樹莓派火箭技術(shù)

超越SpaceX ——你有一些競(jìng)爭。最近，我們受到啟發(fā)，開始涉足整個(gè)火箭行業(yè)，所以我們制作了樹莓派火箭一號(hào)，將其帶到了一個(gè)大領(lǐng)域，并試圖讓它飛起來。

發(fā)射火箭模型的刺激可能是一次難忘的經(jīng)歷。經(jīng)過數(shù)周甚至數(shù)月的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造和測(cè)試，看到你的火箭升空會(huì)帶來一種成就感，這種成就感是很少有愛好能比得上的。搭配一些樹莓派硬件，你可以打開一個(gè)充滿樂趣的全新世界。天空是極限，或者更確切地說，它也不是。

如何制作火箭模型

如果你剛開始建造火箭模型，那么最簡單的方法就是從眾多可用的套件中購買一個(gè)。這些有各種形狀和尺寸，從初學(xué)者的簡單設(shè)計(jì)到高級(jí)建造者的復(fù)雜套件。這些套件通常配備了你需要的大部分材料，但你也需要一些額外的物品，如膠水、砂紙和油漆來組裝你的火箭。你必須切割和打磨散熱片，并添加其他組件，如鼻錐和發(fā)動(dòng)機(jī)支架。其中包含了循序漸進(jìn)的說明，所以非常簡單。

我需要一枚可以攜帶有效載荷的火箭，于是選擇了由Estes公司制造的名為“綠雞蛋”（https://estesrockets.com/product/007301-green-eggs/）的套件。它的設(shè)計(jì)目的是攜帶一個(gè)真正的雞蛋：它的想法是，你可以發(fā)射一個(gè)雞蛋，并將其安全返回地球，而不會(huì)使其破裂！使用油漆和模板，我很容易定制了我的火箭：

火箭模塊的工作原理

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)模塊是火箭的核心。它們提供必要的推力，將火箭從發(fā)射臺(tái)上升空。發(fā)動(dòng)機(jī)由一個(gè)裝滿固體燃料推進(jìn)劑的圓柱形紙板外殼組成，該外殼由點(diǎn)火器點(diǎn)燃。點(diǎn)火器由兩根電線之間的一小塊易燃材料組成。按下按鈕，電流流過點(diǎn)火器，使其起火并短暫燃燒。它本質(zhì)上是一個(gè)電子火柴：

點(diǎn)火器連接到9V直流電源

視頻鏈接：https://www.bilibili.com/video/BV1DV4y1z7yn/

點(diǎn)火器被放置在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)固體燃料底座的空腔中，并由塑料塞固定到位：

點(diǎn)火器、發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭組件

選擇合適的發(fā)動(dòng)機(jī)

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)模塊有不同的尺寸和功率水平。這些通常標(biāo)有字母和數(shù)字代碼，代表發(fā)動(dòng)機(jī)的特性，從發(fā)動(dòng)機(jī)的功率開始，即發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的總脈沖（以牛頓秒為單位）。每個(gè)字母最多代表前一個(gè)字母總脈沖的兩倍，因此B發(fā)動(dòng)機(jī)將比A發(fā)動(dòng)機(jī)承受更高的火箭。根據(jù)火箭的重量和設(shè)計(jì)，為其選擇合適的發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和功率，以確保安全成功發(fā)射，這一點(diǎn)很重要。以下視頻是C12-5發(fā)動(dòng)機(jī)的靜態(tài)點(diǎn)火測(cè)試：

C12-5靜態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)

