Ako si vyrobiť rockoon: Projekt HAAS: 9 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:00

Myšlienkou tohto Instructable je poskytnúť alternatívnu metódu, aj keď sa to zdá nepravdepodobné, pre nákladovo efektívne raketové štarty. Keďže sa nedávny vývoj vesmírnych technológií zameriava na zníženie nákladov, povedal som si, že by bolo skvelé predstaviť rockoon širšiemu publiku. Tento návod je z veľkej časti rozdelený na štyri časti: úvod, návrh, stavbu a výsledky. Ak chcete preskočiť koncept rokónov a prečo som ten svoj navrhol tak, ako som to urobil, choďte rovno do stavebnej časti. Dúfam, že sa vám bude páčiť, a rád by som od vás počul vaše myšlienky na môj projekt alebo na váš vlastný dizajn a stavby !!

Krok 1: Základné informácie

Podľa Encyclopedia Astronautica je raketa (z rakety a balónu) raketa, ktorá je najskôr prenesená do horných vrstiev atmosféry balónom naplneným plynom ľahším ako vzduch, potom je oddelená a zapálená. To umožňuje rakete dosiahnuť vyššiu nadmorskú výšku s menším počtom hnacích plynov, pretože raketa sa nemusí pohybovať energiou cez nižšie a hrubšie vrstvy atmosféry. Pôvodný koncept bol vytvorený počas palebnej akcie Norton Sound v Aerobee v marci 1949 a bol prvýkrát spustený skupinou Office of Naval Research pod vedením Jamesa A. Van Allena.

Keď som prvýkrát začínal so svojim projektom o rockoone, netušil som, čo je to rockoon. Až keď som dokončil dokumentáciu po svojom projekte, zistil som, že existuje názov tohto zariadenia, ktoré som vyrobil. Ako juhokórejský študent, ktorý sa zaujíma o vesmírnu technológiu, som už od mladosti frustrovaný z vývoja rakiet vo svojej krajine. Napriek tomu, že kórejská vesmírna agentúra KARI urobila niekoľko pokusov o vesmírne lety a raz sa im to podarilo, naša technológia nie je ani zďaleka v blízkosti iných vesmírnych agentúr, ako sú NASA, ESA, CNSA alebo Roscosmos. Naša prvá raketa Naro-1 bola použitá na všetky tri pokusy o štart, z ktorých dva sú podozrivé z toho, že zlyhali kvôli oddeleniu stupňov alebo kapotáži. Ďalšou vyrobenou raketou, Naro-2, je trojstupňová raketa, a preto sa pýtam, je rozumné rozdeliť raketu na niekoľko stupňov? Výhodou tohto postupu by bolo, že raketa stratí značnú hmotnosť, keď sú fázy oddelené, čím sa zvýši účinnosť hnacieho plynu. Vystrelenie viacstupňových rakiet však zvyšuje aj šancu, že štart skončí ako neúspešný.

To ma prinútilo premýšľať o spôsoboch minimalizácie stupňov rakety pri maximalizácii účinnosti pohonnej látky. Vypustenie rakiet z lietadiel, ako sú rakety, pomocou horľavého materiálu pre telesá raketových stupňov, bolo niekoľko ďalších nápadov, ktoré som mal, ale jedna z možností, ktorá ma upútala, bola platforma na spustenie vo vysokej nadmorskej výške. Pomyslel som si: „Prečo nemôže raketa vyletieť z héliového balóna nad väčšinu atmosféry? Z rakety potom môže byť jednostupňová znejúca raketa, ktorá by výrazne zjednodušila proces štartu a znížila náklady. “Preto som sa rozhodol navrhnúť a postaviť rockoon sám ako dôkaz koncepcie a zdieľať tento návod, aby ste si to mohli všetci vyskúšať, ak chcete.

Model, ktorý zostrojím, sa nazýva HAAS, skratka pre High Altitude Aerial Spaceport, v nádeji, že jedného dňa nebudú rakety len dočasnou štartovacou platformou pre rakety, ale trvalou platformou používanou na štartovanie, tankovanie a pristávanie kozmických dopravných prostriedkov..

