Kako napraviti rockoon: Projekt HAAS: 9 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:08

Ideja koja stoji iza ovog Instructable-a je pružiti alternativnu metodu, koliko god to izgledalo nevjerojatno, za isplativa lansiranja raketa. Budući da su se nedavni razvoj svemirske tehnologije fokusirali na smanjenje troškova, mislio sam da bi bilo sjajno predstaviti rokona široj publici. Ova uputstva podijeljena su uglavnom na četiri dijela: uvod, dizajn, izrada i rezultati. Ako želite preskočiti koncept rockoons -a i zašto sam svoj dizajnirao na način na koji sam to učinio, idite ravno do građevinskog dijela. Nadam se da ćete uživati, a volio bih čuti od vas o vašim razmišljanjima o mom projektu ili o vašem vlastitom dizajnu i izradi !!

Korak 1: Osnovne informacije

Prema Encyclopedia Astronautica, rockoon (od rakete i balona) je raketa koja se balonom ispunjenim plinom lakšim od zraka prvo prenosi u gornju atmosferu, zatim odvaja i pali. To omogućava raketi da postigne veću nadmorsku visinu s manje pogonskog goriva, jer se raketa ne mora kretati pod snagom kroz niže i deblje slojeve atmosfere. Originalni koncept je nastao tokom krstarenja Aerobee -a Norton Soundom u martu 1949. godine, a prvi ga je pokrenula grupa Office of Naval Research pod vodstvom Jamesa A. Van Allena.

Kad sam tek započeo svoj projekt o rockoonu, nisam imao pojma što je to rockoon. Tek nakon što sam završio projektnu dokumentaciju, saznao sam da postoji naziv za ovaj uređaj koji sam napravio. Kao student iz Južne Koreje koji se zanima za svemirsku tehnologiju, od mladosti sam bio frustriran razvojem raketa u svojoj zemlji. Iako je korejska svemirska agencija KARI učinila nekoliko pokušaja lansiranja svemirskih lansirnih vozila, i jednom je uspjela, naša tehnologija nije ni blizu drugim svemirskim agencijama kao što su NASA, ESA, CNSA ili Roscosmos. Naša prva raketa, Naro-1, korištena je za sva tri pokušaja lansiranja, za koja se sumnja da su dvije propale zbog razdvajanja faza ili oplate. Sljedeća raketa koja se proizvodi, Naro-2, je trostepena raketa, pa se pitam da li je pametno raketu podijeliti u nekoliko faza? Prednosti takvog postupanja bile bi u tome što raketa gubi značajnu masu pri razdvajanju stupnjeva, čime se povećava efikasnost pogonskog goriva. Međutim, lansiranje višestupanjskih raketa također povećava šanse da lansiranje završi neuspjehom.

Ovo me je navelo na razmišljanje o načinima za smanjenje stepena rakete uz maksimalnu efikasnost pogonskog goriva. Lansiranje raketa iz aviona poput projektila, upotreba zapaljivog materijala za raketna tijela, nekoliko je drugih ideja koje sam imao, ali jedna mogućnost koja me privukla bila je platforma za lansiranje na velikoj visini. Pomislio sam: „Zašto raketa ne može jednostavno lansirati iz balona sa helijumom, iznad većine atmosfere? Raketa tada može biti jednofazna raketa sa sondiranjem, što bi značajno pojednostavilo proces lansiranja, kao i smanjilo troškove.” Stoga sam odlučio sam dizajnirati i izgraditi rockoon -a kao dokaz koncepta i podijeliti ovaj Instructables tako da ga svi možete isprobati ako želite.

Model koji gradim zove se HAAS, skraćeno od Aerodromska svemirska luka velike visine, u nadi da jednog dana rockoons neće biti samo privremena lansirna platforma za rakete, već stalna platforma koja se koristi za lansiranje, punjenje gorivom i slijetanje svemirskih lansirnih vozila.

Korak 2: Dizajnirajte

Dizajnirao sam HAAS na temelju intuitivnih oblika i osnovnih proračuna

Izračuni:

Koristeći NASA -in vodič o "Dizajniranju balona na velikoj nadmorskoj visini" izračunao sam da će mi trebati oko 60L helija da podignem najviše 2 kg, gornju granicu koju smo postavili za težinu HAAS -a, uzimajući u obzir da će temperatura i nadmorska visina utjecati na silu uzgona helija, kako je spomenuto u "Utjecaj nadmorske visine i temperature na kontrolu zapremine zračnog broda s vodikom" Michelea Trancossija. Međutim, to nije bilo dovoljno, o čemu ću detaljnije govoriti, ali zato što nisam uzeo u obzir utjecaj vodene pare na uzgon helija.

