L.A.R.S. (Sistema de lanzamiento y recuperación): 7 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Visión general

Este proyecto es un Sistema de Lanzamiento y Recuperación (LARS) compuesto por varios modelos y ensamblajes. Todos juntos, representan un sistema de recuperación adecuado para un cohete de agua a baja altitud. El cohete se compone de varias secciones, fabricadas a partir de botellas SmartWater de 1,5 litros.

Todo el sistema se compone de varios elementos:

• Plataforma de lanzamiento
• Cuerpo principal
• Sistema de recuperación

Propósito e impulsores

La inspiración para este proyecto (como la mayoría de mis proyectos) se originó con mis sobrinos. En pocas palabras, hace años (cuando mis pequeños sobrinos no eran tan grandes) querían hacer estallar algunos fuegos artificiales el Día de la Independencia. Normalmente, no tan mal, pero ese año fue diferente: estábamos planeando un fin de semana largo en la cabaña de sus abuelos, en McCall, Idaho. Si nunca ha estado en Idaho, está muy seco. Si nunca ha estado en McCall, Idaho: es muy seco y hay MUCHOS árboles, arbustos, pasto y otros combustibles perfectos para los incendios forestales. Como ya era un año increíblemente seco y Smokey the Bear sostenía el letrero de riesgo de incendio "ALTO" afuera de la oficina del servicio forestal, busqué una alternativa.

Al mismo tiempo, lo vi como una oportunidad para demostrar lo que trato de inculcar en las mentes científicas jóvenes: DESTACAR. Piense fuera de la caja y encuentre la solución a múltiples problemas. Puede que se destaque como un pulgar adolorido al principio, pero las mejores ideas suelen hacerlo.

Además, resulta que soy SUPER barato. No tanto por ahorrar dinero, pero veo muchas cosas que se pueden hacer con cosas ordinarias. La mayoría de las veces, cosas ordinarias que están destinadas a ser de un solo uso.

La seguridad

Sería negligente si no mencionara esto primero; Constantemente les recuerdo a mis sobrinos "La seguridad es lo primero". Esto encaja en el objetivo general, ya que la propulsión principal es el agua y el aire. Obviamente, esto no representa ningún peligro de incendio grave.

A medida que construí más secciones del sistema de propulsión, este volumen agregó para más aire comprimido (es decir, más propulsor). Por supuesto, esto es directamente proporcional a la altitud máxima alcanzable. Continuando con esta lógica un poco más: sí, esto significaba MUCHO MÁS PELIGROSA velocidad al regresar a la tierra.

La comprensión de cuán peligroso podría ser esto se hizo evidente después de que tuvimos nuestro primer lanzamiento exitoso de un prototipo temprano, usando múltiples secciones en el fuselaje. Eche un vistazo a Rocket Boys, en YouTube.

Costo

Minimizar el costo de cualquier construcción es importante. En mi escenario, pensé que era igualmente importante garantizar que el costo de cada uso fuera mínimo. Quiero decir, vamos, ¿quién quiere hacer un montón de trabajo para un sistema de un solo uso?

En cualquier lugar posible, usé basura: botellas de agua que iban a la basura, un viejo estuche de vuelo de la tienda de excedentes del ejército, un paraguas de silla roto de una tienda de artículos deportivos local, una manguera de aire reventada de Harbor Freight e incluso un pop roto. -upr aspersor - básicamente, me gusta enseñarles a los niños que no existe la basura; es un producto que necesita una nueva finalidad.

Solo pregunta

En muchos casos, las cosas que desea usar no están necesariamente "a la venta" y, si lo están, es posible que no valgan su precio. El paraguas verde original que usé para el paracaídas estaba en un artículo roto de $ 28 en una tienda. Lo llevé al mostrador y les dije que les daría los $ 4 que tenía. Les mostré que estaba roto de todos modos y les expliqué que solo quería el material del paraguas. ¡Voila! instantáneamente tuvimos un paracaídas.