Krok 2: Dizajn

HAAS som navrhol na základe intuitívnych tvarov a základných výpočtov

Výpočty:

Podľa príručky NASA o „Navrhovaní vysokohorského balóna“som vypočítal, že na zdvihnutie maximálne 2 kg budem potrebovať asi 60 litrov hélia, čo je horná hranica, ktorú sme stanovili pre hmotnosť HAAS, pričom treba vziať do úvahy, že teplota a nadmorská výška budú mať vplyv na vztlaková sila hélia, ako je uvedené v „Vplyve nadmorskej výšky a teploty na reguláciu objemu vodíkovej vzducholode“od Michele Trancossiho. To však nestačilo, o čom budem hovoriť podrobnejšie, ale bolo to kvôli tomu, že som nebral do úvahy vplyv vodnej pary na vztlak hélia.

Rám:

• Válcový tvar s cieľom minimalizovať vplyv vetra
• Tri vrstvy (horná držiaca raketa, stredná pre odpaľovací mechanizmus, spodná pre 360 ° kameru)
• Hrubá stredná vrstva pre väčšiu stabilitu
• Zvislé koľajnice na umiestnenie a vedenie rakety
• 360 ° kamera pre zábery
• Skladací padák pre bezpečnú slušnosť
• Tenký valcový héliový balón pre minimálny uhol ofsetu rakety

Spúšťací mechanizmus

• Mikroprocesor: Arduino Uno
• Spôsoby spustenia: Časovač / digitálny výškomer

• Spôsob aktivácie pohonnej látky: Prepichnutím otvoru vo vysokotlakovej kapsule CO2

  • Kovový hrot pripevnený k pružinám
  • Uvoľňovací mechanizmus sa skladá z dvoch háčikov
  • Uvoľňuje sa pohybom motora
• Ochrana elektronických zariadení pred nižšími teplotami

Vymyslel som niekoľko spôsobov uvoľnenia hrotu motorickým pohybom.

Použitím konštrukcie podobnej reťazovému zámku dverí s kľúčom, potiahnutím kovovej platne, kým sa koncový kľúč nezarovná s väčším otvorom, sa môže hrot spustiť. Trenie sa však ukázalo ako príliš silné a motor nemohol pohnúť doskou.

Ďalším riešením bolo mať háčik držiaci na hrote a kolík zaisťujúci háčik k nehybnému predmetu. Rovnako ako zadná strana bezpečnostného kolíka hasiaceho prístroja, keď je kolík vytiahnutý, hák by povolil a spustil hrot. Tento dizajn tiež produkoval príliš veľké trenie.

Súčasný dizajn, ktorý používam, je použitie dvoch hákov, podobného dizajnu ako spúšť pištole. Prvý háčik drží na hrote, zatiaľ čo druhý háčik je zachytený malým zárezom v zadnej časti prvého háčika. Tlak pružín drží háky na mieste a motor má dostatočný krútiaci moment na odomknutie sekundárneho háku a spustenie rakety.

Raketa:

• Hnací plyn: CO2 pod tlakom
• Minimalizujte hmotnosť
• Akčná kamera integrovaná do tela
• Vymeniteľná kapsula CO2 (opakovane použiteľná raketa)
• Všetky hlavné vlastnosti modelových rakiet (nos, valcovité telo, plutvy)

Pretože tuhý raketový pohon nebol najlepšou možnosťou na štart v obývanej oblasti, musel som sa rozhodnúť pre iné typy pohonných hmôt. Najbežnejšou alternatívou je stlačený vzduch a voda. Pretože voda mohla poškodiť elektroniku na palube, hnacím plynom musel byť stlačený vzduch, ale aj mini vzduchové čerpadlo bolo príliš ťažké a spotrebovalo príliš veľa elektriny na to, aby bolo k dispozícii v HAAS. Našťastie som myslel na malé CO2 kapsuly, ktoré som pred pár dňami kúpil na pneumatiky pre bicykle, a rozhodol som sa, že to bude účinný pohonný prostriedok.