Okvir:

• Cilindričnog oblika kako bi se minimizirao učinak vjetra
• Tri sloja (vrh za držanje rakete, srednji za mehanizam za lansiranje, donji za kameru od 360 °)
• Debeli srednji sloj za dodatnu stabilnost
• Vertikalne šine za postavljanje i navođenje rakete
• Kamera od 360 ° za snimanje
• Sklopivi padobran za sigurno pristojno
• Tanki cilindrični balon s helijem za minimalni kut pomaka rakete

Pokreni mehanizam

• Mikroprocesor: Arduino Uno
• Metode pokretanja: Odbrojavanje vremena / Digitalni visinomjer

• Način aktiviranja pogonskog goriva: Probijanjem rupe u kapsuli CO2 pod visokim pritiskom

  • Metalni šiljak pričvršćen na opruge
  • Mehanizam za otpuštanje sastoji se od dvije kuke
  • Oslobađa se kretanjem motora
• Zaštita elektroničkih uređaja od nižih temperatura

Došao sam do nekoliko metoda oslobađanja šiljka pokretom motora.

Koristeći dizajn sličan bravi vrata s ključem, povlačenjem metalne ploče dok se krajnji ključ ne poravna s većom rupom, mogao bi se pokrenuti šiljak. Međutim, trenje se pokazalo prejakim i motor nije mogao pomaknuti ploču.

Drugo rješenje bilo je imati kuku koja se držala za šiljak i iglu koja je zakačila udicu za nepomični predmet. Poput naličja sigurnosne igle vatrogasnog aparata, kad bi se igla izvukla, udica bi popustila i pokrenula bi šiljak. Ovaj dizajn je također stvarao previše trenja.

Trenutni dizajn koji koristim je korištenje dvije kuke, sličnog dizajna za okidač pištolja. Prva udica drži se za šiljak, dok je druga udica uhvaćena u mali zarez na stražnjoj strani prve udice. Pritisak opruga drži kuke na mjestu, a motor ima dovoljan okretni moment za otključavanje sekundarne kuke i lansiranje rakete.

Raketa:

• Gorivo: CO2 pod pritiskom
• Smanjite težinu
• Akcijska kamera integrirana u tijelo
• Zamjenjiva CO2 kapsula (raketa za višekratnu upotrebu)
• Sve glavne karakteristike modela raketa (nos, cilindrično tijelo, peraje)

Budući da čvrsto raketno gorivo nije bila najbolja opcija za lansiranje u naseljenom području, morao sam se odlučiti za druge vrste pogonskih goriva. Najčešće alternative su zrak i voda pod pritiskom. Budući da bi voda mogla oštetiti elektroniku na vozilu, pogonski zrak morao je biti zrak pod tlakom, ali čak je i mini zračna pumpa bila preteška i trošila je previše električne energije da bi je imala na HAAS -u. Srećom, pomislio sam na mini CO2 kapsule koje sam prije nekoliko dana kupio za gume za bicikle i odlučio da će to biti efikasno gorivo.

Korak 3: Materijali

Da biste napravili HAAS, trebat će vam sljedeće.

Za okvir:

• Tanke drvene ploče (ili bilo koje lagane i stabilne ploče, MDF)
• Duge matice i vijci
• Aluminijska mreža
• 4x aluminijski klizač
• 1x Aluminijumska cev
• Kamera od 360 ° (opcionalno, Samsung Gear 360)
• Veliki komad tkanine i užeta (ili maketa raketnog padobrana)

Za mehanizam lansiranja

• 2x Duge opruge
• 1x metalna šipka
• Tanka žica
• Neke aluminijske ploče
• 1x Oglasna ploča
• 1x Arduino Uno (sa USB priključkom)
• Senzor temperature i pritiska (Adafruit BMP085)
• Piezo zujalica (Adafruit PS1240)
• Mali motor (Motorbank GWM12F)
• Žice za kratkospojnike
• Kontroler motora (L298N Dual H-Bridge motorni kontroler)
• Baterije i držač baterija

Za vazdušnu raketu

• Limenke za dopunu guma za CO2 bicikle (Bontager CO2 sa navojem 16 g)
• Nekoliko aluminijskih limenki (2 za svaku raketu)
• Akrilne ploče (ili plastične)
• Ribbons
• Elastične trake
• Duge žice
• Akcijska kamera (opcionalno, Xiaomi akcijska kamera)

Alati:

• Pištolj za ljepilo
• Epoksidni kit (opcionalno)
• Testera/Dijamantski rezač (opcionalno)
• 3D štampač (opcionalno)
• Laserski rezač ili CNC glodalica (opcionalno)

Čuvajte se! Koristite alate oprezno i njima rukujte pažljivo. Neka vam netko drugi pomogne ako je moguće i zatražite pomoć pomoću odabranih alata ako ne znate kako ih koristiti.

