Rockoon készítés: HAAS projekt: 9 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:43

Ennek az utasításnak az az ötlete, hogy alternatív módszert kínáljon, bármennyire hihetetlennek is tűnik, a költséghatékony rakétaindításokhoz. Mivel a közelmúltbeli űrtechnológiai fejlesztések a költségek csökkentésére összpontosítottak, úgy gondoltam, nagyszerű lenne szélesebb közönségnek bemutatni a rockoon -t. Ez az útmutató többnyire négy részre oszlik: bevezetés, tervezés, építés és eredmények. Ha ki akarja hagyni a rokonok fogalmát és azt, hogy miért úgy terveztem az enyémet, ahogy tettem, menjen egyenesen az épületrészhez. Remélem tetszeni fog, és szívesen hallanám tőletek a projektemmel kapcsolatos gondolataitokat, vagy a saját terveiteket és kiviteleiteket !!

1. lépés: Háttérinformációk

Az Encyclopedia Astronautica szerint a rockoon (rakétából és léggömbből) olyan rakéta, amelyet először a levegőnél könnyebb gázzal töltött ballon szállít a felső légkörbe, majd elválasztja és meggyújtja. Ez lehetővé teszi, hogy a rakéta kevesebb hajtóanyaggal nagyobb magasságot érjen el, mivel a rakétának nem kell áram alatt mozognia a légkör alsó és vastagabb rétegeiben. Az eredeti koncepciót 1949 márciusában a Norton Sound Aerobee tüzelőberendezése során alkották meg, és először a Haditengerészeti Kutatócsoport vezette be James A. Van Allen vezetésével.

Amikor először elkezdtem a projektemet a rockoon -on, fogalmam sem volt, mi az a rockoon. Csak miután befejeztem a dokumentációt a projektem után, megtudtam, hogy van neve ennek az eszköznek, amit készítettem. Dél -koreai hallgatóként, akik érdeklődnek az űrtechnika iránt, már fiatal korom óta csalódott vagyok hazám rakéták fejlesztésében. Bár a koreai Űrügynökség, a KARI számos kísérletet tett az űrhajók indítására, és ez egyszer sikerült is, a mi technológiánk közel sincs más űrügynökségekhez, mint például a NASA, az ESA, a CNSA vagy a Roscosmos. Az első rakétánkat, a Naro-1-et mindhárom indítási kísérletre használták, amelyek közül kettő gyanúja szerint a szakaszok szétválasztása vagy a burkolat miatt sikertelen volt. A következő készülő rakéta, a Naro-2, egy háromlépcsős rakéta, ami megkérdőjelezi, hogy bölcs dolog-e több lépcsőre osztani a rakétát? Ennek az az előnye, hogy a rakéta jelentős tömeget veszít a szakaszok szétválasztásával, ezáltal növelve a hajtóanyag hatékonyságát. A többlépcsős rakéták kilövése ugyanakkor növeli annak esélyét is, hogy a kilövés kudarcba fullad.

Ez elgondolkodtatott azon, hogyan lehetne minimalizálni a rakétafokozatokat, miközben maximalizálni a hajtóanyag hatékonyságát. Néhány másik ötletem volt, hogy rakétákat indítsanak repülőgépekről, mint a rakéták, éghető anyagokat használva a rakéta színpadaihoz, de az egyik lehetőség, ami vonzott, a nagy magasságú indítóplatform volt. Azt gondoltam: „Miért nem tud egy rakéta csak hélium ballonból kilőni, a légkör nagy része fölött? A rakéta ezután egylépcsős hangzású rakéta lehet, ami jelentősen leegyszerűsíti a kilövési folyamatot, és csökkenti a költségeket.” Úgy döntöttem, hogy magam tervezek és építek egy rockoon -t a koncepció bizonyítékaként, és megosztom ezt az utasításokat, hogy mindenki kipróbálhassa, ha akarja.

Az általam készített modellt HAAS -nak hívják, röviden a High Altitude Légi Űrportra, abban a reményben, hogy egy napon a rockoonok nem csak ideiglenes rakétaindító platformok lesznek, hanem állandó platformok, amelyeket űreszközök indítására, tankolására és leszállására használnak..