Krok 3: Materiály

Na výrobu HAAS budete potrebovať nasledujúce.

Pre rám:

• Tenké drevené dosky (alebo akékoľvek ľahké a stabilné dosky, MDF)
• Dlhé matice a skrutky
• Hliníková sieťovina
• 4x hliníkový posuvník
• 1x Hliníková rúrka
• 360 ° kamera (voliteľné, Samsung Gear 360)
• Veľký kus látky a lana (alebo modelový raketový padák)

Pre štartovací mechanizmus

• 2x dlhé pramene
• 1x kovová tyč
• Tenký drôt
• Niektoré hliníkové platne
• 1x Breadboard
• 1x Arduino Uno (s konektorom USB)
• Snímač teploty a tlaku (Adafruit BMP085)
• Piezo bzučiak (Adafruit PS1240)
• Malý motor (Motorbank GWM12F)
• Prepojovacie vodiče
• Motorový ovládač (L298N Dual H-Bridge Motor Controller)
• Batérie a držiak na batérie

Pre vzduchovú raketu

• CO2 plechovky na doplnenie pneumatík pre bicykle (Bontager CO2 so závitom 16 g)
• Niekoľko hliníkových plechoviek (2 pre každú raketu)
• Akrylové dosky (alebo plastové)
• Stužky
• Elastické pásy
• Dlhé šnúrky
• Akčná kamera (voliteľná, Xiaomi akčná kamera)

Náradie:

• Lepiaca pištoľ
• Epoxidový tmel (voliteľné)
• Píla/diamantová rezačka (voliteľné)
• 3D tlačiareň (voliteľné)
• Laserová rezačka alebo CNC fréza (voliteľné)

Pozor! Náradie používajte opatrne a zaobchádzajte s ním opatrne. Ak je to možné, požiadajte o pomoc niekoho iného. Ak neviete, ako ich používať, získajte pomoc pomocou vybraných nástrojov.

Krok 4: Rám

1. Tenkou drevenou doskou vyrežte pomocou laserovej rezačky, CNC frézky alebo ľubovoľného nástroja podľa svojich predstáv na priložených obrázkoch. Hornú vrstvu tvoria dve dosky spojené skrutkami na stabilizáciu. (Na frézovanie alebo rezanie laserom sú súbory uvedené nižšie.
2. Hliníkové posuvníky rozrežte na rovnaké dĺžky a vložte ich do štrbín pozdĺž vnútorného krúžku každej vrstvy. Lepiacou pištoľou prilepte vrstvy tak, aby v hornej časti zostalo miesto pre raketu.
3. Hliníkovú rúrku umiestnite do stredu strednej vrstvy. Uistite sa, že je stabilný a pokiaľ možno zvislý k vrstve.
4. Do spodnej vrstvy vyvŕtajte otvor a pripevnite voliteľnú 360 ° kameru. Vyrobil som odnímateľný gumový kryt kamery, pre prípad, že by kamera vo fáze pristátia dostala šok.
5. Zložte veľký kus látky alebo látky na menšie obdĺžniky a do najvzdialenejších rohov pripevnite 8 rovnako dlhých lán. Na druhom konci uviažte lano, aby sa nezamotalo. Padák bude pripevnený na samom konci.

Krok 5: Spustite mechanizmus

1. Vytvorte dva háčiky, z ktorých jeden bude znamenať kovovú tyč a jeden bude spúšťačom. Použil som dva rôzne návrhy: jeden pomocou kovových dosiek a jeden pomocou 3D tlačiarne. Navrhnite svoje háčiky podľa vyššie uvedených obrázkov a súbory 3D tlače sú prepojené nižšie.

