Как да си направим Рокун: Проект HAAS: 9 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:54

Идеята зад този Instructable е да осигури алтернативен метод, колкото и невероятен да изглежда, за рентабилни изстрелвания на ракети. Тъй като последните разработки на космическите технологии бяха насочени към намаляване на разходите, реших, че би било чудесно да представим рокона на по -широка аудитория. Тази инструкция е разделена до голяма степен на четири части: въведение, проектиране, изграждане и резултати. Ако искате да пропуснете концепцията за роконите и защо аз проектирах моя така, както направих, отидете направо към строителната част. Надявам се да ви хареса и бих искал да чуя от вас за вашите мисли за моя проект или за вашия собствен дизайн и конструкции !!

Стъпка 1: Основна информация

Според Encyclopedia Astronautica, роккон (от ракета и балон) е ракета, която първо се пренася в горните слоеве на атмосферата с по-лек от въздуха балон, напълнен с газ, след което се отделя и запалва. Това позволява на ракетата да постигне по -голяма надморска височина с по -малко гориво, тъй като ракетата не трябва да се движи под мощност през долните и по -дебели слоеве на атмосферата. Оригиналната концепция е замислена по време на изстрелването на Aerobee на Norton Sound през март 1949 г. и за първи път е лансирана от групата на Office of Naval Research под ръководството на James A. Van Allen.

Когато за пръв път започнах проекта си за rockoon, нямах представа какво е rockoon. Едва след като завърших документацията след моя проект, разбрах, че има име за това устройство, което съм направил. Като студент от Южна Корея, който се интересува от космическите технологии, от ранна възраст съм разочарован от развитието на ракетите в моята страна. Въпреки че корейската космическа агенция KARI направи няколко опита за космически ракети -носители и успя веднъж, нашата технология не е близо до други космически агенции като НАСА, ESA, CNSA или Роскосмос. Първата ни ракета, Naro-1, беше използвана и за трите опита за изстрелване, за които се предполага, че два са се провалили поради разделяне на етапите или обтекател. Следващата ракета, която ще бъде направена, Naro-2, е тристепенна ракета, което ме кара да се запитам, разумно ли е да разделя ракетата на няколко етапа? Ползите от това биха били, че ракетата губи значителна маса с разделянето на етапите, като по този начин увеличава ефективността на горивото. Изстрелването на многоетапни ракети също увеличава шанса изстрелването да се окаже неуспешно.

Това ме накара да мисля за начини за минимизиране на ракетните етапи, като същевременно се постига максимална ефективност на горивото. Изстрелването на ракети от самолети като ракети, използвайки горими материали за корпуси на ракетни сцени, са няколко други идеи, които имах, но един вариант, който ме привлече, беше платформата за изстрелване на голяма надморска височина. Помислих си: „Защо една ракета не може просто да излети от хелиев балон, над по -голямата част от атмосферата? Тогава ракетата може да бъде едноетапна ракета, която би опростила значително процеса на изстрелване, както и би намалила разходите. Така че, реших да проектирам и изградя сам роккон като доказателство за концепцията и да споделя тази инструкция, така че всички можете да я изпробвате, ако искате.

Моделът, който изграждам, се нарича HAAS, съкратено от Въздушен космодрум за голяма надморска височина, с надеждата, че един ден роконите няма да бъдат само временна изстрелваща платформа за ракети, а постоянна платформа, използвана за изстрелване, зареждане с гориво и кацане на космически ракети -носители.

Стъпка 2: Дизайн

Проектирах HAAS въз основа на интуитивни форми и основни изчисления

Изчисления:

Използвайки ръководството на НАСА за „Проектиране на балон на голяма надморска височина“изчислих, че ще ми трябват около 60 литра хелий, за да вдигна най -много 2 кг, горната граница, която зададохме за теглото на HAAS, като се вземе предвид, че температурата и надморската височина ще окажат влияние върху сила на плаваемост на хелий, както е споменато в "Влияние на височината и температурата върху контрола на обема на водороден дирижабъл" от Микеле Транкоси. Това обаче не беше достатъчно, за което ще говоря по -подробно, но беше така, защото не взех предвид ефекта на водната пара върху плаваемостта на хелия.

