How to Make a Rockoon: Project HAAS: 9 Steps (with Pictures)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:23

Myšlenkou tohoto Instructable je poskytnout alternativní metodu, jakkoli se to může zdát nepravděpodobné, pro nákladově efektivní starty raket. Vzhledem k tomu, že se nedávný vývoj vesmírných technologií zaměřuje na snižování nákladů, řekl jsem si, že by bylo skvělé představit rockoon širšímu publiku. Tento Instructables je z velké části rozdělen do čtyř částí: úvod, design, budova a výsledky. Pokud chcete přeskočit koncept rockoonů a proč jsem navrhl svůj tak, jak jsem to udělal, jděte rovnou do stavební části. Doufám, že se vám bude líbit, a rád bych od vás slyšel vaše myšlenky na můj projekt nebo na váš vlastní design a stavby !!

Krok 1: Základní informace

Podle Encyclopedia Astronautica je rockoon (z rakety a balónu) raketa, která je nejprve přenesena do horních vrstev atmosféry balónem naplněným plynem lehčím než vzduch, poté se oddělí a zapálí. To umožňuje raketě dosáhnout vyšší nadmořské výšky s méně hnacím plynem, protože raketa se nemusí pohybovat pod energií skrz spodní a silnější vrstvy atmosféry. Původní koncept byl koncipován během vypalovací akce Aerobee z Norton Sound v březnu 1949 a byl poprvé zahájen skupinou Office of Naval Research pod Jamesem A. Van Allenem.

Když jsem poprvé zahájil svůj projekt na rockoonu, netušil jsem, co je to rockoon. Teprve poté, co jsem dokončil dokumentaci po svém projektu, jsem zjistil, že pro toto zařízení, které jsem vytvořil, existuje název. Jako jihokorejský student, který se zajímá o vesmírné technologie, jsem byl od mládí frustrován vývojem raket své země. Ačkoli korejská vesmírná agentura KARI provedla několik pokusů o vesmírné nosné rakety a jednou uspěla, naše technologie není nikde poblíž jiných vesmírných agentur, jako jsou NASA, ESA, CNSA nebo Roscosmos. Naše první raketa, Naro-1, byla použita pro všechny tři pokusy o start, z nichž dva jsou podezřelé z důvodu oddělení stupňů nebo kapotáže. Další vyrobenou raketou, Naro-2, je třístupňová raketa, což mě napadá, je rozumné rozdělit raketu na několik stupňů? Výhodou tohoto postupu by bylo, že raketa ztrácí významnou hmotnost, jak jsou stupně odděleny, čímž by se zvýšila účinnost hnacího plynu. Vystřelení vícestupňových raket však také zvyšuje šanci, že start skončí jako neúspěch.

Díky tomu jsem přemýšlel o způsobech, jak minimalizovat raketové stupně a zároveň maximalizovat účinnost hnacího plynu. Vypuštění raket z letadel, jako jsou rakety, pomocí hořlavého materiálu pro těla raketových stupňů, bylo několik dalších nápadů, které jsem měl, ale jedna z možností, která mě přitahovala, byla platforma pro spouštění ve vysokých nadmořských výškách. Říkal jsem si: „Proč nemůže raketa odstartovat z heliového balónu nad většinou atmosféry? Raketa pak může být jednostupňová znějící raketa, což by výrazně zjednodušilo proces vypuštění a také snížilo náklady. “Rozhodl jsem se tedy navrhnout a postavit rockoona sám jako důkaz koncepce a sdílet tento Instructables, abyste si to mohli všichni vyzkoušet, pokud chcete.

Model, který stavím, se nazývá HAAS, zkratka pro High Altitude Aerial Spaceport..

Krok 2: Design

HAAS jsem navrhl na základě intuitivních tvarů a základních výpočtů

Výpočty:

Pomocí příručky NASA o „Navrhování vysokohorského balónu“jsem vypočítal, že bych potřeboval asi 60 litrů helia na zvednutí nejvýše 2 kg, což je horní hranice, kterou jsme stanovili pro hmotnost HAAS, s přihlédnutím k tomu, že teplota a nadmořská výška budou mít vliv na vztlaková síla helia, jak je uvedeno v „Vlivu nadmořské výšky a teploty na ovládání objemu vodíkové vzducholodi“od Michele Trancossi. To však nestačilo, o čem budu hovořit podrobněji, ale bylo to proto, že jsem nebral v úvahu účinek vodní páry na vztlak hélia.

