Kako narediti rockoon: Project HAAS: 9 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:07

Ideja tega Instructablea je zagotoviti alternativno metodo, čeprav se zdi neverjetna, za stroškovno učinkovite izstrelitve raket. Ker je bil nedavni razvoj vesoljske tehnologije osredotočen na znižanje stroškov, se mi je zdelo dobro, da rokona predstavimo širšemu občinstvu. Ta navodila so v veliki meri razdeljena na štiri dele: uvod, oblikovanje, gradnja in rezultati. Če želite preskočiti koncept rockoons in zakaj sem svojega oblikoval tako, kot sem, pojdite naravnost do gradbenega dela. Upam, da vam bo všeč, in rad bi slišal od vas o vaših razmišljanjih o mojem projektu ali o vaši lastni zasnovi in gradnji !!

1. korak: Osnovne informacije

Po podatkih Encyclopedia Astronautica je rockoon (iz rakete in balona) raketa, ki jo najprej spusti v zgornjo atmosfero balon, napolnjen s plinom, lažjim od zraka, nato pa ga loči in vžge. To raketi omogoča doseganje večje nadmorske višine z manj pogonskega goriva, saj se raketi ni treba premikati pod močjo skozi nižje in debelejše plasti atmosfere. Prvotni koncept je bil zasnovan med streljanjem Aerobee na Norton Sound marca 1949, prvič pa ga je začela skupina Office of Naval Research Group pod vodstvom Jamesa A. Van Allena.

Ko sem prvič začel svoj projekt o rockoonu, nisem vedel, kaj je rockoon. Šele potem, ko sem po projektu zaključil dokumentacijo, sem ugotovil, da obstaja ime za to napravo, ki sem jo naredil. Kot študentka iz Južne Koreje, ki se zanima za vesoljsko tehnologijo, sem že od mladih nog razočarana nad razvojem raket v svoji državi. Čeprav je korejska vesoljska agencija KARI večkrat poskušala izstreliti vesoljske rakete in jim je to enkrat uspelo, naša tehnologija ni niti blizu drugim vesoljskim agencijam, kot so NASA, ESA, CNSA ali Roscosmos. Naša prva raketa, Naro-1, je bila uporabljena za vse tri poskuse izstrelitve, od katerih obstaja sum, da dve nista uspeli zaradi ločitve stopenj ali poravnave. Naslednja raketa, ki bo narejena, Naro-2, je trostopenjska raketa, zaradi česar se sprašujem, ali je pametno raketo razdeliti na več stopenj? Prednosti tega bi bile, da raketa ob ločevanju stopenj izgubi znatno maso, kar poveča učinkovitost pogonskega goriva. Vendar pa izstrelitev večstopenjskih raket poveča tudi možnost, da bo izstrelitev neuspešna.

To mi je dalo misliti na načine za zmanjšanje raketnih stopenj ob največji učinkovitosti pogonskega goriva. Izstreljevanje raket iz letal, kot so rakete, z uporabo vnetljivega materiala za telesa raketnih odrov, je nekaj drugih idej, ki sem jih imel, toda ena možnost, ki me je pritegnila, je bila višinska lansirna platforma. Pomislil sem: »Zakaj raketa ne more izstreliti iz helijevega balona nad večino atmosfere? Raketa je potem lahko enostopenjska raketa, ki bi znatno poenostavila postopek izstrelitve in znižala stroške. Zato sem se odločil, da bom kot dokaz koncepta sam zasnoval in zgradil rockoon -a in ga delil z drugimi, tako da ga lahko vsi preizkusite, če želite.

Model, ki ga zgradim, se imenuje HAAS, okrajšava za letalsko vesoljsko letališče na visoki nadmorski višini, v upanju, da nekega dne rockoons ne bodo le začasna izstrelitvena raketa, ampak trajna platforma za izstreljevanje, polnjenje in pristajanje vesoljskih raket.

2. korak: Oblikovanje

HAAS sem oblikoval na podlagi intuitivnih oblik in osnovnih izračunov

Izračuni:

Z uporabo Nasinega vodiča o "Oblikovanju balona na visoki nadmorski višini" sem izračunal, da bom za dvig največ 2 kg potreboval približno 60 l helija, zgornjo mejo, ki smo jo določili za težo HAAS, ob upoštevanju, da bosta temperatura in nadmorska višina vplivali na vzgonska sila helija, kot je omenjeno v "Vplivu nadmorske višine in temperature na nadzor volumna zračne ladje vodika" Micheleja Trancossija. Vendar to ni bilo dovolj, o čemer bom govoril podrobneje, ampak zato, ker nisem upošteval vpliva vodne pare na vzgon helija.