Reutilización

Es casi imposible hablar de mantener bajo el costo del material sin considerar también cómo el diseño del producto se presta a la reutilización. Si no pudiéramos usar fácilmente el cohete una y otra vez, también podríamos incendiar el bosque con cohetes de botella y M-80.

Portabilidad

Después de solo 1 lanzamiento de prueba de nuestro primer prototipo, me di cuenta de que todo el sistema de cohetes debía ser lo más compacto posible. Al mismo tiempo, quería prestárselo a cualquiera que quisiera probarlo. No quería escribir un montón de instrucciones de montaje detalladas o alquilar una camioneta de mudanza para el transporte.

Al final, utilicé la caja donde almacenaba todas las piezas como plataforma de lanzamiento. Algunas modificaciones hicieron posible conectar los accesorios del compresor de aire, la manguera y la válvula de retención, dejando mucho espacio en el interior para todas las secciones de los sistemas de propulsión / recuperación del cohete.

… Por supuesto, después del lanzamiento más reciente, me di cuenta de que todo el sistema podría ser más portátil, ja.

Suministros

Plataforma de lanzamiento

• 1 x contenedor de envío de excedentes del ejército antiguo

  • Creo que recogimos esto en The Reuseum, un gran lugar para ver si estás en Boise, Idaho;)
  • Alerta de spoiler: en realidad no almacenan este tipo de contenedores del ejército ya que cambiaron de ubicación.
• 1 x Manguera de compresor de aire (~ 15 '… o cualquier distancia a la que se sienta seguro)

• 1 x Manguera de compresor de aire (~ 2 '… esto solo va dentro de la caja)

  • Las dos mangueras anteriores las construí a partir de una manguera de $ 5 que encontré en una venta de estacionamiento de Harbor Freight. Parecía que explotó / partió el caparazón de goma donde alguien dejó que se calentara / derritiera demasiado. Aparte de eso, fue genial para lo que necesitábamos
  • Si corta / empalma algo viejo, puede encontrar piezas excelentes y súper baratas en Harbor Freight.
• 1 x válvula sin retorno: aquí hay una

  Hay muchas opciones disponibles. Consiga algo barato

• 1 codo de 90º - va desde la rosca del compresor de ¼ hasta la rosca de la manguera de jardín (algo como esto)

  • Olvidé de dónde saqué esto, pero dado que esta es una audiencia súper inteligente (y súper indulgente), supongo que puedes descubrir cómo pasar de un hilo a otro después de unos minutos en D&B o TSC.
  • Quizás combinar con algo como esto.

• 1 x adaptador macho de compresor de aire giratorio y roscado (reutilizamos algo como este, de Harbor Freight)

  Esto se usa para unir el trozo corto de manguera en el interior del contenedor sobrante

• 1 x adaptador hembra Gardena

Fuselaje

• 12 x botellas de agua inteligentes (1,5 litros)
• 4 x Botellas de agua Essentia (1,5 litros)
• 1 x boquilla personalizada (es decir, rosca de botella de 2 litros impresa en 3D en un conector de manguera Gardena macho)
• 1 x tubo de adhesivo Sikaflex (como este sellador de construcción)

• 1 x papel de la cinta adhesiva (o cinta adhesiva)

  Usé una combinación de cinta adhesiva blanca y negra en las secciones del fuselaje. Pensé que le daba al cohete un aspecto más de la era de Apolo, ja

Sistema de recuperación: no impreso

• 1 x rociador emergente (usamos este, de Lowe's)
• 1 x paraguas viejo
• 1 x pelota de ping pong
• 1 x botella de Poland Spring (o alguna otra botella con forma más parecida a la nariz de un cohete; olvido la marca exacta de la que usamos)
• 1 x agua mineral con gas de la marca Kroeger (es decir, también se vende en tiendas como QFC o Fred-Meyer)
• 1 x poste de cerca eléctrica de fibra de vidrio (teníamos este, creo que era de D&B Supply)

