Jak zrobić rockoon: Projekt HAAS: 9 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:32

Ideą tego Instructable jest zapewnienie alternatywnej metody, jakkolwiek mało prawdopodobnej, do opłacalnych startów rakiet. Ponieważ najnowsze osiągnięcia technologii kosmicznej koncentrują się na obniżeniu kosztów, pomyślałem, że byłoby wspaniale przedstawić rockoon szerszej publiczności. Te instrukcje są podzielone w dużej mierze na cztery części: wprowadzenie, projekt, budowanie i wyniki. Jeśli chcesz pominąć koncepcję rockoons i dlaczego zaprojektowałem swoją tak, jak to zrobiłem, przejdź od razu do części budowlanej. Mam nadzieję, że wam się spodoba i chciałbym usłyszeć od was o waszych przemyśleniach na temat mojego projektu lub o waszych własnych projektach i konstrukcjach!

Krok 1: Informacje ogólne

Według Encyclopedia Astronautica, rockoon (pochodzący z rakiety i balonu) to rakieta, która jest najpierw przenoszona w górną warstwę atmosfery przez lżejszy od powietrza balon wypełniony gazem, a następnie oddzielana i zapalana. Dzięki temu rakieta może osiągnąć większą wysokość przy mniejszej ilości paliwa, ponieważ rakieta nie musi poruszać się pod wpływem energii przez niższe i grubsze warstwy atmosfery. Oryginalna koncepcja narodziła się podczas wystrzeliwania Aerobee na statku Norton Sound w marcu 1949 r. i została po raz pierwszy uruchomiona przez grupę Office of Naval Research pod kierownictwem Jamesa A. Van Allena.

Kiedy zaczynałem swój projekt na rockoon, nie miałem pojęcia, czym jest rockoon. Dopiero po skończeniu dokumentacji po moim projekcie dowiedziałem się, że urządzenie, które wykonałem, ma nazwę. Jako student z Korei Południowej, który interesuje się technologią kosmiczną, od młodości byłem sfrustrowany rozwojem rakiet w moim kraju. Chociaż koreańska agencja kosmiczna KARI podjęła kilka prób stworzenia kosmicznych pojazdów nośnych i raz odniosła sukces, nasza technologia nie zbliża się do innych agencji kosmicznych, takich jak NASA, ESA, CNSA czy Roscosmos. Nasza pierwsza rakieta, Naro-1, została użyta we wszystkich trzech próbach startu, z których dwie prawdopodobnie nie powiodły się z powodu rozdzielenia etapów lub owiewek. Następna rakieta, która zostanie wykonana, Naro-2, to rakieta trzystopniowa, co każe mi zadać pytanie, czy mądrze jest podzielić ją na kilka etapów? Korzyścią z tego byłoby to, że rakieta straciłaby znaczną masę w miarę rozdzielenia etapów, zwiększając w ten sposób wydajność paliwa. Jednak odpalanie rakiet wielostopniowych zwiększa również prawdopodobieństwo, że start zakończy się niepowodzeniem.

To skłoniło mnie do wymyślenia sposobów na zminimalizowanie etapów rakiety przy jednoczesnej maksymalizacji wydajności paliwa. Wystrzeliwanie rakiet z samolotów, takich jak pociski, przy użyciu materiałów palnych na korpusy rakiet, to kilka innych pomysłów, które miałem, ale jedną z opcji, która mnie zainteresowała, była platforma do wystrzeliwania na dużej wysokości. Pomyślałem: „Dlaczego rakieta nie może po prostu wystrzelić z balonu wypełnionego helem ponad większą częścią atmosfery? Rakieta może wtedy być jednostopniową rakietą sondującą, co znacznie uprości proces startu, a także obniży koszty”. Postanowiłem więc samodzielnie zaprojektować i zbudować rockoon jako dowód koncepcji i udostępnić te instrukcje, aby wszyscy mogli spróbować, jeśli chcesz.

