Kuinka tehdä Rockoon: Project HAAS: 9 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:03

Tämän Instructable-ohjelman idea on tarjota vaihtoehtoinen menetelmä, vaikka se tuntuisi epätodennäköiseltä, kustannustehokkaille rakettien laukaisuille. Kun viimeaikainen avaruusteknologian kehitys on keskittynyt kustannusten alentamiseen, ajattelin, että olisi hienoa esitellä rockoon laajemmalle yleisölle. Tämä ohjekirja on jaettu suurelta osin neljään osaan: johdanto, suunnittelu, rakentaminen ja tulokset. Jos haluat ohittaa rockoons -käsitteen ja miksi suunnittelin omani niin kuin tein, siirry suoraan rakennusosaan. Toivottavasti pidät, ja haluaisin kuulla sinusta ajatuksiasi projektistani tai omasta suunnittelustasi ja rakenteistasi !!

Vaihe 1: Taustatiedot

Encyclopedia Astronautican mukaan rockoon (raketista ja ilmapallosta) on raketti, joka ensin kuljetetaan ilmakehän yläosaan ilmaa kevyemmällä kaasulla täytetyllä ilmapallolla, sitten erotetaan ja sytytetään. Tämä mahdollistaa sen, että raketti saavuttaa suuremman korkeuden pienemmällä ponneaineella, koska sen ei tarvitse liikkua voiman alla ilmakehän alempien ja paksummien kerrosten läpi. Alkuperäinen konsepti suunniteltiin Norton Soundin Aerobee -polttimen aikana maaliskuussa 1949, ja sen käynnisti ensimmäisen kerran merivoimien tutkimusryhmä James A. Van Allenin johdolla.

Kun aloitin projektini rockoonilla, minulla ei ollut aavistustakaan, mikä rockoon oli. Vasta kun olin saanut asiakirjat valmiiksi projektini jälkeen, huomasin, että tälle tekemälleni laitteelle oli nimi. Etelä -Korean opiskelijana, joka on kiinnostunut avaruustekniikasta, olen ollut turhautunut kotimaani rakettikehitykseen nuoruudestani lähtien. Vaikka Korean avaruusjärjestö KARI on tehnyt useita yrityksiä avaruuteen laukaisussa, ja onnistui kerran, teknologiamme ei ole lähelläkään muita avaruusjärjestöjä, kuten NASA, ESA, CNSA tai Roscosmos. Ensimmäistä rakettiamme, Naro-1, käytettiin kaikkiin kolmeen laukaisuyritykseen, joista kahden epäillään epäonnistuneen vaiheiden erottamisen tai suojauksen vuoksi. Seuraava valmistettava raketti, Naro-2, on kolmivaiheinen raketti, mikä saa minut miettimään, onko järkevää jakaa raketti useisiin vaiheisiin? Tämän hyödyt olisivat, että raketti menettää merkittävää massaa, kun portaat erotetaan toisistaan, mikä lisää ponneaineen tehokkuutta. Kuitenkin monivaiheisten rakettien laukaisu lisää myös mahdollisuutta, että laukaisu päätyy epäonnistumiseen.

Tämä sai minut miettimään tapoja minimoida rakettivaiheita ja maksimoida ponneaineiden hyötysuhde. Rakettien laukaiseminen lentokoneista, kuten ohjuksista, tulenarkaa materiaalia rakettivaiheiden runkoihin varten, oli muutamia muita ajatuksiani, mutta yksi vaihtoehto, joka houkutteli minua, oli korkean tason laukaisualusta. Ajattelin:”Miksei raketti voisi vain laukaista heliumpallosta, suurimman osan ilmakehästä? Raketti voi tällöin olla yksivaiheinen kuulostava raketti, joka yksinkertaistaisi laukaisuprosessia merkittävästi ja alentaisi kustannuksia.” Niinpä päätin suunnitella ja rakentaa rockoon itse todisteeksi konseptista ja jakaa tämän käyttöohjeen, jotta voitte kaikki kokeilla sitä, jos haluatte.

