探空模型火箭稳定性研究和伞降系统的设计

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 探空模型火箭稳定性研究和伞降系 统的设计 摘 要：论文以探空模型火箭为 研究对象，针对模型火箭在不同载荷重 量下稳定性较差，且无法有效的降低模 型火箭内有效载荷的降落速度，从而导 致内部有效载荷有不同程度下损坏的现 状，分析了影响模型火箭稳定性的因素， 并对其提出优化方案，同时设计出高效 安全的伞降系统。旨在提供一种新型的 可以适应不同载荷重量，并且具有稳定 可靠的伞降系统的探空模型火箭。 中国论文网 /1/view-13026558.htm 关键词：模型火箭；稳定性；伞 降系统；载重比；Openrocket DOI：10.16640/ki.37- -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 1222/t.2018.08.007 0 引言 探空模型火箭是是以探空火箭为 原型的缩比火箭。探空模型火箭系统主 要由有效载荷、箭体、发射装置和地面 台站组成。有效载荷在不同的任务条件 下重量差异较大，但对于同一模型火箭 而言，重量越重，模型火箭的飞行品质 越差，所以往往更换载荷后就需要重新 设计火箭，这无疑大大提高了实验成本， 加长了研制周期。且有效载荷多为科学 仪器，这就要求模型火箭有一个安全稳 定的伞降系统，保证有效载荷能够平稳 无损的软着陆。但目前市面上的弹射降 落伞多用于多旋翼无人机与固定翼，限 于尺寸与结构并不适用于探空模型火箭。 基于以上问题，笔者拟对探空模型火箭 稳定性提出优化方案，以及研发一种稳 定可靠的伞降系统。其目的在于提供一 种新型的可以适应不同载荷重量，并且 具有稳定可靠的伞降系统的探空模型火 箭。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 1 稳定性研究 1.1 重心和压心 探空模型火箭的稳定性即是当模 型火箭在升空过程中受到干扰后自动恢 复到原有稳定状态的能力。对火箭飞行 的安全性和飞行性能有着至关重要的作 用。 模型火箭的稳定性和自身的重心、 压心位置息息相关。当模型火箭在升空 过程中受到不可控的干扰时，模型火箭 将会围绕着自身的重心位置而发生偏转， 偏转的模型火箭将会与空气形成一定的 夹角。此时，如果模型火箭压心在重心 后一定位置，那么流经模型火箭的空气 动力将会作用于模型火箭尾翼，并抵消 围绕重心的偏转力，使模型火箭恢复到 动力平衡状态；与此相反，当压心在重 心前一定位置时，流经模型火箭尾翼的 空气动力则会加剧围绕重心的偏转力， 此时模型火箭的轨迹偏差将会不断地被 放大，直至完全失控。 1.2 稳定系数 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 为了便于定量的研究重心-压心 （CG-CP）位置对同一模型火箭稳定性 的影响，我们定义了重心减去压心位置 除以模型箭体直径为模型火箭的稳定系 数。 经过大量的试验和严格的计算， 对于常规探空模型火箭而言，稳定系数 大于等与 1，即模型火箭的重心位于压 心前位置大于等于一个箭体直径才具备 基本的气动稳定性。 1.3 稳定性优化 对于同一探空模型火箭而言，往 往更换有效载荷后，重心的位置随之改 变，从而导致稳定系数或增大或减小， 从而改变原有的稳定状态。 而模型火箭的压心只与本身的气 动外形有关。由于不考虑多级模型火箭， 也不使用动力进行舵面操作以改变火箭 在空中的姿态。因而在保证模型火箭外 表光滑度的情况下对模型火箭的压心影 响最大的因素即是尾翼的大小，形状及 位置。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 所以笔者对于模型火箭提出的优 化方案则是设计出一款可以适用于不同 载荷尺寸的火箭箭体，此火箭的特点在 于尾翼可更Q，以可更换尾翼的大小， 形状来改变火箭本身的气动外形，从而 改变压心的位置来适应因载荷更换后重 心位置的变化。 1.4 设计示意图 整体简易图设计使用 Openrpcket 开源软件，此软件的优势在于可以根据 个人输入的模型火箭各部分重量，形状 信息大致计算出该火箭的重心和压心位 置。 