Sådan laver du en rockon: Project HAAS: 9 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:29

Ideen bag denne Instructable er at tilvejebringe en alternativ metode, uanset hvor usandsynlig det kan virke, til omkostningseffektive raketopskydninger. Da den seneste rumteknologiske udvikling var fokuseret på at reducere omkostningerne, tænkte jeg, at det ville være fantastisk at introducere rakonen for et bredere publikum. Denne instruktion er stort set opdelt i fire dele: introduktion, design, bygning og resultater. Hvis du vil springe over begrebet rockoner, og hvorfor jeg har designet mit, som jeg gjorde, skal du gå direkte til bygningsdelen. Jeg håber du nyder det, og jeg vil meget gerne høre fra dig om dine tanker om mit projekt eller om dit eget design og byggeri !!

Trin 1: Baggrundsinformation

Ifølge Encyclopedia Astronautica er en rockon (fra raket og ballon) en raket, der først føres ind i den øvre atmosfære af en gasfyldt ballon, der er lettere end luft, og derefter adskilles og antændes. Dette gør det muligt for raketten at opnå en højere højde med mindre drivmiddel, da raketten ikke behøver at bevæge sig under strøm gennem de lavere og tykkere lag af atmosfæren. Det originale koncept blev udtænkt under en Aerobee -affyring af Norton Sound i marts 1949 og blev først lanceret af Office of Naval Research -gruppen under James A. Van Allen.

Da jeg først startede mit projekt på rockon, anede jeg ikke, hvad en rockon var. Det var først, efter at jeg havde afsluttet dokumentationen efter mit projekt, at jeg fandt ud af, at der var et navn til denne enhed, jeg havde lavet. Som en sydkoreansk studerende, der er interesseret i rumteknologi, har jeg været frustreret over mit lands udvikling af raketter siden jeg var ung. Selvom det koreanske rumfartsagentur, KARI, har gjort flere forsøg på rumfartøjer og lykkedes én gang, er vores teknologi ikke i nærheden af andre rumorganisationer som NASA, ESA, CNSA eller Roscosmos. Vores første raket, Naro-1, blev brugt til alle tre opsendelsesforsøg, hvoraf to mistænkes for at have mislykkedes på grund af adskillelse af etaper eller fairing. Den næste raket, der skal laves, Naro-2, er en tretrins raket, som får mig til at stille spørgsmålstegn ved, er det klogt at opdele raketten i flere etaper? Fordelene ved at gøre det ville være, at raketten mister betydelig masse, når stadierne adskilles, hvilket øger drivgasets effektivitet. Opskydning af flertrinsraketter øger dog også chancen for, at opsendelsen ender som en fiasko.

Dette fik mig til at tænke på måder at minimere raketstadier og samtidig maksimere driveffektiviteten. At affyre raketter fra fly som missiler ved hjælp af brændbart materiale til raketstadier er nogle få andre ideer, jeg havde, men en mulighed, der tiltrak mig, var opsendelsesplatformen i stor højde. Jeg tænkte: “Hvorfor kan en raket ikke bare starte fra en heliumballon, over det meste af atmosfæren? Raketten kan derefter være en enkelt-trins lydende raket, som ville forenkle lanceringsprocessen betydeligt og reducere omkostningerne.” Så jeg besluttede at designe og bygge en rockon selv som et bevis på konceptet og dele denne Instructables, så du alle kan prøve det, hvis du vil.

Den model, jeg bygger, kaldes en HAAS, forkortelse for High Altitude Aerial Spaceport, i håb om, at rakoner en dag ikke bare vil være en midlertidig opsendelsesplatform for raketter, men en permanent platform, der bruges til opsendelse, tankning og landing af rumfartøjer.

Trin 2: Design

Jeg designede HAAS baseret på intuitive former og grundlæggende beregninger

Beregninger:

Ved hjælp af Nasas vejledning om "Design af en højdeballon" beregnede jeg, at jeg ville have brug for cirka 60 liter helium for at løfte højst 2 kg, den øvre grænse, vi satte for HAAS -vægten, under hensyntagen til at temperatur og højde vil have en effekt på opdriftskraft af helium, som nævnt i "Effect of Altitude and Temperature on Volume Control of a Hydrogen Airship" af Michele Trancossi. Dette var imidlertid ikke nok, hvilket jeg vil tale mere om, men det var fordi jeg ikke tog højde for vanddampens effekt på heliums opdrift.