Rakentamani malli on nimeltään HAAS, lyhenne sanoista High Altitude Aerial Spaceport, siinä toivossa, että jonain päivänä rockoons ei ole vain väliaikainen laukaisualusta raketeille, vaan pysyvä alusta, jota käytetään avaruuden laukaisukoneiden laukaisuun, tankkaukseen ja laskuun..

Vaihe 2: Suunnittelu

Suunnittelin HAASin intuitiivisten muotojen ja peruslaskelmien perusteella

Laskelmat:

Käyttäen NASAn opasta aiheesta "Suunnittele korkean tason ilmapallo" laskin, että tarvitsen noin 60 litraa heliumia nostaaksesi korkeintaan 2 kiloa, joka on HAAS -painolle asetettu yläraja ottaen huomioon, että lämpötila ja korkeus vaikuttavat heliumin kelluvuusvoima, kuten Michele Trancossin teoksessa "Korkeuden ja lämpötilan vaikutus vetyilmalaivan äänenvoimakkuuden säätöön" mainitaan. Tämä ei kuitenkaan riittänyt, mistä puhun tarkemmin, mutta se johtui siitä, että en ottanut huomioon vesihöyryn vaikutusta heliumin kelluvuuteen.

Runko:

• Lieriömäinen muoto tuulen vaikutuksen minimoimiseksi
• Kolme kerrosta (ylhäältä raketin pitämiseksi, keskellä laukaisumekanismilta, alhaalta 360 -kameralle)
• Paksu keskikerros lisää vakautta
• Pystysuorat kiskot rakettien sijoittamiseen ja ohjaamiseen
• 360 asteen kamera kuville
• Taitettava laskuvarjo takaa turvallisen kunnon
• Ohut lieriömäinen heliumpallo rakettien siirtymiskulman minimoimiseksi

Käynnistysmekanismi

• Mikroprosessori: Arduino Uno
• Käynnistysmenetelmät: Ajastin / digitaalinen korkeusmittari
• Menetelmä ponneaineen aktivoimiseksi: Lävistämällä reikä korkeapaineisessa CO2-kapselissa
  • Metallinen piikki kiinnitetty jousiin
  • Irrotusmekanismi koostuu kahdesta koukusta
  • Vapautuu moottorin liikkeen vuoksi
• Elektronisten laitteiden suojaus alhaisilta lämpötiloilta

Keksin useita tapoja irrottaa piikki moottorin liikkeellä.

Piikki voidaan laukaista vetämällä metallilevyä vetämällä metallilevyä, kunnes pääavain on kohdakkain suuremman reiän kanssa. Kitka osoittautui kuitenkin liian vahvaksi, eikä moottori voinut liikuttaa levyä.

Toinen ratkaisu oli saada koukku kiinni piikistä ja tappi, joka lukitsee koukun paikallaan olevaan esineeseen. Kuten sammuttimen turvatapin kääntöpuoli, koukku antaisi tien ja käynnistäisi piikin, kun tappi vedetään ulos. Tämä malli tuotti myös liikaa kitkaa.

Nykyinen mallini, jota käytän, on käyttää kahta koukkua, jotka ovat samanlaisia kuin pistoolin liipaisin. Ensimmäinen koukku tarttuu piikkiin, kun taas toinen koukku tarttuu pieneen reikään ensimmäisen koukun takana. Jousien paine pitää koukut paikallaan, ja moottorilla on riittävä vääntömomentti toissijaisen koukun lukituksen avaamiseksi ja raketin laukaisemiseksi.

Raketti:

• Polttoaine: Paineistettu CO2
• Minimoi paino
• Toimintakamera integroitu runkoon
• Vaihdettava CO2 -kapseli (uudelleenkäytettävä raketti)
• Kaikki mallirakettien pääominaisuudet (nenä, lieriömäinen runko, evät)

Koska kiinteä rakettipolttoaine ei ollut paras vaihtoehto laukaista asutuilla alueilla, minun oli valittava muun tyyppinen ponneaine. Yleisimmät vaihtoehdot ovat paineilma ja vesi. Koska vesi voi vahingoittaa koneen elektroniikkaa, paineilman piti olla ponneainetta, mutta jopa minipumppu oli liian raskas ja kulutti liikaa sähköä HAAS -laitteeseen. Onneksi ajattelin pieniä CO2 -kapseleita, jotka olin ostanut muutama päivä sitten pyöräni renkaille, ja päätin, että se olisi tehokas ponneaine.

