Kuidas teha Rockoon: projekt HAAS: 9 sammu (piltidega)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:50

Selle Instructable'i idee on pakkuda alternatiivset meetodit, olgu see kui tahes ebatõenäoline, kulutõhusate raketiheitmete jaoks. Kuna hiljutised kosmosetehnoloogia arendused on keskendunud kulude vähendamisele, arvasin, et oleks tore tutvustada rockoon laiemale publikule. See juhend on jagatud suures osas nelja ossa: sissejuhatus, disain, ehitamine ja tulemused. Kui soovite jätta vahele rokkoonide kontseptsiooni ja selle, miks ma oma oma nii kujundasin, minge otse hooneosa juurde. Loodan, et teile meeldib, ja mulle meeldiks kuulda teie arvamusi minu projekti kohta või teie enda disaini ja ehituste kohta !!

Samm: taustteave

Entsüklopeedia Astronautica andmetel on rokokoon (rakettidest ja õhupallidest) rakett, mis viiakse esmalt õhku kergema gaasiga täidetud õhupalliga atmosfääri ülemisse ossa, seejärel eraldatakse ja süüdatakse. See võimaldab raketil saavutada väiksema raketikütusega suuremat kõrgust, kuna rakett ei pea liikuma jõu all läbi atmosfääri alumiste ja paksemate kihtide. Algne kontseptsioon loodi Norton Soundi Aerobee tulistamiskruusi ajal märtsis 1949 ja selle käivitas esmakordselt mereväeuuringute büroo James A. Van Alleni juhtimisel.

Kui ma esimest korda oma projekti rockooniga alustasin, polnud mul aimugi, mis see rockoon on. Alles pärast seda, kui olin pärast projekti lõpetamist dokumentatsiooni valmis saanud, sain teada, et sellel minu seadmel oli nimi. Kuna ma olen Lõuna -Korea tudeng, kes on huvitatud kosmosetehnoloogiast, olen ma juba noorest peale pettunud oma riigi raketiarenduses. Kuigi Korea kosmoseagentuur KARI on teinud mitmeid katseid kosmoserakettide püüdmiseks ja üks kord see õnnestus, pole meie tehnoloogia kaugeltki teiste kosmoseagentuuride, nagu NASA, ESA, CNSA või Roscosmos lähedal. Meie esimest raketti Naro-1 kasutati kõigil kolmel stardikatsel, millest kaks kahtlustati ebaõnnestumises etappide eraldamise või kattekihi tõttu. Järgmine valmistatav rakett, Naro-2, on kolmeastmeline rakett, mis paneb mind küsima, kas on mõistlik jagada rakett mitmeks etapiks? Selle eeliseks oleks see, et rakett kaotab etappide eraldamisel olulise massi, suurendades seega raketikütuse efektiivsust. Mitmeastmeliste rakettide väljalaskmine suurendab aga ka võimalust, et stardipakkumine kukub läbi.

See pani mind mõtlema võimalustele, kuidas raketietappe minimeerida, suurendades samal ajal raketikütuse efektiivsust. Rakettide käivitamine lennukitest nagu raketid, põlevmaterjali kasutamine raketilava korpuste jaoks on veel mõned ideed, mis mul tekkisid, kuid üks variant, mis mind köitis, oli kõrgmäestiku stardiplatvorm. Mõtlesin: „Miks ei võiks rakett lihtsalt õhku paisata, enamiku atmosfääri kohal? Rakett võib siis olla üheastmeline kõlav rakett, mis lihtsustaks oluliselt stardiprotsessi ja vähendaks kulusid.” Niisiis, otsustasin ise konstrueerida ja ehitada rockoon kontseptsiooni tõestuseks ning jagada seda juhendit, et saaksite kõik seda soovi korral proovida.

