Kaip padaryti „Rockoon“: projektas „HAAS“: 9 žingsniai (su nuotraukomis)

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:48

Šio „Instructable“idėja yra pasiūlyti alternatyvų metodą, kad ir koks neįtikėtinas jis atrodytų ekonomiškai efektyvių raketų paleidimui. Pastaruoju metu kuriant kosmoso technologijas daugiausia dėmesio skiriant išlaidų mažinimui, maniau, kad būtų puiku pristatyti rockoon platesnei auditorijai. Ši instrukcija yra suskirstyta į keturias dalis: įvadas, dizainas, kūrimas ir rezultatai. Jei norite praleisti rokonų sampratą ir kodėl aš suprojektavau savo taip, kaip tai padariau, eikite tiesiai į pastato dalį. Tikiuosi, kad jums patiks, ir aš norėčiau išgirsti iš jūsų nuomonę apie mano projektą arba apie jūsų paties projektą ir konstrukcijas !!

1 veiksmas: pagrindinė informacija

Remiantis „Encyclopedia Astronautica“, rokokas (iš raketos ir baliono) yra raketa, kurią į atmosferos viršutinę dalį pirmiausia nešioja dujomis pripildytas lengvesnis nei oras oro balionas, o vėliau atskiria ir uždega. Tai leidžia raketai pasiekti didesnį aukštį, naudojant mažiau raketinių medžiagų, nes raketa neturi judėti jėga per apatinius ir storesnius atmosferos sluoksnius. Pradinė koncepcija buvo sukurta 1949 m. Kovo mėn. „Aerobee“šaudant į „Norton Sound“, o pirmą kartą ją pristatė Jūrų tyrimų biuro vadovas Jamesas A. Van Allenas.

Kai pirmą kartą pradėjau savo projektą „rockoon“, aš net neįsivaizdavau, kas yra rockoon. Tik po to, kai baigiau savo projekto dokumentaciją, sužinojau, kad yra šio mano sukurto prietaiso pavadinimas. Kaip Pietų Korėjos studentas, besidomintis kosmoso technologijomis, nuo jaunystės buvau nusivylęs savo šalies raketų kūrimu. Nors Korėjos kosmoso agentūra KARI kelis kartus bandė paleisti kosmines raketas ir tai pavyko vieną kartą, mūsų technologijos niekur nėra artimos kitoms kosmoso agentūroms, tokioms kaip NASA, ESA, CNSA ar „Roscosmos“. Mūsų pirmoji raketa „Naro-1“buvo panaudota visiems trims bandymams paleisti, iš kurių du, kaip įtariama, žlugo dėl etapų atskyrimo ar apvalkalo. Sekanti raketa „Naro-2“yra trijų pakopų raketa, todėl man kyla klausimas, ar protinga raketą padalyti į kelis etapus? Tai būtų naudinga, nes raketa prarastų didelę masę, kai etapai būtų atskirti, todėl padidėtų raketinio kuro efektyvumas. Tačiau paleidus kelių pakopų raketas taip pat padidėja tikimybė, kad paleidimas baigsis nesėkme.

Tai privertė mane galvoti apie būdus, kaip sumažinti raketų pakopas, tuo pačiu padidinant raketinio kuro efektyvumą. Raketų paleidimas iš lėktuvų, kaip raketos, naudojant degią medžiagą raketų scenos korpusams, yra keletas kitų mano turimų idėjų, tačiau viena mane patraukusi galimybė buvo paleidimo platforma aukštyje. Pagalvojau: „Kodėl raketa negali tiesiog paleisti iš helio baliono, esančio virš atmosferos? Tada raketa gali būti vienpakopė skambanti raketa, kuri žymiai supaprastintų paleidimo procesą ir sumažintų išlaidas “. Taigi, aš nusprendžiau pats suprojektuoti ir sukurti „rockoon“kaip koncepcijos įrodymą ir pasidalyti šia instrukcija, kad visi galėtumėte tai išbandyti, jei norite.

Mano sukurtas modelis vadinamas HAAS, sutrumpintai „High Altitude Aerial Spaceport“, tikintis, kad vieną dieną rokonai bus ne tik laikina raketų paleidimo platforma, bet ir nuolatinė platforma, naudojama kosminėms raketoms paleisti, papildyti ir nusileisti.

