Cum să faci un Rockoon: Proiectul HAAS: 9 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:46

Ideea din spatele acestui instructabil este de a oferi o metodă alternativă, oricât de plauzibilă pare, pentru lansări de rachete rentabile. Având în vedere că dezvoltările recente ale tehnologiei spațiale sunt axate pe scăderea costurilor, m-am gândit că ar fi minunat să introduc rockoon-ul unui public mai larg. Acest Instructables este împărțit în mare parte în patru părți: introducere, proiectare, construire și rezultate. Dacă doriți să omiteți conceptul de roccoons și de ce am proiectat-o pe a mea așa cum am făcut-o, mergeți direct la partea de construcție. Sper să vă bucurați și mi-ar plăcea să aud de la dvs. despre gândurile dvs. despre proiectul meu sau despre propriul design și construcții !!

Pasul 1: Informații generale

Potrivit Enciclopediei Astronautica, un roccoon (din rachetă și balon) este o rachetă care este mai întâi transportată în atmosfera superioară de un balon umplut cu gaz mai ușor decât aerul, apoi separat și aprins. Acest lucru permite rachetei să obțină o altitudine mai mare cu mai puțin combustibil, deoarece racheta nu trebuie să se deplaseze sub putere prin straturile inferioare și mai groase ale atmosferei. Conceptul original a fost conceput în timpul unei cruci de tragere Aerobee a Norton Sound în martie 1949 și a fost lansat pentru prima dată de grupul Office of Naval Research sub James A. Van Allen.

Când mi-am început proiectul pe rockoon, habar nu aveam ce este un rockoon. Abia după ce am terminat documentația după proiectul meu, am aflat că există un nume pentru acest dispozitiv pe care îl făcusem. În calitate de student sud-coreean care este interesat de tehnologia spațială, am fost frustrat de dezvoltarea rachetelor din țara mea de când eram tânără. Deși agenția spațială coreeană, KARI, a făcut mai multe încercări de lansare a vehiculelor spațiale și a reușit o dată, tehnologia noastră nu se află nicăieri în apropierea altor agenții spațiale precum NASA, ESA, CNSA sau Roscosmos. Prima noastră rachetă, Naro-1, a fost utilizată pentru toate cele trei încercări de lansare, dintre care două sunt suspectate că au eșuat din cauza separării etapelor sau a carenajului. Următoarea rachetă care va fi făcută, Naro-2, este o rachetă în trei etape, ceea ce mă face să mă întreb, este înțelept să împărțiți racheta în mai multe etape? Avantajele acestui lucru ar fi că racheta pierde o masă semnificativă pe măsură ce etapele sunt separate, crescând astfel eficiența combustibilului. Cu toate acestea, lansarea rachetelor în mai multe etape crește și șansa ca lansarea să ajungă ca un eșec.

Acest lucru m-a făcut să mă gândesc la modalități de a minimiza etapele rachetelor, maximizând în același timp eficiența combustibilului. Lansarea rachetelor din avioane, cum ar fi rachetele, folosirea materialului combustibil pentru corpurile de scenă a rachetelor, sunt alte câteva idei pe care le-am avut, dar o opțiune care m-a atras a fost platforma de lansare la mare altitudine. M-am gândit: „De ce o rachetă nu poate lansa doar dintr-un balon de heliu, deasupra majorității atmosferei? Racheta poate fi apoi o rachetă sonoră cu o singură etapă, ceea ce ar simplifica semnificativ procesul de lansare, precum și ar reduce costurile.” Așadar, am decis să proiectez și să construiesc eu însumi un roccoon ca o dovadă a conceptului și să împărtășesc acest Instructables, astfel încât să îl puteți încerca cu toții, dacă doriți.

Modelul pe care îl construiesc se numește HAAS, prescurtare pentru High Altitude Aerial Spaceport, în speranța că într-o zi roccoons nu va fi doar o platformă temporară de lansare a rachetelor, ci o platformă permanentă utilizată pentru lansarea, realimentarea și aterizarea vehiculelor de lansare spațiale.