拟定设计一款直径为 9cm，长度 为 90.7cm 的模型箭体，空载重量在 300g 以内，分别载重 150g，250g，400g 的有效载荷。有效载 荷置放于模型火箭返回舱内，随着模型 火箭上升到最高点后，箭体与返回舱分 离，分别由减速装置进行软着陆。 从图 1、图 2、图 3 的对比中， 不难发现有效载荷在重量的不断增加下， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 模型火箭整体的重心也在随之上移，因 此，这就要求模型火箭的压心同样随之 变化，而压心只与整体的气动外形有关， 最为简洁的办法就是更改上弹翼的大小 形状。当上弹翼的高度增加时，模型火 箭的整体压心可以有较为明显的上移， 以此来适应有效载荷的增重后重心的前 移，保证了模型火箭的稳定系数不发生 较大的变化。从而做到只需更换弹翼就 可以适应不同载荷重量而不需要如常规 那样一旦更换载荷就需要重新研制模型 火箭。这无疑大大缩短了研制周期以及 减少了制作成本。 同时模型火箭整体设计方案拟采 用模块化设压心，各模块间相互配合， 在保证结构足够稳固的同时提高运输的 便携性。并且模块化的设计更有利于模 型火箭损坏维修，不再局限于整体某一 部分的损坏导致整个模型火箭的更换， 而只需要更换损坏部件即可。 2 伞降系统的设计 2.1 总体设计 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 伞舱由两部分组成，一小部分用 来放置模型火箭整体的控制电路，另一 部分用来放置返回舱以及箭体分别回收 的降落伞。 开伞原理在于当模型火箭到达最 高点后，电路控制的伺服系统变回旋转 一定角度使两侧的圆弧状的舱门在弹簧 拉力的作用下向两侧打开，并且瞬间绷 紧固定在舱门位置高强度薄布，以此弹 开在薄布中的轻质降落伞。 2.2 伞舱材质的选择 伞舱材质选用巴尔沙木和椴木。 由于产地以及生产批次的不同，巴尔沙 木质量密度大致在 100-200kg/m。质 量较轻，具有一定强度的同时易于弯曲， 适用模型火箭外表面的圆柱形的蒙板以 及内部受力较小的部分结构。而椴木气 干质量密度在 500kg-550kg/m，相比 较巴尔沙木而言，椴木质量较重，但拥 有更好的韧性，且耐磨易加工。可用作 模型火箭受力较大的支撑结构。 2.3 伺服控制系统 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 伺服系统采用银燕 9g 舵机，重 量轻的同时又能够提供足够的拉力。舵 机臂自主设计，优点在于更为贴合舱门 曲面，大大增加了接触面，以此可以提 供更大的摩擦力。 舵机的旋转 角度通过 STM32 单片机的定时器功能 输出一路连续可调的 PWM 信号控制。 3 控制电路的设计 3.1 总体设计 由于模型火箭需要在升空后检测 到飞行高度的变化并且在到达最高点后 返回舱与箭体自动分离，同时打开降落 伞，拟定采用一片 STM32 单片机作为 主控制器，通过采集集成在 pcb 板上的 气压计数据来获取火箭当前的相对高度， 从而判断模型火箭当前的状态。在到达 最高点后时，通过伺服机构打开伞舱舱 门，从而弹出内部降落伞，完成有效载 荷和箭体部分的伞降。 3.2 BMP180 气压计 BMP180 是一种体积小、功耗低 的压力传感器，同时因为具有温度采集 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 以及偏移量补偿等功能，适合用用于采 集气压的大小。由于气压短时间内变化 不大，因此可以通过短时间内气压的变 化获取模型火箭相对高度的变化。在火 箭的电控部分，首先在上电后采集出地 面的气压大小，并据此判断出模型火箭 是否发射，当气压数据快速降低时即表 示火箭处于发射上升阶段。当气压接近 不变后，据此判断出模型火箭上升到最 大高度，此时执行开伞动作。当气压再 次回到初始采集的地面值时，且不再变 化，据此判断模型火箭成功着陆。 3.3 供电系统的设计 限于对电路板重量以及火箭模型 内部空间大小小，且电控部分所需功耗 不大，故采用两个线性稳压芯片将作为 电源的 2S 聚合物锂电池分别降压至 5V 和 3.3V 给舵机和