2 žingsnis: dizainas

Aš sukūriau HAAS, remdamasis intuityviomis formomis ir pagrindiniais skaičiavimais

Skaičiavimai:

Naudodamas NASA vadovą „Didelio aukščio baliono projektavimas“, apskaičiavau, kad man reikės apie 60 litrų helio, kad galėčiau pakelti daugiausiai 2 kg - viršutinę ribą, kurią nustatėme HAAS svoriui, atsižvelgiant į tai, kad temperatūra ir aukštis turės įtakos helio plūdrumo jėga, kaip minėta Michele Trancossi „Aukščio ir temperatūros įtaka vandenilio dirižablio tūrio kontrolei“. Tačiau to nepakako, apie ką kalbėsiu plačiau, bet taip buvo todėl, kad neatsižvelgiau į vandens garų poveikį helio plūdrumui.

Rėmas:

• Cilindro formos, siekiant sumažinti vėjo poveikį
• Trys sluoksniai (viršuje raketei laikyti, viduryje paleidimo mechanizmui, apačioje - 360 kamerų)
• Storas vidurinis sluoksnis papildomam stabilumui
• Vertikalūs bėgeliai raketų išdėstymui ir nukreipimui
• 360 ° kamera filmuotai medžiagai
• Sulankstomas parašiutas saugiam padorumui
• Plonas cilindrinis helio balionas minimaliam raketos poslinkio kampui

Paleidimo mechanizmas

• Mikroprocesorius: Arduino Uno
• Paleidimo būdai: laikmatis / skaitmeninis aukščiamatis

• Propelento aktyvinimo būdas: pradurta skylė aukšto slėgio CO2 kapsulėje

  • Prie spyruoklių pritvirtintas metalinis smaigalys
  • Atlaisvinimo mechanizmą sudaro du kabliukai
  • Išleidžiamas dėl variklio judėjimo
• Elektroninių prietaisų apsauga nuo žemesnės temperatūros

Aš sugalvojau keletą būdų, kaip atlaisvinti smaigalį variklio judesiu.

Naudojant konstrukciją, panašią į raktų grandinės durų spyną, traukiant metalinę plokštę, kol galinis raktas susilygins su didesne skyle, smaigalys gali būti paleistas. Tačiau trintis pasirodė per stipri, o variklis negalėjo palenkti plokštės.

Kitas sprendimas buvo turėti kabliuką, laikantį ant smaigalio ir kaištį, fiksuojantį kabliuką prie nejudančio objekto. Kaip ir gesintuvo apsauginio kaiščio reversas, ištraukus kaištį, kabliukas užleistų kelią ir paleistų smaigalį. Ši konstrukcija taip pat sukėlė per daug trinties.

Šiuo metu aš naudoju du kabliukus, panašius į pistoleto paleidiklį. Pirmasis kabliukas laikosi už smaigalio, o kitas kabliukas yra įstrigęs į mažą įdubą pirmojo kabliuko gale. Spyruoklių slėgis laiko kabliukus, o variklis turi pakankamai sukimo momento, kad atrakintų antrinį kabliuką ir paleistų raketą.

Raketa:

• Propelentas: suslėgtas CO2
• Sumažinkite svorį
• Veiksmo kamera integruota į kūną
• Keičiama CO2 kapsulė (daugkartinio naudojimo raketa)
• Visos pagrindinės raketų modelių savybės (nosis, cilindrinis korpusas, pelekai)

Kadangi kietas raketinis raketinis teršalas nebuvo geriausias pasirinkimas paleisti gyvenamoje vietovėje, turėjau pasirinkti kitų rūšių raketinį kurą. Dažniausios alternatyvos yra suslėgtas oras ir vanduo. Kadangi vanduo gali sugadinti laive esančią elektroniką, suslėgtas oras turėjo būti varomasis variklis, tačiau net mini oro siurblys buvo per sunkus ir sunaudojo per daug elektros energijos, kad galėtų turėti HAAS. Laimei, pagalvojau apie prieš dvi dienas dviračių padangoms pirktas mini CO2 kapsules ir nusprendžiau, kad tai bus veiksmingas variklis.

