逐梦“太空”自制一个可以软着陆的火箭

马斯克造火箭，贝佐斯乘坐自家的火箭上天，我们怎么可以落后？

今天就给大家带来一个自制的火箭项目。

在这个项目中，我们将建造一个带有自动降落伞弹射机制的水火箭，以及一个数据传输系统，这样我们就可以监测火箭在空中时候的方向（根据加速度计和陀螺仪数据估计）。

水火箭是一种模型火箭，它使用压力室（通常是一个PET瓶，也就是碳酸饮料瓶）内的水和压缩空气作为推力发动机。火箭的运行可以用牛顿第三定律来解释，压缩室中的水被压缩空气抛出，因为它试图释放压力释放积累的势能，所以在相反的方向会产生一个推动火箭的力。

冷知识：

PET：Polyethylene Terephthalate（聚对苯二甲酸乙二醇酯）

矿泉水瓶用的塑料就是聚对苯二甲酸乙二醇酯，翻转矿泉水的瓶子，可以看见下面有个小小的符号，三角形中写了数字“1”，这是最常见的塑料材质之一，绝大多数的矿泉水、饮料瓶采用这种材料。

具质轻、透明度高、耐冲击不易碎裂等特性；

耐热至70℃，只适合装暖饮或冻饮，装高温液体、或加热则易变形，有对人体有害的物质融出。

材料

火箭机身

3个PET瓶，3L大小（重要的是，至少有一个瓶子是用来储存苏打水的，因为它必须能够承受高压力）

4x Balsa木板 200 * 25mm

8x 螺钉

1x 喷漆

1x 橡皮筋

1x 降落伞（我们用了一把旧伞，在布的每个尖端都系上了绳子）

1x PC板 250 * 250mm

电子部分

4根扎带

纸板

1个面包板

1x 加速器（我们使用MPU6050，它有一个加速器和陀螺仪）

2个Arduino板（我们使用了Arduino nano和Arduino mega）

1个3.3V电压调节器（我们使用LM317可调电压调节器）如果使用LM317的电压调节器电路，则还需要：

1x 电阻器(390欧姆)

1x 电阻器(240欧姆)

1x 伺服电机 (我们使用的是普通的SG90)

2x NRF24L01+模块

1x 电池，为电路板供电（我们使用了一个充电宝）。将充电宝连接到电路板需要：

1x USB-A连接器

母头和公头

胶带

双面胶带

热熔胶

工具

热熔胶枪

剪刀

记号笔

电烙铁

镊子

测量带

订书机

水火箭发射器（我们在这个说明中没有解释如何制作火箭发射器，但你可以查看这篇水火箭的文章，自己制作一个http://aircommandrockets.com/rocket_launcher.htm）