視頻鏈接：https://www.bilibili.com/video/BV1Jo4y157r7/

字母后代碼中的第一個(gè)數(shù)字表示平均推力，或者發(fā)動(dòng)機(jī)為火箭提供動(dòng)力的速度。數(shù)字越高，速度就越快。

代碼中的最后一個(gè)數(shù)字告訴你發(fā)動(dòng)機(jī)推力階段結(jié)束和彈射裝藥點(diǎn)火之間的延遲，以秒為單位。彈射可以讓你的降落傘展開，這樣你的火箭就可以安全地漂落回地球進(jìn)行回收。再看一次靜態(tài)點(diǎn)火測(cè)試視頻，你可以看到，一旦發(fā)動(dòng)機(jī)的主推力階段耗盡，延遲五秒后，較小的彈射裝藥推進(jìn)劑就會(huì)點(diǎn)火。它朝著相反的方向發(fā)射，進(jìn)入火箭本身。彈射裝藥將火箭分成兩部分，由彈性帶連接，釋放儲(chǔ)存在火箭體內(nèi)的降落傘。

我的火箭使用了Estes D12-5發(fā)動(dòng)機(jī)。這是一種直徑24毫米的單級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，專為最大升力重量小于270克的火箭設(shè)計(jì)。非常適合Estes“綠雞蛋”。

有效載荷

當(dāng)我在Tindie上偶然發(fā)現(xiàn)基于Rockit RP2040的火箭飛行控制器模型時(shí)，我不得不擁有一個(gè)。Rockit（火箭操作計(jì)算套件）是一款小巧便宜的飛行計(jì)算機(jī)，由芬蘭的Dan Invents為小型火箭設(shè)計(jì)。在其眾多功能中，該板具有高度計(jì)、加速度計(jì)和溫度傳感器，所有這些都將數(shù)據(jù)記錄到microSD卡中，用于飛行后分析。Dan在這個(gè)板上做得很好，甚至包括了一個(gè)具有2A電流輸出的5V升壓轉(zhuǎn)換器，以便控制更先進(jìn)的火箭伺服系統(tǒng)?；蛘撸梢杂脕頌闃漭珊拖鄼C(jī)賦能：現(xiàn)在我們正在討論！

組裝電子設(shè)備和外殼

我開始為Rockit板、電池（https://www.amazon.co.uk/EEMB-1100mAh-Battery-Rechargeable-Connector/dp/B08FD39Y5R/ref=sxts_rp_s_1_0？content-id=amzn1.sym.07198d44-a16f-4503-b71e-3f4c67470a0f%3Aamzn1.sym.07198d44-a16f-4503-b71e-3f4c67470a0f&crid=3EEL3AV8EVDR8&cv_ct_cx=3.7v%2Bbattery&keywords=3.7v%2Bbattery&pd_rd_i=B08FD39Y5R&pd_rd_r=b23eaeec-8401-480a-a55a-8c7cbb19bd89&pd_rd_w=UVnuW&pd_rd_wg=eWiEu&pf_rd_p=07198d44-a16f-4503-b71e-3f4c67470a0f&pf_rd_r=8FMW0J36Z2QDDCP5ZVPG&qid=1683272046&sbo=RZvfv%2F%2FHxDF%2BO5021pAnSA%3D%3D&sprefix=3.7v%2B%2Caps%2C81&sr=1-1-1890b328-3a40-4864-baa0-a8eddba1bf6a&th=1）、樹莓派 Zero（https://www.raspberrypi.com/products/raspberry-pi-zero/）和我們的廣角12MP相機(jī)模塊3（https://www.raspberrypi.com/products/camera-module-3/）設(shè)計(jì)和3D打印合適的有效載荷外殼：

我在電池和其他東西之間加了一個(gè)小開關(guān)，這樣它就可以很容易地通電了。然后，我在相機(jī)外殼上鉆了一個(gè)小孔，簡單地把整個(gè)東西滑到位：

Rockit板預(yù)裝了Dan的定制固件。該板有多種操作模式，一個(gè)微小的旋轉(zhuǎn)開關(guān)可以讓用戶在它們之間進(jìn)行選擇?；灸Ｊ街恍枳詣?dòng)啟動(dòng)電路板，并發(fā)出令人放心的嗶嗶聲，讓你知道一切都準(zhǔn)備好了。傳感器可以接收發(fā)射的運(yùn)動(dòng)，并開始將數(shù)據(jù)記錄到microSD卡上，因此設(shè)置起來非常容易。