Vaihe 3: Materiaalit

Jotta voit tehdä HAAS: n, tarvitset seuraavat asiat.

Kehykselle:

• Ohuet puulevyt (tai mikä tahansa kevyt ja vakaa levy, MDF)
• Pitkät mutterit ja pultit
• Alumiiniverkko
• 4x alumiininen liukusäädin
• 1x alumiiniputki
• 360 asteen kamera (valinnainen, Samsung Gear 360)
• Suuri pala kangasta ja köyttä (tai mallirakettivarjo)

Käynnistysmekanismille

• 2x pitkät jouset
• 1x metallitanko
• Ohut lanka
• Jotkut alumiinilevyt
• 1x leipälauta
• 1x Arduino Uno (USB -liittimellä)
• Lämpötila- ja paineanturi (Adafruit BMP085)
• Pietsosummeri (Adafruit PS1240)
• Pieni moottori (Motorbank GWM12F)
• Hyppyjohdot
• Moottorin ohjain (L298N Dual H-Bridge Motor Controller)
• Akut ja paristopidike

Ilmaraketille

• CO2 -pyörän renkaiden täyttöpakkaukset (Bontager CO2 Threaded 16g)
• Useita alumiinipurkkeja (2 kustakin raketista)
• Akryylilevyt (tai muovi)
• Nauhat
• Kuminauhat
• Pitkät merkkijonot
• Toimintakamera (valinnainen, Xiaomi Action Camera)

Työkalut:

• Liimapistooli
• Epoksikitti (valinnainen)
• Saha-/timanttileikkuri (valinnainen)
• 3D -tulostin (valinnainen)
• Laserleikkuri tai CNC -jyrsinkone (valinnainen)

Ole varuillasi! Käytä työkaluja varoen ja käsittele niitä varoen. Pyydä joku muu auttamaan, jos mahdollista, ja hae apua tiettyjen työkalujen avulla, jos et tiedä kuinka niitä käyttää.

Vaihe 4: Kehys

1. Käytä laserleikkuria, CNC -jyrsintäkonetta tai mitä tahansa haluamaasi työkalua leikkaamaan ohut puulevy muotoon liitteenä olevissa kuvissa. Yläkerros koostuu kahdesta levystä, jotka on yhdistetty pultteilla vakauttamiseksi. (Jyrsintää tai laserleikkausta varten tiedostot ovat alla.
2. Leikkaa alumiiniset liukusäätimet yhtä pitkiksi ja työnnä ne rakoihin kunkin kerroksen sisärengasta pitkin. Kiinnitä kerrokset liimapistoolilla niin, että yläosassa on tilaa rakettille.
3. Aseta alumiiniputki keskikerroksen keskelle. Varmista, että se on vakaa ja mahdollisimman pystysuora kerrokseen nähden.
4. Poraa reikä pohjakerrokseen ja kiinnitä valinnainen 360 asteen kamera. Tein kameralle irrotettavan kumisuojuksen, jos kamera saa iskun laskeutumisvaiheen aikana.
5. Taita suuri kangas tai kangas pienempiin suorakulmioihin ja kiinnitä 8 yhtä pitkää köyttä kauimpiin kulmiin. Sido köysi kauimmasta päästä, jotta se ei sotkeudu. Laskuvarjo kiinnitetään aivan lopussa.

Vaihe 5: Käynnistä mekanismi

1. Tee kaksi koukkua, joista toinen kertoi metallitankoon ja toinen liipaisimeen. Käytin kahta eri mallia: toisessa metallilevyjä ja toisessa 3D -tulostinta. Suunnittele koukut yllä olevien kuvien perusteella, ja 3D -tulostustiedostot on linkitetty alla.

2. Jotta liipaisin voidaan vapauttaa ja raketti laukaista joko ajastimella tai digitaalisella korkeusmittarilla, on tehtävä yllä olevassa kuvassa määritetty Arduino -piiri. Digitaalinen korkeusmittari voidaan lisätä yhdistämällä nämä nastat.