2. lépés: Tervezés

A HAAS -t intuitív formák és alapvető számítások alapján terveztem

Számítások:

A NASA "Nagy magasságú léggömb tervezése" című útmutatójának segítségével kiszámítottam, hogy körülbelül 60 liter héliumra lesz szükségem, hogy legfeljebb 2 kg -ot emelhessek, a felső határt, amelyet a HAAS súlyához határoztunk meg, figyelembe véve, hogy a hőmérséklet és a magasság hatással lesz a a hélium felhajtóerejét, amint azt Michele Trancossi "A magasság és a hőmérséklet hatása a hidrogén léghajó térfogatszabályozására" c. Ez azonban nem volt elég, amiről részletesebben is beszélek, de azért, mert nem vettem figyelembe a vízgőz hélium felhajtóerejére gyakorolt hatását.

Keret:

• Hengeres forma a szélhatás minimalizálása érdekében
• Három réteg (felül a rakéta tartásához, középen a kilövő mechanizmushoz, alul a 360 kamerához)
• Vastag középső réteg az extra stabilitás érdekében
• Függőleges sínek a rakéta elhelyezéséhez és irányításához
• 360 ° -os kamera a felvételekhez
• Összecsukható ejtőernyő a biztonságos tisztesség érdekében
• Vékony hengeres hélium ballon a rakéta minimális eltolási szögéhez

Indítási mechanizmus

• Mikroprocesszor: Arduino Uno
• Indítási módszerek: Időzítő / Digitális magasságmérő

• A hajtóanyag aktiválásának módszere: Lyukasztással lyukba egy nagynyomású CO2-kapszulában

  • Fém tüske rugókhoz rögzítve
  • A kioldó mechanizmus két kampóból áll
  • A motor mozgatásával szabadul fel
• Elektronikus eszközök védelme alacsonyabb hőmérsékletekkel szemben

Többféle módszerrel találkoztam a tüske motoros mozdulattal történő elengedésével.

A kulcsos láncú ajtózárhoz hasonló kialakítással a fémlemezt addig húzva, amíg a végkulcs a nagyobb lyukhoz nem igazodik, a tüske elindítható. A súrlódás azonban túl erősnek bizonyult, és a motor nem tudta megmozdítani a lemezt.

Egy másik megoldás az volt, hogy egy horog a tüskét tartja, és egy csap rögzíti a horgot egy álló tárgyhoz. A tűzoltó készülék biztonsági csapjának hátoldalához hasonlóan, amikor a csapot kihúzzák, a horog utat enged és elindítja a tüskét. Ez a kialakítás túl sok súrlódást okozott.

Jelenleg két horgot használok, hasonlóan a pisztolyhoz. Az első horog a tüskét tartja, míg a másik horog az első horog hátsó részén található apró lyukba akad. A rugók nyomása a horgokat a helyén tartja, és a motornak elegendő nyomatéka van ahhoz, hogy kinyissa a másodlagos horgot, és elindítsa a rakétát.

Rakéta:

• Hajtóanyag: nyomás alatt álló CO2
• Minimalizálja a súlyt
• Akció kamera beépítve a testbe
• Cserélhető CO2 kapszula (újrafelhasználható rakéta)
• A modellrakéták összes fő jellemzője (orr, hengeres test, uszonyok)

Mivel a szilárd rakéta hajtóanyag nem volt a legjobb megoldás a lakott területen történő indításhoz, más típusú hajtóanyagot kellett választanom. A leggyakoribb alternatívák a nyomás alatti levegő és a víz. Mivel a víz károsíthatja a fedélzeti elektronikát, túlnyomásos levegőnek kellett hajtóanyagnak lennie, de még egy mini légszivattyú is túl nehéz volt, és túl sok áramot fogyasztott ahhoz, hogy a HAAS -on legyen. Szerencsére azokra a mini CO2 kapszulákra gondoltam, amelyeket néhány napja vásároltam a kerékpáros gumiabroncsokhoz, és úgy döntöttem, hogy hatékony hajtóanyag lesz.

