设计一个简单易用的火箭

HYPER S3 ROCKET的故事：STEM FORGE火箭与工程挑战赛

作为一名科技与工程教师，我的学生们曾参加过水下火箭挑战赛，但我们需要传感器、数据记录、降落伞释放系统等更多功能。当时没有合适的现成方案，于是我咨询了其他工程教师，并深入研究火箭技术，最终自制了用于组装的PCB板。以下是一份面向工程类学生的指南，帮助他们开发出应对STEM FORGE火箭与工程挑战赛的解决方案。本指南并非逐步教学步骤，而是提供参考指导。

1. 问题陈述

在STEM FORGE火箭与工程挑战赛中，学生将组成3人或4人的小组，使用工程流程设计并制作一个解决方案文档和原型，成功研制、制造、发射并降落一枚水动力火箭，使其具备最佳的加速度、飞行高度和外观效果。火箭必须按照预定步骤完成分离着陆模块、展开降落伞，并正确地使模块安全着陆。注意：发射时瓶子内的压力不得超过65 psi。

2. 问题电子设备(以及不同项目可选的型号)

考虑到我们希望从一个设计中获得更多功能，并且未来还有其他项目需要，我设计了以下电路，以满足我们学校各种需求。我称之为“HYPER S3 ROCKET”。

在主火箭构建方面，我设计了一个电路，用于记录所有数据，并通过ESP-Now协议和ESP32-S3微控制器的WiFi天线将信息无线发送回基地。这个电路我称之为“LOGGER”(左上角)，包含了它可能需要的所有组件，因此我们可以将其用于水下火箭、过山车、无人机或探测器等项目。该电路可承受高达32G的加速度，以1000Hz的频率记录数据，同时还具备大量S3系列的其他功能，适用于其他项目。

10自由度传感器是火箭所需的一切，但并非每个学校的工程项目都必须使用。不过，存储和读取大量数据对于后续通过I2S接口播放音频，以及通过4位并行接口使用MicroSD卡进行数据传输非常有用。初步测试显示，在旧款东芝16GB存储卡上，读写速度均约为8MB/s，表现相当不错。这是“DATA”型号(右上角)。

即便如此，有些学生在编程项目中可能只需要最基本的组件，因此该型号在不包含传感器和micro SD卡部件的情况下成本最低，但仍具备USB-C接口以及太阳能耐受型(18V)VIN引脚，可用于选择电压源(安全切换)。此外，该板仍支持锂聚合物电池充电，并配备一个降压/升压稳压器，可为3.3V系统提供高达2A的电源。我将这个基础型号称为CHARGE。

通过这三种型号，学生们应能以较低预算完成大多数工程产品的制作，但这里我们所说的正是LOGGER。

输入输出、引脚布局与功能

总共包含16个GPIO，使用外部引脚，另有5至11个GPIO通过SMD焊盘连接，具体取决于当前所需的功能选项。我还加入了用于外部I2C通信的上拉电阻，适用于其他模块，4个LED灯(顶部3个，靠近SD卡插槽处1个)，以及BOOT按钮，可作为用户按键，用于设置不同工作模式。几乎所有可用的GPIO都被使用或设为外部引脚(仅GPIO 22-32因不可用或被PSRAM内部使用而除外)。

控制器采用的是Espressif公司的ESP32-S3-Mini-1-N4R2。我曾使用过不少这类产品，而S3在性价比和紧凑的外形设计方面表现最佳。它还具备多种其他项目所需的功能，例如12个电容式触摸感应引脚、ADC和PWM(共14个引脚，其中2个用于外部I2C模块，并配有专用上拉电阻)。这些引脚都非常实用。同时还有UART接口。对于低功耗项目，学生可以使用全部的RTC引脚。当然，我也将其设计为面包板兼容，便于原型开发。

我过去一直不喜欢其他Espressif开发板上GPIO布局杂乱无章，到处都是，毫无章法。因此，我在HYPER S3 ROCKET开发板上努力整理了GPIO布局，使其更清晰易懂，方便孩子们理解。此外，我也选择了PSRAM选项搭配Mini-1模块，因为在其他项目中我们也会用到它，这样不仅能实现更快的MP3解码，甚至未来可能用于AI项目。

最终版本的修改：

临最后时刻，我做了一些调整，加入了实时时钟功能，以便将来能实现精确的实时日历和时钟项目，使用OLED或LCD显示。我还决定将microSD卡插槽的位置稍微调低一些，以让天线更加清晰。另外，一个电压感应的ADC GPIO 16可以测量电池单元的电流。此外，看来采用SMD焊接的模块化设计时，梯形引脚或许也会派上用场。