Model, który zbudowałem nazywa się HAAS, skrót od High Altitude Aerial Spaceport, w nadziei, że pewnego dnia Rockoons nie będą tylko tymczasową platformą startową dla rakiet, ale stałą platformą używaną do startowania, tankowania i lądowania kosmicznych pojazdów nośnych.

Krok 2: Projekt

HAAS zaprojektowałem w oparciu o intuicyjne kształty i podstawowe obliczenia

Obliczenia:

Korzystając z przewodnika NASA „Projektowanie balonu na dużą wysokość” obliczyłem, że potrzebuję około 60 litrów helu, aby podnieść co najwyżej 2 kg, górną granicę, którą wyznaczyliśmy dla wagi HAAS, biorąc pod uwagę, że temperatura i wysokość będą miały wpływ na siła wyporu helu, jak wspomniano w „Effect of Altitude and Temperature on Volume Control of an Hydrogen Airship” Michele Trancossi. To jednak nie wystarczyło, o czym opowiem szerzej, ale to dlatego, że nie wziąłem pod uwagę wpływu pary wodnej na wyporność helu.

Rama:

• Cylindryczny kształt w celu zminimalizowania efektu wiatru
• Trzy warstwy (górna do trzymania rakiety, środkowa do mechanizmu startowego, dolna do kamery 360)
• Gruba warstwa środkowa dla dodatkowej stabilności
• Pionowe szyny do umieszczania i prowadzenia rakiet
• Kamera 360° do nagrywania
• Składany spadochron dla bezpiecznego przyzwoitego
• Cienki cylindryczny balon z helem zapewniający minimalny kąt przesunięcia rakiety

Mechanizm uruchamiania

• Mikroprocesor: Arduino Uno
• Metody uruchamiania: Zegar / Wysokościomierz cyfrowy

• Sposób aktywacji propelentu: poprzez przebicie dziury w wysokociśnieniowej kapsule CO2

  • Metalowy kolec przymocowany do sprężyn
  • Mechanizm zwalniający składa się z dwóch haków
  • Zwolniony przez ruch silnika
• Ochrona urządzeń elektronicznych przed niższymi temperaturami

Wymyśliłem kilka sposobów na uwolnienie kolca ruchem motorycznym.

Używając konstrukcji podobnej do zamka z kluczem łańcuchowym, pociągając metalową płytkę, aż klucz końcowy zrówna się z większym otworem, można uruchomić kolec. Tarcie okazało się jednak zbyt silne, a silnik nie mógł ruszyć płyty.

Innym rozwiązaniem było posiadanie haka trzymającego kolec i kołka blokującego hak do nieruchomego obiektu. Podobnie jak w przypadku rewersu agrafki gaśnicy, gdy zawleczka zostanie wyciągnięta, hak ustąpi i wystrzeli kolec. Ten projekt powodował również zbyt duże tarcie.

Obecny projekt, którego używam, to użycie dwóch haczyków, podobny projekt do spustu pistoletu. Pierwszy haczyk trzyma się szpikulca, podczas gdy drugi haczyk wpada w małe nacięcie z tyłu pierwszego haczyka. Nacisk sprężyn utrzymuje haki na miejscu, a silnik ma wystarczający moment obrotowy, aby odblokować dodatkowy hak i wystrzelić rakietę.

Rakieta:

• Propelent: CO2 pod ciśnieniem
• Zminimalizuj wagę
• Kamera akcji zintegrowana z korpusem
• Wymienna kapsuła CO2 (rakieta wielokrotnego użytku)
• Wszystkie główne cechy modeli rakiet (nos, cylindryczny korpus, płetwy)

Ponieważ stałe paliwo rakietowe nie było najlepszą opcją do startu na zaludnionym obszarze, musiałem wybrać inne rodzaje paliwa. Najczęstsze alternatywy to sprężone powietrze i woda. Ponieważ woda może uszkodzić elektronikę na pokładzie, paliwem musiało być sprężone powietrze, ale nawet minipompa powietrza była zbyt ciężka i zużywała zbyt dużo energii elektrycznej, aby mieć ją na HAAS. Na szczęście pomyślałem o mini kapsułach CO2, które kupiłem kilka dni temu do opon rowerowych i zdecydowałem, że będzie to skuteczny gaz pędny.

