How to Make a Rockoon: Project HAAS: 9 Steps (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:25

Ideen bak denne Instructable er å tilby en alternativ metode, uansett hvor usannsynlig det kan virke, for kostnadseffektive rakettoppskytninger. Med den siste romteknologiske utviklingen fokusert på å redusere kostnadene, tenkte jeg at det ville være flott å introdusere rakongen for et bredere publikum. Denne instruksen er stort sett delt inn i fire deler: introduksjon, design, bygging og resultater. Hvis du vil hoppe over konseptet med rakonger og hvorfor jeg designet mitt slik jeg gjorde, gå rett til bygningsdelen. Jeg håper du liker det, og jeg vil gjerne høre fra deg om tankene dine om prosjektet mitt eller om ditt eget design og bygg!

Trinn 1: Bakgrunnsinformasjon

I følge Encyclopedia Astronautica er en rakong (fra rakett og ballong) en rakett som først blir ført inn i den øvre atmosfæren av en gassfylt ballong som er lettere enn luft, deretter separert og antent. Dette gjør at raketten kan oppnå en høyere høyde med mindre drivmiddel, ettersom raketten ikke trenger å bevege seg under kraft gjennom de nedre og tykkere lagene i atmosfæren. Det opprinnelige konseptet ble oppfunnet under et Aerobee -skyttekors av Norton Sound i mars 1949, og ble først lansert av Office of Naval Research -gruppen under James A. Van Allen.

Da jeg først startet prosjektet mitt på rockoon, ante jeg ikke hva en rockoon var. Det var først etter at jeg hadde fullført dokumentasjonen etter prosjektet mitt at jeg fant ut at det var et navn på denne enheten jeg hadde laget. Som en sørkoreansk student som er interessert i romteknologi, har jeg vært frustrert over mitt lands utvikling av raketter siden jeg var ung. Selv om det koreanske romfartsbyrået, KARI, har gjort flere forsøk på romfartøyer, og lyktes en gang, er teknologien vår ikke i nærheten av andre romfartsorganisasjoner som NASA, ESA, CNSA eller Roscosmos. Vår første rakett, Naro-1, ble brukt til alle tre oppskytningsforsøkene, hvorav to mistenkes å ha mislyktes på grunn av separasjon av etapper eller fairing. Den neste raketten som skal lages, Naro-2, er en tretrinns rakett, som får meg til å stille spørsmål, er det lurt å dele raketten i flere etapper? Fordelene med å gjøre det ville være at raketten mister betydelig masse når trinnene skilles, og dermed øker drivstoffets effektivitet. Imidlertid øker sjøsetting av flere trinns raketter også sjansen for at oppskytningen ender som en fiasko.

Dette fikk meg til å tenke på måter å minimere rakettstadier mens du maksimerer drivstoffeffektiviteten. Å skyte opp raketter fra fly som missiler, ved hjelp av brennbart materiale for rakettstadier, er noen andre ideer jeg hadde, men et alternativ som tiltrukket meg var oppskytingsplattformen i stor høyde. Jeg tenkte: Hvorfor kan ikke en rakett bare starte fra en heliumballong, over det meste av atmosfæren? Raketten kan da være en en-trinns rakett, som vil forenkle oppskytingsprosessen betydelig, samt redusere kostnadene.” Så jeg bestemte meg for å designe og bygge en rakong selv som et bevis på konseptet, og for å dele denne instruksjonsboken, slik at du alle kan prøve den hvis du vil.

Modellen jeg bygger kalles en HAAS, en forkortelse for High Altitude Aerial Spaceport, i håp om at raketter en dag ikke bare vil være en midlertidig oppskytingsplattform for raketter, men en permanent plattform som brukes til oppskyting, tanking og landingsplass for kjøretøyer.

Trinn 2: Design

Jeg designet HAAS basert på intuitive former og grunnleggende beregninger

Beregninger:

Ved å bruke Nasas veiledning om "Designing a High Altitude Balloon" beregnet jeg at jeg ville trenge omtrent 60L helium for å løfte maksimalt 2 kg, den øvre grensen vi satte for HAAS -vekten, idet vi tar hensyn til at temperatur og høyde vil ha en effekt på oppdriftskraft av helium, som nevnt i "Effect of Altitude and Temperature on Volume Control of a Hydrogen Airship" av Michele Trancossi. Dette var imidlertid ikke nok, som jeg vil snakke om mer detaljert, men det var fordi jeg ikke tok hensyn til vanndampens effekt på heliums oppdrift.