2. Aby bolo možné uvoľniť spúšť a vypustiť raketu buď pomocou časovača alebo digitálneho výškomera, musí byť vyrobený obvod Arduino špecifikovaný na obrázku vyššie. Pripojením týchto pinov je možné pridať digitálny výškomer.

   • Arduino A5 -> BMP085 SCL
   • Arduino A4 -> BMP085 SDA
   • Arduino +5V -> BMP085 VIN
   • Arduino GND -> BMP085 GND
3. Pridajte obvod k HAAS. Pripojte spúšťací hák k motoru pomocou drôtu a roztočte motor, aby ste otestovali, či sa háčik môže hladko vysunúť.
4. Brúste koniec tenkej kovovej tyče a vložte ju do hliníkovej rúrky. Potom na koniec tyče pripevnite dva dlhé pramene a spojte ich s hornou vrstvou. Ohnite koniec tyče tak, aby sa dal ľahko zavesiť na spúšťací mechanizmus.
5. Niekoľkokrát vyskúšajte, či sa tyč spustí hladko.

Súbory 3D tlače:

Krok 6: Raketa

1. Pripravte si dve hliníkové fľaše. Odrežte hornú časť jednej fľaše a spodnú časť druhej.
2. Na vrchu prvej fľaše a na dne druhej fľaše odrežte mierny kríž.
3. Z drôtu a handry vyrobte držiak na CO2 kapsulu v prvej fľaši.
4. Vložte kapsulu CO2 do hornej časti a stlačte ju do spodnej časti druhej fľaše tak, aby vstup do kapsuly CO2 smeroval nadol.
5. Plutvy navrhnite a odstrihnite plastom alebo akrylom a potom ich prilepte k boku rakety. Na kužeľ použite akýkoľvek preferovaný materiál, v tomto prípade epoxidový tmel.
6. Vyrežte obdĺžnikový otvor na boku rakety pre voliteľnú akčnú kameru.

Na dokončenie HAAS po inštalácii spúšťacieho mechanizmu omotajte hliníkovú sieťku okolo rámu a priviažte ju k malým otvorom na vonkajšom okraji. Na boku vyrežte otvor, aby ste do zariadenia ľahko dosiahli. Vytvorte malý obal pre padák a položte ho na hornú vrstvu. Zložte padák a vložte ho do obalu.

Krok 7: Kódovanie

Mechanizmus spustenia je možné aktivovať dvoma rôznymi spôsobmi: pomocou časovača alebo digitálneho výškomera. Kód Arduino je k dispozícii, preto pred nahraním do svojho Arduina komentujte metódu, ktorú nechcete použiť.

Krok 8: Testovanie

Ak na spustenie rakety používate časovač, vyskúšajte párkrát s náhradnou kapsulou CO2 o niekoľko minút.

Ak používate výškomer, vyskúšajte, či odpaľovací mechanizmus funguje bez rakety, nastavte štartovaciu výšku na ~ 2 metre a vyjdite po schodisku. Potom to vyskúšajte vo vyššej nadmorskej výške vystúpením výťahom (môj test bol stanovený na 37,5 metra). Pomocou metódy časovača vyskúšajte, či štartovací mechanizmus skutočne odpaľuje raketu.

Zahrnutých je 12 testovacích videí systému HAAS

Krok 9: Výsledky

Našťastie ste sa už pokúsili urobiť rockoona sami a možno ste dokonca oslavovali úspešný štart rakety. Musím však nahlásiť, že môj pokus o spustenie sa skončil neúspechom. Hlavným dôvodom môjho zlyhania bolo, že som podcenil množstvo hélia potrebné na zdvihnutie HAAS. Použitím pomeru molárnej hmotnosti hélia k molárnej hmotnosti vzduchu, ako aj teploty a tlaku som približne vypočítal, že potrebujem tri nádrže s 20 l plynného hélia, ale zistil som, že som sa strašne mýlil. Pretože ako študent bolo ťažké kúpiť nádrže s héliom, nedostal som žiadne náhradné nádrže a nepodarilo sa mi ani dostať HAAS nad 5 metrov nad zem. Ak ste sa teda ešte nepokúsili letieť so svojim rockoonom, tu je rada: zaobstarajte si toľko hélia, koľko sa vám dostane do rúk. V skutočnosti by bolo rozumnejšie vypočítať potrebné množstvo s prihliadnutím na to, že tlak a teplota sa so zvyšujúcou výškou znižujú (v rámci nášho letového dosahu) a čím viac vodnej pary je, tým menej vztlaku bude mať hélium. získajte dvojnásobnú sumu.

