Hur man gör en rockon: Project HAAS: 9 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:46

Tanken bakom denna instruerbara är att tillhandahålla en alternativ metod, hur otrolig det än kan tyckas, för kostnadseffektiva raketuppskjutningar. Eftersom den senaste rymdteknologiska utvecklingen är inriktad på att sänka kostnaden, tyckte jag att det skulle vara bra att introducera rakonen för en bredare publik. Denna instruktion är i stort sett uppdelad i fyra delar: introduktion, design, byggnad och resultat. Om du vill hoppa över konceptet med rockoner och varför jag utformade mitt som jag gjorde, gå direkt till byggnadsdelen. Jag hoppas att du trivs och jag vill gärna höra från dig om dina tankar om mitt projekt eller om din egen design och konstruktion !!

Steg 1: Bakgrundsinformation

Enligt Encyclopedia Astronautica är en rakong (från raket och ballong) en raket som först transporteras in i den övre atmosfären av en gasfylld ballong som är lättare än luft och sedan separeras och antänds. Detta gör att raketen kan uppnå en högre höjd med mindre drivmedel, eftersom raketen inte behöver röra sig under kraft genom de nedre och tjockare skikten i atmosfären. Det ursprungliga konceptet var tänkt under en Aerobee -skjutning av Norton Sound i mars 1949 och lanserades först av Office of Naval Research -gruppen under James A. Van Allen.

När jag först började mitt projekt på rockon, hade jag ingen aning om vad en rockon var. Det var först efter att jag hade slutfört dokumentationen efter mitt projekt som jag fick reda på att det fanns ett namn för den här enheten jag hade gjort. Som en sydkoreansk student som är intresserad av rymdteknik har jag varit frustrerad över mitt lands utveckling av raketer sedan jag var ung. Även om den koreanska rymdorganisationen KARI har gjort flera försök med rymdfarkoster och lyckats en gång, är vår teknik inte i närheten av andra rymdorganisationer som NASA, ESA, CNSA eller Roscosmos. Vår första raket, Naro-1, användes för alla tre uppskjutningsförsöken, varav två misstänks ha misslyckats på grund av separering av scener eller kåpa. Nästa raket som ska göras, Naro-2, är en trestegsraket, vilket får mig att ifrågasätta, är det klokt att dela in raketen i flera steg? Fördelarna med att göra det skulle vara att raketen förlorar betydande massa när stegen separeras, vilket ökar drivmedlets effektivitet. Att skjuta upp raketter i flera steg ökar dock också chansen att lanseringen kommer att sluta som ett misslyckande.

Detta fick mig att tänka på sätt att minimera raketstadier samtidigt som drivmedlets effektivitet maximerades. Att skjuta upp raketer från flygplan som missiler, med hjälp av brännbart material för raketstadier, är några andra idéer jag hade, men ett alternativ som lockade mig var plattformen för att skjuta upp höghöjd. Jag tänkte,”Varför kan en raket inte bara skjuta upp från en heliumballong, över det mesta av atmosfären? Raketen kan då vara en enstegsraket, vilket skulle förenkla lanseringsprocessen avsevärt och minska kostnaden.” Så jag bestämde mig för att designa och bygga en rockon själv som ett bevis på konceptet och att dela denna Instructables så att ni alla kan prova det om ni vill.

Modellen jag bygger kallas en HAAS, förkortning för High Altitude Aerial Spaceport, i hopp om att en dag rockoner inte bara kommer att vara en tillfällig uppskjutningsplattform för raketer, utan en permanent plattform som används för att skjuta upp, tanka och landa rymdfarkoster.

Steg 2: Design

Jag utformade HAAS baserat på intuitiva former och grundläggande beräkningar

Beräkningar:

Med hjälp av Nasas guide om "Designing a High Altitude Balloon" beräknade jag att jag skulle behöva cirka 60 liter helium för att lyfta högst 2 kg, den övre gränsen för HAAS -vikten, med hänsyn till att temperatur och höjd kommer att ha en effekt på flytkraft av helium, som nämnts i "Effect of Altitude and Temperature on Volume Control of a Hydrogen Airship" av Michele Trancossi. Detta var dock inte tillräckligt, vilket jag kommer att prata om mer i detalj, men det var för att jag inte tog hänsyn till vattenångans effekt på heliums flytkraft.