Кадър:

• Цилиндрична форма, за да се сведе до минимум ефектът на вятъра
• Три слоя (горна за задържане на ракета, средна за изстрелващ механизъм, долна за 360 камера)
• Дебел среден слой за допълнителна стабилност
• Вертикални релси за поставяне и насочване на ракети
• 360 ° камера за заснемане
• Сгъваем парашут за безопасно прилично
• Тънък цилиндричен балон с хелий за минимален ъгъл на изместване на ракетата

Стартов механизъм

• Микропроцесор: Arduino Uno
• Методи за стартиране: Таймер / Цифров висотомер

• Метод за активиране на горивото: Чрез пробиване на отвор в капсула CO2 под високо налягане

  • Метален шип, прикрепен към пружини
  • Механизмът за освобождаване се състои от две куки
  • Освобождава се при движение на двигателя
• Защита на електронни устройства срещу по -ниски температури

Измислих няколко метода за освобождаване на шипа с двигателно движение.

Използвайки дизайн, подобен на ключалка на вратата с ключалка, чрез издърпване на металната плоча, докато крайният ключ се подравнява с по -големия отвор, шипът може да бъде пуснат. Триенето обаче се оказа твърде силно и моторът не можеше да помръдне плочата.

Друго решение е да имаш кука, която държи шипа и щифт, заключващ куката към неподвижен предмет. Подобно на обратната страна на предпазния щифт на пожарогасителя, когато щифтът се извади, куката ще отстъпи и ще изстреля шипа. Този дизайн също произвежда твърде много триене.

Настоящият дизайн, който използвам, е чрез използване на две куки, подобен дизайн на спусъка на пистолета. Първата кука се държи за шипа, докато другата кука се хваща в малък прорез в задната част на първата кука. Налягането на пружините задържа куките на място, а двигателят има достатъчно въртящ момент, за да отключи вторичната кука и да изстреля ракетата.

Ракета:

• Ракетно гориво: CO2 под налягане
• Минимизирайте теглото
• Екшън камера, интегрирана в тялото
• Сменяема CO2 капсула (ракета за многократна употреба)
• Всички основни характеристики на моделите ракети (нос, цилиндрично тяло, перки)

Тъй като твърдото ракетно гориво не беше най -добрият вариант за изстрелване в населено място, трябваше да избера други видове гориво. Най -често срещаните алтернативи са въздух и вода под налягане. Тъй като водата може да повреди електрониката на борда, въздухът под налягане трябваше да е гориво, но дори и мини въздушна помпа беше твърде тежка и консумира твърде много електричество, за да има на HAAS. За щастие се сетих за мини капсулите CO2, които бях купил преди няколко дни за моите гуми за мотор, и реших, че това ще бъде ефективно гориво.

Стъпка 3: Материали

За да направите HAAS, ще ви трябва следното.

За рамката:

• Тънки дървени дъски (или всякакви леки и стабилни плоскости, MDF)
• Дълги болтове и гайки
• Алуминиева мрежа
• 4x алуминиев плъзгач
• 1x алуминиева тръба
• 360 ° камера (по избор, Samsung Gear 360)
• Голямо парче плат и въже (или модел ракетен парашут)

За стартовия механизъм

• 2x дълги пружини
• 1x метален прът
• Тънка жица
• Някои алуминиеви плочи
• 1x платка
• 1x Arduino Uno (с USB конектор)
• Сензор за температура и налягане (Adafruit BMP085)
• Пиезо зумер (Adafruit PS1240)
• Малък мотор (Motorbank GWM12F)
• Кабелни проводници
• Контролер на двигателя (L298N Двоен мостов контролер с H-мост)
• Батерии и държач за батерии

За въздушната ракета

• Контейнери за зареждане на гуми за CO2 велосипеди (Bontager CO2 с резба 16g)
• Няколко алуминиеви кутии (2 за всяка ракета)
• Акрилни плочи (или пластмасови)
• Ленти
• Еластични ленти
• Дълги струни
• Екшън камера (по избор, Xiaomi Action Camera)

Инструменти:

• Пистолет за лепило
• Епоксидна замазка (по избор)
• Трион/Диамантен нож (по избор)
• 3D принтер (по избор)
• Лазерна фреза или фреза с ЦПУ (по избор)

Внимавай! Моля, използвайте инструментите внимателно и боравете с тях внимателно. Накарайте някой друг да ви помогне, ако е възможно, и получете помощ с помощта на избрани инструменти, ако не знаете как да ги използвате.