Sistema de recuperación: circuito

• 1 x Arduino Pro Mini
• 1 x adaptador de enchufe DIP de 24 pines (enlace)
• 1 regulador de voltaje de 5 V (enlace)
• 1 x zumbador piezoeléctrico (enlace)
• 1 x resistencia de 220 Ω (enlace)

• 1 x módulo MPL3115A2

  • El que se usa aquí ya no está disponible
  • Comencé a trabajar en una alternativa que registra datos y aprovecha un giroscopio junto con el barómetro: el código en Github (ver lars) aún debería ser aplicable si tiene una alternativa

• 1 x interruptor de enclavamiento de botón pulsador

  Si no lo has notado, soy fan de Tayda por pequeñas cosas en pequeñas cantidades por un pequeño precio

Paso 1: plataforma de lanzamiento

La plataforma de lanzamiento es un equipo multifunción. Hecho de una vieja caja de equipo que encontré en el infame Reuseum de Boise, tiene tres funciones:

1. Mecanismo de abastecimiento (… a falta de un término mejor)
2. Almacenamiento para las piezas del cuerpo del cohete
3. Plataforma de lanzamiento

Repostar / Llenado

Antes de hablar sobre alimentar el cohete, es importante tomarse un minuto para pensar en los principios científicos básicos que lo respaldan. De Wikipedia:

Un cohete de agua es un tipo de modelo de cohete que utiliza agua como masa de reacción. El agua es expulsada por un gas presurizado, típicamente aire comprimido. Como todos los motores de cohetes, funciona según el principio de la tercera ley de movimiento de Newton.

Al descomponerlo un poco, la masa de reacción es simplemente algo que se usa para empujar. Empuja contra el suelo y el aire empuja contra el agua. El aire también empuja contra la botella. La acción es el aire en expansión, la reacción es un objeto con la menor masa (es decir, el cohete de botella) que se aleja de la plataforma de lanzamiento.

Presurizar el cohete debe ser un proceso aditivo. Requiere empujar aire dentro del recipiente sin permitir que se escape el aire o el agua. Esto se logra utilizando un pequeño dispositivo llamado "válvula de retención" (a veces denominada válvula de retención).

El cohete se conecta a través de un conector de manguera Gardena en la plataforma de lanzamiento. La parte inferior del cohete tiene una boquilla con un contorno que coincide con el conector de grifo Gardena. Modelé una boquilla en Fusion 360 combinando el perfil del conector de grifo Gardena con las roscas de una botella de 1,5 L.

La manguera que lo conecta todo se tomó de una manguera de aire reventada. Lo encontré en una venta de estacionamiento de Harbor Freight por un par de dólares; parecía que alguien lo devolvió porque se abrió de golpe. Cuando lo vi, supe que necesitaba empalmarlo. Pensé que este sería un buen momento para cortar un trozo corto para unirlo permanentemente a la plataforma de lanzamiento.

Mejoras futuras

Me gustaría comprar o imprimir en 3D algunas piezas adicionales. Me gustaría que los puntos de conexión de la caja queden alineados con el resto de la superficie de la caja. Con esas pequeñas roscas de la manguera de jardín y la conexión del compresor de aire que sobresalen, es difícil de almacenar sin dañarse. Además, es propenso a sufrir daños cuando se transporta a un lugar de lanzamiento.

Almacenamiento

Cuando se desmonta, las secciones del cuerpo del cohete encajan perfectamente en la caja. Además, me sobraba suficiente espacio para guardar el conjunto de recuperación allí. Guardo esas piezas en una caja separada en caso de que las otras piezas se muevan y rompan las piezas impresas en 3D.

Plataforma de lanzamiento

Cuando llega el momento de lanzar el cohete, necesitamos algo que ayude a apuntalar el cohete. Además, es imperativo que comience en la dirección correcta (es decir, la Primera Ley del Movimiento de Newton). Para lograr esto, utilicé dos piezas de canal de moldura de aluminio conectadas por dos piezas impresas en 3D.