Okvir:

• Cilindrična oblika za zmanjšanje učinka vetra
• Trije sloji (vrh za držanje rakete, sredina za izstrelitveni mehanizem, spodaj za kamero 360)
• Debela srednja plast za dodatno stabilnost
• Navpične tirnice za namestitev in vodenje rakete
• 360 ° kamera za snemanje
• Zložljivo padalo za varno dostojno
• Tanek cilindrični helijev balon za najmanjši kot odmika rakete

Začetni mehanizem

• Mikroprocesor: Arduino Uno
• Metode zagona: časovnik / digitalni višinomer

• Način aktiviranja pogonskega goriva: Z luknjanjem v visokotlačni kapsuli CO2

  • Kovinski trn, pritrjen na vzmeti
  • Sprožilni mehanizem je sestavljen iz dveh kljuk
  • Sprosti se s premikanjem motorja
• Zaščita elektronskih naprav pred nižjimi temperaturami

Pripravil sem več načinov sproščanja konice z gibom motorja.

Z uporabo zasnove, ki je podobna ključavnici vrat s ključem, lahko s potegom kovinske plošče, dokler se zaključni ključ ne poravna z večjo luknjo, sproži konico. Vendar se je trenje izkazalo za premočno in motor ni mogel premakniti plošče.

Druga rešitev je bila kljuka, ki je držala trn in zatič, s katerim je kavelj pritrjen na nepremični predmet. Podobno kot varnostni zatič gasilnega aparata bi tudi pri izvleku zatiča kavelj popustil in sprožil konico. Ta zasnova je povzročila tudi preveč trenja.

Trenutni dizajn, ki ga uporabljam, je z uporabo dveh kavljev, podobnih zasnovi sprožilca pištole. Prvi trnek se drži za konico, drugi pa se ujame v majhen zarez na zadnji strani prvega trnka. Tlak vzmeti drži kljuke na mestu, motor pa ima dovolj navora, da odklene sekundarni kavelj in izstreli raketo.

Raketa:

• Pogonsko gorivo: CO2 pod tlakom
• Zmanjšajte težo
• Akcijska kamera vgrajena v telo
• Zamenljiva kapsula CO2 (raketa za večkratno uporabo)
• Vse glavne značilnosti modelnih raket (nos, valjasto telo, plavuti)

Ker trdno raketno gorivo ni bila najboljša možnost za izstrelitev v naseljenem območju, sem se moral odločiti za druge vrste pogonskih goriv. Najpogostejša alternativa sta zrak in voda pod pritiskom. Ker bi voda lahko poškodovala elektroniko na krovu, je moralo biti gorivo zrak pod tlakom, vendar je bila celo mini zračna črpalka pretežka in je porabila preveč električne energije, da bi jo imela na HAAS. Na srečo sem pomislil na mini kapsule CO2, ki sem jih pred nekaj dnevi kupil za svoje pnevmatike za kolo, in se odločil, da bo to učinkovito gorivo.

3. korak: Materiali

Za izdelavo HAAS -a potrebujete naslednje.

Za okvir:

• Tanke lesene plošče (ali katera koli lahka in stabilna plošča, MDF)
• Dolgi vijaki in matice
• Aluminijasta mreža
• 4x aluminijasti drsnik
• 1x aluminijasta cev
• 360 ° kamera (neobvezno, Samsung Gear 360)
• Velik kos tkanine in vrvi (ali vzorčno raketno padalo)

Za zagonski mehanizem

• 2x dolge vzmeti
• 1x kovinska palica
• Tanka žica
• Nekaj aluminijastih plošč
• 1x deska
• 1x Arduino Uno (s priključkom USB)
• Senzor temperature in tlaka (Adafruit BMP085)
• Piezo Buzzer (Adafruit PS1240)
• Majhen motor (Motorbank GWM12F)
• Mostične žice
• Krmilnik motorja (krmilnik motorja z dvojnim mostom L298N)
• Baterije in držalo za baterije

Za zračno raketo

• Pločevinke za polnjenje pnevmatik CO2 (Bontager CO2 z navojem 16 g)
• Več aluminijastih pločevink (2 za vsako raketo)
• Akrilne plošče (ali plastične)
• Trakovi
• Elastični trakovi
• Dolge strune
• Akcijska kamera (izbirno, akcijska kamera Xiaomi)

Orodja:

• Pištola za lepilo
• Epoksidni kit (neobvezno)
• Žaga/diamantni rezalnik (neobvezno)
• 3D tiskalnik (neobvezno)
• Laserski rezalnik ali CNC rezkalni stroj (neobvezno)

Pozor! Orodja uporabljajte previdno in z njimi ravnajte previdno. Če je mogoče, naj vam pomaga kdo drug in poiščite pomoč z izbranimi orodji, če jih ne veste uporabljati.

