o material do guarda-chuva. Voila! instantaneamente tivemos um pára-quedas.

Reutilização

É quase impossível falar sobre como manter o custo do material baixo sem também considerar como o design do produto se presta à reutilização. Se não pudéssemos usar o foguete facilmente repetidamente, poderíamos muito bem estar incendiando a floresta com foguetes e M-80.

Portabilidade

Depois de apenas 1 teste de lançamento do nosso primeiro protótipo, percebi que todo o sistema de foguetes precisava ser o mais compacto possível. Ao mesmo tempo, eu queria emprestar para quem quisesse experimentar. Eu não queria escrever um monte de instruções de montagem detalhadas ou alugar uma van de mudança para o transporte.

No final, usei a caixa onde guardei todas as peças como plataforma de lançamento. Algumas modificações tornaram possível conectar as conexões do compressor de ar, mangueira e válvula de não retorno, deixando bastante espaço interno para todas as seções dos sistemas de propulsão / recuperação do foguete.

… claro, após o lançamento mais recente, percebi que todo o sistema poderia ser mais portátil, ha.

Suprimentos

Plataforma de lançamento

• 1 x contêiner de envio excedente do exército antigo

  • Acredito que compramos isso no The Reuseum - um ótimo lugar para verificar se você está em Boise, Idaho;)
  • Alerta de spoiler: eles não estocam esses tipos de contêineres do exército, pois mudaram de local.
• 1 x mangueira do compressor de ar (~ 15 '… ou a qualquer distância que você se sinta seguro)

• 1 x mangueira do compressor de ar (~ 2 '… isso só vai dentro da caixa)

  • Ambas as mangueiras anteriores, eu construí com uma mangueira de $ 5 que encontrei em uma venda de estacionamento do Harbor Freight. Parecia que explodiu / rachou a casca de borracha onde alguém deixou ficar muito quente / derreter. Fora isso, era ótimo para o que precisávamos
  • Se for cortar / emendar algo antigo, você pode encontrar peças excelentes e super-baratas na Harbor Freight.
• 1 x sem válvula de retorno - aqui está uma

  Muitas opções por aí. Compre algo barato

• 1 x cotovelo de 90º - vai de rosca de compressor de ¼ a rosca de mangueira de jardim (algo assim)

  • Eu esqueci de onde consegui isso, mas dado que este é um público superinteligente (e supercomplexo), acho que você pode descobrir como ir de um tópico para outro depois de alguns minutos em D&B ou TSC.
  • Talvez combine com algo assim.

• 1 x adaptador macho roscado e rotativo para compressor de ar (reutilizamos algo como este, da Harbor Freight)

  Isso é usado para conectar o pedaço curto de mangueira no interior do recipiente excedente

• 1 x adaptador feminino gardena

Fuselagem

• 12 x garrafas de água inteligentes (1,5 litros)
• 4 x garrafas de água Essentia (1,5 litros)
• 1 x bocal personalizado (ou seja, rosca de garrafa de 2 litros impressa em 3D em um conector de mangueira Gardena macho)
• 1 x tubo de adesivo Sikaflex (como este selante de construção)

• 1 x papel da fita adesiva (ou fita adesiva)

  Usei uma combinação de fita adesiva branca e preta nas seções da fuselagem. Achei que dava ao foguete uma aparência mais da era Apollo, ha

Sistema de recuperação: não impresso

• 1 x Sprinkler Pop-up (usamos este, da Lowe's)
• 1 x guarda-chuva antigo
• 1 x bola de pingue-pongue
• 1 x garrafa Poland Spring (ou alguma outra garrafa com formato mais parecido com o nariz de um foguete - esqueci a marca exata da que usamos)
• 1 x água com gás da marca Kroeger (ou seja, também vendida em lojas como QFC ou Fred-Meyer)
• 1 x poste de cerca elétrica de fibra de vidro (tínhamos este, acho que era da D&B Supply)