El soporte inferior impreso en 3D tiene espacio para una tuerca hexagonal de ¼ . Usé este tamaño porque es un estándar para montar accesorios en un trípode de cámara (hablaré de eso en un segundo). Una vez lijé los lados del nailon tuerca hexagonal, encaja perfectamente en el soporte.

Mi hermano es un gran fotógrafo de exteriores y, como todos los expertos en su campo, rompe o actualiza su equipo. Mientras estaba en su casa, noté un trípode en la basura. Lo único malo fue el ajuste de altura vertical. Aparte de eso, era un buen trípode. No sabía para qué lo usaría en ese momento, pero tenía muchas partes excelentes.

Cuando comencé a construir la plataforma de lanzamiento del cohete, llegué a un punto en el que necesitaba algo portátil para sostener los rieles guía. BOO YA: reutiliza el trípode roto. Se ajusta muy bien en varias direcciones, ideal para terrenos irregulares en su sitio de lanzamiento. También se empaca y encaja bien en la caja de lanzamiento.

También diseñé e imprimí en 3D una pieza que encaja entre los rieles y se adhiere al cuerpo principal del cohete. Esta pieza en particular sostiene el cohete cerca de los rieles y no permite que se vuelque. Adjunté esto al cuerpo principal con un poco de cinta de montaje 3M 414 Scotch® Extreme. Cuando diseñé la pieza, empotré dos puntos donde va la cinta de espuma, de modo que la pieza quede al ras de la superficie plástica curva.

Mejoras futuras

Me gustaría imprimir en 3D algunos conectores que permitan cortar los rieles guía en segmentos más pequeños. Con segmentos más pequeños, también puedo almacenar los rieles de lanzamiento en la caja. Tratar de transportar los rieles en longitudes de 8 pies, en un Jeep, nada menos, fue un dolor. Además, tenerlo todo armado hizo que las piezas de plástico fueran propensas a romperse (lo que hicieron) en el automóvil.

Paso 2: Cuerpo principal

La estructura principal del cohete se compone de múltiples componentes idénticos. Los componentes se componen de dos botellas SmartWater de 1,5 L y una botella de agua Essentia de 1,5 L.

1. Corte los fondos de las botellas SmartWater de 1,5 l

   Asegúrate de dejar un poco de la parte curva. Esta es más superficie para la adhesión Siaflex

2. Corta la parte superior e inferior de una botella de Essentia de 1,5 L
3. Inserte la parte inferior de una de las botellas SmartWater cortadas dentro de la botella Essentia cortada

   Intente alinear la parte inferior de la botella SmartWater con el punto medio de la botella Essentia

4. Inserte la parte inferior de la otra botella SmartWater en el otro extremo de la botella Essentia

   Empuje la botella SmartWater hacia abajo hasta que toque la otra botella SmartWater

Marcar las botellas

Marque las botellas para alinearlas con precisión si es necesario. (ALERTA DE SPOILER: tendrás que volver a montarlo más tarde).

Utilice el método que mejor se adapte a sus necesidades. Me gusta dibujar algunas marcas obvias en las dos botellas diferentes. Cuando el centro está lleno de Sikaflex y no puede ver dónde se encuentran los dos en el medio, es una guía más útil.

Pegar las botellas

Me gusta cubrir el interior de la botella de Essentia con una capa de Sikaflex. Es un gran adhesivo y también permite cierta expansión. Esta es una característica beneficiosa ya que las botellas tienden a expandirse cuando se llenan con aire comprimido. También es beneficioso cuando se estrella contra el suelo (… sí, es probable que sufra un accidente en algún momento): las botellas son más fáciles de doblar para recuperar su forma y reutilizarlas.

Conectando las secciones

Una vez que tenga todas las secciones pegadas, conéctelas con algo llamado "Tubo Tornado". ESTE ES EL MAYOR PUNTO DE FALLA.