4. korak: Okvir

1. Z laserskim rezalnikom, CNC rezkalnim strojem ali katerim koli drugim orodjem razrežite tanko leseno ploščo v obliko na priloženih slikah. Zgornji sloj je sestavljen iz dveh plošč, povezanih z vijaki za stabilizacijo. (Za rezkanje ali lasersko rezanje so spodaj navedene datoteke.
2. Aluminijske drsnike razrežite na enake dolžine in jih vstavite v razpoke vzdolž notranjega obroča vsake plasti. S pištolo za lepilo nalepite plasti tako, da je na vrhu prostora za raketo.
3. Aluminijasto cev postavite na sredino srednje plasti. Prepričajte se, da je stabilen in čim bolj navpičen glede na plast.
4. V spodnjo plast izvrtajte luknjo in pritrdite dodatno kamero za 360 °. Za fotoaparat sem naredil odstranljiv gumijasti pokrov, v primeru, da fotoaparat v fazi pristanka doživi šok.
5. Veliki kos tkanine ali tkanine prepognite v manjše pravokotnike in na najbolj oddaljene vogale pritrdite 8 vrvi enake dolžine. Vrv privežite na skrajnem koncu, da se ne zaplete. Padlo bo pritrjeno čisto na koncu.

5. korak: Zaženi mehanizem

1. Naredite dva kljuka, enega za povezovanje kovinske palice in enega za sprožilec. Uporabil sem dva različna dizajna: enega s kovinskimi ploščami in drugega s 3D tiskalnikom. Oblikujte trnke na podlagi zgornjih slik, spodaj pa so povezane datoteke za 3D tiskanje.

2. Da bi lahko sprostili sprožilec in izstrelili raketo s pomočjo časovnika ali digitalnega višinomera, je treba izdelati vezje Arduino, navedeno na zgornji sliki. S priključitvijo teh zatičev lahko dodate digitalni višinomer.

   • Arduino A5 -> BMP085 SCL
   • Arduino A4 -> BMP085 SDA
   • Arduino +5V -> BMP085 VIN
   • Arduino GND -> BMP085 GND
3. Dodajte vezje HAAS. Kavelj sprožilca z žico priključite na motor in zavrtite motor, da preverite, ali lahko kljuka gladko zdrsne.
4. Konec tanke kovinske palice zmeljite in ga vstavite v aluminijasto cev. Nato na konec palice pritrdite dve dolgi vzmeti in ju povežite z zgornjo plastjo. Upognite konec palice, tako da ga je mogoče enostavno pripeti na izstrelitveni mehanizem.
5. Nekajkrat preizkusite, da zagotovite nemoten zagon palice.

Datoteke za 3D tiskanje:

6. korak: Raketa

1. Pripravite dve aluminijasti steklenici. Odrežite zgornji del ene steklenice in spodnji del druge steklenice.
2. Na vrhu prve steklenice in na dnu druge steklenice izrežite rahel križ.
3. Z žico in krpo naredite držalo za kapsulo CO2 na prvi steklenici.
4. Kapsulo CO2 vstavite v zgornji del in jo stisnite na dno druge steklenice, tako da bo vhod v kapsulo CO2 obrnjen navzdol.
5. Oblikujte in izrežite plavuti s plastiko ali akrilom, nato pa jih lepite na stran rakete. Za stožec uporabite kateri koli prednostni material, v tem primeru epoksidni kit.
6. Izrežite pravokotno luknjo na strani rakete za dodatno akcijsko kamero.

Če želite HAAS dokončati, po namestitvi zagonskega mehanizma zavijte aluminijasto mrežo okoli okvirja in jo privežite na majhne luknje na zunanjem robu. Na strani izrežite luknjo, da boste zlahka segli v napravo. Naredite majhno ohišje za padalo in ga položite na zgornjo plast. Zložite padalo in ga položite v ohišje.

7. korak: Kodiranje

Lansirni mehanizem lahko aktivirate na dva različna načina: s časovnikom ali digitalnim višinomerom. Koda Arduino je na voljo, zato pred nalaganjem v svoj Arduino komentirajte metodo, ki je ne želite uporabiti.

8. korak: Testiranje

Če uporabljate časovnik za izstrelitev rakete, nekajkrat preizkusite z rezervno kapsulo CO2 v nekaj minutah.

Če uporabljate višinomer, preizkusite, ali izstrelitveni mehanizem deluje brez rakete, tako da nastavite višino izstrelitve na ~ 2 metra in se povzpnete po stopnišču. Nato ga preizkusite na višji izstrelitveni višini z dvigalom (moj test je bil nastavljen na 37,5 metra). Preverite, ali izstrelitveni mehanizem dejansko izstreli raketo s pomočjo časovne metode.