至于Pi Zero，我寫了一個(gè)小腳本，當(dāng)你打開電路板的電源時(shí)，它會(huì)在30秒內(nèi)錄制視頻。計(jì)算機(jī)不適用簡單地通過斷開電源來關(guān)閉，這樣，當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，我唯一可能損壞的文件僅僅是火箭安全返回地球后的最后30秒剪輯。

剩下要做的就是最后的組裝。這包括包裝降落傘和連接鼻錐和有效載荷部分：

發(fā)射日

“上升的東西最后都會(huì)下降”這句話突出了模型火箭所涉及的微小固有風(fēng)險(xiǎn)。因此，為了確保安全和愉快的體驗(yàn)，我們強(qiáng)烈建議加入一個(gè)遵守所有規(guī)則和條例的有組織的俱樂部。這樣，你就可以高枕無憂，專注于享受這種體驗(yàn)的刺激。我與英國劍橋Pi Towers的East Anglian Rocketry Society合作：

這張照片顯示了EARS的財(cái)務(wù)主管Ian Lewis，他指導(dǎo)我完成了我的第一次發(fā)射體驗(yàn)。關(guān)于火箭，他沒有什么不知道的。俱樂部允許訪客，所以即使你還沒有準(zhǔn)備好飛行，你也可以享受一天的時(shí)間，觀看其他人的發(fā)射。這真是一個(gè)奇觀。作為一次性客人，你可以使用俱樂部的設(shè)施，以最低的費(fèi)用發(fā)射你的第一枚火箭——這是一個(gè)在不成為會(huì)員的情況下嘗試火箭模型的好方法。

倒計(jì)時(shí)

一切就緒，倒計(jì)時(shí)通過揚(yáng)聲器系統(tǒng)在你周圍回蕩。“五、四、三、二、一……起飛！”

這是一次完美的發(fā)射！降落傘展開，火箭輕輕地飄回地球。

視頻鏈接：https://www.bilibili.com/video/BV1Lo4y157vT

飛行數(shù)據(jù)

我們從發(fā)射場(chǎng)旁邊的場(chǎng)地取回了火箭，然后開始查詢我們的數(shù)據(jù)。Rockit板會(huì)自動(dòng)將CSV文件寫入microSD卡，因此通過將其放入我的筆記本電腦并打開默認(rèn)的電子表格查看器，我可以很快看到我們有飛行數(shù)據(jù)：

起飛！

電子表格非常直觀，以毫秒為單位顯示了每個(gè)傳感器記錄的數(shù)據(jù)。

這些數(shù)據(jù)都很吸引人，但我首先想知道的當(dāng)然是我們飛得有多高：

高度計(jì)記錄了我們發(fā)射后8.8秒的最高點(diǎn)（我們火箭科學(xué)家稱之為遠(yuǎn)地點(diǎn)），即154.3米，即506英尺。如果你想更詳細(xì)地了解，我已經(jīng)在這里提供了所有數(shù)據(jù)。

“樹莓派的鏡頭怎么樣？”我聽到你問。好吧，這就是我覺得有點(diǎn)不對(duì)勁的地方。我回到家，對(duì)我的第一次發(fā)布感到非常自豪，打開了主板，卻發(fā)現(xiàn)直到發(fā)射之前一直有視頻記錄，然后就什么都沒有了！

我不太清楚為什么攝像機(jī)停止了錄像。樹莓派非常擅長應(yīng)對(duì)火箭發(fā)射（看看Astro Pi - https://astro-pi.org/ 就知道了）。我需要做一些進(jìn)一步的工作，然后我會(huì)再試一次。然而，眾所周知，火箭發(fā)射非常順利是罕見的。至少在階段分離之前，我們沒有進(jìn)行快速的非計(jì)劃的拆卸。

審核編輯 ：李倩