Ramme:

• Cylindrisk form for at minimere vindeffekt
• Tre lag (Top til at holde raket, midten til lanceringsmekanisme, bund til 360 kamera)
• Tyk mellemlag for ekstra stabilitet
• Lodrette skinner til placering og vejledning af raketter
• 360 ° kamera til optagelser
• Sammenklappelig faldskærm for sikker anstændig
• Tynd cylindrisk heliumballon for minimum raketforskydningsvinkel

Start mekanisme

• Mikroprocessor: Arduino Uno
• Lanceringsmetoder: Timer / Digital højdemåler

• Metode til aktivering af drivmiddel: Ved at punktere et hul i en højtryks-CO2-kapsel

  • Metalspids fastgjort til fjedre
  • Udløsningsmekanisme består af to kroge
  • Frigivet ved bevægelse af motor
• Beskyttelse af elektroniske enheder mod lavere temperaturer

Jeg fandt på flere metoder til at frigøre piggen med en motorisk bevægelse.

Ved at bruge et design, der ligner en nøglelås med kædelåger, ved at trække i metalpladen, indtil slutnøglen flugter med det større hul, kunne piggen blive lanceret. Friktionen viste sig imidlertid at være for stærk, og motoren kunne ikke bevæge pladen.

At have en krog, der holdt fast i piggen og en nål, der låste krogen til et stationært objekt, var en anden løsning. Ligesom bagsiden af en brandslukkers sikkerhedsnål, når stiften trækkes ud, ville krogen vige og starte piggen. Dette design gav også for meget friktion.

Det nuværende design, jeg bruger, er ved at bruge to kroge, et design der ligner en pistoludløser. Den første krog holder fast i piggen, mens den anden krog er fanget i et lille hak på bagsiden af den første krog. Fjedertrykket holder krogene på plads, og motoren har nok drejningsmoment til at låse den sekundære krog op og starte raketten.

Raket:

• Drivmiddel: CO2 under tryk
• Minimer vægten
• Actionkamera integreret i kroppen
• Udskiftelig CO2 kapsel (genanvendelig raket)
• Alle hovedtræk ved modelraketter (næse, cylindrisk krop, finner)

Da fast raketdrivmiddel ikke var den bedste løsning til at starte i et befolket område, var jeg nødt til at vælge andre typer drivmiddel. De mest almindelige alternativer er trykluft og vand. Fordi vand kunne beskadige elektronikken ombord, skulle trykluft være drivmotoren, men selv en mini luftpumpe var for tung og brugte for meget elektricitet til at have på HAAS. Heldigvis tænkte jeg på mini CO2 -kapslerne, som jeg havde købt for et par dage siden til mine cykeldæk, og besluttede, at det ville være et effektivt drivmiddel.

Trin 3: Materialer

For at lave en HAAS skal du bruge følgende.

Til rammen:

• Tynde træplader (eller et let og stabilt bræt, MDF)
• Lange møtrikker og bolte
• Aluminium mesh
• 4x Aluminium skyder
• 1x aluminiumsrør
• 360 ° kamera (valgfrit, Samsung Gear 360)
• Stort stykke klud og reb (eller en model raket faldskærm)

Til lanceringsmekanismen

• 2x lange fjedre
• 1x metalstang
• Tynd tråd
• Nogle aluminiumsplader
• 1x brødbræt
• 1x Arduino Uno (m/ USB -stik)
• Temperatur- og tryksensor (Adafruit BMP085)
• Piezo Buzzer (Adafruit PS1240)
• Lille motor (Motorbank GWM12F)
• Jumper ledninger
• Motorstyring (L298N dobbelt H-bro motorstyring)
• Batterier og batteriholder

Til luftraketten

• CO2 cykeldæk påfyldningsdåser (Bontager CO2 gevind 16g)
• Flere aluminiumsdåser (2 for hver raket)
• Akrylplader (eller plast)
• Bånd
• Elastiske bånd
• Lange strenge
• Actionkamera (valgfrit, Xiaomi Action Camera)

Værktøjer:

• Limpistol
• Epoxy kit (valgfrit)
• Sav/diamantskærer (valgfrit)
• 3D -printer (valgfri)
• Laserskærer eller CNC -fræser (valgfrit)

Pas på! Brug værktøjerne med forsigtighed og håndter omhyggeligt. Få en anden til at hjælpe, hvis det er muligt, og få hjælp til at bruge udvalgte værktøjer, hvis du ikke ved, hvordan du bruger dem.

