Kā izveidot Rockoon: Projekts HAAS: 9 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:57

Šīs pamācības ideja ir nodrošināt alternatīvu metodi, lai arī cik neticami tas šķistu, rentablu raķešu palaišanai. Tā kā nesenā kosmosa tehnoloģiju attīstība ir vērsta uz izmaksu samazināšanu, es domāju, ka būtu lieliski iepazīstināt rockoon ar plašāku auditoriju. Šī pamācība lielā mērā ir sadalīta četrās daļās: ievads, dizains, veidošana un rezultāti. Ja vēlaties izlaist rokkonu jēdzienu un to, kāpēc es to izstrādāju tā, kā to darīju, dodieties tieši uz ēkas daļu. Es ceru, ka jums patiks, un es labprāt dzirdētu no jums jūsu domas par manu projektu vai par jūsu pašu dizainu un būvēm !!

1. darbība. Pamatinformācija

Saskaņā ar enciklopēdiju Astronautica, rokkoks (no raķetes un balona) ir raķete, kuru vispirms ar gaisā vieglāku balonu pārnes atmosfērā augšējā atmosfērā, pēc tam atdala un aizdedzina. Tas ļauj raķetei sasniegt lielāku augstumu ar mazāku propelentu, jo raķetei nav jāpārvietojas jaudā pa zemākajiem un biezākajiem atmosfēras slāņiem. Sākotnējā koncepcija tika izdomāta Aerobee apšaudes laikā Norton Sound 1949. gada martā, un to pirmo reizi uzsāka Jūras pētniecības grupas birojs Džeimsa A. Van Alena vadībā.

Kad es pirmo reizi uzsāku savu projektu rockoon, man nebija ne jausmas, kas ir rockoon. Tikai pēc tam, kad biju pabeidzis dokumentāciju pēc sava projekta, es uzzināju, ka šai manai ierīcei ir nosaukums. Kā Dienvidkorejas students, kurš interesējas par kosmosa tehnoloģijām, kopš bērnības esmu vīlies savas valsts raķešu attīstībā. Lai gan Korejas kosmosa aģentūra KARI ir veikusi vairākus mēģinājumus izmantot kosmosa nesējraķetes un vienreiz guvusi panākumus, mūsu tehnoloģijas ne tuvu nav citas kosmosa aģentūras, piemēram, NASA, EKA, CNSA vai Roscosmos. Mūsu pirmā raķete Naro-1 tika izmantota visiem trim palaišanas mēģinājumiem, no kuriem divi, domājams, bija neveiksmīgi posmu atdalīšanas vai noregulēšanas dēļ. Nākamā raķete Naro-2 ir trīspakāpju raķete, kas liek man apšaubīt, vai ir prātīgi sadalīt raķeti vairākos posmos? To darot, ieguvumi būtu tādi, ka raķete zaudē ievērojamu masu, atdalot posmus, tādējādi palielinot propelenta efektivitāti. Tomēr daudzpakāpju raķešu palaišana arī palielina iespēju, ka palaišana beigsies kā neveiksme.

Tas lika man domāt par veidiem, kā samazināt raķešu pakāpes, vienlaikus palielinot propelenta efektivitāti. Raķešu palaišana no lidmašīnām, piemēram, raķetēm, izmantojot degošu materiālu raķešu skatuves korpusiem, ir dažas citas idejas, kas man bija, bet viena no iespējām, kas mani piesaistīja, bija palaišanas platforma augstumā. Es domāju: “Kāpēc raķete nevar vienkārši palaist no hēlija balona virs atmosfēras? Raķete pēc tam var būt vienpakāpju skaņas raķete, kas ievērojami vienkāršotu palaišanas procesu, kā arī samazinātu izmaksas.” Tātad, es nolēmu pats izveidot un uzbūvēt rockoon kā koncepcijas pierādījumu un kopīgot šo instrukciju, lai jūs visi varētu to izmēģināt, ja vēlaties.

Manis veidotais modelis tiek saukts par HAAS, saīsināts no augstkalnu gaisa kosmosa ostas, cerot, ka kādu dienu rokoni nebūs tikai pagaidu raķešu palaišanas platforma, bet gan pastāvīga platforma, ko izmanto kosmosa nesēju palaišanai, uzpildīšanai un nolaišanai.