Korak 4: Okvir

1. Laserskim rezačem, CNC glodalicom ili bilo kojim drugim alatom po želji izrežite tanku drvenu ploču u oblik na priloženim slikama. Gornji sloj sastoji se od dvije ploče povezane vijcima za stabilizaciju. (Za glodanje ili lasersko rezanje, datoteke su navedene u nastavku.
2. Izrežite aluminijske klizače na jednake duljine i umetnite ih u pukotine duž unutarnjeg prstena svakog sloja. Pištoljem za ljepilo zalijepite slojeve tako da na vrhu ima mjesta za raketu.
3. Aluminijsku cijev postavite na središte srednjeg sloja. Uvjerite se da je stabilan i što vertikalniji u odnosu na sloj.
4. Izbušite rupu u donjem sloju i pričvrstite opcionalnu kameru od 360 °. Napravio sam gumeni poklopac za kameru koji se može ukloniti u slučaju da fotoaparat doživi udar tokom faze slijetanja.
5. Presavijte veliki komad tkanine ili tkanine u manje pravokutnike i pričvrstite 8 užadi jednake dužine na najudaljenije uglove. Vežite uže na krajnjem kraju kako se ne bi zapetljalo. Padobran će biti pričvršćen na samom kraju.

Korak 5: Pokrenite mehanizam

1. Napravite dvije kuke, jednu za metalnu šipku i jednu za okidač. Koristio sam dva različita dizajna: jedan je koristio metalne ploče, a drugi 3D štampač. Dizajnirajte udice na osnovu gornjih slika, a datoteke za 3D štampanje su povezane ispod.

2. Da biste mogli otpustiti okidač i lansirati raketu pomoću mjerača vremena ili digitalnog visinomjera, potrebno je napraviti Arduino kolo navedeno na gornjoj slici. Digitalni visinomjer se može dodati povezivanjem ovih pinova.

   • Arduino A5 -> BMP085 SCL
   • Arduino A4 -> BMP085 SDA
   • Arduino +5V -> BMP085 VIN
   • Arduino GND -> BMP085 GND
3. Dodajte kolo u HAAS. Spojite kuku okidača sa motorom žicom i okrenite motor kako biste provjerili može li kuka glatko iskliznuti.
4. Brusite kraj tanke metalne šipke i umetnite je u aluminijsku cijev. Zatim pričvrstite dvije dugačke opruge na kraj štapa i spojite ih s gornjim slojem. Savijte kraj štapa tako da se lako može zakačiti za mehanizam za lansiranje.
5. Testirajte nekoliko puta kako biste bili sigurni da se šipka lako pokreće.

3D štampanje Datoteke:

Korak 6: Raketa

1. Pripremite dvije aluminijske boce. Odrežite gornji dio jedne boce, a donji dio druge.
2. Izrežite lagani križ na vrhu prve boce i na dnu druge boce.
3. Upotrijebite žicu i tkaninu da napravite držač za kapsulu CO2 na prvoj bočici.
4. Umetnite CO2 kapsulu u gornji dio i istisnite je na dno druge boce tako da ulaz u kapsulu CO2 bude okrenut prema dolje.
5. Dizajnirajte i izrežite peraje plastikom ili akrilom, a zatim ih zalijepite sa strane rakete. Za konus koristite bilo koji preferirani materijal, u ovom slučaju epoksidni kit.
6. Izrežite pravokutnu rupu na bočnoj strani rakete za opcionalnu akcijsku kameru.

Da biste dovršili HAAS, nakon ugradnje mehanizma za lansiranje, omotajte aluminijsku mrežu oko okvira, vežite je za male rupe na vanjskom rubu. Izrežite rupu sa strane kako biste lako ušli u uređaj. Napravite malo kućište za padobran i postavite ga na gornji sloj. Presavijte padobran i stavite ga u kućište.

Korak 7: Kodiranje

Mehanizam za pokretanje može se aktivirati na dva različita načina: pomoću mjerača vremena ili digitalnog visinomjera. Arduino kôd je dostupan, pa komentirajte metodu koju ne želite koristiti prije nego što je postavite na svoj Arduino.

Korak 8: Testiranje

Ako koristite mjerač vremena za lansiranje rakete, testirajte nekoliko puta sa rezervnom kapsulom CO2 na nekoliko minuta.

Ako koristite visinomjer, provjerite radi li mehanizam za lansiranje bez rakete postavljanjem visine lansiranja na ~ 2 metra i hodanjem uz stepenice. Zatim ga isprobajte na većoj nadmorskoj visini uz lansiranje dizalom (Moj test je postavljen na 37,5 metara). Testirajte da mehanizam lansiranja zapravo lansira raketu pomoću metode tajmera.