步骤一：降落伞制作

计算瓶子的半径

如(1)所示，测量周长，然后应用公式r=c/(2*pi) 来计算半径，在我们的例子中，半径是60毫米。

根据这些信息，在纸板上标出2个半径为瓶子半径减去1毫米的圆（在我们的例子中是59毫米），并将其剪下，如（2）和（3）所示。

对每个圆，按（4）所示画线。

为此，我们首先画出一条穿过圆心的线，这条线将被称为线1；

在线1的一端测量40毫米，然后画一条与圆的边界相接触的垂直线，这条线将被称为线2；

在线1的另一端测量20毫米，画一个点；

现在在该点和线2的两端之间各画一条虚线，这条虚线的长度记为L。

步骤二

根据上述测量值（L），在纸板上画一个高110毫米，宽（L）×4毫米的长方形，每隔（L）毫米划一条垂直线（5）；

切开大的长方形，在中间切线，切成两个大小相同的长方形，如(6)所示；

对于每一个长方形纸板，通过标记线切割纸板的顶层，以便我们可以折叠它们；

在其中一个圆圈的标记线上涂上热熔胶，并将其中一个折叠的长方形纸板粘起来，然后将另一个长方形纸板粘在前一个长方形纸板的后面以加固它；

我们需要为扎带开孔，所以在距离长方形两端约15毫米处标出一条线，并在这条线上画出4个高约3毫米、宽约5毫米的长方形，如（9）所示，它们之间的距离大约相等；

将另一个圆粘在上面；

切断小矩形，并测试一下扎带是否能穿过小孔。

步骤三

在火箭顶部的降落伞弹射系统的空腔中，如（11）所示，在距离瓶子底部约50毫米处划出一个圆圈，并切开它，这就成了一个没有底部的瓶子。

把用硬纸板做的支架放在这个瓶子里。

支架在里面，在瓶子上标出一个矩形，覆盖支架的正面（支架的正面是我们为扎带打孔的那一面，或者是空间最大的那一面），这个矩形在每个水平端应该有20毫米的额外空间。

现在取下纸板支架，用切割机切割矩形，如(12)、(13)和(14)所示，小心地将矩形从瓶子里切出来，因为这部分以后将用于固定里面的降落伞。

然后在长方形的一端上开个洞，用橡皮筋穿过，如（15）所示，最后用胶带把长方形固定在瓶子的右边（就是把瓶子竖起来的时候），这样就可以当一个盖子了，如（16）所示。

步骤四

从背面看纸板支架，在右侧标记一个长方形，大约在中心位置标记伺服电机底部的尺寸，对于我们使用的那个电机（SG90），尺寸是22毫米高，12毫米宽，如（18）所示。

现在切开这个长方形的小孔，插入电机。

如(19)和(20)所示，用螺钉或热熔胶把电机固定在支架上。

PS: 如果纸板有点薄，螺丝可能会不起作用，对螺丝用力过猛也会导致安装松动，在这种情况下，热胶更容易、更安全。

在纸板支架的左侧，开一个小孔，让电机的电线通过，尽量靠右放，如（19）所示。

步骤五

接下来我们将要制作降落伞“弹簧”，并把它固定在纸板箱上。

如(21)所示，从一个未使用的瓶子上剪下一个230毫米×96毫米的矩形（用卷尺测量）作为降落伞“弹簧”。

在剪下来的正方形塑料片的每个短端，在离边界约10毫米处划一条线，将标记线与纸板支架两端的孔的边缘对齐（在纸板支架的背面），并在每个孔上做一个标记，如（22）所示。

用切割器或电烙铁在每个标记的矩形上打一个孔。

如（23）所示，用扎带将“弹簧”固定在纸板支架上。如（24）所示，必要时用钳子将扎带穿过（如果“弹簧”碍事，你也可以将它弯曲）。

将纸板插入瓶中，使“弹簧”位于孔的一侧；

为了把纸板支架推入，可能需要先把“弹簧”推到支架上，然后再把支架推到瓶子里面去；

在电机的顶部画一个长方形，并把它剪下来，这个孔是橡皮筋穿过的地方，它将被连接到电机上，保持盖子关闭，降落伞被压缩在“弹簧”上。

在下面GIF里，你可以看到如何将降落伞放入火箭内部。

步骤六 电子部分

电子装置主要由Arduino Nano、MPU6090加速器+陀螺仪、设置为3.3V的LM317稳压电路、一个充电宝、一个无线电模块NRF240L01+和一个伺服电机组成，下面的原理图rocket.pdf显示了连接图。

我们在电路板上为无线电模块放置了一些母头，并使用长的公头到母头的电缆连接它。

对于伺服电机，我们放了一些公头。

稳压器用于为NRF24L01+提供电源，因为我们发现Arduino的3.3V输出不能提供足够的电压，程序有时会失败。

你可以使用任何你想要的方法连接元件，但请记住纸板支架内的空间是有限的。

要把电路板安装到纸板支架上，首先，把它从瓶子里拿出来（1），把电路板放在纸板支架的左侧上面，并在左上角和右下角做标记，如（2）所示。取出电路板，在每个角上标记并切出2个相距约10毫米的小矩形，如（3）所示。

对于每一对孔，从纸板支架的背面把一条小线穿过孔（可能需要推动“弹簧”使线穿过），用线将线路板固定在纸板上，如图（4）。

在最后一张图片上，我们展示了固定其中一个角的结果，电线的一端穿过纸板上的一个孔，然后我们扭动它，使它保持在原位。

步骤7

在电路板的顶部，如(5)所示，在纸板支架上标记并切割一个大约10 * 30毫米的矩形。将电源和无线电模块（NRF24L01+）的电缆穿过该孔。

然后将电源线连接到充电宝，将NRF24L01+连接到电路板，如（6）和（7）所示。最后将元件固定在纸板上（8）。

我们用胶带将无线电模块固定住，用双面胶带将充电宝固定住，并用胶带加固。

请记住，为了使纸板支架适合于瓶内，它上面的元件不应越过圆圈的边界，所以要把所有东西放在圆圈内。

在把纸板支架放进瓶子里之前，把程序rocket.ino上传到Arduino上，用下面的测试程序检查程序的运行情况。

/*
  Requires the following libraries:
  RF24 by TMRh20, Avamander
  MPU6050 by Electronic Cats  Connections:
    Shown in the schematic
*/#include <SPI.h>
#include "RF24.h"// Radio Transmitter - NRF24L01+RF24 radio(7, 8); // using pin 7 for the CE pin, and pin 8 for the CSN pin
uint8_t rocketAddress[] = "ROCKT";const int payloadSize = 12; // *union{
  struct {
    int16_t acc[3];
    int16_t gyr[3];
  } raw;
  char bytes[payloadSize];
} data;// Sensor - Accelerometer and Gyroscope - MPU6050#include "I2Cdev.h"
#include "MPU6050.h"
#include "Wire.h"MPU6050 accelgyro;#define THRESHOLD 1000// Actuator - Servomotor#include <Servo.h>Servo servo;#define START_ANGLE 110
#define END_ANGLE 30void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("Started");  // Configure Radio Transmitter - NRF24
  
  if (!radio.begin()) {
    Serial.println(F("Radio hardware not responding"));
    while (1) {}; // hold in infinite loop
  }  if (radio.isChipConnected()){
    Serial.println("NRF24L01 connection successful");
  }
  else{
    Serial.println("NRF24L01 connection failed");
    while (1) {}; 
  }
  
  radio.setPALevel(RF24_PA_LOW);
  radio.setAutoAck(false);
  radio.setDataRate(RF24_250KBPS);
  
