Unter Verwendung der Intel Edison an einem kalten Gas Reaction Control System für eine Forschungsrakete

7 Schritt:Schritt 1: Hintergrund Schritt 2: Komponenten Schritt 3: Herstellung Schritt 4: Dimensionierung der Düsen Schritt 5: Steuern Sie die Rolle Schritt 6: Programmierung des Edison zur Steuerung des Systems Schritt 7: Verlangsamen Sie Ihre Rolle

Unter Verwendung der Intel Edison an einem kalten Gas Reaction Control System für eine Forschungsrakete

Unter Verwendung der Intel Edison an einem kalten Gas Reaction Control System für eine Forschungsrakete

Was ist der Zweck der Herstellung einer Reaktionskontrollsystem?
Konventionelle Lageregelungssysteme für Amateur-Raketen eingesetzt befestigt Flossen, die passive Stabilitätskontrolle bieten. Um aktive Stabilisierung und Manöver durchführen, werden Servomotor gesteuerten Lamellen in der unteren Atmosphäre verwendet.
Aufgrund der geringen Luftdichte in der oberen Atmosphäre, haben herkömmliche Raketenflossen aller Art wenig Einfluss auf Raketen Haltung über 30 Kilometer über der Erdoberfläche. Dies ist, wo ein kalter Gasrückstoßsteuersystem wird eine Notwendigkeit, wenn Sie Rollsteuerung und richten Sie die Rakete genau wollen.
Kaltgasreaktionskontrollsysteme für mehr als € 500.000 USD (roll-Aktion nur) Einzelhandel; Jedoch kann diese Anordnung für unter € 10.000 gebaut werden, wenn alle der benutzerdefinierte Teile wurden zusammengezogen, oder auch unter 2.000 €, wenn die Bearbeitung kann in-house durchgeführt werden.

Schritt 1: Hintergrund

  1. Unter Verwendung der Intel Edison an einem kalten Gas Reaction Control System für eine Forschungsrakete

    In diesem Jahr unser Maschinenbau Schlussstein Team vom Maseeh Hochschule für Technik und Informatik an der Portland State, beschlossen, auf die Herausforderung, eine Kaltgasrückstoßsteuersystem (RCS) zu nehmen. Die RCS wurde für den eingebauten Portland State Aerospace Society , einer Crowdfunded und Open-Source- Programm, Hobbyraum / Bürger wissenschaftliches Projekt. Die RCS-Modul wird auf Höhenforschungsraketen für Höheneinführung Missionen geflogen werden. Die Hoffnung ist, für Haftklebemassen, um schließlich einen Würfel-sat Ladung in den Orbit zu starten, und mit diesem Gerät sind wir einen Schritt näher.
    Glücklicherweise instructables.com und Intel spendete das Intel Edison Bord , so dass die Prüfung einfacher, sicherer, und die Hände frei.
    beachten Sie: Dieses System ist in der Lage, benutzerdefinierte 3D gedruckt de Laval-Düsen auf über 2,5 lbf (11 N) Schub von 100 psi Stickstoff Roll- und Nickmanöver zu generieren. Eine hohe Auflösung 3D-Drucker (32 Mikrometer oder weniger) ist erforderlich, um viskose Verluste aus rauhen Oberfläche zu vermeiden.


    Was bedeutet diese instructable Angebot?
    Diese instructable ist meist Open-Source und alle CAD-Dateien und einige der Controller-Code finden Sie auf unserer gefunden werden github Konto . Wir verwenden 3D gedruckt Düsen, die modular und für spezifische Missionen optimiert werden können; Die Matlab Düsen Optimierung Code ist inbegriffen. Die Matlab-Programm, um Gewinne für die Steuerung zu bestimmen, und die Roll-Steuerprogramme für Python und Arduino beide gegeben. Wir sind auch einschließlich unsere Stückliste für kommerzielle off-the-shelf-und kundenspezifische Teile.
    Was dies instructable nicht bieten:
    Der Zweck dieser instructable ist es, einen umfassenden Überblick über, wie das System für den Amateurraketenprojekten bauen zu erklären. Wir geben eine Schritt-für-Schritt-Anleitung, wie man alles machen. Wir werden auch keine Steigung / Gier-Aktionssteuerungsprogramme, weil ich nicht ein schlechtes Gewissen braucht.
    Seien Sie sich bewusst, dass auch mit diesem Handbuch, ist dies immer noch ein relativ schwieriges Projekt; es sollte nicht als DIY Kartoffelpresse oder Blue Tooth Lautsprecher behandeln. Mit diesem wird gesagt, es ist immer noch verrückt Spaß zu bauen und spielen mit.
    Haftungsausschluss: Wir sind Maschinenbau-Studenten. Wir sind auf jeden Fall nicht für die Sicherheit von jemand Anderem, verantwortlich. Dies ist eine schwierige Projekt in fast jedem Aspekt der Technik, die es beinhaltet. Auch aufgrund der 4500 psi Tank von Stickstoff auf der Hochdruckseite des Systems, ist es extrem gefährlich! Bitte gehen Sie mit Vernunft. Wenn Sie sich mit einem Teil des mechanischen Aufbau sind, STOP und von einem Fachmann.