   • Arduino A5 -> BMP085 SCL
   • Arduino A4 -> BMP085 SDA
   • Arduino +5V -> BMP085 VIN
   • Arduino GND -> BMP085 GND
3. Lisää piiri HAASiin. Liitä liipaisimen koukku moottoriin vaijerilla ja pyöritä moottoria testataksesi, voiko koukku liukua tasaisesti ulos.
4. Jauhaa ohut metallitanko pää ja työnnä se alumiiniputkeen. Kiinnitä sitten kaksi pitkää jousta tangon päähän ja liitä se yläkerrokseen. Taivuta tangon pää niin, että se voidaan helposti kiinnittää laukaisumekanismiin.
5. Testaa muutaman kerran varmistaaksesi, että sauva käynnistyy tasaisesti.

3D -tulostustiedostot:

Vaihe 6: Raketti

1. Valmista kaksi alumiinipulloa. Leikkaa yhden pullon yläosa ja toisen alaosa.
2. Leikkaa pieni risti ensimmäisen pullon yläosaan ja toisen pullon pohjaan.
3. Tee langan ja kankaan avulla pidike ensimmäisen kapselin CO2 -kapselille.
4. Aseta CO2 -kapseli yläosaan ja purista se toisen pullon pohjaan niin, että CO2 -kapselin sisäänmeno on alaspäin.
5. Suunnittele ja leikkaa evät muovilla tai akryylillä ja liimaa ne sitten raketin sivulle. Käytä kartiolle mitä tahansa edullista materiaalia, tässä tapauksessa epoksikittiä.
6. Leikkaa suorakulmainen reikä raketin sivulle valinnaista toimintakameraa varten.

Lopeta HAAS -järjestelmä viimeistelemällä laukaisumekanismin asennuksen jälkeen alumiiniverkko rungon ympärille ja sitomalla se ulkoreunan pieniin reikiin. Leikkaa sivulle reikä, jotta pääset helposti laitteeseen. Tee pieni kuori laskuvarjolle ja aseta se yläkerroksen päälle. Taita laskuvarjo ylös ja aseta se koteloon.

Vaihe 7: Koodaus

Käynnistysmekanismi voidaan aktivoida kahdella eri tavalla: ajastimella tai digitaalisella korkeusmittarilla. Arduino -koodi on mukana, joten kommentoi menetelmä, jota et halua käyttää, ennen kuin lataat sen Arduinoosi.

Vaihe 8: Testaus

Jos käytät ajastinta raketin laukaisemiseen, testaa muutaman kerran ylimääräisellä CO2 -kapselilla muutaman minuutin kuluttua.

Jos käytät korkeusmittaria, testaa, toimiiko laukaisumekanismi ilman rakettia asettamalla laukaisukorkeudeksi ~ 2 metriä ja kävelemällä portaita ylös. Testaa sitten korkeammalla käynnistyskorkeudella nousemalla hissillä (testini oli 37,5 metriä). Testaa, että laukaisumekanismi todella laukaisee raketin käyttämällä ajastinmenetelmää.

Mukana on 12 HAAS -testausvideota

Vaihe 9: Tulokset

Toivottavasti olet nyt yrittänyt tehdä rockoonin itse ja ehkä jopa juhlinut onnistunutta raketin laukaisua. Minun on kuitenkin ilmoitettava, että käynnistysyritykseni päättyi epäonnistumiseen. Suurin syy epäonnistumiseen oli se, että aliarvioin HAAS: n nostamiseen tarvittavan heliumin määrän. Käyttämällä heliumin moolimassan suhdetta ilman moolimassaan sekä lämpötilaa ja painetta olin laskenut suunnilleen, että tarvitsen kolme säiliötä 20 litran heliumkaasua, mutta huomasin olevani kauhean väärässä. Koska opiskelijana oli vaikea ostaa heliumsäiliöitä, en saanut vara -säiliöitä, enkä edes saanut HAASia yli 5 metrin korkeuteen maasta. Joten, jos et ole vielä yrittänyt lentää rockooniasi, tässä on neuvo: hanki niin paljon heliumia kuin pystyt käsiin. Itse asiassa olisi luultavasti järkevämpää laskea tarvittava määrä ottaen huomioon, että paine ja lämpötila laskevat korkeuden kasvaessa (lentämisalueellamme) ja että mitä enemmän vesihöyryä on, sitä vähemmän heliumia on saada kaksinkertainen määrä.