2. solis: projektēšana

Es izstrādāju HAAS, pamatojoties uz intuitīvām formām un pamata aprēķiniem

Aprēķini:

Izmantojot NASA rokasgrāmatu par "Augsta augstuma gaisa balona projektēšanu", es aprēķināju, ka man vajadzēs apmēram 60 litrus hēlija, lai paceltu ne vairāk kā 2 kg, kas ir HAAS svara augšējā robeža, ņemot vērā, ka temperatūra un augstums ietekmēs hēlija peldspējas spēks, kā minēts Michele Trancossi rakstā "Augstuma un temperatūras ietekme uz ūdeņraža dirižabļa tilpuma kontroli". Tomēr ar to nebija pietiekami, par ko es runāšu sīkāk, bet tas bija tāpēc, ka neņēmu vērā ūdens tvaiku ietekmi uz hēlija peldspēju.

Rāmis:

• Cilindriska forma, lai samazinātu vēja efektu
• Trīs slāņi (augšpusē, lai noturētu raķeti, vidū palaišanas mehānismam, apakšā 360 kameru)
• Biezs vidējais slānis papildu stabilitātei
• Vertikālās sliedes raķešu novietošanai un vadīšanai
• 360 ° kamera filmēšanai
• Salokāms izpletnis drošai pienācīgai
• Plāns cilindrisks hēlija balons minimālam raķešu nobīdes leņķim

Palaišanas mehānisms

• Mikroprocesors: Arduino Uno
• Palaišanas metodes: taimeris / digitālais altimetrs

• Propelenta aktivizēšanas metode: izurbjot caurumu augstspiediena CO2 kapsulā

  • Pie atsperēm piestiprināts metāla tapas
  • Atbrīvošanas mehānisms sastāv no diviem āķiem
  • Atbrīvojas no motora kustības
• Elektronisko ierīču aizsardzība pret zemāku temperatūru

Es nāca klajā ar vairākām metodēm, kā atbrīvot smaile ar motora kustību.

Izmantojot konstrukciju, kas līdzīga atslēgu ķēdes durvju slēdzenei, pavelkot smaile, pavelkot metāla plāksni, līdz gala atslēga sakrīt ar lielāko caurumu. Tomēr berze izrādījās pārāk spēcīga, un motors nevarēja pakustināt plāksni.

Vēl viens risinājums bija āķa turēšana pie tapas un tapas, kas aizslēdz āķi pie nekustīga objekta. Tāpat kā ugunsdzēšamā aparāta drošības tapas otrā pusē, izvelkot tapu, āķis piekāpjas un palaiž smaili. Šis dizains radīja arī pārāk daudz berzes.

Pašreizējais dizains, ko es izmantoju, ir, izmantojot divus āķus, kas ir līdzīgs pistoles sprūda dizainam. Pirmais āķis turas pie tapas, bet otrs āķis ir ieķēries nelielā nišā pirmā āķa aizmugurē. Atsperu spiediens notur āķus vietā, un motoram ir pietiekami liels griezes moments, lai atbloķētu sekundāro āķi un palaistu raķeti.

Raķete:

• Propelents: spiediena CO2
• Samaziniet svaru
• Korpusā integrēta darbības kamera
• Nomaināma CO2 kapsula (atkārtoti lietojama raķete)
• Visas modeļa raķešu galvenās iezīmes (deguns, cilindrisks korpuss, spuras)

Tā kā cietais raķešu degviela nebija labākais risinājums, lai to palaistu apdzīvotā vietā, man bija jāizvēlas cita veida propelents. Visizplatītākās alternatīvas ir zem spiediena esošs gaiss un ūdens. Tā kā ūdens var sabojāt borta elektroniku, degvielai bija jābūt spiedienam, bet pat mini gaisa sūknis bija pārāk smags un patērēja pārāk daudz elektrības, lai būtu HAAS. Par laimi, es domāju par mini CO2 kapsulām, kuras pirms dažām dienām biju nopircis savām velosipēdu riepām, un nolēmu, ka tas būs efektīvs propelents.