Rám:

• Válcový tvar za účelem minimalizace účinku větru
• Tři vrstvy (horní držení rakety, střední pro odpalovací mechanismus, spodní pro 360 ° kameru)
• Silná střední vrstva pro extra stabilitu
• Svislé kolejnice pro umístění a navádění rakety
• 360 ° kamera pro záznam
• Skládací padák pro bezpečnou slušnost
• Tenký válcový heliový balónek pro minimální úhel offsetu rakety

Spouštěcí mechanismus

• Mikroprocesor: Arduino Uno
• Způsoby spuštění: Časovač / digitální výškoměr

• Způsob aktivace paliva: Propíchnutím otvoru ve vysokotlaké CO2 kapsli

  • Kovový hrot připevněný k pružinám
  • Uvolňovací mechanismus se skládá ze dvou háčků
  • Uvolněno pohybem motoru
• Ochrana elektronických zařízení před nižšími teplotami

Přišel jsem na několik způsobů uvolnění hrotu motorickým pohybem.

Pomocí podobného designu jako klíčový řetězový zámek dveří, tažením za kovovou desku, dokud se koncový klíč nevyrovná s větším otvorem, mohl být spuštěn hrot. Tření se však ukázalo být příliš silné a motor nemohl pohnout talířem.

Dalším řešením bylo mít háček přidržovaný na hrotu a kolík zajišťující háček na nepohyblivém předmětu. Stejně jako zadní část bezpečnostního kolíku hasicího přístroje, když je kolík vytažen, hák by povolil a spustil hrot. Tento design také produkoval příliš mnoho tření.

Současný design, který používám, je použití dvou háčků, podobný design jako spoušť. První háček drží na hrotu, zatímco druhý háček je zachycen v malém zářezu v zadní části prvního háčku. Tlak pružin drží háčky na místě a motor má dostatečný točivý moment, aby odemkl sekundární hák a vypustil raketu.

Raketa:

• Hnací plyn: CO2 pod tlakem
• Minimalizujte hmotnost
• Akční kamera integrovaná do těla
• Vyměnitelná CO2 kapsle (opakovaně použitelná raketa)
• Všechny hlavní vlastnosti modelových raket (nos, válcové tělo, ploutve)

Protože tuhá raketová pohonná hmota nebyla tou nejlepší možností, jak vypustit v obydlené oblasti, musel jsem se rozhodnout pro jiné typy pohonných hmot. Nejběžnější alternativou je stlačený vzduch a voda. Protože voda mohla poškodit elektroniku na palubě, hnacím plynem musel být stlačený vzduch, ale i mini vzduchová pumpa byla příliš těžká a spotřebovala příliš mnoho elektřiny, než aby mohla mít HAAS. Naštěstí jsem přemýšlel o mini CO2 kapslích, které jsem si koupil před pár dny na pláště na kola, a rozhodl jsem se, že to bude účinný hnací plyn.

Krok 3: Materiály

K vytvoření HAAS budete potřebovat následující.

Pro rám:

• Tenké dřevěné desky (nebo jakékoli lehké a stabilní desky, MDF)
• Dlouhé matice a šrouby
• Hliníková síťovina
• 4x hliníkový jezdec
• 1x hliníková trubka
• 360 ° kamera (volitelně, Samsung Gear 360)
• Velký kus látky a lana (nebo modelový raketový padák)

Pro spouštěcí mechanismus

• 2x Dlouhé prameny
• 1x kovová tyč
• Tenký drát
• Některé hliníkové desky
• 1x prkénko
• 1x Arduino Uno (s konektorem USB)
• Snímač teploty a tlaku (Adafruit BMP085)
• Piezo bzučák (Adafruit PS1240)
• Malý motor (Motorbank GWM12F)
• Propojovací vodiče
• Motorový ovladač (L298N Dual H-Bridge Motor Controller)
• Baterie a držák baterií

Pro vzduchovou raketu

• Plechovky s náplní do CO2 kol (Bontager CO2 se závitem 16g)
• Několik hliníkových plechovek (2 pro každou raketu)
• Akrylové desky (nebo plastové)
• Stuhy
• Elastické pásky
• Dlouhé struny
• Akční kamera (volitelně, akční kamera Xiaomi)

Nástroje:

• Tavná pistole
• Epoxidový tmel (volitelně)
• Pila/diamantová řezačka (volitelně)
• 3D tiskárna (volitelně)
• Laserová řezačka nebo CNC fréza (volitelně)

Pozor! Nářadí používejte opatrně a zacházejte s ním opatrně. Pokud je to možné, požádejte o pomoc někoho jiného a získejte pomoc pomocí vybraných nástrojů, pokud nevíte, jak je používat.