Minu ehitatud mudelit nimetatakse HAAS -iks, lühendatult High Altitude Aerial Spaceportist, lootuses, et ühel päeval ei ole rockoons pelgalt ajutine raketiplatvorm, vaid alaline platvorm, mida kasutatakse kosmoserakettide stardiks, tankimiseks ja maandumiseks..

2. samm: disain

Kujundasin HAAS -i intuitiivsete kujundite ja põhiarvutuste põhjal

Arvutused:

Kasutades NASA juhendit teemal "Kõrgõhupalli projekteerimine", arvutasin välja, et mul on vaja umbes 60 liitrit heeliumi, et tõsta maksimaalselt 2 kg, mis on HAAS -i kaalule seatud ülempiir, arvestades, et temperatuur ja kõrgus mõjutavad heeliumi ujuvjõud, nagu on mainitud Michele Trancossi raamatus "Kõrguse ja temperatuuri mõju vesinikuõhulaeva helitugevuse reguleerimisele". Sellest aga ei piisanud, millest räägin lähemalt, kuid see oli sellepärast, et ma ei võtnud arvesse veeauru mõju heeliumi ujuvusele.

Raam:

• Silindrikujuline, et vähendada tuule mõju
• Kolm kihti (üleval raketi hoidmiseks, keskel stardimehhanismi jaoks, all 360 kaamera jaoks)
• Paks keskmine kiht lisab stabiilsust
• Vertikaalsed rööpad raketi paigutamiseks ja juhtimiseks
• 360 ° kaamera filmimiseks
• Kokkupandav langevari turvaliseks
• Õhuke silindriline heeliumiballoon raketi minimaalse nihke nurga jaoks

Käivita mehhanism

• Mikroprotsessor: Arduino Uno
• Käivitusmeetodid: taimer / digitaalne kõrgusmõõtur

• Raketikütuse aktiveerimise meetod: torgatakse auk kõrgsurve CO2 kapslisse

  • Vedrude külge kinnitatud metallist teravik
  • Vabastusmehhanism koosneb kahest konksust
  • Vabaneb mootori liikumise tõttu
• Elektrooniliste seadmete kaitse madalamate temperatuuride eest

Mõtlesin välja mitu meetodit, kuidas naelu mootori liigutusega vabastada.

Kasutades võtmega ketilukuluku sarnast konstruktsiooni, võib piigi käivitada, tõmmates metallplaati, kuni otsaklahv joondub suurema avaga. Hõõrdumine osutus aga liiga tugevaks ja mootor ei suutnud plaati liigutada.

Veel üks lahendus oli konksu hoidmine naastust ja tihvt, mis lukustas konksu paigalseisva objekti külge. Nagu tulekustuti haaknõela tagurpidi, annaks tihvt välja tõmmates konks teed ja käivitaks teraviku. See disain tekitas ka liiga palju hõõrdumist.

Praegune disain, mida ma kasutan, on kahe konksu kasutamine, mis sarnaneb relva päästikuga. Esimene konks hoiab naastust kinni, teine konks jääb esimese konksu tagaküljele väikese nipi vahele. Vedrude rõhk hoiab konksud paigas ja mootoril on piisav pöördemoment sekundaarkonksu avamiseks ja raketi käivitamiseks.

Rakett:

• Propellent: Survestatud CO2
• Minimeerige kaal
• Kehasse integreeritud tegevuskaamera
• Vahetatav CO2 -kapsel (korduvkasutatav rakett)
• Kõik mudelrakettide põhijooned (nina, silindriline kere, uimed)

Kuna tahke raketikütus ei olnud asustatud piirkonnas käivitamiseks parim valik, pidin valima muud tüüpi raketikütuse. Kõige tavalisemad alternatiivid on suruõhk ja vesi. Kuna vesi võib pardal olevat elektroonikat kahjustada, pidi raketikütuseks olema suruõhk, kuid isegi väike õhupump oli liiga raske ja tarbis HAAS -i jaoks liiga palju elektrit. Õnneks mõtlesin paar päeva tagasi oma jalgrattarehvide jaoks ostetud mini CO2 kapslitele ja otsustasin, et see on tõhus raketikütus.