3. solis: materiāli

Lai izveidotu HAAS, jums būs nepieciešams šāds.

Rāmim:

• Plāni koka dēļi (vai jebkura viegla un stabila plāksne, MDF)
• Garie uzgriežņi un skrūves
• Alumīnija siets
• 4x alumīnija slīdnis
• 1x alumīnija caurule
• 360 ° kamera (pēc izvēles, Samsung Gear 360)
• Liels auduma un virves gabals (vai raķešu izpletņa paraugs)

Palaišanas mehānismam

• 2x garas atsperes
• 1x metāla stienis
• Plāns vads
• Dažas alumīnija plāksnes
• 1x maizes dēlis
• 1x Arduino Uno (ar USB savienotāju)
• Temperatūras un spiediena sensors (Adafruit BMP085)
• Pjezo skaņas signāls (Adafruit PS1240)
• Mazs motors (Motorbank GWM12F)
• Jumper vadi
• Motora kontrolieris (L298N Dual H-Bridge Motor Controller)
• Baterijas un bateriju turētājs

Gaisa raķetei

• CO2 velosipēdu riepu uzpildes kannas (Bontager CO2 Threaded 16g)
• Vairākas alumīnija kannas (2 katrai raķetei)
• Akrila plāksnes (vai plastmasas)
• Lentes
• Elastīgās lentes
• Garās stīgas
• Darbības kamera (pēc izvēles, Xiaomi darbības kamera)

Rīki:

• Līmes pistole
• Epoksīda tepe (pēc izvēles)
• Zāģa/dimanta griezējs (pēc izvēles)
• 3D printeris (pēc izvēles)
• Lāzera griezējs vai CNC frēzmašīna (pēc izvēles)

Uzmanieties! Lūdzu, izmantojiet instrumentus piesardzīgi un rīkojieties uzmanīgi. Ja iespējams, palīdziet kādam citam, lai palīdzētu, un saņemiet palīdzību, izmantojot noteiktus rīkus, ja nezināt, kā tos izmantot.

4. solis: rāmis

1. Izmantojiet lāzera griezēju, CNC frēzmašīnu vai jebkuru citu vēlamo instrumentu, lai sagrieztu plānu koka dēli tādā formā, kā norādīts pievienotajos attēlos. Augšējais slānis sastāv no diviem dēļiem, kas savienoti ar skrūvēm stabilizācijai. (Frēzēšanai vai griešanai ar lāzeru faili ir norādīti zemāk.
2. Izgrieziet alumīnija slīdņus vienādos garumos un ievietojiet tos plaisās pa katra slāņa iekšējo gredzenu. Izmantojot līmes pistoli, pielīmējiet slāņus tā, lai augšpusē būtu vieta raķetei.
3. Novietojiet alumīnija cauruli vidējā slāņa centrā. Pārliecinieties, ka tas ir stabils un pēc iespējas vertikālāks pret slāni.
4. Izurbiet caurumu apakšējā slānī un pievienojiet papildu 360 ° kameru. Uztaisīju kamerai noņemamu gumijas vāciņu, gadījumā, ja piezemēšanās posmā kamera saņems triecienu.
5. Salieciet lielo auduma gabalu vai audumu mazākos taisnstūros un piestipriniet 8 vienāda garuma virves līdz vistālākajiem stūriem. Piesieniet virvi tālajā galā, lai tā nesapītos. Izpletnis tiks piestiprināts pašās beigās.

5. solis: palaišanas mehānisms

1. Izveidojiet divus āķus, no kuriem viens teica metāla stieni, bet otrs - sprūda. Es izmantoju divus dažādus dizainus: vienu, izmantojot metāla plāksnes, un otru, izmantojot 3D printeri. Izstrādājiet savus āķus, pamatojoties uz iepriekš redzamajiem attēliem, un 3D drukas faili ir saistīti tālāk.

2. Lai varētu atbrīvot sprūdu un palaist raķeti, izmantojot taimeri vai digitālo altimetru, ir jāizveido Arduino ķēde, kas norādīta iepriekšējā attēlā. Savienojot šīs tapas, var pievienot digitālo altimetru.