Sistema de Recuperação: Circuito

• 1 x Arduino Pro Mini
• Adaptador de soquete DIP de 1 x 24 pinos (link)
• Regulador de tensão 1 x 5V (link)
• 1 x campainha piezo (link)
• 1 x resistor de 220Ω (link)

• 1 x módulo MPL3115A2

  • O usado aqui não está mais disponível
  • Comecei a trabalhar em uma alternativa que registra dados e aproveita um giroscópio junto com o barômetro - o código no Github (ver lars) ainda deve ser aplicável se você tiver uma alternativa

• 1 x botão de pressão interruptor de travamento

  Se você não percebeu, eu sou um fã de Tayda para pequenas coisas em pequenas quantidades por um pequeno preço

Etapa 1: plataforma de lançamento

A plataforma de lançamento é um equipamento multifuncional. Feito de uma velha caixa de equipamento que encontrei no infame Reuseu de Boise, ele serve a três funções:

1. Mecanismo de abastecimento (… por falta de um termo melhor)
2. Armazenamento para as peças do corpo do foguete
3. Plataforma de lançamento

Abastecimento / Enchimento

Antes de falar sobre como abastecer o foguete, é importante pensar um pouco sobre os princípios científicos básicos que o sustentam. Da Wikipedia:

Um foguete d'água é um tipo de foguete modelo que usa água como massa de reação. A água é expelida por um gás pressurizado, normalmente ar comprimido. Como todos os motores de foguete, ele opera segundo o princípio da terceira lei do movimento de Newton.

Dividindo um pouco, a massa de reação é simplesmente algo usado para empurrar. Ele empurra o solo e o ar empurra a água. O ar também empurra a garrafa. A ação é o ar em expansão, a reação é um objeto com a menor massa (ou seja, o foguete de garrafa) é forçado para longe da plataforma de lançamento.

A pressurização do foguete precisa ser um processo aditivo. É necessário empurrar o ar para dentro do barco sem permitir que o ar ou a água escape. Isso é feito usando um pequeno dispositivo chamado "válvula de retenção" (às vezes chamada de válvula de retenção).

O foguete é conectado por meio de um conector de mangueira Gardena na plataforma de lançamento. A parte inferior do foguete tem um bico com um contorno que combina com o Gardena Tap Connector. Eu modelei um bico no Fusion 360 combinando o perfil do Gardena Tap Connector com as roscas de uma garrafa de 1,5 l.

A mangueira que conecta tudo junto foi retirada de uma mangueira de ar estourado. Eu o encontrei em uma liquidação de estacionamento do Harbor Freight por alguns dólares - parecia que alguém o devolveu porque ele se abriu. Quando o vi, soube que precisava ser emendado. Achei que seria uma boa hora para cortar um pedaço curto e prendê-lo permanentemente à plataforma de lançamento.

Melhorias Futuras

Gostaria de comprar ou imprimir em 3D algumas peças adicionais. Eu gostaria que os pontos de conexão na caixa ficassem alinhados com o resto da superfície da caixa. Com aquelas pequenas roscas de mangueira de jardim e conexão do compressor de ar para fora, é difícil armazenar sem ficar danificado. Além disso, está sujeito a danos ao transportar para um local de lançamento.

Armazenar

Quando desmontado, as seções do corpo do foguete se encaixam perfeitamente na caixa. Além disso, eu tinha espaço suficiente para manter a montagem de recuperação lá também. Guardo essas peças em uma caixa separada para o caso de as outras peças se moverem e quebrarem as peças impressas em 3D.

Plataforma de lançamento

Quando chegar a hora de lançar o foguete, precisamos de algo para ajudar a sustentá-lo. Além disso, é fundamental que comece na direção certa (ou seja, a Primeira Lei do Movimento de Newton). Para isso, usei duas peças de canal de acabamento de alumínio conectadas por duas peças impressas em 3D.