V dôsledku neúspešného štartu som sa rozhodol použiť kameru 360 na zachytenie leteckého videa okolitej rieky a parku, a tak som ju dlhým lankom pripevneným k spodnej časti priviazal k balónu s héliom a potom nechal letieť. Vietor v mierne vysokej nadmorskej výške nečakane smeroval úplne opačným smerom ako spodné vetry a héliový balón sa unášal do blízkosti elektrického vedenia. V zúfalom pokuse zachrániť svoju kameru a nepoškodiť kabeláž som potiahol za pripevnené lano, ale bolo to zbytočné; balón bol už zachytený v drôte. Ako je možné, že na Zemi sa môže toľko vecí pokaziť za jeden deň? Nakoniec som zavolal elektroinštalačnú firmu a požiadal ich, aby získali kameru. Láskavo áno, aj keď mi trvalo tri mesiace, kým som to dostal späť. Pre vašu zábavu sú v prílohe niekoľko fotografií a videí z tohto incidentu.

Táto nehoda, aj keď sa mi to najskôr nezdalo, odhalila vážne obmedzenie používania rockoonov. Balóny nemožno riadiť, prinajmenšom nie pomocou ľahkého a ľahko ovládateľného mechanizmu, ktorý je možné nainštalovať na HAAS, a preto je takmer nemožné vypustiť raketu na zamýšľanú obežnú dráhu. Pretože sú podmienky každého štartu odlišné a počas výstupu sa neustále menia, je ťažké predpovedať pohyb rockoonu, ktorý potom vyžaduje, aby bol štart vykonaný na mieste, ktoré nemá nič okolo seba, niekoľko kilometrov, pretože neúspešný štart by mohol byť dôkazom. byť nebezpečný.

Verím, že toto obmedzenie je možné prekonať vývojom mechanizmu navigácie v 3D rovine s ťahom z balóna a interpretáciou vetra ako vektorových síl. Nápady, o ktorých som premýšľal, sú plachty, stlačený vzduch, vrtule, lepší dizajn rámu atď. Na vývoji týchto myšlienok budem pracovať so svojim ďalším modelom HAAS a budem sa tešiť, ako sa niektorí z vás budú vyvíjať aj oni.

S trochou výskumu som zistil, že dvaja majstri Stanfordu v oblasti kozmického priestoru, Daniel Becerra a Charlie Cox, použili podobný dizajn a mali úspešný štart z 30 000 stôp. Zábery z ich uvedenia na trh nájdete na Stanfordskom kanáli YouTube. Spoločnosti ako JP Aerospace vyvíjajú „špeciality“na rakety, navrhujú a uvádzajú na trh komplexnejšie rakety na tuhé palivo. Ich systém desiatich balónov s názvom „The Stack“je príkladom rôznych vylepšení na rockoone. Verím, že ako nákladovo efektívny spôsob vypúšťania sondážnych rakiet bude niekoľko ďalších spoločností pracovať na tom, aby v budúcnosti robili rockoony.

Chcel by som poďakovať profesorke Kim Kwang Il, za podporu počas celého tohto projektu, ako aj za poskytnutie zdrojov a rád. Tiež by som chcel poďakovať svojim rodičom za nadšenie z toho, čo ma baví. V neposlednom rade by som vám chcel poďakovať za prečítanie tohto návodu. Našťastie sa v kozmickom priemysle čoskoro vyvinie ekologická technológia, ktorá umožní častejšie návštevy divov.