3 žingsnis: medžiagos

Norėdami sukurti HAAS, jums reikės šių dalykų.

Dėl rėmo:

• Plonos medinės lentos (arba bet kokia lengva ir stabili plokštė, MDF)
• Ilgi veržlės ir varžtai
• Aliuminio tinklelis
• 4x aliuminio slankiklis
• 1x aliuminio vamzdis
• 360 ° kamera (pasirenkama, „Samsung Gear 360“)
• Didelis audinio ir virvės gabalas (arba modelinis raketinis parašiutas)

Dėl paleidimo mechanizmo

• 2x ilgos spyruoklės
• 1x metalinis strypas
• Plonas laidas
• Kai kurios aliuminio plokštės
• 1x duonos lenta
• 1x „Arduino Uno“(su USB jungtimi)
• Temperatūros ir slėgio jutiklis („Adafruit BMP085“)
• „Piezo Buzzer“(„Adafruit PS1240“)
• Mažas variklis (Motorbank GWM12F)
• Jumperio laidai
• Variklio valdiklis (L298N dvigubo H tilto variklio valdiklis)
• Baterijos ir baterijų laikiklis

Dėl oro raketos

• CO2 dviračių padangų pildymo skardinės (Bontager CO2 Threaded 16g)
• Keletas aliuminio skardinių (po 2 kiekvienai raketai)
• Akrilo plokštės (arba plastikinės)
• Juostelės
• Elastinės juostos
• Ilgos stygos
• Veiksmo kamera (pasirenkama, „Xiaomi Action Camera“)

Įrankiai:

• Klijų pistoletas
• Epoksidinis glaistas (neprivaloma)
• Pjūklas/deimantinis pjoviklis (neprivaloma)
• 3D spausdintuvas (neprivaloma)
• Lazerinis pjoviklis arba CNC frezavimo staklės (neprivaloma)

Saugotis! Prašome naudoti įrankius atsargiai ir elgtis atsargiai. Jei įmanoma, pakvieskite ką nors kitą padėti ir gaukite pagalbos naudodami pasirinktus įrankius, jei nežinote, kaip jais naudotis.

4 žingsnis: rėmas

1. Naudokite lazerinį pjaustytuvą, CNC frezavimo staklę ar bet kurį kitą pasirinktą įrankį, kad supjaustytumėte ploną medinę lentą į formą, pridėtą nuotraukose. Viršutinį sluoksnį sudaro dvi plokštės, sujungtos varžtais stabilizavimui. (Frezuojant ar pjaustant lazeriu, failai pateikti žemiau.
2. Aliuminio slankiklius supjaustykite vienodo ilgio ir įkiškite į plyšius išilgai kiekvieno sluoksnio vidinio žiedo. Naudodami klijų pistoletą, klijuokite sluoksnius taip, kad viršuje būtų vietos raketei.
3. Padėkite aliuminio vamzdį vidurinio sluoksnio centre. Įsitikinkite, kad jis yra stabilus ir kuo vertikalesnis sluoksniui.
4. Išgręžkite skylę apatiniame sluoksnyje ir pritvirtinkite papildomą 360 ° kamerą. Aš padariau nuimamą guminį fotoaparato dangtelį, jei nusileidimo metu fotoaparatas patirs šoką.
5. Sulenkite didelį audinio ar audinio gabalėlį į mažesnius stačiakampius ir pritvirtinkite 8 vienodo ilgio virves prie tolimiausių kampų. Riškite virvę tolimiausiame gale, kad ji nesusipainiotų. Parašiutas bus pritvirtintas pačioje pabaigoje.

5 žingsnis: paleiskite mechanizmą

1. Padarykite du kabliukus, vieną - metaliniam strypui, o kitą - gaiduką. Aš naudojau du skirtingus dizainus: vieną naudoju metalines plokštes, o kitą - 3D spausdintuvą. Sukurkite kabliukus pagal aukščiau pateiktas nuotraukas, o 3D spausdinimo failai yra susieti žemiau.

2. Kad būtų galima atleisti gaiduką ir paleisti raketą naudojant laikmatį arba skaitmeninį aukščio matuoklį, reikia padaryti aukščiau esančioje nuotraukoje nurodytą „Arduino“grandinę. Skaitmeninį aukščio matuoklį galima pridėti prijungus šiuos kaiščius.