3. samm: materjalid

HAAS -i tegemiseks vajate järgmist.

Raami jaoks:

• Õhukesed puitplaadid (või mis tahes kerge ja stabiilne plaat, MDF)
• Pikad mutrid ja poldid
• Alumiiniumvõrk
• 4x alumiiniumist liugur
• 1x alumiiniumtoru
• 360 ° kaamera (valikuline, Samsung Gear 360)
• Suur riidetükk ja köis (või mudelraketi langevari)

Käivitusmehhanismi jaoks

• 2x pikad vedrud
• 1x metallvarras
• Õhuke traat
• Mõned alumiiniumplaadid
• 1x leivalaud
• 1x Arduino Uno (USB -pistikuga)
• Temperatuuri- ja rõhuandur (Adafruit BMP085)
• Pietsosummer (Adafruit PS1240)
• Väike mootor (Motorbank GWM12F)
• Jumper juhtmed
• Mootori kontroller (L298N Dual H-Bridge mootorikontroller)
• Patareid ja akuhoidik

Õhuraketi jaoks

• CO2 jalgratta rehvide täitmise purgid (Bontager CO2 keermestatud 16g)
• Mitu alumiiniumist purki (2 iga raketi kohta)
• Akrüülplaadid (või plastist)
• Paelad
• Elastsed ribad
• Pikad nöörid
• Tegevuskaamera (valikuline, Xiaomi tegevuskaamera)

Tööriistad:

• Liimipüstol
• Epoksüpahtel (valikuline)
• Sae-/teemantlõikur (valikuline)
• 3D -printer (valikuline)
• Laserlõikur või CNC freespink (valikuline)

Ettevaatust! Palun kasutage tööriistu ettevaatlikult ja käsitsege ettevaatlikult. Paluge võimalusel aidata kedagi teist ja hankige abi valitud tööriistade abil, kui te ei tea, kuidas neid kasutada.

4. samm: raamimine

1. Kasutage laserlõikurit, CNC -freesi või mõnda muud eelistatud tööriista, et lõigata õhuke puitplaat lisatud piltidel olevaks kujuks. Ülemine kiht koosneb kahest plaadist, mis on stabiliseerimiseks poltidega ühendatud. (Freesimiseks või laserlõikamiseks on failid esitatud allpool.
2. Lõigake alumiiniumist liugurid võrdseteks pikkusteks ja sisestage need pragudesse mööda iga kihi sisemist rõngast. Kleepige kihid liimipüstoli abil nii, et ülaosas oleks ruumi raketile.
3. Asetage alumiiniumtoru keskmise kihi keskele. Veenduge, et see oleks stabiilne ja võimalikult kihi suhtes vertikaalne.
4. Puurige auk alumisse kihti ja kinnitage lisavarustusse kuuluv 360 ° kaamera. Tegin kaamerale eemaldatava kummikatte, juhuks kui kaamera maandumisfaasis löögi saab.
5. Voldi suur kangatükk või riie väiksemateks ristkülikuteks ja kinnita 8 võrdse pikkusega köit kõige kaugemate nurkade külge. Siduge köis kaugemasse otsa, et see sassi ei läheks. Langevari kinnitatakse päris lõpus.

5. samm: käivitage mehhanism

1. Tehke kaks konksu, millest üks ütles metallvardale ja teine oli päästik. Kasutasin kahte erinevat kujundust: üks metallplaate ja teine 3D -printerit. Kujundage oma konksud ülaltoodud piltide põhjal ja 3D -printimisfailid on lingitud allpool.

2. Päästiku vabastamiseks ja raketi käivitamiseks, kasutades taimerit või digitaalset kõrgusemõõtjat, tuleb teha ülaltoodud pildil näidatud Arduino ahel. Neid kontakte ühendades saab lisada digitaalse kõrgusemõõtja.