Krok 3: Materiały

Aby wykonać HAAS, będziesz potrzebować następujących elementów.

Dla ramy:

• Cienkie deski drewniane (lub dowolna lekka i stabilna deska, MDF)
• Długie nakrętki i śruby
• Siatka aluminiowa
• 4x aluminiowy suwak
• 1x rura aluminiowa;
• Kamera 360° (opcja, Samsung Gear 360)
• Duży kawałek materiału i liny (lub model spadochronu rakietowego)

Do mechanizmu uruchamiania

• 2x długie sprężyny
• 1x metalowy pręt
• Cienki drut
• Niektóre płyty aluminiowe
• 1x deska do krojenia chleba
• 1x Arduino Uno (ze złączem USB)
• Czujnik temperatury i ciśnienia (Adafruit BMP085)
• Buzzer piezoelektryczny (Adafruit PS1240)
• Mały silnik (Motorbank GWM12F)
• Przewody połączeniowe
• Sterownik silnika (sterownik silnika z podwójnym mostkiem H L298N)
• Baterie i uchwyt baterii

Dla rakiety powietrznej

• Puszki do napełniania opon rowerowych CO2 (Bontager CO2 gwintowane 16g)
• Kilka puszek aluminiowych (2 na każdą rakietę)
• Płyty akrylowe (lub plastikowe)
• Wstążki
• Opaski elastyczne
• Długie struny
• Kamera akcji (opcjonalnie, kamera akcji Xiaomi)

Narzędzia:

• Pistolet na klej
• Szpachlówka epoksydowa (opcjonalnie)
• Piła/przecinarka diamentowa (opcja)
• drukarka 3D (opcja)
• Wycinarka laserowa lub frezarka CNC (opcjonalnie)

Strzec się! Proszę używać narzędzi ostrożnie i obchodzić się z nimi ostrożnie. Jeśli to możliwe, zaproś kogoś do pomocy i uzyskaj pomoc za pomocą wybranych narzędzi, jeśli nie wiesz, jak z nich korzystać.

Krok 4: Ramka

1. Użyj wycinarki laserowej, frezarki CNC lub dowolnego narzędzia, aby przyciąć cienką drewnianą deskę do kształtu na załączonych zdjęciach. Warstwa wierzchnia składa się z dwóch desek połączonych śrubami do stabilizacji. (W przypadku frezowania lub cięcia laserowego pliki znajdują się poniżej.
2. Wytnij aluminiowe suwaki na równe długości i włóż je w szczeliny wzdłuż wewnętrznego pierścienia każdej warstwy. Za pomocą pistoletu do klejenia przyklej warstwy tak, aby u góry było miejsce na rakietę.
3. Umieść rurę aluminiową na środku warstwy środkowej. Upewnij się, że jest stabilna i jak najbardziej pionowo w stosunku do warstwy.
4. Wywierć otwór w dolnej warstwie i przymocuj opcjonalną kamerę 360°. Zrobiłem zdejmowaną gumową osłonę na aparat, na wypadek, gdyby aparat doznał wstrząsu podczas fazy lądowania.
5. Złóż duży kawałek materiału lub materiału w mniejsze prostokąty i przymocuj 8 lin o równej długości do najdalszych rogów. Przywiąż linę na drugim końcu, aby się nie zaplątała. Spadochron zostanie przymocowany na samym końcu.

Krok 5: Uruchom mechanizm

1. Zrób dwa haki, jeden, aby powiedzieć metalowemu prętowi, a drugi, aby był wyzwalaczem. Wykorzystałem dwa różne projekty: jeden na metalowych płytach, a drugi na drukarce 3D. Zaprojektuj swoje haczyki na podstawie powyższych zdjęć, a pliki do drukowania 3D znajdują się poniżej.