未来方向

我将为这个项目开发一系列定制的防护罩。首先，我会考虑使用LoRa和LoRawan模块以实现更佳的通信效果，但目前也可以通过I2C接口连接Seeedstudio模块。软件更新：我已经开发了3.3V的舵机电机。最后，虽然曾考虑在该项目中使用SG90舵机，但由于舵机通常需要4.8-6.0V电源，若不加装额外的升压稳压器则无法实现。不过，2克微型舵机本身通常工作电压较低，因此我计划为降落伞设计一个齿轮齿条式释放装置。这种舵机可通过简单的三针引脚头轻松连接到PCB上，其信号/控制端口为GPIO44，因为它是使用ESP32-S3的RX引脚。此外，我也正在考虑其他快速释放方案。

3. 机械结构与3D打印

火箭部件

研究火箭或水火箭的各个部件，对于理解问题的复杂性以及潜在解决方案至关重要。火箭由许多部分组成，每个部件都会显著影响最终效果，因此不能仅凭猜测。

以下是一个火箭示意图，帮助学生理解并激发他们对每个部件形状和功能的研究兴趣。

3D打印零件与粘接

如果你想在自己的学校尝试这个项目，我已附上用于喷嘴和三到四片翼的翼面定位夹具的3D打印零件。锥形结构是标准化设计，用于构成着陆模块的外型，但内部结构则由学生自行设计。翼面夹具有助于在粘接过程中稳定翼面，因为这些部件需要极高的精度，以确保火箭保持方向并减少径向(旋转)运动。商业火箭通常通过发动机转向实现主动稳定，但这超出了本项目的范围。强力胶在PET软饮料/汽水瓶上效果非常好——先用120至220目砂纸打磨表面，以提高粘接可靠性。注意：根据所用瓶子的尺寸，调整鳍状夹具的大小。

销释放机构——着陆模块与降落伞

要分离着陆模块并展开降落伞，可采用多种不同的机制(没有一种通用方案)。这正是学生设计一个使用SG90伺服电机释放销、将圆锥形着陆模块从火箭上分离的三维模型时面临的挑战。当然，如果配备两个降落伞，分别用于左右两侧，效果会更好。

下图展示的是一个有缺陷的原型——如何改进它?

制作降落伞

互联网上有许多免费的降落伞设计方案。我比较喜欢八角形降落伞，但工程中的乐趣在于探索不同形状背后的原理。不要随意猜测，应借助可靠的数据来源进行验证。同时，务必学会如何卷起降落伞以避免缠绕。网上有许多优秀的相关视频可供学习。利用研究和人工智能来帮助你找到合适的降落伞解决方案。

以下视频包含一些有趣的工程力学内容，能激发学生的思考。

4. 模拟与测试

使用火箭模拟器

我用火箭模拟器来教我的班级，帮助学生理解决定火箭成功的关键工程原理。虽然这些内容很容易猜测，但如果学生不了解火箭技术，比如压心与重心之间的区别，他们就会遇到实际困难。我会提出一些问题，例如：“为什么配重很重要?”“降落伞应该在什么时候打开?”或“‘远地点’是什么意思?” 我可以在这里展示所有内容，但火箭科学是一项需要深入理解的挑战，而不是简单地灌输知识。工程要求做出有依据、合理且经过机械验证的选择，然后进行测试、分析、修改并重复。https://openrocket.info/ 是一个不错的起点。

发射台

目前澳大利亚似乎没有太多可供购买的优质发射台，但我几年前从Pitsco公司买过一个名为Aquaport II的设备。可惜它已不再销售。不过，这个项目并不涉及发射台本身，网上已有很好的方案，例如下面来自NASA的资料。

数据与绘图

从HYPER S3 ROCKET获取图表相当简单。我已开发出将数据记录到SD卡的代码，当通过USB-C连接到Arduino或Thonny Python软件时，可通过串口通信实时读取并传输数据，并进行实时绘图。然而，在尝试WebSocket层后，我认为从ESP32托管网站会更加方便，只需通过Wi-Fi网页展示结果即可。此外，我还希望从火箭获取实时飞行数据，并通过EPS-NOW实现点对点通信。一旦开始使用EPS-NOW，我会在此发布代码，并在GitHub上提供所有代码供您查看。

更新：同时由5个传感器采集的飞行数据可能看起来很多，但我已经为比赛开发了软件，可利用ESP32-S3的Wi-Fi模块根据这些数据重建飞行过程并进行评分。

请注意，对于快速计算，Arduino在运行时性能远超MicroPython，但MicroPython是一种实时解释器，非常易于使用，孩子们无需额外花费时间编译代码——它直接运行即可。

进行小幅调整并比较运行结果

学生需要进行细微调整，以发现优化方法，这一点非常重要。他们可以使用数据表模板来比较实验结果，判断变化是正向还是负向。

5. 结论

STEM FORGE火箭与工程挑战赛是热衷于工程领域的爱好者的绝佳项目。它将向顶尖人才提出前所未有的挑战(字面意义上的)，而随着澳大利亚航天产业的蓬勃发展，航空航天工程师、机器人工程师、电气与航空电子技术员以及CAD设计师等未来职业必将更加广阔。

本文编译自hackster.io