   • „Arduino A5“-> BMP085 SCL
   • „Arduino A4“-> BMP085 SDA
   • Arduino +5V -> BMP085 VIN
   • „Arduino GND“-> BMP085 GND
3. Pridėkite grandinę prie HAAS. Prijunkite paleidimo kabliuką prie variklio viela ir sukite variklį, kad patikrintumėte, ar kablys gali sklandžiai išslysti.
4. Susmulkinkite plono metalinio strypo galą ir įstatykite į aliuminio vamzdį. Tada pritvirtinkite dvi ilgas spyruokles prie strypo galo ir prijunkite jį prie viršutinio sluoksnio. Sulenkite strypo galą, kad jį būtų galima lengvai užsikabinti ant paleidimo mechanizmo.
5. Kelis kartus patikrinkite, ar strypas sklandžiai paleidžiamas.

3D spausdinimo failai:

6 žingsnis: raketa

1. Paruoškite du aliuminio butelius. Nupjaukite vieno butelio viršutinę dalį, o kito - apatinę.
2. Pirmojo butelio viršuje nupjaukite šiek tiek kryžiaus ir antrojo butelio apačioje.
3. Naudokite vielą ir audinį, kad padarytumėte CO2 kapsulės laikiklį pirmame butelyje.
4. Įdėkite CO2 kapsulę į viršutinę dalį ir suspauskite ją į antrojo butelio dugną taip, kad įėjimas į CO2 kapsulę būtų nukreiptas žemyn.
5. Suplanuokite ir supjaustykite pelekus plastiku arba akrilu, tada klijuokite juos prie raketos šono. Kūgiui naudokite bet kokią pageidaujamą medžiagą, šiuo atveju epoksidinį glaistą.
6. Iškirpkite stačiakampę skylę raketos šone pasirinktinai veikiančiai kamerai.

Norėdami užbaigti HAAS, sumontavę paleidimo mechanizmą, apvyniokite aliuminio tinklelį aplink rėmą, pririškite jį prie mažų skylių išoriniame ratlankyje. Iškirpkite skylę šone, kad lengvai patektumėte į prietaisą. Padarykite nedidelį parašiuto apvalkalą ir padėkite jį ant viršutinio sluoksnio. Sulenkite parašiutą ir įdėkite jį į korpusą.

7 žingsnis: kodavimas

Paleidimo mechanizmą galima įjungti dviem skirtingais būdais: naudojant laikmatį arba skaitmeninį aukščio matuoklį. Pateikiamas „Arduino“kodas, todėl prieš įkeldami jį į „Arduino“, pakomentuokite metodą, kurio nenorite naudoti.

8 žingsnis: bandymas

Jei naudojate laikmatį raketai paleisti, keletą kartų išbandykite su atsargine CO2 kapsule per kelias minutes.

Jei naudojate aukščio matuoklį, patikrinkite, ar paleidimo mechanizmas veikia be raketos, nustatydami paleidimo aukštį ~ 2 metrus ir eidami laiptais. Tada išbandykite jį didesniame paleidimo aukštyje, pakildami liftu (mano testas nustatytas 37,5 metro). Naudodami laikmačio metodą patikrinkite, ar paleidimo mechanizmas iš tikrųjų paleidžia raketą.

Įtraukta 12 bandomųjų HAAS vaizdo įrašų

9 žingsnis: Rezultatai

Tikimės, kad jau bandėte patys pasigaminti „rockoon“ir galbūt net šventėte sėkmingą raketos paleidimą. Tačiau turiu pranešti, kad mano paleidimo bandymas baigėsi nesėkmingai. Pagrindinė mano nesėkmės priežastis buvo ta, kad nepakankamai įvertinau helio kiekį, reikalingą HAAS pakelti. Naudodamas helio molinės masės ir oro molinės masės santykį, taip pat temperatūrą ir slėgį, maždaug apskaičiavau, kad man reikia trijų talpų 20 litrų helio dujų, tačiau supratau, kad klydau. Kadangi studijuojant buvo sunku įsigyti helio talpyklų, aš negavau jokių atsarginių bakų ir net nepavyko pakelti HAAS aukščiau nei 5 metrai nuo žemės. Taigi, jei dar nebandėte skraidyti savo rockoon, čia yra patarimas: gaukite tiek helio, kiek galite gauti. Tiesą sakant, tikriausiai būtų protingiau, jei apskaičiuotumėte reikiamą kiekį, atsižvelgdami į tai, kad slėgis ir temperatūra mažėja didėjant aukščiui (mūsų skraidymo diapazone) ir kad kuo daugiau vandens garų, tuo mažiau plūdrumo helis turės, gauti dvigubai didesnę sumą.