Pasul 2: Proiectare

Am proiectat HAAS bazat pe forme intuitive și calcule de bază

Calcule:

Folosind ghidul NASA privind „Proiectarea unui balon de mare altitudine” am calculat că aș avea nevoie de aproximativ 60L de heliu pentru a ridica cel mult 2 kg, limita superioară stabilită pentru greutatea HAAS, ținând cont că temperatura și altitudinea vor avea un efect asupra forța de flotabilitate a heliului, așa cum este menționat în „Efectul altitudinii și temperaturii asupra controlului volumului unui dirigibil cu hidrogen” de Michele Trancossi. Cu toate acestea, acest lucru nu a fost suficient, despre care voi vorbi mai detaliat, dar a fost pentru că nu am luat în considerare efectul vaporilor de apă asupra flotabilității heliului.

Cadru:

• Formă cilindrică pentru a minimiza efectul vântului
• Trei straturi (partea superioară pentru a ține racheta, partea centrală pentru mecanismul de lansare, partea inferioară pentru camera 360)
• Strat mijlociu gros pentru o stabilitate suplimentară
• Șine verticale pentru plasarea și ghidarea rachetelor
• Cameră 360 ° pentru filmări
• Parașută pliabilă pentru siguranță decentă
• Balon de heliu cilindric subțire pentru unghiul minim de rachetă

Lansarea mecanismului

• Microprocesor: Arduino Uno
• Metode de lansare: Timer / Altimetru digital

• Metoda de activare a propulsorului: Prin perforarea unei găuri într-o capsulă de CO2 de înaltă presiune

  • Spike metalic atașat la arcuri
  • Mecanismul de eliberare constă din două cârlige
  • Eliberat prin mișcarea motorului
• Protecția dispozitivelor electronice împotriva temperaturilor mai scăzute

Am venit cu mai multe metode de eliberare a vârfului cu o mișcare motorie.

Folosind un design similar cu o încuietoare cu ușă cu lanț, prin tragerea plăcii metalice până când cheia de capăt se aliniază cu gaura mai mare, vârful ar putea fi lansat. Cu toate acestea, fricțiunea s-a dovedit a fi prea puternică, iar motorul nu a putut muta placa.

O altă soluție era să ai un cârlig care să se țină de vârf și un știft care să blocheze cârligul la un obiect staționar. Ca și inversul știftului de siguranță al unui stingător, atunci când știftul este scos afară, cârligul ar fi cedat și ar lansa vârful. Acest design a produs, de asemenea, prea multă frecare.

Designul actual pe care îl folosesc este prin utilizarea a două cârlige, un design similar cu un trăgaci. Primul cârlig se ține de vârf, în timp ce celălalt cârlig este prins într-o mică porțiune din spatele primului cârlig. Presiunea arcurilor menține cârligele în poziție, iar motorul are cuplu suficient pentru a debloca cârligul secundar și a lansa racheta.

Racheta:

• Propulsor: CO2 sub presiune
• Minimizează greutatea
• Cameră de acțiune integrată în corp
• Capsulă de CO2 înlocuibilă (rachetă reutilizabilă)
• Toate caracteristicile principale ale modelelor de rachete (nas, corp cilindric, aripioare)

Deoarece propulsorul pentru rachete solide nu a fost cea mai bună opțiune de lansare într-o zonă populată, a trebuit să optez pentru alte tipuri de propulsor. Cele mai frecvente alternative sunt aerul și apa sub presiune. Deoarece apa ar putea deteriora componentele electronice de la bord, aerul sub presiune trebuia să fie propulsorul, dar chiar și o mini pompă de aer era prea grea și consuma prea multă energie electrică pentru a avea pe HAAS. Din fericire, m-am gândit la mini capsule de CO2 pe care le cumpărasem în urmă cu câteva zile pentru anvelopele bicicletei mele și am decis că va fi un propulsor eficient.