Ramme:

• Sylindrisk form for å minimere vindeffekten
• Tre lag (topp for å holde rakett, midt for oppskytningsmekanisme, bunn for 360 kamera)
• Tykt mellomlag for ekstra stabilitet
• Vertikale skinner for plassering og veiledning av raketter
• 360 ° kamera for opptak
• Sammenleggbar fallskjerm for sikker anstendig
• Tynn sylindrisk heliumballong for minimum rakettforskyvningsvinkel

Lanseringsmekanisme

• Mikroprosessor: Arduino Uno
• Lanseringsmetoder: Timer / Digital høydemåler

• Metode for aktivering av drivstoff: Ved å punktere et hull i en høytrykks CO2-kapsel

  • Metallpinne festet til fjærer
  • Utløsermekanisme består av to kroker
  • Frigjøres ved bevegelse av motor
• Beskyttelse av elektroniske enheter mot lavere temperaturer

Jeg kom på flere metoder for å slippe piggen med en motorbevegelse.

Ved å bruke et design som ligner på en nøkkelkjedet dørlås, ved å trekke i metallplaten til endenøkkelen er på linje med det større hullet, kan piggen bli lansert. Friksjonen viste seg imidlertid å være for sterk, og motoren klarte ikke å rive platen.

Å ha en krok som holder på piggen og en pinne som låser kroken til et stasjonært objekt var en annen løsning. I likhet med baksiden av en brannslukningsapparatets sikkerhetsnål, ville nålen vike og starte piggen når tappen trekkes ut. Denne designen ga også for mye friksjon.

Den nåværende designen jeg bruker er ved å bruke to kroker, et lignende design som en pistolutløser. Den første kroken holder på piggen, mens den andre kroken er fanget i en liten hake på baksiden av den første kroken. Trykket på fjærene holder krokene på plass, og motoren har nok dreiemoment til å låse opp den sekundære kroken og skyte opp raketten.

Rakett:

• Drivstoff: CO2 under trykk
• Minimer vekten
• Actionkamera integrert i kroppen
• Utskiftbar CO2 -kapsel (gjenbrukbar rakett)
• Alle hovedtrekkene i modellraketter (nese, sylindrisk kropp, finner)

Siden solid rakettdrivmiddel ikke var det beste alternativet for å skyte i et befolket område, måtte jeg velge andre typer drivmiddel. De vanligste alternativene er trykkluft og vann. Fordi vann kan skade elektronikken ombord, måtte trykkluft være drivstoff, men selv en mini luftpumpe var for tung og brukte for mye strøm til å ha på HAAS. Heldigvis tenkte jeg på mini CO2 -kapslene som jeg hadde kjøpt for noen dager siden for sykkeldekkene mine, og bestemte meg for at det ville være et effektivt drivmiddel.

Trinn 3: Materialer

For å lage en HAAS trenger du følgende.

For rammen:

• Tynne treplater (eller et lett og stabilt brett, MDF)
• Lange muttere og bolter
• Aluminium mesh
• 4x glidebryter i aluminium
• 1x aluminiumsrør
• 360 ° kamera (valgfritt, Samsung Gear 360)
• Stort tøystykke og tau (eller en modellrakettskjerm)

For lanseringsmekanismen

• 2x lange fjærer
• 1x metallstang
• Tynn ledning
• Noen aluminiumsplater
• 1x brødbrett
• 1x Arduino Uno (m/ USB -kontakt)
• Temperatur- og trykksensor (Adafruit BMP085)
• Piezo Buzzer (Adafruit PS1240)
• Liten motor (Motorbank GWM12F)
• Jumper ledninger
• Motorstyring (L298N Dual H-Bridge motorstyring)
• Batterier og batteriholder

For luftraketten

• CO2 påfyllingsbokser for sykkeldekk (Bontager CO2 Threaded 16g)
• Flere aluminiumsbokser (2 for hver rakett)
• Akrylplater (eller plast)
• Bånd
• Elastiske bånd
• Lange strenger
• Actionkamera (valgfritt, Xiaomi Action Camera)

Verktøy:

• Limpistol
• Epoxy kitt (valgfritt)
• Sag-/diamantkutter (valgfritt)
• 3D -skriver (valgfritt)
• Laserskjærer eller CNC -fresemaskin (valgfritt)

Vær forsiktig! Bruk verktøyene med forsiktighet og håndter forsiktig. Ha noen andre rundt for å hjelpe hvis det er mulig, og få hjelp med utvalgte verktøy hvis du ikke vet hvordan du bruker dem.