Schritt 2: Komponenten

  1. Unter Verwendung der Intel Edison an einem kalten Gas Reaction Control System für eine Forschungsrakete

    Unter Verwendung der Intel Edison an einem kalten Gas Reaction Control System für eine Forschungsrakete

    Das RCS-Design soll in einem 36in lang x 6in ID untergebracht werden Kohlefaserrohr , so dass die komplette Baugruppe.
    Düsenringe und Anhänge sind speziell hergestellt, um mit maßgeschneiderten Montageringe mit dem Gehäuserohr befestigt paaren. Fühlen Sie sich frei, den Entwurf, um Ihre Projekte spezifischen Bedarf zu skalieren; nehmen Sie das Volumenmodell Dateien im Github Repository gefunden und ändern Sie sie für Ihr eigenes Projekt :)
    Alle CAD-Dateien sind in Solidworks, und alle SW-Baugruppen können in der gefunden werden PSAS Reaktionskontrolle Repo-
    1 x Düsenring aus Aluminium gefräst 8x8x2 1/2 "6061 - Fest arbeitet Teil
    1 x Motor Haltering - aus Aluminium gefräst 6061 - Fest arbeitet Teil
    2 x Roll-Gier-Düsensatz - Fest arbeitet Teil
    2 x Pitch Düsensatz - Fest arbeitet Teil
    1 x Gehäuse 30 "x 6" ID Rohr 3/10 "Wandstärke - Acryl für Show-Modell / Kohlefaser für Flugmodell
    1 x 100 'Roll von 3/8 "210 psi Polyethylen halbstarre Schläuche - 5181K25
    6 x 3-Wege-Magnetventil Humphrey 320-24DC
    2 x Wye Push-to-Connect-Fittings 5225K858
    20 x Push-to-Connect-Fittings C2-425-0628
    1 x 6-fach Verteiler
    1 x Druckregler - kpr1gwf425c20000
    1 x 4 '- 1/4 "Stahlrohr - 89895K411
    1 x 118ci Kohlefaser 4500psi Tank - Guppy Version
    1 x Intel Edison Arduino Board
    3 x 3 Zellen Li-Po-Akkus
    1 x MOSFET Arduino Schild in 3V - 24V aus - Vorstand und schema Dateien
    1 x Arduino Mezzanine-Schild
    1 x MPU 6050 Breakout-Board
    1 x Tankadapter
    1 x Kugelhahn
    4 x 1/4 "NPT bis 1/4" geraden Rohrverschraubungen
    1 x 1/8 "NPT bis 1/4" Gerades Verbindungsstück
    1 x Schrader Nitrogen Ladeventil
    1 x Gummihydraulik Füllschlauch
    1 x 1/4 "NPT Nadelventil zur Füllrate regulieren
    1 x Manometer
    Alle verwendeten Schrauben sind Flachkopf Schrauben 4-40 . Längen 1/2 "zur Befestigung von Metall auf Metall und 1/4" für die Montage Kunststoff auf Metall