Vključeno je 12 video posnetkov testiranja HAAS

9. korak: Rezultati

Upajmo, da ste do zdaj že sami poskušali narediti rokona in morda celo proslavili uspešno izstrelitev rakete. Moram pa poročati, da se je moj poskus zagona končal z neuspehom. Glavni razlog za moj neuspeh je bil ta, da sem podcenil količino helija, potrebno za dvig HAAS. Z uporabo razmerja med molarno maso helija in molarno maso zraka ter temperaturo in tlakom sem približno izračunal, da potrebujem tri rezervoarje 20 -litrskega helijevega plina, vendar sem ugotovil, da se motim. Ker je bilo kot študent težko kupiti rezervoarje s helijem, nisem dobil rezervnih rezervoarjev, HAAS pa nisem uspel niti dvigniti od tal. Torej, če še niste poskušali leteti s svojim rokonom, je tukaj nasvet: vzemite čim več helija. Pravzaprav bi bilo verjetno bolj smiselno, če bi izračunali svojo potrebno količino, pri tem pa upoštevali, da se tlak in temperatura zmanjšujeta z naraščanjem višine (znotraj našega območja letenja) in da več kot je vodne pare, manj bo imel vzgon helij. dobite dvakratni znesek.

Po neuspelem izstrelitvi sem se odločil, da s kamero 360 posnamem zračni posnetek okoliške reke in parkiram, zato sem ga privezal na balon s helijem z dolgim nizom, pritrjenim na dno, nato pa ga pustil leteti. Nepričakovano je veter na rahlo visoki nadmorski višini pihal v popolnoma nasprotni smeri, ko so pihali spodnji vetrovi, balon s helijem pa je odnesel v bližnjo električno napeljavo. V obupnem poskusu, da bi rešil fotoaparat in ne poškodoval ožičenja, sem potegnil za pritrjeno vrv, vendar je bila neuporabna; balon je bil že ujet v žico. Kako lahko na Zemlji toliko stvari gre v enem dnevu narobe? Sčasoma sem poklical podjetje za ožičenje in jih prosil, naj vzamejo kamero. Vljudno so to storili, čeprav sem potreboval tri mesece, da sem ga dobil nazaj. Za vašo zabavo je v prilogi nekaj fotografij in video posnetkov tega dogodka.

Ta nesreča, čeprav se mi sprva ni zgodilo, je pokazala resno omejitev uporabe rockoons. Balonov ni mogoče krmiliti, vsaj ne z lahkim in enostavno krmilnim mehanizmom, ki ga je mogoče namestiti na HAAS, zato je izstrelitev rakete v predvideno orbito skoraj nemogoče. Ker so pogoji vsakega izleta drugačni in se ves čas vzpona spreminjajo, je težko napovedati gibanje rockoona, ki nato zahteva, da se izstrelitev opravi na mestu, kjer okoli njega ni več kilometrov, ker bi neuspešen izstrelitev lahko dokazala biti nevaren.

Menim, da je to omejitev mogoče premagati z razvojem mehanizma krmarjenja po 3D ravnini z vlečenjem iz balona in razlago vetra kot vektorskih sil. Zamisli, o katerih sem razmišljal, so jadra, stisnjen zrak, propelerji, boljša zasnova okvirja itd. Razvoj teh idej je nekaj, na čemer se bom ukvarjal s svojim naslednjim modelom HAAS in se bom veselil, da se nekateri od vas razvijajo tudi njih.

Z malo raziskav sem ugotovil, da sta dva magistra vesoljske vesoljske industrije Stanford, Daniel Becerra in Charlie Cox, uporabljala podobno zasnovo in sta uspešno izstrelila s 30.000 čevljev. Njihove posnetke predstavitve najdete na Stanford Youtube kanalu. Podjetja, kot je JP Aerospace, razvijajo "specialitete" za rokone, oblikujejo in lansirajo kompleksnejše rokone s trdim gorivom. Njihov sistem z desetimi baloni, imenovan "The Stack", je primer različnih izboljšav rockoona. Verjamem, da si bo kot stroškovno učinkovit način izstrelitve sondirnih raket v prihodnosti prizadevalo še nekaj drugih podjetij.

Rad bi se zahvalil profesorici Kim Kwang Il, ki me je podpirala pri tem projektu ter mi nudila vire in nasvete. Prav tako bi se rad zahvalil staršem, da so navdušeni nad tem, kar me navdušuje. Ne nazadnje bi se vam rad zahvalil, ker ste prebrali ta navodila. Upajmo, da se bo v vesoljski industriji kmalu razvila okolju prijazna tehnologija, ki bo omogočila pogostejše obiske čudes.