Trinn 4: Ramme

1. Bruk en laserskjærer, en CNC -fresemaskin eller et verktøy du foretrekker for å kutte det tynne trebordet i formen på de vedlagte bildene. Det øverste laget består av to brett forbundet med bolter for stabilisering. (For fresing eller laserskjæring finnes filene nedenfor.
2. Skjær aluminiumsgliderne i like lange lengder, og sett dem inn i sprekkene langs den indre ringen av hvert lag. Bruk en limpistol til å feste lagene slik at det er plass til raketten på toppen.
3. Plasser aluminiumsrøret i midten av det midterste laget. Sørg for at det er stabilt og så loddrett som mulig mot laget.
4. Bor et hull i bunnlaget og fest det valgfrie 360 ° -kameraet. Jeg laget et avtagbart gummideksel for kameraet, i tilfelle kameraet mottar et støt under landingsfasen.
5. Brett det store stoffet eller stoffet i mindre rektangler og fest 8 tau med like lengde til de lengste hjørnene. Knyt tauet ytterst, så det ikke blir sammenflettet. Fallskjermen vil bli festet helt på slutten.

Trinn 5: Start mekanisme

1. Lag to kroker, en for å fortelle metallstangen og en for å være utløseren. Jeg brukte to forskjellige design: en som bruker metallplater, og en som bruker en 3D -skriver. Design krokene dine basert på bildene ovenfor, og 3D -utskriftsfiler er koblet nedenfor.

2. For å kunne slippe utløseren og starte raketten ved hjelp av enten en timer eller en digital høydemåler, må Arduino -kretsen som er angitt på bildet ovenfor, lages. Den digitale høydemåler kan legges til ved å koble disse pinnene.

   • Arduino A5 -> BMP085 SCL
   • Arduino A4 -> BMP085 SDA
   • Arduino +5V -> BMP085 VIN
   • Arduino GND -> BMP085 GND
3. Legg til kretsen til HAAS. Koble utløserkroken til motoren med en ledning, og snurr motoren for å teste om kroken glatt kan gli ut.
4. Slip enden av den tynne metallstangen og sett den inn i aluminiumsrøret. Fest deretter to lange fjærer til enden av stangen, og koble den til det øverste laget. Bøy enden av stangen slik at den lett kan hektes på oppskytningsmekanismen.
5. Test et par ganger for å sikre at stangen starter jevnt.

3D -utskriftsfiler:

Trinn 6: Rakett

1. Forbered to aluminiumsflasker. Skjær den øvre delen av den ene flasken, og den nedre delen av den andre.
2. Skjær et lite kryss på toppen av den første flasken og bunnen av den andre flasken.
3. Bruk wire og klut til å lage en holder for CO2 -kapsel på den første flasken.
4. Sett en CO2 -kapsel inn i den øvre delen, og klem den inn i bunnen av den andre flasken slik at inngangen til CO2 -kapsel vender nedover.
5. Design og klipp finnene med plast eller akryl, lim dem deretter til siden av raketten. Bruk hvilket som helst foretrukket materiale, i dette tilfellet epoxy kitt, til kjeglen.
6. Skjær et rektangulært hull på siden av raketten for det valgfrie actionkameraet.

For å fullføre HAAS, etter å ha installert lanseringsmekanismen, vikler du aluminiumsnettet rundt rammen, knytter den til de små hullene på utsiden. Skjær et hull på siden for å komme lett inn i enheten. Lag et lite foringsrør for fallskjermen og legg den på det øverste laget. Brett opp fallskjermen og legg den i foringsrøret.

Trinn 7: Koding

Lanseringsmekanismen kan aktiveres på to forskjellige måter: med en timer eller en digital høydemåler. Arduino -koden er gitt, så kommenter metoden du ikke vil bruke før du laster den opp til Arduino.

Trinn 8: Testing

Hvis du bruker timer for å starte raketten, må du teste et par ganger med en ekstra CO2 -kapsel i løpet av noen minutter.

Hvis du bruker høydemåler, må du teste om oppskytningsmekanismen fungerer uten raketten ved å sette lanseringshøyden til ~ 2 meter og gå opp trappen. Deretter kan du teste den i en høyere lanseringshøyde ved å gå opp en heis (min test ble satt til 37,5 meter). Test at oppskytningsmekanismen faktisk skyter opp en rakett ved å bruke timermetoden.