   • Arduino A5 -> BMP085 SCL
   • Arduino A4 -> BMP085 SDA
   • Arduino +5V -> BMP085 VIN
   • Arduino GND -> BMP085 GND
3. Pievienojiet ķēdi HAAS. Pievienojiet sprūda āķi motoram ar vadu un pagrieziet motoru, lai pārbaudītu, vai āķis var netraucēti izbīdīties.
4. Sasmalciniet plānas metāla stieņa galu un ievietojiet to alumīnija caurulē. Pēc tam stieņa galā piestipriniet divas garas atsperes un pievienojiet to augšējam slānim. Salieciet stieņa galu tā, lai to varētu viegli piestiprināt pie palaišanas mehānisma.
5. Pārbaudiet dažas reizes, lai pārliecinātos, ka stienis palaižas vienmērīgi.

3D drukas faili:

6. solis: raķete

1. Sagatavojiet divas alumīnija pudeles. Izgrieziet vienas pudeles augšējo daļu un otras apakšējo daļu.
2. Nogrieziet nelielu krustiņu pirmās pudeles augšpusē un otrās pudeles apakšā.
3. Izmantojiet stiepli un drānu, lai izveidotu pudeles turētāju CO2 kapsulai.
4. Ievietojiet CO2 kapsulu augšējā daļā un saspiediet to otrās pudeles apakšā tā, lai ieeja CO2 kapsulā būtu vērsta uz leju.
5. Izstrādājiet un sagrieziet spuras ar plastmasu vai akrilu, pēc tam pielīmējiet tās raķetes sānos. Konusam izmantojiet jebkuru vēlamo materiālu, šajā gadījumā epoksīda špakteli.
6. Izgrieziet taisnstūrveida caurumu raķetes sānos papildu darbības kamerai.

Lai pabeigtu HAAS, pēc palaišanas mehānisma uzstādīšanas aptiniet alumīnija sietu ap rāmi, piesieniet to pie mazajiem caurumiem uz ārējās malas. Izgrieziet caurumu sānos, lai viegli iekļūtu ierīcē. Izveidojiet nelielu izpletņa apvalku un novietojiet to uz augšējā slāņa. Salieciet izpletni un ievietojiet to korpusā.

7. darbība: kodēšana

Palaišanas mehānismu var aktivizēt divos dažādos veidos: ar taimeri vai digitālo altimetru. Tiek nodrošināts Arduino kods, tāpēc pirms tā augšupielādes savā Arduino komentējiet metodi, kuru nevēlaties izmantot.

8. darbība: pārbaude

Ja raķetes palaišanai izmantojat taimeri, pārbaudiet dažas reizes ar rezerves CO2 kapsulu pēc dažām minūtēm.

Ja izmantojat altimetru, pārbaudiet, vai palaišanas mehānisms darbojas bez raķetes, nosakot starta augstumu ~ 2 metrus un ejot pa kāpnēm. Pēc tam pārbaudiet to augstākā palaišanas augstumā, kāpjot augšup pa liftu (mans tests tika iestatīts uz 37,5 metriem). Pārbaudiet, vai palaišanas mehānisms faktiski palaiž raķeti, izmantojot taimera metodi.

Iekļauti 12 HAAS testēšanas video

9. darbība. Rezultāti

Cerams, ka līdz šim jūs esat mēģinājis pats izgatavot rockoon un, iespējams, pat atzīmējis veiksmīgu raķešu palaišanu. Tomēr man jāziņo, ka mans palaišanas mēģinājums beidzās ar neveiksmi. Galvenais manas neveiksmes iemesls bija tas, ka es par zemu novērtēju hēlija daudzumu, kas nepieciešams HAAS pacelšanai. Izmantojot hēlija molmasas un gaisa molārās masas attiecību, kā arī temperatūru un spiedienu, es biju aptuveni aprēķinājis, ka man vajadzīgas trīs tvertnes ar 20 litru hēlija gāzi, bet es atklāju, ka esmu šausmīgi kļūdījies. Tā kā kā studentei bija grūti iegādāties hēlija tvertnes, es nesaņēmu rezerves tvertnes un pat nesaņēmu HAAS virs 5 metriem no zemes. Tātad, ja jūs vēl neesat mēģinājis lidot ar savu rockoon, šeit ir padoms: iegūstiet pēc iespējas vairāk hēlija. Patiesībā, iespējams, būtu saprātīgāk, ja jūs aprēķinātu vajadzīgo daudzumu, ņemot vērā, ka spiediens un temperatūra pazeminās, palielinoties augstumam (mūsu lidojuma diapazonā), un ka jo vairāk ūdens tvaiku, jo mazāka būs hēlija peldspēja. saņemt divreiz lielāku summu.