Pasul 3: Materiale

Pentru a crea un HAAS, veți avea nevoie de următoarele.

Pentru cadru:

• Scânduri subțiri din lemn (sau orice scândură ușoară și stabilă, MDF)
• Șuruburi și piulițe lungi
• Plasa de aluminiu
• 4x glisor din aluminiu
• 1x țeavă de aluminiu
• Cameră 360 ° (opțional, Samsung Gear 360)
• Bucată mare de pânză și frânghie (sau o parașută model rachetă)

Pentru mecanismul de lansare

• 2x arcuri lungi
• 1x tijă metalică
• Sârmă subțire
• Câteva plăci de aluminiu
• 1x placă de pâine
• 1x Arduino Uno (cu conector USB)
• Senzor de temperatură și presiune (Adafruit BMP085)
• Piezo Buzzer (Adafruit PS1240)
• Motor mic (Motorbank GWM12F)
• Sârme de jumper
• Controler motor (controler motor L298N dual H-Bridge)
• Baterii și suport pentru baterii

Pentru racheta aeriană

• Cutii de umplere anvelope CO2 pentru biciclete (Bontager CO2 filetat 16g)
• Mai multe cutii de aluminiu (câte 2 pentru fiecare rachetă)
• Plăci acrilice (sau plastic)
• Panglici
• Benzi elastice
• Corzi lungi
• Camera de acțiune (opțională, camera de acțiune Xiaomi)

Instrumente:

• Pistol de lipit
• Chit epoxidic (opțional)
• Fierăstrău / tăiat diamant (opțional)
• Imprimantă 3D (opțional)
• Freză laser sau freză CNC (opțional)

Ai grijă! Vă rugăm să folosiți instrumentele cu precauție și să le manipulați cu grijă. Solicitați altcuiva în jur, dacă este posibil, și primiți asistență folosind instrumente selectate dacă nu știți cum să le folosiți.

Pasul 4: Cadru

1. Utilizați un tăietor cu laser, o mașină de frezat CNC sau orice alt instrument de preferință pentru a tăia placa subțire din lemn în forma din imaginile atașate. Stratul superior este format din două plăci conectate cu șuruburi pentru stabilizare. (Pentru frezare sau tăiere cu laser, fișierele sunt furnizate mai jos.
2. Tăiați glisoarele din aluminiu la lungimi egale și introduceți-le în crăpăturile de-a lungul inelului interior al fiecărui strat. Folosind un pistol de lipit, lipiți straturile astfel încât să existe spațiu pentru rachetă în partea de sus.
3. Așezați conducta de aluminiu în centrul stratului mediu. Asigurați-vă că este stabil și cât mai vertical posibil față de strat.
4. Faceți o gaură în stratul inferior și atașați camera opțională la 360 °. Am realizat un capac detașabil din cauciuc pentru cameră, în cazul în care camera primește un șoc în timpul fazei de aterizare.
5. Îndoiți bucata mare de țesătură sau pânză în dreptunghiuri mai mici și atașați 8 corzi de lungime egală la cele mai îndepărtate colțuri. Legați frânghia la capătul îndepărtat pentru a nu se încurca. Parașuta va fi atașată chiar la capăt.

Pasul 5: Lansați mecanismul

1. Faceți două cârlige, unul pentru a spune tija metalică și unul pentru a fi declanșatorul. Am folosit două modele diferite: unul folosind plăci de metal și unul folosind o imprimantă 3D. Proiectați-vă cârligele pe baza imaginilor de mai sus, iar fișierele de imprimare 3D sunt legate mai jos.

2. Pentru a putea elibera declanșatorul și lansa racheta folosind fie un cronometru, fie un altimetru digital, trebuie realizat circuitul Arduino specificat în imaginea de mai sus. Altimetrul digital poate fi adăugat conectând acești pini.