El plástico de las botellas y el plástico de los tubos tornado es bastante rígido. No siempre encajan perfectamente y se puede escapar una gran cantidad de aire cuando se llenan a un PSI alto. Además, cuando se utilizan juntas de manguera de jardín en los puntos de contacto, existe el riesgo de que se aprieten demasiado hasta un punto en el que la junta se vea forzada dentro de la botella. Cuando esto sucede, básicamente hace que la junta sea inútil, ya que ya no sella la conexión entre la botella y el tubo tornado.

Planeo crear mis propias conexiones con una impresión 3D de doble extrusión. Creo que podría haber una manera fácil de imprimir un exterior rígido (para las roscas) y un sello flexible en el medio (para reemplazar las juntas de la manguera). Publicaré esos planes cuando estén completos.

Paso 3: Sistema de recuperación: circuito

La lógica del paracaídas se parece mucho a otros escenarios de la vida: desplázate demasiado pronto y pueden suceder cosas malas; si no se despliega en absoluto, suceden cosas malas.

Quería asegurarme de que el paracaídas no se desplegara hasta que el cohete comenzara a caer. Dados los componentes que tenía a mi disposición, elegí utilizar un sensor de presión de aire barométrico que proporciona una medición precisa de la altitud.

Todo el sistema necesita protección contra los elementos. Diseñé la carga útil para acomodar los circuitos y los sensores. No quería desarmar todo cada vez que quería activar o restablecer el sistema, así que diseñé la carga útil con un interruptor externo.

Cuando el sistema está habilitado, se toma una medición inicial: este es nuestro "nivel del suelo". A medida que aumenta la altitud del cohete, su nueva altitud se guarda y se compara con la siguiente medición tomada. Cuando el valor guardado es mayor que la altitud recién medida, se supone que el cohete está cayendo.

Cuando se trabaja con el sistema de recuperación en tierra, es posible que el paracaídas se despliegue accidentalmente. En realidad, el código no considera que el cohete esté "volando" hasta que la altitud medida esté al menos 1 metro por encima de la medición inicial del nivel del suelo tomada cuando se encendió el sistema.

Una vez que se considera que el cohete está cayendo, se despliega el paracaídas. Esto se hace activando el servo adjunto lo suficiente como para desbloquear el cabezal del rociador emergente adjunto a las piezas impresas en 3D. Por supuesto, el resorte del aspersor empujó el paracaídas del paraguas, se cae al suelo, todos se ríen a carcajadas y así sucesivamente.

El circuito constaba de tres partes principales:

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

Arduino

Originalmente creé una placa personalizada con un Arduino básico. Cuando intenté revivirlo para este artículo, decidió dejar de funcionar:

Usé un Arduino Pro Mini, pero es un poco exagerado. También es mucho más grande que la versión anterior. El tamaño más grande requirió un rediseño de algunas partes impresas en 3D. Estoy seguro de que hay algunas diferencias en las partes de las fotos que publiqué (… perdón por la inconsistencia).

Publiqué el código en un repositorio público en Github. Verifique LARS.

Servo

El pestillo es accionado por un servo SG90 común. El servo obtiene su energía directamente del regulador de voltaje, no a través del Arduino.

Sensor de presión barométrica

La ruptura particular que utilicé en este proyecto fue algo que encontré en Tindie (… pero desde entonces se retiró). Utiliza el sensor MPL3115A2. Esto proporciona al Arduino una lectura precisa de la altitud actual.

Paso 4: Sistema de recuperación: caja

El sistema de recuperación incluye varios productos simples que probablemente tenga por ahí. Por ejemplo, el paracaídas está hecho de un paraguas viejo y roto y se despliega con un resorte comprimido de un rociador emergente. Tampoco se preocupe por las cosas pequeñas: utilicé un clip de papel para conectar la bocina del servo al pestillo del cabezal del rociador. Incluso parte de la materia prima que puede encontrar en lugares aleatorios, como la extrusión de aluminio que encontré en un contenedor de Goodwill.