O suporte inferior impresso em 3D tem espaço para uma porca sextavada de ¼ . Usei esse tamanho porque é um padrão para a montagem de acessórios em um tripé de câmera (falarei sobre isso em um segundo). Depois de lixar as laterais do náilon porca sextavada, ela se encaixa perfeitamente no suporte.

Meu irmão é um ótimo fotógrafo de exteriores e, como acontece com todos os especialistas em sua área, quebra ou atualiza seu equipamento. Enquanto estava em sua casa, percebi um tripé no lixo. A única coisa errada era o ajuste de altura vertical. Fora isso, era um bom tripé. Eu não sabia para que iria usá-lo na época, mas tinha muitas peças ótimas.

Quando comecei a construir a plataforma de lançamento do foguete, cheguei a um ponto em que precisava de algo portátil para segurar os trilhos-guia. BOO YA - reaproveite o tripé quebrado. Ele se ajusta perfeitamente em várias direções, ótimo para terrenos irregulares no local de lançamento. Também se arruma e se encaixa bem na caixa de lançamento.

Também projetei e imprimi em 3D uma peça que se encaixa entre os trilhos e se fixa ao corpo principal do foguete. Esta peça em particular mantém o foguete próximo aos trilhos e não permite que ele tombe. Anexei ao corpo principal com uma fita de montagem 3M 414 Scotch® Extreme. Quando projetei a peça, rebaixei dois pontos onde a fita de espuma vai, para que a peça fique nivelada com a superfície curva de plástico.

Melhorias Futuras

Gostaria de imprimir em 3D alguns conectores que possibilitem cortar os trilhos-guia em segmentos menores. Com segmentos menores, também posso armazenar os trilhos de lançamento na caixa. Tentar transportar os trilhos em comprimentos de 8 pés - em um jipe, nada menos - era uma dor. Além disso, ter tudo junto tornava as peças de plástico propensas a estalar (o que acontecia) no carro.

Etapa 2: Corpo Principal

A estrutura principal do foguete é composta por vários componentes idênticos. Os componentes são compostos por duas garrafas SmartWater de 1,5 L e uma garrafa de água Essentia de 1,5 L.

1. Corte o fundo das garrafas SmartWater de 1,5 L

   Certifique-se de deixar um pouco da parte curva. Esta é mais área de superfície para a adesão Siaflex

2. Corte a parte superior e inferior de uma garrafa de Essentia de 1,5 L
3. Insira o fundo de uma das garrafas cortadas SmartWater dentro da garrafa cortada Essentia

   Tente alinhar o fundo da garrafa SmartWater com o ponto médio da garrafa Essentia

4. Insira o fundo da outra garrafa SmartWater na outra extremidade da garrafa Essentia

   Empurre a garrafa SmartWater para baixo até que toque na outra garrafa SmartWater

Marque as garrafas

Marque as garrafas para alinhá-las com precisão, se necessário. (ALERTA DE SPOILER: você terá que remontá-lo mais tarde).

Use um método que funcione melhor para você. Gosto de desenhar algumas marcas óbvias nas duas garrafas diferentes. Quando o centro está cheio de Sikaflex e você não consegue ver onde os dois se encontram no meio, é um guia mais útil.

Colar as garrafas

Gosto de revestir o interior do frasco de Essentia com uma camada de Sikaflex. É um ótimo adesivo e também permite alguma expansão. Esta é uma característica benéfica, uma vez que as garrafas tendem a se expandir ao serem enchidas com ar comprimido. Também é benéfico quando ele cai no chão (… sim, você provavelmente terá um acidente em algum ponto) - as garrafas são mais fáceis de dobrar de volta à forma e reutilizá-las.

Conectando as Seções

Depois de colar todas as seções, conecte-as com algo chamado "Tubo Tornado". ESTE É O MAIOR PONTO DE FALHA.

O plástico das garrafas e o plástico dos tubos do tornado são bastante rígidos. Eles nem sempre se encaixam perfeitamente e muito ar pode vazar quando preenchidos em um alto PSI. Além disso, ao usar juntas de mangueira de jardim nos pontos de contato, existe o risco de aperto excessivo a um ponto onde a junta é forçada para dentro da garrafa. Quando isso acontece, basicamente inutiliza a gaxeta, pois ela não está mais vedando a conexão entre a garrafa e o tubo do tornado.

