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

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:37

Ideja ove Instructable je pružiti alternativnu metodu, koliko god se činila nevjerojatnom, za isplativa lansiranja raketa. Budući da su se nedavni razvoj svemirske tehnologije usredotočili na smanjenje troškova, mislio sam da bi bilo sjajno predstaviti rockoon široj publici. Ovaj Instructables podijeljen je uglavnom na četiri dijela: uvod, dizajn, izgradnja i rezultati. Ako želite preskočiti koncept rockoona 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 izgradnji !!

Korak 1: Pozadinske informacije

Prema Encyclopedia Astronautica, rockoon (od rakete i balona) je raketa koja se prvo u gornji dio atmosfere unosi balonom ispunjenim plinom lakšim od zraka, zatim se odvaja i pali. To omogućuje raketi da postigne veću nadmorsku visinu s manje goriva, jer se raketa ne mora kretati pod snagom kroz niže i deblje slojeve atmosfere. Izvorni koncept zamišljen je tijekom krstarenja Aerobee na Norton Soundu u ožujku 1949., 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 s dokumentacijom nakon svog projekta, 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 nekoliko puta pokušala izvesti svemirska lansirna vozila, a jednom je i 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, od kojih se sumnja da su dvije propale zbog razdvajanja faza ili oplate. Sljedeća raketa koja se proizvodi, Naro-2, je trostupanjska raketa, pa se pitam je li pametno raketu podijeliti u nekoliko stupnjeva? Prednosti takvog postupanja bile bi u tome što raketa gubi značajnu masu pri razdvajanju stupnjeva, čime se povećava učinkovitost pogonskog goriva. Međutim, lansiranje višestupanjskih raketa također povećava vjerojatnost da će lansiranje završiti neuspjehom.

To me natjeralo na razmišljanje o načinima za smanjenje stupnjeva rakete uz maksimalnu učinkovitost pogonskog goriva. Lansiranje raketa iz aviona poput projektila, upotreba zapaljivog materijala za tijela raketnih pozornica, nekoliko je drugih ideja koje sam imao, ali jedna mogućnost koja me privukla bila je platforma za lansiranje na velikoj visini. Pomislio sam: „Zašto se raketa ne može jednostavno lansirati iz balona s helijem, iznad većine atmosfere? Raketa tada može biti jednostupanjska sondirana raketa, što bi značajno pojednostavilo proces lansiranja, kao i smanjilo troškove.” Stoga sam odlučio sam dizajnirati i izgraditi rockoona kao dokaz koncepta te 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: Dizajn

HAAS sam dizajnirao 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 sila uzgona helija, kako je spomenuto u "Utjecaj nadmorske visine i temperature na kontrolu volumena zračnog broda vodika" 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 pokretanje mehanizma, donji za kameru od 360 °)
• Debeli srednji sloj za dodatnu stabilnost
• Okomite tračnice za postavljanje i navođenje raketa
• 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 visokotlačnoj CO2 kapsuli

  • 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 držanje kuke za šiljak i igle za pričvršćivanje kuke za nepomični predmet. Poput naličja sigurnosne igle vatrogasnog aparata, kad bi se igla izvukla, udica bi popustila i pokrenula bi šiljak. Ovaj je dizajn također proizveo 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 tlakom
• Smanjite težinu na minimum
• Akcijska kamera integrirana u tijelo
• Zamjenjiva CO2 kapsula (raketa za višekratnu upotrebu)
• Sve glavne značajke 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 tlakom. Budući da bi voda mogla oštetiti elektroniku na vozilu, zrak pod tlakom morao je biti pogonsko gorivo, 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 biciklističke gume i odlučio da će to biti učinkovito 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 aluminijska cijev
• 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 (s USB priključkom)
• Senzor temperature i pritiska (Adafruit BMP085)
• Piezo zujalica (Adafruit PS1240)
• Mali motor (Motorbank GWM12F)
• Kratkospojne žice
• Kontroler motora (L298N Dual H-Bridge motorni kontroler)
• Baterije i držač baterija

Za zračnu raketu

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

Alati:

• Pištolj za ljepilo
• Epoksidni kit (po izboru)
• Testera/dijamantski rezač (opcionalno)
• 3D pisač (izborno)
• Laserski rezač ili CNC glodalica (po izboru)

Čuvajte se! Oprezno koristite alate i pažljivo rukujte s njima. Neka vam netko drugi pomogne ako je moguće i zatražite pomoć pomoću odabranih alata ako ih ne znate 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 dodatnu kameru od 360 °. Napravio sam uklonjivi gumeni poklopac za kameru, u slučaju da fotoaparat doživi šok tijekom faze slijetanja.
5. Presavijte veliki komad tkanine ili tkanine u manje pravokutnike i pričvrstite 8 užadi jednake duljine na najudaljenije kutove. Vežite uže na krajnjem kraju kako se ne bi zapetljalo. Padobran će biti pričvršćen na samom kraju.