Schritt 3: Herstellung

  1. Unter Verwendung der Intel Edison an einem kalten Gas Reaction Control System für eine Forschungsrakete

    Jede dieser Listenelemente dort eigene Herstellung instuctables haben könnte, aber aus Gründen der Kürze werden wir einen bescheidenen Übersicht und Werkzeuge benötigt, zu geben. Wenn Sie nicht über die Mittel oder Know-how, um die Maschinenteile, betrachten Outsourcing zu den Profis .
    Bearbeitung Teile
    Spinnen-Ring
      CNC-gefertigt aus einem halben Zoll Platte aus 6061 Aluminium verwendeten wir eine 1/2 "Schaftfräser mit 1/8" Radius zur Bearbeitung dieser Teil
    Düsenring
      CNC-gefertigt aus 8 "x8" X2-1 / 2 "dicken Platte aus 6061 verwendeten wir eine 1/2" End-Mühle und eine 1/8 "Kugelkopf-Mühle zum Ausschneiden der Ringform verwendeten wir eine CNC Dreh Indexer um alle Radialbohrungen um den Ring bilden
    6-fach Verteiler
      Maschine aus 6061 Alu 3 "runde Lager abgedreht verwendeten wir eine Handdreh Indexer, die anfänglichen radialen Löcher machen wir verwendet eine 2-Achsen-CNC mit einem Schwenkkopf zu bohren und Gewinde der Anschlüsse
    Tank Adapter
      Maschine aus Aluminium 6061 1-1 / 2 "Rundmaterial abgedreht verwendeten wir einen Farbstoff Mutter auf das Gewinde für die Schraube in Welle verwendeten wir eine End-Mühle, um die anfänglichen Bohrungen schneiden und tippte die Löcher mit einem herkömmlichen Stecker Hahn und Bodenbildung Rohrleitungs
    Magnethalterungen
      CNC-gefertigt aus 6061 aus Aluminium 063 Blatt gebogen, um die gewünschte Form auf einem Blechbiegemaschine
    Ändern Magnete für fit (aufgrund der Größenbeschränkungen des Systems benötigt die Elektromagneten zu ändern)
      Wir verwendeten ein Schaftfräser an einem Rand der jeweiligen Magnetspule bei einem 60 Grad schneiden. Winkel

    3D-Druck
    All die Düse wurden von gedruckten 3D-Armaturen mit Poly-Jet-Drucker. Auflösung der Druck muss kleiner als 32 Mikrometer für die entsprechende Oberfläche drucken Material ist VisiJet Kristall
    Rohrbiegen
    Rohrbiegen wurde mit einem iterativen Ansatz nach Winkel und Längen von der getan CAD ​​Montage


    PCB Herstellung
    MOSFET-Schild für Arduino
    Wir haben diese Platine in-house mit CNC-Routing-Schaltung und einen Beschichtungstank. Die schematische von der Github Repo hat alle Teilenummern für Dioden, Transistoren, Widerstände und Kondensatoren verwendet.

Schritt 4: Dimensionierung der Düsen

  1. Unter Verwendung der Intel Edison an einem kalten Gas Reaction Control System für eine Forschungsrakete

    Unter Verwendung der Intel Edison an einem kalten Gas Reaction Control System für eine Forschungsrakete


    Dieses System ist das erste seiner Art, das 3D-Druckdüsen für zwei funktionellen Gründen verwenden.
    Zuerst werden die 3D-Druckdüsen in diesem System verwendet modular und kann für mehr ideal Geometrien basierend auf ihrer Flugbahn ersetzt werden. Große Raketen sind teuer und werden in der Regel auf mehrere Missionen vor dem Schlafengehen geflogen. Jeder Flug der Rakete könnte eine andere Mission mit neuen Höhen und Flugbahnen sein. Da eine Düsengröße ist für die Dauer jedes Einführung befestigt, müssen seine Abmessungen dem besten Düsenform der gesamten Flugs optimiert werden.
    Zweitens, die Herstellung der Änderung komplexe Innengeometrien erforderlich, könnte (realistischerweise) nur durch additive Fertigung durchgeführt werden. Um maximale Leistung zu jeder Düse zu erreichen, müssen die effizienteste Form verwendet werden. Eine konvergierende-divergierende Düse arbeitet durch allmähliches Verengen des Fluidflusses bis zum Erreichen einer Geschwindigkeit von Mach 1 bei der kleinsten Bereich der Düse, der Kehle. Sobald die Flüssigkeit ihre Maximalgeschwindigkeit erreicht hat, die Düse divergiert ein wodurch der Fluidgeschwindigkeit zu erhöhen, und in einen Überschallregime. Die effizienteste Form der konvergierenden-divergierende Düse ist der de Laval-Düse . Die Lavaldüse verwendet parabolische Geometrien Geschwindigkeit der Flüssigkeit macht die meisten effiziente Strömung erhöhen. Dies bietet die Schubmenge pro Gas verwendet.
    Der Düsendurchflussmenge wurde mit getestet Schlieren Fotografie zu Überschallströmung zu beweisen. Aus dem Video in diesem Schritt können Sie die Schock-Zellen aus dem Geschäft Ende der Düse gebildet sehen. Diese mach Diamanten zeigen Überschallströmung, und die effizienteste Strömungsgeschwindigkeit für unsere Triebwerke.
    Um die Düsen für unterschiedliche atmosphärische Bedingungen zu modellieren, verwenden Sie die Düse Modellierung Dateien um das beste Hals Größe und internen Krümmung zu erhalten, und dann die entsprechenden Parameter in den Solidworks ändern Düsen Dateien .
    Wir entschuldigen uns, dass wir mehr Open-Source-Programme für die Modellierung des Systems nicht nutzen konnten. Doch diese scheinen die besten Werkzeuge für den Job zu einem günstigen Preis zu College-Studenten