Estou pensando em criar minhas próprias conexões com uma impressão 3D de extrusão dupla. Acho que poderia haver uma maneira fácil de imprimir um exterior rígido (para as roscas) e uma vedação flexível no meio (para substituir as juntas da mangueira). Vou postar esses planos quando concluídos.

Etapa 3: Sistema de recuperação: circuito

A lógica do pára-quedas é muito parecida com outros cenários da vida: implante muito cedo e coisas ruins podem acontecer; não implantando, coisas ruins acontecem.

Eu queria ter certeza de que o pára-quedas não abriria até que o foguete começasse a cair. Dados os componentes que tinha à minha disposição, optei por usar um sensor de pressão atmosférica barométrica que fornece uma medição precisa da altitude.

Todo o sistema precisa de proteção contra os elementos. Eu projetei a carga útil para acomodar os circuitos e sensores. Eu não queria desmontar tudo sempre que desejava ativar ou reinicializar o sistema, então projetei a carga útil com um switch externo.

Quando o sistema é habilitado, uma medição inicial é feita - este é o nosso "nível do solo". Conforme a altitude do foguete aumenta, sua nova altitude é salva e comparada com a próxima medição feita. Quando o valor salvo é maior do que a altitude recém-medida, o foguete está caindo.

Ao trabalhar com o sistema de recuperação no solo, é possível que o paraquedas seja lançado acidentalmente. Na verdade, o código não considera o foguete "voando" até que a altitude medida esteja pelo menos 1 metro acima da medição inicial do nível do solo feita quando o sistema foi ligado.

Uma vez que o foguete é considerado em queda, o pára-quedas é lançado. Isso é feito ativando o servo conectado o suficiente para destravar a cabeça do sprinkler acoplada às peças impressas em 3D. Claro, a mola do sprinkler empurrou para fora o pára-quedas guarda-chuva, ele caiu no chão, todos riram até a morte e assim por diante e assim por diante.

O circuito era composto de três partes principais:

1. Arduino
2. Servo
3. Sensor de pressão barométrica

Arduino

Eu originalmente criei uma placa personalizada com um Arduino básico. Quando tentei reanimá-lo para este artigo, ele decidiu parar de funcionar:

Usei um Arduino Pro Mini, mas é um pouco exagerado. Também é muito maior do que a versão anterior. O tamanho maior exigiu um redesenho de algumas partes impressas em 3D - tenho certeza de que há algumas diferenças nas partes das fotos que postei (… desculpe a inconsistência).

Postei o código em um repositório público no Github. Check-out LARS.

Servo

A trava é acionada por um servo SG90 comum. O servo obtém sua alimentação diretamente do regulador de tensão, não por meio do Arduino.

Sensor de pressão barométrica

O breakout específico que usei neste projeto foi algo que encontrei no Tindie (… mas já foi aposentado). Ele usa o sensor MPL3115A2. Isso fornece ao Arduino uma leitura precisa da altitude atual.

Etapa 4: Sistema de recuperação: gabinete

O sistema de recuperação inclui vários produtos simples que você provavelmente tem por aí. Por exemplo, o paraquedas é feito de um guarda-chuva velho e quebrado e é implantado com uma mola comprimida de um sprinkler pop-up. Não se preocupe com as coisas pequenas também - usei um clipe de papel para conectar o chifre do servo à trava da cabeça do sprinkler. Até mesmo parte da matéria-prima você pode encontrar em lugares aleatórios, como a extrusão de alumínio que encontrei em uma lixeira da Goodwill.

Em outro projeto, usei alguns postes de cerca de fibra de vidro no lugar do alumínio mostrado nas fotos. A fibra de vidro estava espalhada por alguma viagem ao interior (eu acho) que alguém fez, eles são usados para criar uma cerca elétrica improvisada para cavalos. Não é superimportante para este design, mas quero que você pense em alternativas.