Ram:

• Cylindrisk form för att minimera vindeffekten
• Tre lager (topp för att hålla raket, mitten för uppskjutningsmekanism, botten för 360 kamera)
• Tjockt mellanlager för extra stabilitet
• Vertikala skenor för raketplacering och vägledning
• 360 ° kamera för film
• Fällbar fallskärm för säkert anständigt
• Tunn cylindrisk heliumballong för minsta raketförskjutningsvinkel

Starta mekanism

• Mikroprocessor: Arduino Uno
• Lanseringsmetoder: Timer / Digital höjdmätare

• Metod för aktivering av drivmedel: Genom att punktera ett hål i en högtrycks-CO2-kapsel

  • Metallspik fäst vid fjädrar
  • Frigöringsmekanism består av två krokar
  • Släpps genom rörelse av motor
• Skydd av elektroniska enheter mot lägre temperaturer

Jag kom på flera metoder för att släppa spiken med en motorrörelse.

Genom att använda en design som liknar en nycklad kedjedörrlås, genom att dra i metallplattan tills ändnyckeln är i linje med det större hålet, kan spetsen startas. Friktionen visade sig dock vara för stark och motorn kunde inte röra plattan.

Att ha en krok som håller fast spetsen och en stift som låser kroken mot ett stillastående föremål var en annan lösning. Liksom baksidan av en brandsläckarens säkerhetsnål, när stiftet dras ut, skulle kroken vika och starta spetsen. Denna design gav också för mycket friktion.

Den nuvarande designen som jag använder är att använda två krokar, en liknande design som en pistolutlösare. Den första kroken håller fast spetsen, medan den andra kroken fastnar i ett litet nick på baksidan av den första kroken. Fjädrarnas tryck håller krokarna på plats, och motorn har tillräckligt med vridmoment för att låsa upp den sekundära kroken och skjuta upp raketen.

Raket:

• Drivmedel: CO2 under tryck
• Minimera vikten
• Actionkamera integrerad i kroppen
• Utbytbar CO2 -kapsel (återanvändbar raket)
• Alla huvuddrag hos modellraketer (näsa, cylindrisk kropp, fenor)

Eftersom fast raketdrivmedel inte var det bästa alternativet att starta i ett befolkat område, var jag tvungen att välja andra typer av drivmedel. De vanligaste alternativen är tryckluft och vatten. Eftersom vatten kan skada elektroniken ombord måste tryckluft vara drivmedel, men även en miniluftpump var för tung och förbrukade för mycket el för att ha på HAAS. Som tur var tänkte jag på mini CO2 -kapslarna som jag köpte för några dagar sedan till mina cykeldäck och bestämde mig för att det skulle vara ett effektivt drivmedel.

Steg 3: Material

För att göra en HAAS behöver du följande.

För ramen:

• Tunna träskivor (eller någon lätt och stabil bräda, MDF)
• Långa muttrar och bultar
• Aluminium mesh
• 4x skjutreglage i aluminium
• 1x aluminiumrör
• 360 ° kamera (tillval, Samsung Gear 360)
• Stort tygstycke och rep (eller en modellraketfallskärm)

För lanseringsmekanismen

• 2x långa fjädrar
• 1x metallstav
• Tunn tråd
• Några aluminiumplattor
• 1x brödbräda
• 1x Arduino Uno (med USB -kontakt)
• Temperatur- och trycksensor (Adafruit BMP085)
• Piezo Buzzer (Adafruit PS1240)
• Liten motor (Motorbank GWM12F)
• Bygelkablar
• Motorstyrenhet (L298N Dual H-Bridge motorstyrenhet)
• Batterier och batterihållare

För luftraketen

• CO2 -cykeldäck påfyllningsburkar (Bontager CO2 Threaded 16g)
• Flera aluminiumburkar (2 för varje raket)
• Akrylplattor (eller plast)
• Band
• Elastiska band
• Långa strängar
• Actionkamera (tillval, Xiaomi Action Camera)

Verktyg:

• Limpistol
• Epoxispack (tillval)
• Såg-/diamantskärare (tillval)
• 3D -skrivare (tillval)
• Laserskärare eller CNC -fräs (tillval)

Akta sig! Använd verktygen med försiktighet och hantera det försiktigt. Ha någon annan i närheten för att hjälpa till om möjligt, och få hjälp med utvalda verktyg om du inte vet hur du använder dem.