3. lépés: Anyagok

A HAAS elkészítéséhez a következőkre lesz szüksége.

A kerethez:

• Vékony falapok (vagy bármilyen könnyű és stabil lemez, MDF)
• Hosszú anyák és csavarok
• Alumínium háló
• 4x alumínium csúszka
• 1x alumínium cső
• 360 ° -os kamera (opcionális, Samsung Gear 360)
• Nagy darab szövet és kötél (vagy egy modell rakétaernyő)

Az indítómechanizmushoz

• 2x hosszú rugók
• 1x fém rúd
• Vékony huzal
• Néhány alumínium lemez
• 1x kenyeretábla
• 1x Arduino Uno (USB csatlakozóval)
• Hőmérséklet- és nyomásérzékelő (Adafruit BMP085)
• Piezo Buzzer (Adafruit PS1240)
• Kis motor (Motorbank GWM12F)
• Jumper vezetékek
• Motorvezérlő (L298N kettős H-híd motorvezérlő)
• Elemek és elemtartó

A légrakétához

• CO2 kerékpár gumiabroncs utántöltő dobozok (Bontager CO2 Threaded 16g)
• Több alumínium doboz (2 rakéta)
• Akril lemezek (vagy műanyag)
• Szalagok
• Rugalmas szalagok
• Hosszú húrok
• Akció kamera (opcionális, Xiaomi Action Camera)

Eszközök:

• Ragasztópisztoly
• Epoxi gitt (opcionális)
• Fűrész-/gyémántvágó (opcionális)
• 3D nyomtató (opcionális)
• Lézervágó vagy CNC marógép (opcionális)

Óvakodik! Kérjük, óvatosan használja az eszközöket és óvatosan. Ha lehet, segítsen másnak, hogy segítsen, és kérjen segítséget bizonyos eszközök használatával, ha nem tudja, hogyan kell használni őket.

4. lépés: Keret

1. Használjon lézervágót, CNC marógépet vagy bármilyen más szerszámot a vékony falap vágásához a mellékelt képeken. A felső réteg két táblából áll, amelyek csavarokkal vannak összekötve a stabilizálás érdekében. (Maráshoz vagy lézervágáshoz az alábbiakban találhatók a fájlok.
2. Vágja az alumínium csúszkákat egyenlő hosszúságúra, és illessze őket a résekbe az egyes rétegek belső gyűrűje mentén. Ragasztópisztoly segítségével ragassza be a rétegeket, hogy legyen hely a rakéta tetején.
3. Helyezze az alumíniumcsövet a középső réteg közepére. Győződjön meg arról, hogy stabil és a függőlegeshez képest a lehető legjobban függőleges.
4. Fúrjon lyukat az alsó rétegbe, és rögzítse az opcionális 360 ° -os kamerát. Kivehető gumiburkolatot készítettem a fényképezőgéphez, arra az esetre, ha a fényképezőgép sokkot kapna a leszállás fázisában.
5. Hajtsa a nagy szövetdarabot vagy ruhát kisebb téglalapokká, és rögzítsen 8 egyenlő hosszúságú kötelet a legtávolabbi sarkokhoz. A távolabbi végén kösse össze a kötelet, nehogy kusza legyen. Az ejtőernyőt a legvégén rögzítik.

5. lépés: Indítsa el a mechanizmust

1. Készítsen két kampót, az egyik a fémrúdnak, a másik pedig a ravaszt. Két különböző mintát használtam: az egyiket fémlemezekkel, a másikat 3D nyomtatóval. Tervezze meg kampóit a fenti képek alapján, és a 3D nyomtatási fájlok az alábbi linken találhatók.

2. Annak érdekében, hogy elengedje a ravaszt és elindítsa a rakétát időzítő vagy digitális magasságmérő segítségével, a fenti képen megadott Arduino áramkört kell létrehozni. A digitális magasságmérő hozzáadható ezen csapok csatlakoztatásával.