   • Arduino A5 -> BMP085 SCL
   • Arduino A4 -> BMP085 SDA
   • Arduino +5V -> BMP085 VIN
   • Arduino GND -> BMP085 GND
3. Lisage vooluring HAAS -i. Ühendage juhtkonks mootoriga juhtmega ja pöörake mootorit, et kontrollida, kas konks saab sujuvalt välja libiseda.
4. Jahvatage õhukese metallvarda ots ja sisestage see alumiiniumtorusse. Seejärel kinnitage varda otsa kaks pikka vedru ja ühendage see ülemise kihiga. Painutage varda ots nii, et seda saaks hõlpsasti käivitusmehhanismi külge haakida.
5. Proovige paar korda, et veenduda, et varras käivitub sujuvalt.

3D -printimise failid:

6. samm: rakett

1. Valmistage ette kaks alumiiniumpudelit. Lõika ühe pudeli ülemine osa ja teise alumine osa.
2. Lõika kerge rist esimese pudeli ülaosast ja teise pudeli põhjast.
3. Kasutage traati ja lappi, et teha esimese pudeli CO2 -kapslihoidik.
4. Sisestage CO2 kapsel ülemisse ossa ja pigistage see teise pudeli põhja nii, et CO2 kapsli sissepääs oleks allapoole.
5. Kujundage ja lõigake uimed plastiku või akrüüliga, seejärel liimige need raketi küljele. Kasutage koonuse jaoks mis tahes eelistatud materjali, antud juhul epoksüpahtlit.
6. Lõigake raketi küljele ristkülikukujuline auk lisavarustusse kuuluva tegevuskaamera jaoks.

HAAS -i lõpetamiseks mähkige pärast käivitusmehhanismi paigaldamist alumiiniumvõrk raami ümber, seo see välise velje väikeste aukudega. Lõigake küljele auk, et hõlpsasti seadmesse pääseda. Tehke langevarju jaoks väike ümbris ja asetage see pealmisele kihile. Keerake langevari kokku ja pange see korpusesse.

Samm: kodeerimine

Käivitusmehhanismi saab aktiveerida kahel erineval viisil: taimeriga või digitaalse kõrgusemõõtjaga. Pakutakse Arduino koodi, nii et kommenteerige meetodit, mida te ei soovi kasutada, enne selle Arduinole üleslaadimist.

8. etapp: testimine

Kui kasutate raketi käivitamiseks taimerit, proovige mõni minut mõne minuti jooksul varukoopiakapsliga.

Kui kasutate kõrgusemõõtjat, kontrollige, kas stardimehhanism töötab ilma raketita, määrates stardikõrguseks ~ 2 meetrit ja kõndides trepist üles. Seejärel katsetage seda kõrgemal stardikõrgusel, minnes liftiga üles (minu test oli 37,5 meetrit). Kontrollige, kas stardimehhanism tegelikult raketi käivitab, kasutades taimeri meetodit.

Kaasas on 12 HAASi testimisvideot

9. samm: tulemused

Loodetavasti olete nüüdseks proovinud ise rockoonit teha ja ehk isegi tähistanud edukat raketiheitmist. Pean aga teatama, et minu stardikatse lõppes ebaõnnestumisega. Minu ebaõnnestumise peamine põhjus oli see, et alahindasin HAASi tõstmiseks vajalikku heeliumi kogust. Kasutades heeliumi molaarmassi ja õhu molaarmassi suhet, samuti temperatuuri ja rõhku, olin umbes välja arvutanud, et vajan kolme paaki 20L heeliumgaasi, kuid sain teada, et eksisin kohutavalt. Kuna üliõpilasena oli raske heeliumimahuteid osta, ei saanud ma ühtegi varumahutit ega suutnud isegi HAASi maapinnast kõrgemale tõsta. Niisiis, kui te pole veel proovinud oma rockooniga lennata, siis siin on nõuanne: hankige nii palju heeliumi kui võimalik. Tegelikult oleks ilmselt mõistlikum, kui arvutaksite vajaliku koguse, võttes arvesse, et rõhk ja temperatuur vähenevad kõrguse kasvades (meie lennuväli piires) ning et mida rohkem on veeauru, seda vähem on heeliumil ujuvust. saada kaks korda rohkem.