   • Arduino A5 -> BMP085 SCL
   • Arduino A4 -> BMP085 SDA
   • Arduino + 5V -> BMP085 VIN
   • Arduino GND -> BMP085 GND
3. Adăugați circuitul la HAAS. Conectați cârligul de declanșare la motor cu un fir și rotiți motorul pentru a testa dacă cârligul poate aluneca fără probleme.
4. Măcinați capătul tijei metalice subțiri și introduceți-l în conducta de aluminiu. Apoi, atașați două arcuri lungi la capătul tijei și conectați-l la stratul superior. Îndoiți capătul tijei astfel încât să poată fi ușor agățat de mecanismul de lansare.
5. Testați de câteva ori pentru a vă asigura că lanseta se lansează ușor.

Fișiere de imprimare 3D:

Pasul 6: Racheta

1. Pregătiți două sticle de aluminiu. Tăiați partea superioară a unei sticle și partea inferioară a celeilalte.
2. Tăiați o ușoară cruce pe partea superioară a primei sticle și pe partea inferioară a celei de-a doua sticle.
3. Folosiți sârmă și cârpă pentru a crea un suport pentru capsula de CO2 de pe prima sticlă.
4. Introduceți o capsulă de CO2 în partea superioară și strângeți-o în partea de jos a celei de-a doua sticle, astfel încât intrarea în capsula de CO2 să fie orientată în jos.
5. Proiectați și tăiați aripioarele cu plastic sau acril, apoi lipiți-le pe partea rachetei. Folosiți orice material preferat, în acest caz chit epoxidic, pentru con.
6. Tăiați o gaură dreptunghiulară pe partea laterală a rachetei pentru camera de acțiune opțională.

Pentru a termina HAAS, după instalarea mecanismului de lansare, înfășurați plasa de aluminiu în jurul cadrului, legați-o de găurile mici de pe janta exterioară. Tăiați o gaură laterală pentru a ajunge cu ușurință în dispozitiv. Faceți o carcasă mică pentru parașută și așezați-o pe stratul superior. Îndoiți parașuta și puneți-o în carcasă.

Pasul 7: Codificare

Mecanismul de lansare poate fi activat în două moduri diferite: cu un temporizator sau cu un altimetru digital. Codul Arduino este furnizat, deci comentează metoda pe care nu vrei să o folosești înainte de a o încărca pe Arduino.

Pasul 8: Testare

Dacă utilizați cronometrul pentru a lansa racheta, testați de câteva ori cu o capsulă de rezervă CO2 la câteva minute.

Dacă utilizați altimetrul, testați dacă mecanismul de lansare funcționează fără rachetă setând altitudinea de lansare la ~ 2 metri și urcând scara. Apoi, testați-l la o altitudine mai mare de lansare urcând un lift (testul meu a fost setat la 37,5 metri). Testați dacă mecanismul de lansare lansează de fapt o rachetă folosind metoda temporizatorului.

Sunt incluse 12 videoclipuri de testare ale HAAS

Pasul 9: Rezultate

Sperăm că până acum ați încercat să creați un roccoon și chiar ați sărbătorit chiar o lansare de rachetă de succes. Totuși, trebuie să raportez că încercarea mea de lansare sa încheiat cu un eșec. Principalul motiv al eșecului meu a fost că am subestimat cantitatea de heliu necesară pentru ridicarea HAAS. Folosind raportul dintre masa molară de heliu și masa molară de aer, precum și temperatura și presiunea, am calculat aproximativ că am nevoie de trei rezervoare de 20L heliu gaz, dar am aflat că mă înșel teribil. Întrucât a fost greu să cumpăr tancuri de heliu ca student, nu am obținut rezervoare de rezervă și nici nu am reușit să scot HAAS la mai mult de 5 metri de la sol. Deci, dacă nu ați încercat încă să vă zburați pe roccoon, iată un sfat: obțineți cât mai mult heliu pe cât puteți pune mâna. De fapt, ar fi mai rezonabil dacă ați calcula cantitatea necesară, ținând cont de faptul că presiunea și temperatura scad pe măsură ce înălțimea crește (în raza noastră de zbor) și că, cu cât este mai mult vapor de apă, cu atât va avea mai puțin heliu de flotabilitate, atunci obțineți dublul sumei.

