Cara Membuat Rockoon: Projek HAAS: 9 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:12

Idea di sebalik Instructable ini adalah untuk menyediakan kaedah alternatif, bagaimanapun tidak masuk akal, untuk pelancaran roket yang menjimatkan. Dengan perkembangan teknologi angkasa baru-baru ini yang difokuskan pada pengurangan kos, saya fikir akan lebih baik untuk memperkenalkan rockoon kepada khalayak yang lebih luas. Instructables ini terbahagi kepada empat bahagian: pengenalan, reka bentuk, bangunan, dan hasil. Sekiranya anda ingin melangkau konsep rockoon dan mengapa saya merancang reka bentuk saya seperti yang saya lakukan, terus ke bahagian bangunan. Saya harap anda menikmati, dan saya ingin mendengar pendapat anda mengenai projek anda atau reka bentuk dan binaan anda sendiri !!

Langkah 1: Maklumat Latar Belakang

Menurut Ensiklopedia Astronautica, sebuah rockoon (dari roket dan balon) adalah roket yang pertama kali dibawa ke atmosfera atas oleh balon berisi gas yang lebih ringan dari udara, kemudian dipisahkan dan dinyalakan. Ini membolehkan roket mencapai ketinggian yang lebih tinggi dengan propelan yang kurang, kerana roket tidak perlu bergerak di bawah kuasa melalui lapisan atmosfera yang lebih rendah dan tebal. Konsep asalnya disusun semasa kapal terbang Neron Sound Aerobee pada bulan Mac 1949, dan pertama kali dilancarkan oleh kumpulan Office of Naval Research di bawah James A. Van Allen.

Semasa mula-mula memulakan projek saya di rockoon, saya tidak tahu apa itu rockoon. Hanya setelah saya selesai membuat dokumentasi selepas projek saya, saya mendapat tahu ada nama untuk peranti ini yang telah saya buat. Sebagai pelajar Korea Selatan yang berminat dengan teknologi angkasa, saya kecewa dengan perkembangan roket di negara saya sejak saya masih muda. Walaupun agensi angkasa Korea, KARI, telah melakukan beberapa percubaan untuk melancarkan kenderaan angkasa lepas, dan berjaya sekali, teknologi kami tidak ada di dekat agensi angkasa lain seperti NASA, ESA, CNSA, atau Roscosmos. Roket pertama kami, Naro-1, digunakan untuk ketiga percubaan pelancaran, dua daripadanya disyaki gagal kerana pemisahan tahap atau fairing. Roket seterusnya yang akan dibuat, Naro-2, adalah roket tiga peringkat, yang membuat saya mempersoalkan, adakah bijak untuk membahagikan roket ke beberapa tahap? Manfaat melakukannya ialah roket kehilangan jisim yang besar ketika tahap dipisahkan, oleh itu meningkatkan kecekapan bahan bakar. Namun, melancarkan roket pelbagai peringkat juga meningkatkan kemungkinan pelancaran itu akan berakhir sebagai kegagalan.

Ini membuat saya memikirkan cara untuk meminimumkan tahap roket sambil memaksimumkan kecekapan propelan. Melancarkan roket dari pesawat seperti peluru berpandu, menggunakan bahan mudah terbakar untuk badan pentas roket, adalah beberapa idea lain yang saya ada, tetapi satu pilihan yang menarik perhatian saya ialah platform pelancaran ketinggian. Saya berfikir, "Mengapa roket tidak dapat dilancarkan dari belon helium, di atas sebahagian besar atmosfera? Roket kemudian boleh menjadi roket satu tahap, yang akan mempermudah proses pelancaran dengan ketara, dan juga mengurangkan kosnya. " Oleh itu, saya memutuskan untuk merancang dan membina rockoon sendiri sebagai bukti konsep, dan untuk berkongsi Instructables ini supaya anda semua dapat mencubanya jika anda mahu.

Model yang saya bina dipanggil HAAS, kependekan dari High Altitude Aerial Spaceport, dengan harapan suatu hari nanti, rockoon tidak hanya menjadi platform pelancaran sementara untuk roket, tetapi platform tetap yang digunakan untuk melancarkan, mengisi minyak, dan mendarat kenderaan pelancaran ruang.

Langkah 2: Reka bentuk

Saya merancang HAAS berdasarkan bentuk intuitif dan pengiraan asas

Pengiraan:

Dengan menggunakan panduan Nasa mengenai "Merancang Balon Ketinggian Tinggi" saya mengira bahawa saya memerlukan helium sekitar 60L untuk mengangkat paling banyak 2kg, had atas yang kita tetapkan untuk berat HAAS, dengan mengambil kira bahawa suhu dan ketinggian akan memberi kesan pada daya apung helium, seperti yang disebutkan dalam "Pengaruh Ketinggian dan Suhu pada Pengendalian Volume dari Kapal Udara Hidrogen" oleh Michele Trancossi. Namun, ini tidak mencukupi, yang akan saya bicarakan dengan lebih terperinci, tetapi kerana saya tidak mengambil kira kesan wap air pada daya tarikan helium.

Rangka:

• Bentuk silinder untuk mengurangkan kesan angin
• Tiga lapisan (Roket atas untuk menahan, tengah untuk mekanisme pelancaran, bawah untuk kamera 360)
• Lapisan tengah tebal untuk kestabilan tambahan
• Rel menegak untuk penempatan dan panduan roket
• Kamera 360 ° untuk rakaman
• Parasut dilipat untuk keselamatan yang baik
• Belon helium silinder nipis untuk sudut ofset roket minimum

Melancarkan Mekanisme

• Pemproses mikro: Arduino Uno
• Kaedah pelancaran: Pemasa / Altimeter Digital

• Kaedah mengaktifkan propelan: Dengan menebuk lubang pada kapsul CO2 tekanan tinggi

  • Lonjakan logam melekat pada mata air
  • Mekanisme pelepasan terdiri daripada dua cangkuk
  • Dikeluarkan oleh pergerakan motor
• Perlindungan alat elektronik daripada suhu yang lebih rendah

Saya mengemukakan beberapa kaedah untuk melepaskan lonjakan dengan pergerakan motor.