2. Aby móc zwolnić spust i wystrzelić rakietę za pomocą timera lub cyfrowego wysokościomierza, należy wykonać układ Arduino określony na powyższym obrazku. Cyfrowy wysokościomierz można dodać, podłączając te piny.

   • Arduino A5 -> BMP085 SCL
   • Arduino A4 -> BMP085 SDA
   • Arduino +5V -> BMP085 VIN
   • Arduino GND -> BMP085 GND
3. Dodaj obwód do HAAS. Podłącz hak spustu do silnika za pomocą drutu i obróć silnik, aby sprawdzić, czy hak może się płynnie wysunąć.
4. Zmiel koniec cienkiego metalowego pręta i włóż go do aluminiowej rury. Następnie przymocuj dwie długie sprężyny do końca pręta i połącz go z górną warstwą. Zagnij koniec wędki, aby można go było łatwo zaczepić na mechanizmie startowym.
5. Przetestuj kilka razy, aby upewnić się, że wędka startuje płynnie.

Pliki do druku 3D:

Krok 6: Rakieta

1. Przygotuj dwie aluminiowe butelki. Odetnij górną część jednej butelki i dolną część drugiej.
2. Wytnij mały krzyżyk na górze pierwszej butelki i na dnie drugiej butelki.
3. Użyj drutu i tkaniny, aby zrobić uchwyt na kapsułę CO2 na pierwszej butelce.
4. Włóż kapsułę CO2 do górnej części, a następnie wciśnij ją do dna drugiej butelki tak, aby wejście do kapsuły CO2 było skierowane w dół.
5. Zaprojektuj i wytnij płetwy z tworzywa sztucznego lub akrylu, a następnie przyklej je do boku rakiety. Na stożek należy użyć dowolnego preferowanego materiału, w tym przypadku szpachli epoksydowej.
6. Wytnij prostokątny otwór z boku rakiety na opcjonalną kamerę akcji.

Aby zakończyć HAAS, po zainstalowaniu mechanizmu startowego, owinąć aluminiową siatkę wokół ramy, przywiązać ją do małych otworów na zewnętrznej obręczy. Wytnij otwór z boku, aby łatwo sięgnąć do urządzenia. Zrób małą osłonkę na spadochron i umieść ją na wierzchniej warstwie. Złóż spadochron i włóż go do pokrowca.

Krok 7: Kodowanie

Mechanizm startowy można aktywować na dwa różne sposoby: za pomocą timera lub cyfrowego wysokościomierza. Dostarczony jest kod Arduino, więc skomentuj metodę, której nie chcesz używać przed przesłaniem jej do Arduino.

Krok 8: Testowanie

Jeśli używasz timera do wystrzelenia rakiety, przetestuj kilka razy z zapasową kapsułą CO2 po kilku minutach.

Jeśli używasz wysokościomierza, sprawdź, czy mechanizm startowy działa bez rakiety, ustawiając wysokość startu na ~2 metry i wchodząc po schodach. Następnie przetestuj go na większej wysokości startu, wjeżdżając windą (Mój test ustawiono na 37,5 metra). Sprawdź, czy mechanizm startowy faktycznie wystrzeliwuje rakietę, używając metody timera.

W zestawie 12 filmów testowych HAAS

Krok 9: Wyniki

Mam nadzieję, że do tej pory sam próbowałeś zrobić rockoon, a może nawet świętowałeś udany start rakiety. Muszę jednak zgłosić, że moja próba startu zakończyła się niepowodzeniem. Głównym powodem mojej porażki było to, że nie doceniłem ilości helu potrzebnego do podniesienia HAAS. Korzystając ze stosunku masy molowej helu do masy molowej powietrza, a także temperatury i ciśnienia, w przybliżeniu obliczyłem, że potrzebuję trzech zbiorników 20-litrowego helu, ale okazało się, że bardzo się myliłem. Ponieważ jako student ciężko było kupić czołgi z helem, nie dostałem żadnych zapasowych czołgów i nie udało mi się nawet umieścić HAAS powyżej 5 metrów nad ziemią. Tak więc, jeśli jeszcze nie próbowałeś latać swoim rockoonem, oto rada: zdobądź tyle helu, ile tylko możesz. Właściwie, prawdopodobnie rozsądniej byłoby obliczyć potrzebną ilość, biorąc pod uwagę, że ciśnienie i temperatura spadają wraz ze wzrostem wysokości (w naszym zasięgu) i że im więcej pary wodnej, tym mniejszą wyporność będzie miał hel. dostać podwójną kwotę.