   • Arduino A5 -> BMP085 SCL
   • Arduino A4 -> BMP085 SDA
   • Arduino +5V -> BMP085 VIN
   • Arduino GND -> BMP085 GND
3. Adja hozzá az áramkört a HAAS -hoz. Csatlakoztassa a ravasztó kampót a motorhoz egy vezetékkel, és forgassa el a motort, hogy ellenőrizze, hogy a horog simán ki tud -e csúszni.
4. Csiszolja a vékony fémrúd végét, és helyezze be az alumíniumcsőbe. Ezután rögzítsen két hosszú rugót a rúd végére, és csatlakoztassa a felső réteghez. Hajlítsa meg a rúd végét, hogy könnyen beakasztható legyen az indítószerkezetbe.
5. Teszteljen néhányszor, hogy megbizonyosodjon arról, hogy a rúd simán indul.

3D nyomtatási fájlok:

6. lépés: Rakéta

1. Készítsen elő két alumínium palackot. Vágja le az egyik üveg felső részét, a másik alsó részét.
2. Vágjon egy kis keresztet az első üveg tetején és a második palack alján.
3. Dróttal és ruhával készítsen tartót a CO2 -kapszulához az első palackon.
4. Helyezzen be egy CO2 -kapszulát a felső részbe, és nyomja be a második palack aljába úgy, hogy a CO2 -kapszula bejárata lefelé nézzen.
5. Tervezze meg és vágja le az uszonyokat műanyaggal vagy akrillal, majd ragassza fel őket a rakéta oldalára. A kúphoz használjon bármilyen előnyben részesített anyagot, ebben az esetben epoxi gittet.
6. Vágjon egy téglalap alakú lyukat a rakéta oldalán az opcionális akciókamerához.

A HAAS befejezéséhez az indítómechanizmus felszerelése után tekerje körbe az alumínium hálót a keret körül, és kösse össze a külső perem kis lyukaival. Vágjon egy lyukat az oldalán, hogy könnyen benyúlhasson a készülékbe. Készítsen egy kis burkolatot az ejtőernyőhöz, és helyezze a felső rétegre. Hajtsa fel az ejtőernyőt, és tegye a burkolatba.

7. lépés: Kódolás

Az indítómechanizmus kétféleképpen aktiválható: időzítővel vagy digitális magasságmérővel. Az Arduino kód biztosított, ezért megjegyzést kell tennie a módszerről, amelyet nem szeretne használni, mielőtt feltöltené az Arduino -ba.

8. lépés: Tesztelés

Ha időzítőt használ a rakéta indításához, néhányszor teszteljen tartalék CO2 -kapszulával néhány perc múlva.

Ha a magasságmérőt használja, ellenőrizze, hogy a kilövő mechanizmus működik -e a rakéta nélkül, úgy, hogy az indítási magasságot ~ 2 méterre állítja, és felmegy a lépcsőn. Ezután tesztelje magasabb indítási magasságban, felmegy egy lifttel (a teszt 37,5 méter volt). Az időzítő módszerrel tesztelje, hogy a kilövő mechanizmus valóban rakétát indít.

Tartalmaz 12 tesztvideót a HAAS -ról

9. lépés: Eredmények

Remélhetőleg mostanra már maga is megpróbált rockoont készíteni, és talán még sikeres rakétaindítást is ünnepelt. Jelentenem kell azonban, hogy indítási kísérletem kudarccal végződött. A kudarcom fő oka az volt, hogy alábecsültem a HAAS emeléséhez szükséges héliummennyiséget. A hélium móltömegének és a levegő moláris tömegének arányát, valamint a hőmérsékletet és a nyomást felhasználva hozzávetőlegesen kiszámítottam, hogy három tartály 20L héliumgázra van szükségem, de rájöttem, hogy borzasztóan tévedek. Mivel egyetemistaként nehéz volt héliumtartályokat vásárolni, nem kaptam tartaléktartályokat, és még a HAAS -t sem sikerült 5 méter fölé emelni a földről. Tehát, ha még nem próbálta repülni a rockoon -jával, akkor itt egy tanács: vegyen be annyi héliumot, amennyit csak tud. Valójában ésszerűbb lenne, ha kiszámítaná a szükséges mennyiséget, figyelembe véve, hogy a nyomás és a hőmérséklet csökken a magasság növekedésével (repülési tartományunkon belül), és hogy minél több vízgőz van, annál kevesebb lesz a felhajtóerő hélium. kétszeres összeget kap.