  // This node sends data
  radio.openWritingPipe(rocketAddress);  // Configure Sensor - Accelerometer and Gyroscope - MPU6050
  Wire.begin();
  accelgyro.initialize();  if(accelgyro.testConnection()){
    Serial.println("MPU6050 connection successful");
  }
  else{
    Serial.println("MPU6050 connection failed");
    while (1) {}; 
  }  // Configure Actuator - Servo  servo.attach(3);
  servo.write(START_ANGLE);  // Wait for devices to be ready
  delay(500);
}void loop() {
  // Get sensor data
  accelgyro.getMotion6(&data.raw.acc[0], &data.raw.acc[1], &data.raw.acc[2], &data.raw.gyr[0], &data.raw.gyr[1], &data.raw.gyr[2]);  // Send sensor data
  radio.writeFast(data.bytes, payloadSize);  // Detect if there's free fall and eject the parachute accordingly
  float mag = sqrt(sq((float)data.raw.acc[0]) + sq((float)data.raw.acc[1]) + sq((float)data.raw.acc[2]));  if (mag < THRESHOLD){
    servo.write(END_ANGLE);
  }  Serial.println("");
}

注意，我们需要安装多个库，这些库可以通过库管理器轻松地安装在Arduino IDE上，这些库是：

RF24 by TMRh20, Avamander

MPU6050 by Electronic Cats

测试程序

将纸板支架从一个小的位置落在一个光滑的表面上，看看电机是否改变了位置，之后重启Arduino，重新做几次实验，以确定电机每次都会移动，因为这是一个展开降落伞的电机。

如果电机不动，增加rocket.ino中的阈值[ #define THRESHOLD 1000 ]到1500，再测试一次，如果有必要，你可以进一步增加它。

如果电机在纸板支架没有被放下时改变了位置，将rocket.ino里面[ #define THRESHOLD 1000 ]中的阈值减少到500，然后测试它在被放下时是否能正常工作。

电机必须在垂直位置启动，当下降时，支撑物必须顺时针移动到水平位置，如（9）所示，如果不是这样，就有必要设置起始和结束角度。

为此，上传程序test.ino，并通过Arduino的串行监视器（设置为115200波特），写一个0到180之间的数字，这样电机就会保持在垂直位置，当找到一个值时，在rocket.ino中更新这个值[ #define START_ANGLE 110 ]

// Actuator - Servomotor#include <Servo.h>Servo servo;void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("Started");  servo.attach(3);
  servo.write(90);
}void loop() {
  if(Serial.available()){
    int val = Serial.parseInt();
    servo.write(val);
    Serial.print("Angle: ");
    Serial.println(val);
  }
}

然后，输入一个值，使电机从垂直位置顺时针移动到水平位置，当找到一个值时，在rocket.ino中更新这个值[ #define END_ANGLE 30 ]。

注意，如果无法找到合适的值，你可能需要重新定位伺服臂。

最后，经过测试，将纸板支架插入瓶中，结果如（10）所示。

你可能想知道，当电子装置在瓶子里时，我们如何打开它们，为此，在接下来的一个步骤中，我们将开一个孔，以便我们可以随意连接/断开电源线。

步骤八 站台

现在制作站台，这个只需要一块Arduino板和无线电模块，站台接收火箭的数据并将其发送到电脑上，以便我们查看。

连接很简单，所以我们不需要一幅原理图。

连接：

Arduino Board | NRF24L01+
Pin 7         | CE
Pin 8         | CSN
3.3V          | V+
GND           | GND
// For the following pins check a pinout of your board
SCK           | SCK
MISO          | MISO
MOSI          | MOSI

进行连接后，将程序station.ino上传到电路板上。

注意，我们需要安装一个库，它可以很容易地使用库管理器安装在Arduino IDE上，这个库是TMRh20，Avamander的RF24

为了测试我们是否能接收到数据，暂时把纸板支架从瓶子里拿出来，这样我们就可以通过把电源线连接到充电宝来打开它，在火箭电子设备打开的情况下，把站台连接到电脑上，在Arduino IDE上以115200波特打开串行显示器，如果数据被接收，你会看到火箭电子设备打开时出现随机字符。

如果我们没有接收到数据，请检查串行监视器上是否有打印的错误，如果没有，将火箭电子装置上的Arduino板连接到计算机上，检查串行监视器（以115200波特），看是否有打印的错误。如果与无线电模块或加速度计有连接错误，请检查板上的连接情况。

步骤九 机身