Krok 4: Rámeček

1. Pomocí laserové řezačky, CNC frézky nebo libovolného nástroje upněte tenkou dřevěnou desku do tvaru na přiložených obrázcích. Horní vrstvu tvoří dvě desky spojené šrouby pro stabilizaci. (Pro frézování nebo řezání laserem jsou soubory uvedeny níže.
2. Rozřízněte hliníkové posuvníky na stejné délky a vložte je do štěrbin podél vnitřního prstence každé vrstvy. Pomocí lepicí pistole slepte vrstvy tak, aby v horní části bylo místo pro raketu.
3. Umístěte hliníkovou trubku do středu střední vrstvy. Ujistěte se, že je stabilní a co nejvíce svislý k vrstvě.
4. Do spodní vrstvy vyvrtejte otvor a připojte volitelnou 360 ° kameru. Pro kameru jsem vyrobil odnímatelný gumový kryt pro případ, že by kamera během fáze přistání dostala šok.
5. Přeložte velký kus látky nebo látky na menší obdélníky a do nejvzdálenějších rohů připevněte 8 stejně dlouhých lan. Uvazujte lano na vzdálenějším konci, aby se nezamotalo. Padák bude připevněn na samém konci.

Krok 5: Spusťte mechanismus

1. Vytvořte dva háčky, jeden pro kovovou tyč a jeden pro spoušť. Použil jsem dva různé návrhy: jeden pomocí kovových desek a jeden pomocí 3D tiskárny. Navrhněte háčky podle výše uvedených obrázků a soubory 3D tisku jsou propojeny níže.

2. Aby bylo možné uvolnit spoušť a spustit raketu buď pomocí časovače nebo digitálního výškoměru, musí být vytvořen obvod Arduino uvedený na obrázku výše. Digitální výškoměr lze přidat připojením těchto kolíků.

   • Arduino A5 -> BMP085 SCL
   • Arduino A4 -> BMP085 SDA
   • Arduino +5V -> VIN BMP085
   • Arduino GND -> BMP085 GND
3. Přidejte obvod k HAAS. Připojte spouštěcí hák k motoru pomocí drátu a roztočením motoru vyzkoušejte, zda se háček může plynule vysunout.
4. Brouste konec tenké kovové tyče a vložte ji do hliníkové trubky. Poté na konec tyče připevněte dva dlouhé prameny a připojte je k horní vrstvě. Ohněte konec tyče tak, aby mohl být snadno zavěšen na spouštěcí mechanismus.
5. Několikrát proveďte test, abyste se ujistili, že se tyč spouští hladce.

Soubory 3D tisku:

Krok 6: Raketa

1. Připravte si dvě hliníkové lahve. Uřízněte horní část jedné lahve a spodní část druhé.
2. Na horní části první lahve a spodní části druhé láhve uřízněte mírný kříž.
3. Z drátu a látky vyrobte držák pro CO2 kapsli na první lahvi.
4. Vložte CO2 kapsli do horní části a stlačte ji na dno druhé lahve tak, aby vstup do CO2 kapsle směřoval dolů.
5. Navrhněte a ořízněte ploutve plastem nebo akrylem a poté je přilepte k boku rakety. Na kužel použijte jakýkoli preferovaný materiál, v tomto případě epoxidový tmel.
6. Vyřízněte obdélníkový otvor na boku rakety pro volitelnou akční kameru.

Abyste dokončili HAAS, po instalaci spouštěcího mechanismu omotejte hliníkovou síťovinu kolem rámu a přivažte ji k malým otvorům na vnějším okraji. Vyřízněte otvor na boku, abyste se snadno dostali do zařízení. Udělejte malý obal pro padák a položte jej na horní vrstvu. Složte padák a vložte jej do pouzdra.

Krok 7: Kódování

Spouštěcí mechanismus lze aktivovat dvěma různými způsoby: pomocí časovače nebo digitálního výškoměru. Kód Arduino je k dispozici, takže před nahráním do svého Arduina okomentujte metodu, kterou nechcete použít.

Krok 8: Testování

Pokud ke spuštění rakety používáte časovač, vyzkoušejte několik minut s náhradní CO2 kapslí za několik minut.

Pokud používáte výškoměr, vyzkoušejte, zda odpalovací mechanismus funguje bez rakety, nastavením výšky startu na ~ 2 metry a po schodech nahoru. Poté to vyzkoušejte ve vyšší nadmořské výšce spuštěním výtahu (Můj test byl stanoven na 37,5 metru). Pomocí metody časovače vyzkoušejte, zda odpalovací mechanismus skutečně vypouští raketu.