Steg 4: Ram

1. Använd en laserskärare, en CNC -fräsmaskin eller något verktyg du föredrar för att skära den tunna träskivan i formen på de bifogade bilderna. Det översta lagret består av två brädor anslutna med bultar för stabilisering. (För fräsning eller laserskärning finns filerna nedan.
2. Skär aluminiumreglagen i lika långa längder och sätt in dem i sprickorna längs den inre ringen av varje lager. Använd en limpistol för att fästa lagren så att det finns plats för raketen överst.
3. Placera aluminiumröret i mitten av mittskiktet. Se till att det är stabilt och så vertikalt mot lagret som möjligt.
4. Borra ett hål i bottenlagret och fäst 360 ° -kamera som tillval. Jag gjorde ett avtagbart gummilock till kameran, om kameran får en stöt under landningsfasen.
5. Vik den stora tygbiten eller trasan till mindre rektanglar och fäst 8 rep med lika lång längd till de längsta hörnen. Knyt repet längst ut så att det inte trasslar ihop sig. Fallskärmen kommer att fästas i slutet.

Steg 5: Starta mekanism

1. Gör två krokar, en som berättade för metallstången och en för att vara utlösaren. Jag använde två olika mönster: en med metallplattor och en med en 3D -skrivare. Designa dina krokar utifrån bilderna ovan, och 3D -utskriftsfilerna är länkade nedan.

2. För att kunna släppa avtryckaren och starta raketen antingen med en timer eller en digital höjdmätare måste den Arduino -krets som anges i bilden ovan göras. Den digitala höjdmätaren kan läggas till genom att ansluta dessa stift.

   • Arduino A5 -> BMP085 SCL
   • Arduino A4 -> BMP085 SDA
   • Arduino +5V -> BMP085 VIN
   • Arduino GND -> BMP085 GND
3. Lägg till kretsen till HAAS. Anslut utlösarkroken till motorn med en kabel och snurra motorn för att testa om kroken kan glida ut.
4. Slipa änden av den tunna metallstången och sätt in den i aluminiumröret. Fäst sedan två långa fjädrar på stångens ände och anslut den till det översta lagret. Böj stångens ände så att den enkelt kan hakas fast vid uppskjutningsmekanismen.
5. Testa några gånger för att se till att stången startar smidigt.

3D -utskriftsfiler:

Steg 6: Raket

1. Förbered två aluminiumflaskor. Skär den övre delen av en flaska och den nedre delen av den andra.
2. Skär ett litet kors på toppen av den första flaskan och botten på den andra flaskan.
3. Använd tråd och trasa för att skapa en hållare för CO2 -kapseln på den första flaskan.
4. Sätt i en CO2 -kapsel i den övre delen och pressa in den i botten på den andra flaskan så att ingången till CO2 -kapseln är vänd nedåt.
5. Designa och klipp fenor med plast eller akryl och limma dem sedan på raketens sida. Använd valfritt material, i detta fall epoxispackel, för konen.
6. Skär ett rektangulärt hål på raketens sida för den valfria actionkameran.

För att avsluta HAAS, efter att ha installerat startmekanismen, linda aluminiumnätet runt ramen, binda den till de små hålen på ytterkanten. Skär ett hål på sidan för att enkelt nå in i enheten. Gör ett litet hölje för fallskärmen och lägg det på det översta lagret. Vik upp fallskärmen och lägg den i höljet.

Steg 7: Kodning

Startmekanismen kan aktiveras på två olika sätt: med en timer eller en digital höjdmätare. Arduino -koden tillhandahålls, så kommentera metoden som du inte vill använda innan du laddar upp den till din Arduino.

Steg 8: Testning

Om du använder timer för att starta raketen, testa några gånger med en extra CO2 -kapsel på några minuter.

Om du använder höjdmätaren, testa om startmekanismen fungerar utan raket genom att ställa in lanseringshöjden till ~ 2 meter och gå uppför trappan. Testa sedan den på en högre starthöjd genom att gå upp i en hiss (mitt test var 37,5 meter). Testa att lanseringsmekanismen faktiskt skjuter upp en raket med hjälp av timer -metoden.