W następstwie nieudanego startu zdecydowałem się użyć kamery 360 do uchwycenia wideo z lotu ptaka otaczającej rzeki i parku, więc przywiązałem go do balonu wypełnionego helem długim sznurkiem przymocowanym do dna, a następnie pozwoliłem mu latać. Nieoczekiwanie wiatr na nieco dużej wysokości zmierzał w zupełnie przeciwnym kierunku niż wiatry niższe, a balon z helem dryfował do pobliskiej instalacji elektrycznej. W desperackiej próbie ratowania aparatu i nie uszkadzania przewodów pociągnąłem za dołączoną linę, ale była bezużyteczna; balon już zaplątał się w drut. Jak, u licha, tak wiele rzeczy może pójść nie tak w ciągu jednego dnia? W końcu zadzwoniłem do firmy zajmującej się okablowaniem i poprosiłem o odzyskanie kamery. Zrobili to uprzejmie, chociaż odzyskanie go zajęło mi trzy miesiące. Dla Twojej rozrywki załączam kilka zdjęć i filmów z tego incydentu.

Ten wypadek, choć na początku nie przyszło mi do głowy, ujawnił poważne ograniczenie korzystania z rockoonów. Balonami nie można sterować, przynajmniej nie za pomocą lekkiego i łatwego w sterowaniu mechanizmu, który można zainstalować na HAAS, i dlatego wystrzelenie rakiety na zamierzoną orbitę jest prawie niemożliwe. Ponadto, ponieważ warunki każdego startu są inne i zmieniają się przez cały czas wynurzania, trudno jest przewidzieć ruch rockoonu, który następnie wymaga startu z miejsca, w którym nic wokół niego nie ma przez kilka kilometrów, ponieważ nieudany start może udowodnić być niebezpieczne.

Uważam, że to ograniczenie można przezwyciężyć, opracowując mechanizm nawigacji na płaszczyźnie 3D z wykorzystaniem oporu balonu i interpretując wiatr jako siły wektorowe. Pomysły, o których myślałem, to żagle, sprężone powietrze, śmigła, lepsza konstrukcja ramy itp. Rozwinięciem tych pomysłów będę pracował z moim następnym modelem HAAS i będę się cieszył, że niektórzy z was się rozwiną ich również.

Po odrobinie badań odkryłem, że dwaj główni studenci lotnictwa ze Stanford, Daniel Becerra i Charlie Cox, zastosowali podobny projekt i pomyślnie wystartowali z 30 000 stóp. Materiał z ich premiery można znaleźć na kanale Stanford Youtube. Firmy takie jak JP Aerospace opracowują „Specjalności” na rockoons, projektując i uruchamiając bardziej złożone rockoons na paliwo stałe. Ich system dziesięciu balonów, zwany „Stosem”, jest przykładem różnych ulepszeń w Rockoon. Wierzę, że kilka innych firm będzie pracować nad wytwarzaniem rockoonów w przyszłości jako opłacalny sposób wystrzeliwania rakiet sondujących.

Chciałabym podziękować Profesorowi Kim Kwang Ilowi za wsparcie mnie w trakcie tego projektu, jak również za dostarczenie zasobów i porad. Chciałbym również podziękować moim rodzicom za entuzjastyczne podejście do tego, czym się pasjonuję. Na koniec chciałbym podziękować za przeczytanie tej instrukcji. Mamy nadzieję, że wkrótce w przemyśle kosmicznym rozwinie się technologia przyjazna dla środowiska, umożliwiająca częstsze odwiedzanie cudów świata.