Součástí je 12 testovacích videí HAAS

Krok 9: Výsledky

Naštěstí jste se už pokusili udělat rockoona sami a možná jste dokonce oslavili úspěšný start rakety. Musím však nahlásit, že můj pokus o spuštění skončil neúspěchem. Hlavním důvodem mého neúspěchu bylo, že jsem podcenil množství helia potřebné k zvednutí HAAS. Pomocí poměru molární hmotnosti helia k molární hmotnosti vzduchu a teploty a tlaku jsem přibližně vypočítal, že potřebuji tři nádrže 20 litrů plynného helia, ale zjistil jsem, že jsem se šeredně mýlil. Protože jako student bylo těžké koupit nádrže s heliem, nedostal jsem žádné náhradní tanky a nedokázal jsem ani dostat HAAS nad 5 metrů nad zem. Pokud jste se tedy ještě nepokusili létat se svým rockoonem, zde je rada: získejte tolik helium, kolik se vám dostane do rukou. Ve skutečnosti by bylo pravděpodobně rozumnější vypočítat potřebné množství s přihlédnutím k tomu, že tlak a teplota se s rostoucí výškou snižují (v našem letovém dosahu) a že čím více vodní páry je, tím méně bude mít vztlakové helium, pak získejte dvojnásobek částky.

V důsledku neúspěšného startu jsem se rozhodl použít kameru 360 k zachycení leteckého videa z okolní řeky a parku, a tak jsem ji dlouhým provázkem připevněným ke dnu přivázal k balónu s heliem a poté nechal létat. Vítr v mírně vysoké nadmořské výšce nečekaně směřoval úplně opačným směrem než spodní větry a helium balón unášel do instalace elektrického vedení poblíž. V zoufalé snaze zachránit kameru a nepoškodit kabeláž jsem zatáhl za připevněné lano, ale bylo to zbytečné; balón už byl chycen v drátu. Jak se na Zemi může tolik věcí pokazit za jeden den? Nakonec jsem zavolal elektroinstalační společnosti a požádal je, aby kameru získali. Láskavě ano, i když mi trvalo tři měsíce, než jsem to dostal zpět. Pro pobavení přikládáme několik fotografií a videí z tohoto incidentu.

Tato nehoda, i když mě to zpočátku nenapadlo, odhalila vážné omezení používání rockoonů. Balóny nelze řídit, alespoň ne pomocí lehkého a snadno ovladatelného mechanismu, který lze nainstalovat na HAAS, a proto je téměř nemožné vypustit raketu na zamýšlenou oběžnou dráhu. Vzhledem k tomu, že podmínky každého startu jsou různé a během výstupu se stále mění, je těžké předpovědět pohyb rockoonu, který pak vyžaduje, aby byl start proveden na místě, kde není nic kolem, několik kilometrů, protože neúspěšný start by mohl dokázat být nebezpečný.

Věřím, že toto omezení lze překonat vývojem mechanismu navigace ve 3D rovině s přetažením z balónu a interpretací větru jako vektorových sil. Myšlenky, o kterých jsem přemýšlel, jsou plachty, stlačený vzduch, vrtule, lepší konstrukce rámu atd. Vývoj těchto myšlenek je něco, na čem budu pracovat se svým dalším modelem HAAS a budu se těšit, až se někteří z vás budou vyvíjet jim také.

S trochou výzkumu jsem zjistil, že dva majitelé Stanfordu v letectví, Daniel Becerra a Charlie Cox, použili podobný design a měli úspěšný start z 30 000 stop. Záběry z jejich spuštění najdete na kanálu Stanford Youtube. Společnosti jako JP Aerospace vyvíjejí „Speciality“na rakety, navrhují a vypouštějí složitější rakety na tuhá paliva. Jejich systém deseti balónků, nazývaný „The Stack“, je příkladem různých vylepšení na rockoonu. Věřím, že jako nákladově efektivní způsob vypouštění znějících raket bude několik dalších společností pracovat na výrobě rockoonů v budoucnosti.

Chtěl bych poděkovat profesorce Kim Kwang Il, za podporu při celém tomto projektu a také za poskytování zdrojů a rad. Také bych chtěl poděkovat svým rodičům za nadšení z toho, co mě baví. V neposlední řadě bych vám chtěl poděkovat za přečtení tohoto Instructables. Doufejme, že se v kosmickém průmyslu brzy vyvine technologie šetrná k životnímu prostředí, což umožní častější návštěvy tamních divů.