Innehåller 12 testvideor av HAAS

Steg 9: Resultat

Förhoppningsvis nu har du försökt att göra en rockon själv och kanske till och med firat en framgångsrik raketuppskjutning. Jag måste dock rapportera att mitt lanseringsförsök slutade med ett misslyckande. Huvudorsaken till mitt misslyckande var att jag underskattade mängden helium som behövs för att lyfta HAAS. Med hjälp av förhållandet mellan molmassa helium och molmassa luft, liksom temperatur och tryck, hade jag ungefär beräknat att jag behövde tre tankar med 20L heliumgas, men jag fick reda på att jag hade fruktansvärt fel. Eftersom det var svårt att köpa heliumtankar som student, fick jag inga reservtankar och lyckades inte ens få HAAS över 5 meter från marken. Så, om du inte har försökt att flyga din rockon än, här är ett råd: skaffa så mycket helium som du kan få tag på. Egentligen skulle det förmodligen vara mer rimligt om du beräknade din nödvändiga mängd, med hänsyn till att tryck och temperatur minskar när höjden ökar (inom vårt flygområde), och att ju mer vattenånga det finns, desto mindre flytande helium kommer att ha, då få dubbelt så mycket.

I efterdyningarna av den misslyckade lanseringen bestämde jag mig för att använda 360 -kameran för att fånga en luftfilm av den omgivande floden och parkera, så jag band den till heliumballongen med en lång sträng fäst i botten och lät den flyga. Oväntat var vinden på en lite hög höjd på väg i fullständigt motsatt riktning som de lägre vindarna, och heliumballongen drev in i en elektrisk ledningsinstallation i närheten. I ett desperat försök att rädda min kamera och inte skada ledningarna, drog jag i det bifogade repet, men det var värdelöst; ballongen var redan fast i tråden. Hur i hela friden kan så många saker gå fel på en dag? Så småningom ringde jag till ledningsföretaget och bad dem hämta kameran. Vänligen gjorde de det, även om det tog mig tre månader att få tillbaka det. För din nöjes skull bifogas några foton och videor från denna incident.

Denna olycka, även om det inte först kom mig in, avslöjade en allvarlig begränsning av att använda rockoner. Ballongerna kan inte styras, åtminstone inte med en lätt och lättstyrd mekanism som kan installeras på HAAS, och därför är det nästan omöjligt att skjuta raketen in i en avsedd bana. Eftersom förhållandena för varje uppskjutning är olika och fortsätter att förändras under uppstigningen är det svårt att förutse rakongens rörelse, vilket då kräver att sjösättningen görs på en plats med ingenting runt den i flera kilometer, eftersom en misslyckad uppskjutning kan bevisa att vara farlig.

Jag tror att denna begränsning kan övervinnas genom att utveckla en mekanism för att navigera på ett 3D -plan med drag från ballongen och tolka vind som vektorkrafter. Idéer som jag har tänkt på är segel, tryckluft, propellrar, bättre ramkonstruktion etc. Utvecklingen av dessa idéer är något jag kommer att jobba på med min nästa modell av HAAS, och kommer att se fram emot att se några av er utvecklas dem också.

Med lite forskning fann jag att två Stanford flyg- och rymdorganisationer, Daniel Becerra och Charlie Cox, använde en liknande design och hade en framgångsrik lansering från 30 000 fot. Deras lanseringsfilmer finns på Stanford Youtube -kanal. Företag som JP Aerospace utvecklar "Specialties" på rakonger, designar och lanserar mer komplexa rockoner med fast bränsle. Deras tio-ballongsystem, kallat "The Stack", är ett exempel på olika förbättringar på rockonen. Jag tror att flera andra företag som ett kostnadseffektivt sätt att skjuta upp ljudande raketer kommer att arbeta för att göra rakonger i framtiden.

Jag vill tacka professor Kim Kwang Il för att han har stöttat mig under hela detta projekt, samt för att ge resurser och råd. Jag vill också tacka mina föräldrar för att de är entusiastiska över det jag brinner för. Sist, men inte minst, vill jag tacka dig för att du läste denna instruktionsbok. Förhoppningsvis kommer miljövänlig teknik att utvecklas inom rymdindustrin snart, vilket möjliggör tätare besök av underverken där ute.