Стъпка 4: Рамка

1. Използвайте лазерен нож, фреза с ЦПУ или друг инструмент по ваше предпочитание, за да изрежете тънката дървена дъска във формата на приложените снимки. Горният слой се състои от две дъски, свързани с болтове за стабилизация. (За фрезоване или лазерно рязане файловете са предоставени по -долу.
2. Нарежете алуминиевите плъзгачи на еднакви дължини и ги поставете в процепите по вътрешния пръстен на всеки слой. С помощта на пистолет за лепило залепете слоевете така, че да има място за ракетата отгоре.
3. Поставете алуминиевата тръба в центъра на средния слой. Уверете се, че е стабилен и възможно най -вертикален спрямо слоя.
4. Пробийте дупка в долния слой и прикрепете опционалната 360 ° камера. Направих сменяем гумен капак за камерата, в случай че камерата получи удар при фазата на кацане.
5. Сгънете голямото парче плат или плат на по -малки правоъгълници и прикрепете 8 въжета с еднаква дължина към най -отдалечените ъгли. Завържете въжето в далечния край, за да не се заплита. Парашутът ще бъде прикрепен в самия край.

Стъпка 5: Стартирайте механизма

1. Направете две куки, едната да каже на металния прът, а другата да е спусъка. Използвах два различни дизайна: един с метални плочи и един с 3D принтер. Проектирайте куките си въз основа на снимките по -горе, а файловете за 3D печат са свързани по -долу.

2. За да можете да освободите спусъка и да изстреляте ракетата с помощта на таймер или цифров висотомер, трябва да се направи схемата Arduino, посочена на снимката по -горе. Цифровият висотомер може да бъде добавен чрез свързване на тези щифтове.

   • Arduino A5 -> BMP085 SCL
   • Arduino A4 -> BMP085 SDA
   • Arduino +5V -> BMP085 VIN
   • Arduino GND -> BMP085 GND
3. Добавете веригата към HAAS. Свържете куката за спусъка към двигателя с проводник и завъртете двигателя, за да проверите дали куката може плавно да се изплъзне.
4. Смелете края на тънкия метален прът и го поставете в алуминиевата тръба. След това прикрепете две дълги пружини към края на пръта и го свържете към горния слой. Огънете края на пръта, така че да може лесно да бъде закачен за стартовия механизъм.
5. Тествайте няколко пъти, за да сте сигурни, че пръчката се пуска гладко.

Файлове за 3D печат:

Стъпка 6: Ракета

1. Пригответе две алуминиеви бутилки. Нарежете горната част на едната бутилка, а долната част на другата.
2. Изрежете лек кръст отгоре на първата бутилка и дъното на втората бутилка.
3. Използвайте тел и плат, за да направите държач за капсулата CO2 на първата бутилка.
4. Поставете CO2 капсула в горната част и я притиснете в дъното на втората бутилка, така че входът към CO2 капсулата да е обърнат надолу.
5. Проектирайте и изрежете перките с пластмаса или акрил, след което ги залепете отстрани на ракетата. Използвайте всеки предпочитан материал, в този случай епоксидна замазка, за конуса.
6. Изрежете правоъгълен отвор отстрани на ракетата за допълнителната камера за действие.

За да завършите HAAS, след като инсталирате стартовия механизъм, увийте алуминиевата мрежа около рамката, завържете я за малките отвори на външната джанта. Изрежете дупка отстрани, за да можете лесно да посегнете към устройството. Направете малка обвивка за парашута и я поставете върху горния слой. Сгънете парашута и го поставете в корпуса.

Стъпка 7: Кодиране

Стартовият механизъм може да се активира по два различни начина: с таймер или цифров висотомер. Кодът на Arduino е предоставен, така че коментирайте метода, който не искате да използвате, преди да го качите във вашия Arduino.

Стъпка 8: Тестване

Ако използвате таймер за изстрелване на ракетата, тествайте няколко пъти с резервна капсула CO2 за няколко минути.

Ако използвате висотомера, проверете дали механизмът за изстрелване работи без ракетата, като зададете височината на изстрелване на ~ 2 метра и вървите по стълбището. След това го тествайте на по -голяма надморска височина при изкачване с асансьор (Моят тест беше настроен на 37,5 метра). Проверете дали механизмът за изстрелване действително изстрелва ракета, като използвате метода на таймера.