A sikertelen indítás után úgy döntöttem, hogy a 360 -as kamerával légi felvételt készítek a környező folyóról és parkról, ezért az aljára rögzített hosszú zsinórral a hélium lufihoz kötöttem, majd hagytam repülni. Váratlanul a kissé magas tengerszint feletti szél teljesen ellentétes irányba haladt, mint az alacsonyabb szél, és a hélium ballon a közeli elektromos vezetékekbe sodródott. Egy kétségbeesett kísérletben, hogy megmentsem a fényképezőgépemet, és ne károsítsam a vezetékeket, megrántottam a csatlakoztatott kötelet, de hasztalan volt; a léggömb már beakadt a drótba. Hogyan történhet meg a Földön annyi minden egy napon? Végül felhívtam a vezetékes vállalatot, és megkértem őket, hogy vegyék elő a kamerát. Kedvesen megtették, bár három hónapba telt, mire visszakaptam. Szórakoztatásul mellékelünk néhány fényképet és videót az esetről.

Ez a baleset, bár elsőre nem jutott eszembe, komoly korlátozásokat tárt fel a rokonok használatában. A lufikat nem lehet kormányozni, legalábbis nem a HAAS-ra telepíthető könnyű és könnyen irányítható mechanizmussal, ezért szinte lehetetlen a rakéta szándékolt pályára állítása. Továbbá, mivel minden egyes indítás körülményei eltérőek, és folyamatosan emelkednek az emelkedőn, nehéz megjósolni a rockoon mozgását, ami azt követeli, hogy a kilövést olyan helyen kell elvégezni, ahol semmi nincs körülötte több kilométeren keresztül, mert a sikertelen indítás bizonyíthatja hogy veszélyes legyen.

Úgy gondolom, hogy ezt a korlátozást le lehet küszöbölni, ha kifejlesztünk egy olyan mechanizmust, amely 3D -s síkon navigál a léggömbből való húzással, és értelmezi a szelet vektoros erőként. Az ötletek, amelyekre gondoltam, a vitorlák, a sűrített levegő, a légcsavarok, a jobb váztervezés stb. Ezen ötletek fejlesztésén fogok dolgozni a következő HAAS modellemmel, és várom, hogy néhányan fejlődjenek őket is.

Kicsit kutakodva megállapítottam, hogy két Stanford űrhajózási nagyvállalat, Daniel Becerra és Charlie Cox hasonló konstrukciót használt, és 30 000 méterről sikeresen indult. Indító felvételeik megtalálhatók a Stanford Youtube csatornán. Az olyan vállalatok, mint a JP Aerospace, "specialitásokat" fejlesztenek a rockoonokon, és összetettebb szilárd tüzelőanyaggal működő rockoonokat terveznek és dobnak piacra. Tíz ballonos rendszerük, a "The Stack", egy példa a rockoon különböző fejlesztéseire. Úgy gondolom, hogy a hangzó rakéták kilövésének költséghatékony módjaként számos más vállalat fog rokonok készítésén dolgozni a jövőben.

Szeretném megköszönni Kim Kwang Il professzor úrnak, hogy támogatott ebben a projektben, valamint forrásokat és tanácsokat nyújtott. Ezúton is szeretném megköszönni a szüleimnek, hogy lelkesek ahhoz, amiért rajongok. Végül, de nem utolsó sorban szeretném megköszönni, hogy elolvasta ezt az utasításokat. Remélhetőleg hamarosan környezetbarát technológiát fejlesztenek ki az űriparban, lehetővé téve a gyakoribb látogatásokat az ottani csodákban.