Ebaõnnestunud stardi järel otsustasin 360 -kraadise kaamera abil jäädvustada ümbritseva jõe ja pargi õhuvideo, nii et sidusin selle põhja külge kinnitatud pika nööriga heeliumipalli külge ja lasin siis lennata. Ootamatult suundus veidi kõrgel asuv tuul madalamate tuultega täiesti vastupidises suunas ja heeliumiballoon triivis läheduses asuvasse elektrijuhtmestikku. Meeleheitlikul katsel oma kaamerat päästa ja juhtmestikku mitte kahjustada, tõmbasin kinnitatud trossi, kuid see oli kasutu; õhupall oli juba traadi vahele jäänud. Kuidas saab Maa peal ühe päevaga nii palju asju valesti minna? Lõpuks helistasin juhtmestikku ja palusin neil kaamera kätte saada. Sõbralikult nad seda tegid, kuigi mul kulus selle tagasisaamiseks kolm kuud. Teie lõbustuseks on lisatud mõned fotod ja videod sellest juhtumist.

See õnnetus, kuigi see mulle esialgu pähe ei tulnud, paljastas rokkoonide kasutamise tõsise piirangu. Õhupalle ei saa juhtida, vähemalt mitte kerge ja hõlpsasti juhitava mehhanismiga, mida saab HAAS-ile paigaldada, ja seetõttu on raketi kavandatud orbiidile saatmine peaaegu võimatu. Samuti, kuna iga stardi tingimused on erinevad ja muutuvad kogu tõusu ajal, on rockoon'i liikumist raske ennustada, mis eeldab, et start tehakse mitme kilomeetri kaugusel kohas, kus pole midagi ümber, sest ebaõnnestunud start võib tõestada ohtlikuks.

Usun, et sellest piirangust saab üle, kui arendada mehhanism 3D -tasapinnal navigeerimiseks õhupalli tõmbega ja tõlgendada tuult vektorjõududena. Ideed, millele olen mõelnud, on purjed, suruõhk, propellerid, parem raamikujundus jne. Nende ideede väljatöötamisega tegelen ma oma järgmise HAASi mudeli kallal ja ootan huviga, et mõned teist areneksid neid samuti.

Veidi uurides leidsin, et kaks Stanfordi kosmosetööstuse suurtootjat, Daniel Becerra ja Charlie Cox, kasutasid sarnast disaini ja nende käivitamine õnnestus 30 000 jala kõrguselt. Nende stardikaadrid leiate Stanfordi Youtube'i kanalist. Sellised ettevõtted nagu JP Aerospace arendavad rokkoonide erialasid, kavandades ja käivitades keerukamaid tahke kütusega rokokoone. Nende kümne õhupalli süsteem nimega "The Stack" on näide rockoon mitmesugustest täiustustest. Usun, et kulutõhusa viisina kõlavate rakettide käivitamiseks töötavad mitmed teised ettevõtted tulevikus rokkonite valmistamise nimel.

Tahaksin tänada professor Kim Kwang Il'i, kes toetas mind kogu selle projekti vältel, samuti pakkus ressursse ja nõustas. Tahaksin tänada ka oma vanemaid, kes olid vaimustuses sellest, mis mind kirglikult huvitab. Lõpuks tahaksin tänada teid selle juhendi lugemise eest. Loodetavasti hakatakse kosmosetööstuses peagi välja töötama keskkonnasõbralikku tehnoloogiat, mis võimaldab sagedamini külastada sealseid imesid.