Po nepavykusio paleidimo nusprendžiau 360 laipsnių kameros pagalba užfiksuoti aplinkinės upės ir parko vaizdo įrašą, todėl pririšau jį prie helio baliono su ilga virvele, pritvirtinta prie dugno, tada leidžiu skristi. Netikėtai vėjas šiek tiek dideliame aukštyje pakrypo visiškai priešinga kryptimi, kaip žemesni vėjai, ir helio balionas nuklydo į netoliese esančią elektros instaliaciją. Beviltiškai bandydamas išgelbėti savo fotoaparatą ir nepažeisti laidų, aš patraukiau už pritvirtintos virvės, bet tai buvo nenaudinga; balionas jau buvo įstrigęs vieloje. Kaip Žemėje per vieną dieną gali nutikti tiek daug dalykų? Galiausiai paskambinau elektros instaliacijos įmonei ir paprašiau atgauti fotoaparatą. Maloniai, jie tai padarė, nors man prireikė trijų mėnesių, kad jį susigrąžinčiau. Jūsų linksmybėms pridedamos kelios šio įvykio nuotraukos ir vaizdo įrašai.

Ši avarija, nors iš pradžių man neatėjo į galvą, atskleidė rimtą rokonų naudojimo apribojimą. Balionų negalima valdyti, bent jau ne naudojant lengvą ir lengvai valdomą mechanizmą, kurį galima įdiegti HAAS, todėl beveik neįmanoma paleisti raketos į numatytą orbitą. Be to, kadangi kiekvieno paleidimo sąlygos yra skirtingos ir nuolat kinta pakilimo metu, sunku numatyti rockoon judėjimą, o tai reiškia, kad paleidimas turi būti atliktas vietoje, kurioje nėra nieko aplink kelis kilometrus, nes nesėkmingas paleidimas gali įrodyti būti pavojingais.

Manau, kad šį apribojimą galima įveikti sukūrus navigacijos 3D plokštumoje mechanizmą, traukiant iš baliono, ir interpretuojant vėją kaip vektorines jėgas. Idėjos, apie kurias galvojau, yra burės, suslėgtas oras, sraigtai, geresnis rėmo dizainas ir kt. Šių idėjų kūrimas - tai, ką aš dirbsiu su savo kitu HAAS modeliu ir nekantriai laukiu kai kurių iš jūsų juos taip pat.

Truputį ištyręs sužinojau, kad dvi Stanfordo aviacijos ir kosmoso pramonės įmonės, Daniel Becerra ir Charlie Cox, naudojo panašų dizainą ir sėkmingai startavo nuo 30 000 pėdų. Jų paleidimo medžiagą galima rasti Stanfordo Youtube kanale. Tokios kompanijos, kaip „JP Aerospace“, kuria „Specialities“apie rokonus, kuria ir paleidžia sudėtingesnius rokonus su kietu kuru. Jų dešimt balionų sistema, pavadinta „The Stack“, yra įvairių rockoon patobulinimų pavyzdys. Manau, kad kai kurios kitos bendrovės, kaip ekonomiškai efektyvus būdas paleisti skambančias raketas, ateityje stengsis gaminti rokonus.

Norėčiau padėkoti profesoriui Kim Kwang Il, kad jis mane palaikė viso šio projekto metu, taip pat suteikė išteklių ir patarimų. Taip pat norėčiau padėkoti savo tėvams, kad jie entuziastingai domisi tuo, kas man patinka. Galiausiai norėčiau padėkoti jums, kad perskaitėte šią instrukciją. Tikimės, kad kosmoso pramonėje netrukus bus sukurta aplinkai nekenksminga technologija, kuri leis dažniau lankytis ten esančiuose stebukluose.