Trin 4: Ramme

1. Brug en laserskærer, en CNC -fræser eller et hvilket som helst foretrukket værktøj til at skære det tynde træplade i formen på de vedhæftede billeder. Det øverste lag består af to plader forbundet med bolte til stabilisering. (Til fræsning eller laserskæring findes filerne herunder.
2. Skær aluminiumskyderne i lige lange længder, og sæt dem ind i sprækkerne langs den indre ring af hvert lag. Brug en limpistol til at klæbe lagene, så der er plads til raketten øverst.
3. Placer aluminiumrøret i midten af det midterste lag. Sørg for, at det er stabilt og så lodret i forhold til laget som muligt.
4. Bor et hul i bundlaget, og fastgør det valgfrie 360 ° kamera. Jeg lavede et aftageligt gummidæksel til kameraet, hvis kameraet modtager et stød under landingsfasen.
5. Fold det store stykke stof eller klud i mindre rektangler og fastgør 8 reb af lige længde til de fjerneste hjørner. Bind rebet i den fjerneste ende, så det ikke bliver sammenfiltret. Faldskærmen vil blive vedhæftet i slutningen.

Trin 5: Start mekanisme

1. Lav to kroge, en til at fortælle metalstangen og en til at være udløseren. Jeg brugte to forskellige designs: et ved hjælp af metalplader og et ved hjælp af en 3D -printer. Design dine kroge baseret på billederne ovenfor, og 3D -udskrivningsfilerne er linket herunder.

2. For at kunne frigive aftrækkeren og starte raketten ved hjælp af enten en timer eller en digital højdemåler, skal det Arduino -kredsløb, der er angivet på billedet ovenfor, laves. Den digitale højdemåler kan tilføjes ved at forbinde disse stifter.

   • Arduino A5 -> BMP085 SCL
   • Arduino A4 -> BMP085 SDA
   • Arduino +5V -> BMP085 VIN
   • Arduino GND -> BMP085 GND
3. Tilføj kredsløbet til HAAS. Tilslut udløserkrogen til motoren med en ledning, og drej motoren for at teste, om krogen glat kan glide ud.
4. Slib enden af den tynde metalstang og indsæt den i aluminiumsrøret. Derefter fastgøres to lange fjedre til enden af stangen, og forbindes med det øverste lag. Bøj enden af stangen, så den let kan hookes på affyringsmekanismen.
5. Test et par gange for at sikre, at stangen starter jævnt.

3D -udskrivning af filer:

Trin 6: Raket

1. Forbered to aluminiumsflasker. Skær den øverste del af den ene flaske, og den nederste del af den anden.
2. Skær et lille kryds på toppen af den første flaske og bunden af den anden flaske.
3. Brug tråd og klud til at lave en holder til CO2 -kapslen på den første flaske.
4. Indsæt en CO2 -kapsel i den øverste del, og pres den ind i bunden af den anden flaske, så indgangen til CO2 -kapslen vender nedad.
5. Design og skær finner med plast eller akryl, og lim dem derefter til siden af raketten. Brug ethvert foretrukket materiale, i dette tilfælde epoxy kit, til keglen.
6. Skær et rektangulært hul på siden af raketten til det valgfrie actionkamera.

For at afslutte HAAS, efter installation af lanceringsmekanismen, vikles aluminiumsnet rundt om rammen, bindes det til de små huller på ydersiden. Skær et hul på siden for let at komme ind i enheden. Lav et lille kabinet til faldskærmen og læg det på det øverste lag. Fold faldskærmen op og læg den i kabinettet.

Trin 7: Kodning

Lanceringsmekanismen kan aktiveres på to forskellige måder: med en timer eller en digital højdemåler. Arduino -koden leveres, så kommenter den metode, du ikke vil bruge, før du uploader den til din Arduino.

Trin 8: Test

Hvis du bruger timer til at starte raketten, skal du teste et par gange med en ekstra CO2 -kapsel på et par minutter.

Hvis du bruger højdemåleren, skal du teste, om affyringsmekanismen fungerer uden raketten ved at indstille udsendelseshøjden til ~ 2 meter og gå op ad trappen. Test den derefter i en højere lanceringshøjde ved at gå op i en elevator (min test blev sat til 37,5 meter). Test, at lanceringsmekanismen rent faktisk affyrer en raket ved hjælp af timermetoden.