În urma lansării eșuate, am decis să folosesc camera 360 pentru a captura un videoclip aerian al râului și parcului din jur, așa că l-am legat de balonul de heliu cu un șir lung atașat la fund, apoi l-am lăsat să zboare. În mod neașteptat, vântul la o altitudine ușor ridicată se îndrepta în direcția complet opusă ca vânturile inferioare, iar balonul de heliu a intrat într-o instalație de cabluri electrice din apropiere. Într-o încercare disperată de a-mi salva camera și de a nu deteriora cablurile, am tras de cablul atașat, dar a fost inutil; balonul era deja prins în fir. Cum de pe Pământ pot merge atât de multe lucruri într-o singură zi? În cele din urmă, am sunat la compania de cabluri și le-am cerut să recupereze camera. Am făcut-o, deși mi-au trebuit trei luni să o recuperez. Pentru amuzamentul dvs., sunt atașate câteva fotografii și videoclipuri din acest incident.

Acest accident, deși nu mi s-a întâmplat la început, a dezvăluit o serioasă limitare a utilizării rococilor. Baloanele nu pot fi direcționate, cel puțin nu cu un mecanism ușor și ușor de controlat care poate fi instalat pe HAAS și, prin urmare, este aproape imposibil să lansezi racheta pe o orbită intenționată. De asemenea, deoarece condițiile fiecărei lansări sunt diferite și continuă să se schimbe pe tot parcursul ascensiunii, este greu de prezis mișcarea rockoonului, care necesită apoi lansarea să se facă într-un loc fără nimic în jurul său timp de câțiva kilometri, deoarece o lansare eșuată ar putea dovedi a fi periculos.

Cred că această limitare poate fi depășită prin dezvoltarea unui mecanism de navigare pe un plan 3D cu tragere din balon și interpretarea vântului ca forțe vectoriale. Ideile la care m-am gândit sunt pânze, aer comprimat, elice, un design mai bun al cadrelor etc. Dezvoltarea acestor idei este ceva ce voi lucra cu următorul meu model de HAAS și voi fi nerăbdător să vă văd pe unii dintre voi ei de asemenea.

Cu un pic de cercetare, am constatat că două companii aerospațiale din Stanford, Daniel Becerra și Charlie Cox, au folosit un design similar și au avut o lansare de succes de la 30 000 de picioare. Imaginile lor de lansare pot fi găsite pe canalul Stanford Youtube. Companii precum JP Aerospace dezvoltă „Specialități” pe roccooni, proiectând și lansând roccooni mai complexi cu combustibil solid. Sistemul lor cu zece baloane, numit „Stiva”, este un exemplu de diverse îmbunătățiri pe rockoon. Cred că, ca o modalitate eficientă din punct de vedere al costurilor de a lansa rachete sonore, alte câteva companii vor lucra pentru a face roccooni în viitor.

Aș dori să-i mulțumesc profesorului Kim Kwang Il pentru că m-a sprijinit pe tot parcursul acestui proiect, precum și că mi-am oferit resurse și sfaturi. Aș dori, de asemenea, să le mulțumesc părinților mei pentru că sunt entuziasmați de ceea ce mă pasionează. Nu în ultimul rând, aș dori să vă mulțumesc că ați citit acest Instructables. Sperăm că tehnologia ecologică va fi dezvoltată în curând în industria spațială, permițând vizite mai frecvente la minunile de acolo.