Uključeno je 12 video zapisa testiranja HAAS -a

Korak 9: Rezultati

Nadamo se da ste do sada već sami pokušali napraviti rockoon i možda čak proslavili uspješno lansiranje rakete. Moram, međutim, prijaviti da je moj pokušaj lansiranja završio neuspješno. Glavni razlog mog neuspjeha bio je taj što sam podcijenio količinu helija potrebnu za podizanje HAAS -a. Koristeći omjer molarne mase helija prema molarnoj masi zraka, kao i temperaturu i pritisak, otprilike sam izračunao da su mi potrebna tri spremnika plina helija od 20 l, ali sam otkrio da sam strašno pogriješio. Budući da je kao student bilo teško kupiti spremnike helija, nisam nabavio rezervne spremnike, a nisam uspio ni podići HAAS iznad 5 metara od zemlje. Dakle, ako još niste pokušali letjeti svojim rokonom, evo savjeta: nabavite što više helija. Zapravo, vjerojatno bi bilo razumnije da ste izračunali potrebnu količinu, uzimajući u obzir da se tlak i temperatura smanjuju s povećanjem visine (unutar našeg raspona letenja), te da što više vodene pare ima, helij će imati manju uzgonsku moć. dobiti dvostruki iznos.

Nakon neuspjelog lansiranja, odlučio sam upotrijebiti kameru 360 za snimanje snimka iz zraka okolne rijeke i parka, pa sam je vezao za balon s helijem s dugačkim koncem pričvršćenim na dno, a zatim sam ga pustio da poleti. Neočekivano, vjetar na malo velikoj nadmorskoj visini kretao se u potpuno suprotnom smjeru dok su niži vjetrovi puhali, a balon s helijem zaletio se u obližnju instalaciju električnih instalacija. U očajničkom pokušaju da spasim fotoaparat i ne oštetim ožičenje, povukao sam zakačeno uže, ali bilo je beskorisno; balon je već bio uhvaćen u žicu. Kako na Zemlji toliko stvari može poći po zlu u jednom danu? Na kraju sam nazvao kompaniju za ožičenje i zamolio ih da uzmu kameru. Ljubazno jesu, iako mi je trebalo tri mjeseca da to vratim. Za vašu zabavu, u prilogu su neke fotografije i video zapisi sa ovog incidenta.

Ova nesreća, iako mi u prvi mah nije palo na pamet, otkrila je ozbiljno ograničenje korištenja rokuna. Balonima se ne može upravljati, barem ne laganim i lakim za upravljanje mehanizmom koji se može instalirati na HAAS, pa je stoga gotovo nemoguće lansirati raketu u predviđenu orbitu. Također, budući da su uvjeti svakog lansiranja različiti i da se stalno mijenjaju tijekom uspona, teško je predvidjeti kretanje rockoona, što onda zahtijeva da se lansiranje izvede na mjestu koje nema ništa oko njega nekoliko kilometara, jer bi neuspjelo lansiranje moglo dokazati biti opasan.

Vjerujem da se ovo ograničenje može prevladati razvijanjem mehanizma navigacije u 3D ravnini s povlačenjem iz balona i tumačenjem vjetra kao vektorskih sila. Ideje o kojima sam razmišljao su jedra, komprimirani zrak, propeleri, bolji dizajn okvira itd. Razvoj ovih ideja je nešto na čemu ću raditi sa svojim sljedećim modelom HAAS -a, i radovat ću se vidjeti neke od vas kako se razvijaju i njih takođe.

Uz malo istraživanja, otkrio sam da su dva svemirska svemirska smjera na Stanfordu, Daniel Becerra i Charlie Cox, koristili sličan dizajn i uspješno su lansirani sa 30 000 stopa. Njihovi snimci lansiranja mogu se pronaći na Stanford Youtube kanalu. Kompanije kao što je JP Aerospace razvijaju „Specijalitete“o rokonu, dizajnirajući i lansirajući složenije rokone sa čvrstim gorivom. Njihov sistem s deset balona, nazvan "The Stack", primjer je različitih poboljšanja rockoona. Vjerujem da će, kao isplativ način lansiranja zvučnih raketa, nekoliko drugih kompanija raditi na stvaranju rokona u budućnosti.

Želeo bih da se zahvalim profesoru Kim Kwang Il -u, koji me je podržao tokom ovog projekta, kao i pružio resurse i savete. Također bih želio zahvaliti svojim roditeljima što su bili oduševljeni onim što me zanima. Na kraju, ali ne i najmanje važno, želio bih vam zahvaliti što ste pročitali ovaj Instructables. Nadajmo se da će se tehnologija koja je ekološki prihvatljiva uskoro razviti u svemirskoj industriji, što će omogućiti češće posjete čudesima.