Schritt 5: Steuern Sie die Rolle

  1. Unter Verwendung der Intel Edison an einem kalten Gas Reaction Control System für eine Forschungsrakete

    Regelungstechnik ist mühsam und lang, und Borderline Folter; jedoch ist es äußerst befriedigend, wenn Sie schreiben, und Umsetzung eines Arbeitssteuerung.
    Dieser Schritt angebracht ist ein Bild der simulierten Impulsantwort Verse der eigentlichen Impuls erlangt.
    Diese instructable wird leicht über einige der Kontrollen Parameter und Ergebnisse von diesem spezifischen Projekt. Wenn Sie eine genauere Kontrollen wollen Tutorial gibt es einige erstaunliche Lösungen gibt.
    Bei der Gestaltung einer Steuereinrichtung für dieses System gibt es mehrere unmittelbare Faktoren, die in Betracht gezogen werden müssen.
    Erstens ist dies ein digitales System, und sollte nicht als kontinuierliche modelliert werden.
    Zweitens ist der Aktuator PWM 200ms (5 Hz). Da Verbraucher grade Elektromagnete werden (über kundenspezifische Luftfahrtgrad-Elektromagnete) verwendet ein Trade-off zwischen Stellzeit und der Magnetflusskoeffizient hergestellt ist; ließen wir uns mit einem 20 ms offen lag in der Magnetspule.
    Drittens gibt es eine begrenzte Menge an Stickstoff für den 20 (+) zweiten Flug. Letztlich ein Linear Quadratic Regulator wird Gewicht verwendet werden, um die Kosten der Treibstoffverbrauch.
    Viertens sind die Solenoide EIN / AUS, und nicht wie Proportionalmagneten variieren. Um einen Gradienten in Schub zu erhalten, verändert die Steuersoftware Arbeitszyklus, den Impuls benötigt pro Drehrate entsprechen.
    Die digitale Regelalgorithmus verwendet wurde, war nur mit einem Proportionalregler; wurde jedoch mit Bode-Analyse, um 60 Grad der Phasenreserve und -6 dB der Verstärkungsspielraum haben bemessen. Diese Bode Margen ermöglichen Systemfunktionalität mit bis zu 50% Variabilität der Umweltparametern (zB Gewichtsänderung, Höhenunterschied, Windgeschwindigkeit, unerwartete drag).

Schritt 6: Programmierung des Edison zur Steuerung des Systems

  1. Unter Verwendung der Intel Edison an einem kalten Gas Reaction Control System für eine Forschungsrakete

    Unter Verwendung der Intel Edison an einem kalten Gas Reaction Control System für eine Forschungsrakete

    Zur Steuerung des RCS wir einen Intel Edison verwendet zur Betätigung der Kaltgas-Magnetspulen und eine MPU-6050 auf Rollrate zu bestimmen.
    Zuerst schrieben wir Kontrollen , um die Edison als nur ein Arduino Uno zu verwenden, und in aller Wirklichkeit der Code ist einfach genug, dass wir genau das benutzt haben. Allerdings, wenn wir wollten, Remote-Funktionalität über Wi-Fi, um die Ubilinux OS, die durch diese an der Edison installiert werden kann, wechselten wir Tutorial .
    Nach der Implementierung Ubilinux, waren wir in der Lage, in die Edison mit jedem Computer im selben Netzwerk ssh, um verschiedene Steueralgorithmen oder Manöver nennen. Um zu steuern, Hardware mit dem Edison, während in Ubilinux, alle Steuerprogramme wurden in Python geschrieben

Schritt 7: Verlangsamen Sie Ihre Rolle