Epäonnistuneen laukaisun jälkeen päätin ottaa 360 -kameran avulla ilmavideon ympäröivästä joesta ja puistosta, joten sidoin sen heliumpalloon pitkällä narulla pohjassa ja annoin sen lentää. Yllättäen tuuli hieman korkeassa suunnassa oli suunnassa päinvastaiseen suuntaan kuin alemmat tuulet, ja heliumpallo ajautui lähellä olevaan sähköjohtoon. Epätoivoisesti yrittäessäni pelastaa kamerani eikä vahingoittaa johtoja, vedin kiinnitettyä köyttä, mutta se oli hyödytön; ilmapallo oli jo kiinni langassa. Miten ihmeessä niin monta asiaa voi mennä pieleen yhdessä päivässä? Lopulta soitin johtoyhtiöön ja pyysin heitä noutamaan kameran. Ystävällisesti he tekivät, vaikka kesti kolme kuukautta saada se takaisin. Ohessa on huviksesi muutamia kuvia ja videoita tästä tapauksesta.

Tämä onnettomuus, vaikka se ei aluksi tullut mieleeni, paljasti vakavan rajoituksen rockoonien käytölle. Ilmapalloja ei voida ohjata, ainakaan kevyellä ja helposti hallittavalla mekanismilla, joka voidaan asentaa HAAS-järjestelmään, ja siksi on lähes mahdotonta laukaista raketti aiotulle kiertoradalle. Lisäksi koska jokaisen laukaisun olosuhteet ovat erilaiset ja muuttuvat jatkuvasti nousun aikana, on vaikea ennustaa rockoonin liikettä, mikä edellyttää sitten, että laukaisu suoritetaan paikassa, jossa ei ole mitään ympärillä useita kilometrejä, koska epäonnistunut laukaisu voi osoittautua olla vaarallinen.

Uskon, että tämä rajoitus voidaan voittaa kehittämällä mekanismi navigoida 3D -tasossa ilmapalloa vasten ja tulkita tuuli vektorivoimiksi. Ideoita, joita olen ajatellut, ovat purjeet, paineilma, potkurit, parempi runkosuunnittelu jne. Näiden ideoiden kehittäminen on asia, jota aion käsitellä seuraavan HAAS -mallini kanssa, ja odotan innolla, että osa teistä kehittää myös heitä.

Hieman tutkittuani havaitsin, että kaksi Stanfordin ilmailu- ja avaruusalan suurta yritystä, Daniel Becerra ja Charlie Cox, käyttivät samanlaista muotoilua, ja niiden laukaisu onnistui 30 000 jalasta. Heidän julkaisukuvansa löytyy Stanfordin Youtube -kanavalta. JP Aerospace -yhtiön kaltaiset yritykset kehittävät "erikoisuuksia" rockooneilla, suunnittelevat ja lanseeraavat monimutkaisempia, kiinteällä polttoaineella varustettuja rockooneja. Heidän kymmenen ilmapallojärjestelmänsä, nimeltään "The Stack", on esimerkki erilaisista parannuksista rockoonissa. Uskon, että kustannustehokkaana keinona laukaista kuulostavia raketteja, monet muut yritykset pyrkivät tulevaisuudessa tekemään rockooneja.

Haluan kiittää professori Kim Kwang Ilia siitä, että hän on tukenut minua koko projektin ajan sekä antanut resursseja ja neuvoja. Haluan myös kiittää vanhempiani siitä, että he ovat innostuneita siitä, mistä olen intohimoinen. Viimeisenä, mutta ei vähäisimpänä, haluan kiittää sinua tämän oppaiden lukemisesta. Toivottavasti avaruusalalla kehitetään pian ympäristöystävällistä tekniikkaa, joka mahdollistaa useamman vierailun siellä oleviin ihmeisiin.