Включени са 12 тестови видеоклипа на HAAS

Стъпка 9: Резултати

Надяваме се, че досега сте се опитали сами да направите рокан и може би дори отпразнувахте успешно изстрелване на ракета. Трябва да съобщя обаче, че опитът ми за стартиране завърши с неуспех. Основната причина за моя провал беше, че подцених количеството хелий, необходимо за вдигане на HAAS. Използвайки съотношението на моларната маса на хелия към моларната маса на въздуха, както и температурата и налягането, приблизително бях изчислил, че се нуждая от три резервоара с 20 литра хелиев газ, но разбрах, че ужасно греша. Тъй като беше трудно да се купят резервоари с хелий като студент, не получих резервни резервоари и дори не успях да изкарам HAAS над 5 метра от земята. Така че, ако все още не сте се опитали да летите с рокаун, ето един съвет: вземете колкото се може повече хелий. Всъщност вероятно би било по -разумно, ако изчислите необходимото си количество, като вземете предвид, че налягането и температурата намаляват с увеличаването на височината (в нашия диапазон на полет) и че колкото повече водни пари има, толкова по -малко плаващ хелий ще има, тогава вземете двойна сума.

В резултат на неуспешното изстрелване реших да използвам камерата 360, за да заснема въздушно видео на заобикалящата река и парка, затова го завързах за балона с хелий с дълъг шнур, прикрепен към дъното, след което го оставих да лети. Неочаквано вятърът на малко голяма надморска височина се насочваше в пълна противоположна посока, докато по -ниските ветрове, а балонът с хелий се носеше в електрическа инсталация наблизо. В отчаян опит да спася камерата си и да не повредя окабеляването, дръпнах прикрепеното въже, но беше безполезно; балонът вече беше хванат за жицата. Как на Земята толкова много неща могат да се объркат за един ден? В крайна сметка се обадих на кабелната компания и ги помолих да изтеглят камерата. Любезно го направиха, въпреки че ми отнеха три месеца, за да си го върна. За ваше забавление, приложени са няколко снимки и видеоклипове от този инцидент.

Този инцидент, макар че първоначално не ми хрумна, разкри сериозно ограничение при използването на рокони. Балоните не могат да бъдат управлявани, поне не с лек и лесен за управление механизъм, който може да бъде инсталиран на HAAS, и следователно е почти невъзможно изстрелването на ракетата на планирана орбита. Също така, тъй като условията на всяко изстрелване са различни и непрекъснато се променят по време на изкачването, е трудно да се предвиди движението на рокана, което след това изисква изстрелването да се извърши на място без нищо около него в продължение на няколко километра, защото неуспешното изстрелване може да докаже да бъдат опасни.

Вярвам, че това ограничение може да бъде преодоляно чрез разработване на механизъм за навигация в 3D равнина с плъзгане от балона и интерпретиране на вятъра като векторни сили. Идеите, за които съм се сетил, са платна, сгъстен въздух, витла, по -добър дизайн на рамката и т.н. Развитието на тези идеи е нещо, върху което ще работя със следващия си модел HAAS и ще очаквам с нетърпение да видя някои от вас да се развиват и тях също.

С малко проучване установих, че двама специалисти по аерокосмическа техника в Станфорд, Даниел Бесера и Чарли Кокс, използват подобен дизайн и имат успешен старт от 30 000 фута. Кадрите им за стартиране могат да бъдат намерени в канала на Stanford Youtube. Компании като JP Aerospace разработват „Специалности“за роконите, проектират и пускат по -сложни рокони с твърдо гориво. Тяхната система с десет балона, наречена "The Stack", е пример за различни подобрения на рокона. Вярвам, че като икономически ефективен начин за изстрелване на звучащи ракети, няколко други компании ще работят за създаване на рокони в бъдеще.

Бих искал да благодаря на професор Ким Куанг Ил, че ме подкрепя по време на този проект, както и предоставя ресурси и съвети. Бих искал също да благодаря на родителите си, че са ентусиазирани от това, което съм страстен. Не на последно място, бих искал да ви благодаря, че прочетохте тази инструкция. Да се надяваме, че в космическата индустрия скоро ще бъдат разработени екологично чисти технологии, които ще позволят по -чести посещения на чудесата там.