Inkluderet er 12 testvideoer af HAAS

Trin 9: Resultater

Forhåbentlig nu har du selv forsøgt at lave en rockon og måske endda fejret en vellykket raketopsendelse. Jeg må dog rapportere, at mit lanceringsforsøg endte med en fiasko. Hovedårsagen til min fiasko var, at jeg undervurderede den mængde helium, der var nødvendig for at løfte HAAS. Ved hjælp af forholdet mellem molmassen af helium og molens masse af luft samt temperatur og tryk havde jeg omtrent beregnet, at jeg havde brug for tre tanke med 20L heliumgas, men jeg fandt ud af, at jeg tog frygteligt fejl. Da det var svært at købe heliumstanke som studerende, fik jeg ingen reservedele og kunne ikke engang få HAAS over 5 meter fra jorden. Så hvis du ikke har forsøgt at flyve din rockon endnu, er her et råd: få så meget helium, som du kan få fingre i. Faktisk ville det sandsynligvis være mere rimeligt, hvis du beregnede din nødvendige mængde under hensyntagen til, at tryk og temperatur falder, når højden stiger (inden for vores flyveområde), og at jo mere vanddamp der er, desto mindre opdriftshelium vil have, så få det dobbelte beløb.

I kølvandet på den mislykkede lancering besluttede jeg mig for at bruge 360 -kameraet til at optage en luftfilm af den omkringliggende flod og parkere, så jeg bandt den til heliumballonen med en lang snor fastgjort til bunden, så lod den flyve. Uventet var vinden i en lidt stor højde på vej i fuldstændig modsat retning som de lavere vinde, og heliumballonen drev ind i en elektrisk ledningsinstallation i nærheden. I et desperat forsøg på at redde mit kamera og ikke beskadige ledningerne, trak jeg i det vedhæftede reb, men det var ubrugeligt; ballonen var allerede fanget i ledningen. Hvordan i alverden kan så mange ting gå galt på en dag? Til sidst ringede jeg til ledningsfirmaet og bad dem om at hente kameraet. Det gjorde de venligt, selvom det tog mig tre måneder at få det tilbage. Til underholdning er vedhæftet nogle fotos og videoer fra denne hændelse.

Denne ulykke, selvom det ikke faldt mig ind i starten, afslørede en alvorlig begrænsning af brug af rockoner. Ballonerne kan ikke styres, i hvert fald ikke med en let og let at kontrollere mekanisme, der kan installeres på HAAS, og derfor er det næsten umuligt at affyre raketten i en tiltænkt bane. Da betingelserne for hver opsendelse er forskellige og bliver ved med at ændre sig under stigningen, er det svært at forudsige rockonens bevægelse, hvilket derefter kræver, at opsendelsen foretages på et sted uden noget omkring det i flere kilometer, fordi en mislykket opsendelse kunne bevise at være farlig.

Jeg tror, at denne begrænsning kan overvindes ved at udvikle en mekanisme til at navigere på et 3D -plan med træk fra ballonen og fortolke vind som vektorkræfter. Ideer, som jeg har tænkt på, er sejl, trykluft, propeller, bedre steldesign osv. Udvikling af disse ideer er noget, jeg vil arbejde med med min næste model af HAAS, og jeg vil glæde mig til at se nogle af jer udvikle dem også.

Med lidt forskning fandt jeg ud af, at to store Stanford -luftfarts -majors, Daniel Becerra og Charlie Cox, brugte et lignende design og havde en vellykket lancering fra 30.000 fod. Deres lanceringsoptagelser kan findes på Stanford Youtube -kanalen. Virksomheder som JP Aerospace udvikler "Specialties" på rockoner, designer og lancerer mere komplekse rockoner med fast brændsel. Deres ti-ballonsystem, kaldet "The Stack", er et eksempel på forskellige forbedringer på rockonen. Jeg mener, at som en omkostningseffektiv måde at affyre raketter, der lyder, flere andre virksomheder vil arbejde hen imod at lave rockoner i fremtiden.

Jeg vil gerne takke professor Kim Kwang Il for at have støttet mig gennem dette projekt, samt for at give ressourcer og råd. Jeg vil også gerne takke mine forældre for at være begejstrede for det, jeg brænder for. Sidst, men ikke mindst, vil jeg gerne takke dig for at have læst denne Instructables. Forhåbentlig vil miljøvenlig teknologi snart blive udviklet i rumindustrien, hvilket muliggør hyppigere besøg på underværkerne derude.