Influências e mudanças de design

Eu sabia que um dia iria compartilhar este design com amigos e familiares (… não, nunca pensei que seria no Instructables, ha). Também presumi que nem todos teriam a mesma marca de água com gás disponível em suas lojas locais. Embora haja espaço para muitas melhorias, eu modifiquei meu design para permitir que frascos de vários tamanhos caibam no topo.

A melhor maneira que eu poderia pensar para garantir um encaixe seguro, mas removível, era usar um material flexível. Digite: NinjaFlex … meu honorável MakerDojo é forte com um ninja do meu lado.

Com uma impressão de dupla extrusão, consegui criar uma peça com fundo rígido e tampo flexível. A parte flexível era elástica o suficiente para apertar dentro da garrafa e forte o suficiente para aplicar a pressão necessária para mantê-la no lugar.

Etapa 5: Sistema de recuperação: pára-quedas

Essa deve ser uma das minhas partes favoritas do design. Quero dizer, vamos lá, quantas vezes você já pensou em flutuar no estilo Mary Poppins com um guarda-chuva? Foi divertido finalmente ver um guarda-chuva realmente funcionar como um pára-quedas.

Encontrei um guarda-chuva em um produto quebrado na DICK'S Sporting Goods - ofereci a eles alguns dólares e eles aceitaram. Encontrei outro enquanto mergulhava nas lixeiras da Goodwill. Claro, eu encontrei um guarda-chuva de golfe velho e incrível na Second Use (em Seattle) depois dos outros dois. O guarda-chuva de golfe seria incrivelmente grande e daria um ótimo paraquedas.

Seja qual for o guarda-chuva que você escolher, certifique-se de que esteja preso com segurança ao seu foguete. Quando o paraquedas se abre, dependendo do tamanho / peso do seu foguete, a força da abertura do paraquedas pode ser significativa. No meu caso, prendi um pedaço de corda elástica flexível que tinha (… acho que minha irmã estava jogando fora de alguma coisa de rede de carga de porta-malas quebrada). Com essa corda elástica no lugar, ela reduz a quantidade de tensão nas peças de plástico quando o paraquedas é lançado.

Etapa 6: Visão geral das peças impressas em 3D

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1. Montagem Completa
2. Êmbolo de pára-quedas do sistema de recuperação Thingy
3. Guia de compressão do sistema de recuperação
4. Parte superior encadeada da carga útil do sistema de recuperação
5. Carga útil do sistema de recuperação
6. Foguete de água para adaptador Gardena

A Assembleia Plena

Este modelo contém basicamente todos os outros modelos, mas montado como seria em produção. Inclui também as peças reutilizáveis não impressas em 3D (apenas para referência).

Êmbolo de pára-quedas do sistema de recuperação Thingy

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Guia de compressão do sistema de recuperação

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Parte superior encadeada da carga útil do sistema de recuperação

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Carga útil do sistema de recuperação

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Foguete de água para adaptador Gardena

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Etapa 7: Conclusão

Há muita coisa aqui que eu não mencionei. Suponho que quanto mais eu escrevia, mais percebia que esqueci de documentar ao longo do caminho. Este artigo acabou mais como um cruzamento entre um "passo a passo" abrangente, mas chamando todas as variáveis para que você possa experimentá-lo por conta própria. Para nós, tínhamos tantos designs e métodos diferentes que não funcionaram, mas apresentaram novas oportunidades de aprendizado para mim e meus sobrinhos. É uma pequena e ótima aventura para partir com seus alunos e qualquer outro jovem cientista em formação.

Resumindo, é um exercício fantástico de reutilização, criatividade e tecnologia - ótimo para as crianças e ainda mais divertido para os pais.

Seja ousado, pense diferente e como sempre deixe suas ideias se destacarem.

Vice-campeão no concurso de reutilização