En otro diseño, utilicé algunos postes de fibra de vidrio para cercas en lugar del aluminio que se muestra en las imágenes. La fibra de vidrio estaba tirada por algún viaje por el campo (creo) que alguien tomó, se usan para crear una cerca eléctrica improvisada para caballos. No es muy importante para este diseño, pero quiero que pienses en alternativas.

Influencias y cambios del diseño

Sabía que algún día compartiría este diseño con amigos y familiares (… no, nunca pensé que estaría en Instructables, ja). También asumí que no todos tendrían la misma marca de agua mineral disponible en su tienda local. Si bien hay mucho espacio para mejorar, modifiqué mi diseño para permitir que quepan botellas de varios tamaños en la parte superior.

La mejor manera que pude pensar para asegurar un ajuste seguro, pero extraíble, fue usar un material flexible. Introduzca: NinjaFlex … mi honorable MakerDojo es fuerte con da ninja de mi lado.

Con una impresión de doble extrusión, podría crear una pieza con una base rígida y una parte superior flexible. La parte flexible era lo suficientemente elástica para apretar dentro de la botella y lo suficientemente fuerte como para aplicar la presión necesaria para mantener la botella en su lugar.

Paso 5: Sistema de recuperación: paracaídas

Esta debe ser una de mis partes favoritas del diseño. Quiero decir, vamos, ¿cuántas veces has pensado en flotar al estilo Mary Poppins con un paraguas? Fue divertido ver finalmente un paraguas funcionar como un paracaídas.

Encontré un paraguas en un producto roto en DICK'S Sporting Goods. Les ofrecí unos dólares y lo aceptaron. Encontré otro mientras buceaba en contenedores en Goodwill. Por supuesto, encontré una sombrilla de golf increíble y antigua en Second Use (en Seattle) después de las otras dos. El paraguas de golf sería increíblemente grande y sería un gran paracaídas.

Cualquiera que sea el paraguas que elija, asegúrese de que esté bien sujeto a su cohete. Cuando el paracaídas se despliega, dependiendo del tamaño / peso de su cohete, la fuerza de la apertura del paracaídas podría ser significativa. En mi caso, até un trozo de cuerda elástica flexible que tenía (… creo que mi hermana lo estaba tirando lejos de una red de carga rota en el maletero). Con esa cuerda elástica en su lugar, reduce la cantidad de tensión en las piezas de plástico cuando se despliega el paracaídas.

Paso 6: descripción general de las piezas impresas en 3D

Salta a…

1. Ensamblaje completo
2. Sistema de recuperación paracaídas émbolo Thingy
3. Guía de compresión del sistema de recuperación
4. Parte superior roscada de la carga útil del sistema de recuperación
5. Carga útil del sistema de recuperación
6. Adaptador de cohete de agua a Gardena

La Asamblea Completa

Este modelo contiene básicamente todos los demás modelos, pero ensamblados como si estuvieran en producción. También incluye las piezas reutilizables no impresas en 3D (solo como referencia).

Sistema de recuperación paracaídas émbolo Thingy

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Guía de compresión del sistema de recuperación

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Parte superior roscada de la carga útil del sistema de recuperación

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Carga útil del sistema de recuperación

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Adaptador de cohete de agua a Gardena

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Paso 7: Conclusión

Hay muchas cosas aquí que no mencioné. Supongo que cuanto más escribía, más me di cuenta de que me olvidé de documentar en el camino. Este artículo terminó más como un cruce entre un "paso a paso" completo, pero enumerando todas las variables para que pueda probarlo por su cuenta. Para nosotros, teníamos tantos diseños y métodos diferentes que no funcionaron, pero presentaron nuevas oportunidades de aprendizaje tanto para mí como para mis sobrinos. Es una gran y pequeña aventura para emprender con sus estudiantes y cualquier otro científico joven en ciernes.

En general, es un ejercicio fantástico de reutilización, creatividad y tecnología, excelente para los niños y aún más divertido para los padres.

Sea audaz, piense diferente y, como siempre, deje que sus ideas se destaquen.

Finalista en el Concurso de Reutilización