Inkludert er 12 testvideoer av HAAS

Trinn 9: Resultater

Forhåpentligvis har du nå prøvd å lage en rakett og kanskje til og med feiret en vellykket rakettoppskytning. Jeg må imidlertid rapportere at lanseringsforsøket mitt endte med en feil. Hovedårsaken til min feil var at jeg undervurderte mengden helium som trengs for å løfte HAAS. Ved å bruke forholdet mellom molar masse av helium og molar masse luft, samt temperatur og trykk, hadde jeg omtrent beregnet at jeg trengte tre tanker med 20L heliumgass, men jeg fant ut at jeg tok fryktelig feil. Siden det var vanskelig å kjøpe heliumstanker som student, fikk jeg ingen reservetanker og klarte ikke engang å få HAAS over 5 meter fra bakken. Så, hvis du ikke har prøvd å fly rakongen din ennå, her er et råd: få så mye helium du kan få tak i. Egentlig ville det sannsynligvis vært mer fornuftig hvis du beregnet din nødvendige mengde, med tanke på at trykk og temperatur synker etter hvert som høyden øker (innenfor flyveområdet vårt), og at jo mer vanndamp det er, desto mindre oppdrift vil helium ha, da få dobbelt så mye.

I kjølvannet av den mislykkede lanseringen bestemte jeg meg for å bruke 360 -kameraet til å fange en luftfilm av elven og parken rundt, så jeg bandt den til heliumballongen med en lang snor festet til bunnen, og lot den fly. Uventet var vinden i en litt høy høyde på vei i fullstendig motsatt retning da de lavere vindene, og heliumballongen drev inn i en elektrisk ledningsinstallasjon i nærheten. I et desperat forsøk på å redde kameraet mitt og ikke skade ledningene, tok jeg i tauet som var festet, men det var ubrukelig; ballongen var allerede fanget i ledningen. Hvordan i all verden kan så mange ting gå galt på en dag? Til slutt ringte jeg ledningsfirmaet og ba dem om å hente kameraet. De gjorde det, selv om det tok meg tre måneder å få det tilbake. For underholdning er det vedlagt noen bilder og videoer fra denne hendelsen.

Denne ulykken, selv om den ikke oppsto meg først, avslørte en alvorlig begrensning ved bruk av rakonger. Ballongene kan ikke styres, i hvert fall ikke med en lett og lett å kontrollere mekanisme som kan installeres på HAAS, og derfor er det nesten umulig å skyte raketten inn i en tiltenkt bane. Siden forholdene for hver oppskytning er forskjellige og stadig endrer seg gjennom oppstigningen, er det vanskelig å forutsi rakongens bevegelse, noe som deretter krever at oppskytningen gjøres på et sted uten noe rundt det i flere kilometer, fordi en mislykket oppskyting kan vise seg å være farlig.

Jeg tror denne begrensningen kan overvinnes ved å utvikle en mekanisme for å navigere på et 3D -plan med drag fra ballongen, og tolke vind som vektorkrefter. Ideer som jeg har tenkt på er seil, trykkluft, propeller, bedre rammedesign, etc. Utviklingen av disse ideene er noe jeg skal jobbe med med min neste modell av HAAS, og jeg vil glede meg til å se noen av dere utvikle dem også.

Med litt undersøkelser fant jeg ut at to store Stanford -romfart, Daniel Becerra og Charlie Cox, brukte et lignende design og hadde en vellykket lansering fra 30 000 fot. Lanseringsopptakene deres finnes på Stanford Youtube -kanal. Selskaper som JP Aerospace utvikler "Spesialiteter" på rakonger, designer og lanserer mer komplekse raketter med fast brensel. Deres ti-ballongsystem, kalt "The Stack", er et eksempel på forskjellige forbedringer på rakongen. Jeg tror at flere andre selskaper som en kostnadseffektiv måte å skyte raketter på, vil arbeide for å lage rakonger i fremtiden.

Jeg vil takke professor Kim Kwang Il for at han har støttet meg gjennom dette prosjektet, samt gitt ressurser og råd. Jeg vil også takke foreldrene mine for at de var entusiastiske om det jeg brenner for. Sist, men ikke minst, vil jeg takke deg for at du leste denne instruksen. Forhåpentligvis vil miljøvennlig teknologi snart bli utviklet i romindustrien, noe som muliggjør hyppigere besøk til underverkene der ute.