Pēc neveiksmīgās palaišanas es nolēmu izmantot 360 kameru, lai uzņemtu apkārtējās upes un parka video no gaisa, tāpēc piesēju to pie hēlija balona ar garu auklu, kas piestiprināta apakšā, un tad ļāvu lidot. Negaidīti vējš nedaudz lielā augstumā virzījās pilnīgi pretējā virzienā kā zemākie vēji, un hēlija balons ieplūda tuvumā esošajā elektroinstalācijas instalācijā. Izmisīgā mēģinājumā izglābt savu kameru un nesabojāt elektroinstalāciju, es pavilku piestiprināto virvi, taču tā bija bezjēdzīga; balons jau bija ieķēries vadā. Kā uz Zemes vienā dienā var notikt tik daudz lietu? Galu galā es piezvanīju elektroinstalācijas uzņēmumam un palūdzu izgūt kameru. Laipni, viņi to darīja, lai gan man vajadzēja trīs mēnešus, lai to atgūtu. Jūsu izklaidei pievienoti daži šī incidenta fotoattēli un video.

Šis negadījums, lai gan sākumā man tas neienāca prātā, atklāja nopietnus rokonu izmantošanas ierobežojumus. Balonus nevar vadīt, vismaz ne ar vieglu un viegli vadāmu mehānismu, ko var uzstādīt HAAS, un tāpēc ir gandrīz neiespējami palaist raķeti paredzētajā orbītā. Turklāt, tā kā katras palaišanas apstākļi ir atšķirīgi un nepārtraukti mainās visa kāpuma laikā, ir grūti paredzēt rockoon kustību, kas pēc tam prasa palaišanu vietā, kur vairākus kilometrus nekas nav apkārt, jo neveiksmīga palaišana var pierādīt būt bīstamam.

Es uzskatu, ka šo ierobežojumu var pārvarēt, izstrādājot mehānismu navigācijai 3D plaknē ar vilkšanu no gaisa balona un vēja interpretāciju kā vektora spēkus. Idejas, par kurām es domāju, ir buras, saspiests gaiss, dzenskrūves, labāks rāmja dizains utt. Šo ideju izstrāde tiks turpināta, strādājot ar savu nākamo HAAS modeli, un ar nepacietību gaidīšu, kad daži no jums attīstīsies arī viņus.

Veicot nelielu izpēti, es atklāju, ka divi Stenfordas aviācijas un kosmosa lielie uzņēmumi, Daniels Becerra un Čārlijs Kokss, izmantoja līdzīgu dizainu un veiksmīgi startēja no 30 000 pēdām. Viņu palaišanas materiālus var atrast Stanfordas Youtube kanālā. Uzņēmumi, piemēram, JP Aerospace, izstrādā "Specialities" par rokoņiem, projektējot un laižot klajā sarežģītākus rokonus ar cieto kurināmo. Viņu desmit balonu sistēma ar nosaukumu "The Stack" ir piemērs dažādiem rockoon uzlabojumiem. Es uzskatu, ka kā rentabls veids, kā palaist skanējošas raķetes, vairāki citi uzņēmumi nākotnē strādās pie rokonu izgatavošanas.

Es vēlos pateikties profesoram Kimam Kvangam Il, kas mani atbalstīja visa šī projekta laikā, kā arī sniedza resursus un padomus. Vēlos pateikties arī saviem vecākiem par entuziasmu par to, kas mani aizrauj. Visbeidzot, bet ne mazāk svarīgi, es vēlos pateikties jums, ka izlasījāt šo pamācību. Cerams, ka drīz kosmosa industrijā tiks izstrādāta videi draudzīga tehnoloģija, kas ļaus biežāk apmeklēt brīnumus.