Korak 5: Pokreni mehanizam

1. Napravite dvije kuke, jedna za metalnu šipku, a druga za okidač. Koristio sam dva različita dizajna: jedan je koristio metalne ploče, a drugi 3D pisač. Dizajnirajte udice na temelju gornjih slika, a datoteke za 3D ispis povezane su ispod.

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

   • Arduino A5 -> BMP085 SCL
   • Arduino A4 -> BMP085 SDA
   • Arduino +5V -> BMP085 VIN
   • Arduino GND -> BMP085 GND
3. Dodajte krug HAAS -u. Spojite kuku okidača s motorom žicom i okrenite motor kako biste provjerili može li se kuka glatko izvući.
4. Samljeti kraj tanke metalne šipke i umetnuti 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 na mehanizam za lansiranje.
5. Testirajte nekoliko puta kako biste bili sigurni da se šipka glatko pokreće.

Datoteke 3D ispisa:

Korak 6: Raketa

1. Pripremite dvije aluminijske boce. Izrežite gornji dio jedne boce, a donji dio druge.
2. Izrežite lagani križ na vrhu prve boce i na dnu druge boce.
3. Žicom i krpom napravite držač za kapsulu CO2 na prvoj boci.
4. Umetnite kapsulu CO2 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 upotrijebite bilo koji preferirani materijal, u ovom slučaju epoksidni kit.
6. Izrežite pravokutnu rupu sa strane rakete za opcijsku akcijsku kameru.

Da biste dovršili HAAS, nakon ugradnje mehanizma za lansiranje omotajte aluminijsku mrežu oko okvira, privežite 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 dostavljen, pa komentirajte metodu koju ne želite koristiti prije nego što je prenesete na svoj Arduino.

Korak 8: Testiranje

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

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

Uključeno je 12 video zapisa testiranja HAAS -a

Korak 9: Rezultati

Nadamo se da ste do sada sami pokušali napraviti rockoon i možda čak proslavili uspješno lansiranje rakete. Moram izvijestiti, međutim, 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 tlak, otprilike sam izračunao da su mi potrebna tri spremnika plina helija od 20 l, ali otkrio sam da sam u velikoj zabludi. Budući da je bilo teško nabaviti spremnike helija kao student, nisam nabavio rezervne spremnike, a nisam uspio ni podići HAAS iznad 5 metara od tla. Dakle, ako još niste pokušali letjeti svojim rockoonom, evo savjeta: nabavite što više helija. Zapravo, vjerojatno bi bilo razumnije da ste izračunali svoju 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 manje uzgona, dobiti dvostruki iznos.

Nakon neuspjelog lansiranja, odlučio sam upotrijebiti kameru 360 za snimanje snimke iz zraka okolne rijeke i parka, pa sam je vezao za balon s helijem s dugačkim koncem pričvršćenim na dno, a zatim sam pustio letjeti. Neočekivano, vjetar na malo velikoj nadmorskoj visini kretao se u posve 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 pričvršćeno uže, ali bilo je beskorisno; balon je već bio uhvaćen u žicu. Kako, zaboga, toliko stvari može poći po zlu u jednom danu? Na kraju sam nazvao tvrtku za ožičenje i zamolio ih da uzmu kameru. Ljubazno jesu, iako mi je trebalo tri mjeseca da to vratim. Za vašu zabavu, u privitku su neke fotografije i video zapisi s ovog incidenta.

Ova je nesreća, iako mi isprva nije palo na pamet, otkrila ozbiljno ograničenje korištenja rockoona. 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 neprestano mijenjaju tijekom uspona, teško je predvidjeti kretanje rockoona, što tada 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 također.

Uz malo istraživanja, otkrio sam da su dva svemirska svemirska sveučilišta Stanford, Daniel Becerra i Charlie Cox, koristili sličan dizajn i uspješno su lansirani sa 30 000 stopa. Njihove snimke lansiranja mogu se pronaći na Stanford Youtube kanalu. Tvrtke kao što je JP Aerospace razvijaju "Specijalitete" na rokunima, dizajnirajući i lansirajući složenije rokone s krutim gorivom. Njihov sustav s deset balona, nazvan "The Stack", primjer je različitih poboljšanja rockoona. Vjerujem da će, kao isplativ način lansiranja sondirajućih raketa, nekoliko drugih tvrtki raditi na stvaranju rockoona u budućnosti.

Želio bih zahvaliti profesorici Kim Kwang Il na podršci tijekom ovog projekta, kao i pružanju resursa i savjeta. 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 posjećivanje čuda vani.