Dengan menggunakan reka bentuk yang serupa dengan kunci pintu rantai kunci, dengan menarik pelat logam sehingga kunci akhir sejajar dengan lubang yang lebih besar, lonjakan dapat dilancarkan. Walau bagaimanapun, geseran itu terbukti terlalu kuat, dan motor tidak dapat mematikan plat.

Memiliki cangkuk yang memegang lonjakan dan pin yang mengaitkan cangkuk ke objek pegun adalah penyelesaian lain. Seperti bahagian belakang pin keselamatan alat pemadam api, ketika pin ditarik keluar, cangkuk akan memberi jalan dan melancarkan lonjakan. Reka bentuk ini juga menghasilkan geseran yang terlalu banyak.

Reka bentuk semasa yang saya gunakan adalah dengan menggunakan dua cangkuk, reka bentuk yang serupa dengan pemicu senjata. Cangkuk pertama berpegang pada lonjakan, sementara cangkuk yang lain terperangkap dalam julukan kecil di belakang cangkuk pertama. Tekanan mata air menahan cangkuk di tempatnya, dan motor mempunyai tork yang cukup untuk membuka cangkuk sekunder, dan melancarkan roket.

Roket:

• Propelan: CO2 bertekanan
• Kurangkan berat badan
• Kamera aksi yang disatukan ke dalam badan
• Kapsul CO2 yang boleh diganti (roket yang boleh digunakan semula)
• Semua ciri utama roket model (hidung, badan silinder, sirip)

Oleh kerana propelan roket pepejal bukanlah pilihan terbaik untuk dilancarkan di kawasan berpenduduk, saya harus memilih jenis propelan lain. Alternatif yang paling biasa adalah udara dan air bertekanan. Kerana air boleh merosakkan elektronik di atas kapal, udara bertekanan harus menjadi pendorong, tetapi bahkan pam udara mini terlalu berat dan menghabiskan terlalu banyak elektrik untuk menggunakan HAAS. Nasib baik, saya memikirkan kapsul CO2 mini yang saya beli beberapa hari yang lalu untuk tayar basikal saya, dan memutuskan bahawa ia akan menjadi pendorong yang berkesan.

Langkah 3: Bahan

Untuk membuat HAAS, anda memerlukan perkara berikut.

Untuk bingkai:

• Papan kayu nipis (atau papan ringan & stabil, MDF)
• Mur & selak panjang
• Aluminium Mesh
• Gelangsar aluminium 4x
• 1x Paip aluminium
• Kamera 360 ° (pilihan, Samsung Gear 360)
• Sepotong besar kain & tali (atau parasut roket model)

Untuk mekanisme pelancaran

• 2x Mata air panjang
• Batang logam 1x
• Kawat nipis
• Beberapa plat aluminium
• Papan Roti 1x
• 1x Arduino Uno (tanpa penyambung USB)
• Sensor suhu & tekanan (Adafruit BMP085)
• Piezo Buzzer (Adafruit PS1240)
• Motor kecil (Motorbank GWM12F)
• Wayar pelompat
• Pengawal Motor (L298N Dual H-Bridge Motor Controller)
• Bateri & pemegang bateri

Untuk roket udara

• Tong isi ulang tayar basikal CO2 (Bontager CO2 Threaded 16g)
• Beberapa tin aluminium (2 untuk setiap roket)
• Plat akrilik (atau plastik)
• Pita
• Jalur elastik
• Tali panjang
• Kamera Tindakan (pilihan, Kamera Tindakan Xiaomi)

Alat:

• Pistol gam
• Dempul epoksi (pilihan)
• Pemotong gergaji / berlian (pilihan)
• Pencetak 3D (pilihan)
• Pemotong laser atau mesin penggilingan CNC (pilihan)

Hati-hati! Sila gunakan alat dengan berhati-hati dan tangani dengan berhati-hati. Minta bantuan orang lain jika boleh, dan dapatkan bantuan menggunakan alat terpilih jika anda tidak tahu menggunakannya.

Langkah 4: Bingkai

1. Gunakan pemotong laser, mesin penggilingan CNC, atau alat pilihan anda untuk memotong papan kayu nipis menjadi bentuk pada gambar yang dilampirkan. Lapisan atas terdiri daripada dua papan yang dihubungkan dengan bolt untuk penstabilan. (Untuk penggilingan atau pemotongan laser, failnya disediakan di bawah.
2. Potong slider aluminium menjadi sama panjang, dan masukkan ke dalam celah di sepanjang cincin dalaman setiap lapisan. Dengan menggunakan pistol gam, tempel lapisan sehingga ada ruang untuk roket di bahagian atas.
3. Letakkan paip aluminium di tengah lapisan tengah. Pastikan ia stabil dan menegak ke lapisan mungkin.
4. Bor lubang ke lapisan bawah dan pasangkan kamera 360 ° pilihan. Saya membuat penutup getah yang boleh ditanggalkan untuk kamera, sekiranya kamera mengalami kejutan semasa fasa pendaratan.
5. Lipat sehelai kain atau kain yang besar menjadi segi empat yang lebih kecil dan pasangkan 8 tali dengan panjang yang sama ke sudut paling jauh. Ikat tali di hujung sehingga tidak kusut. Parasut akan dipasang pada hujungnya.

Langkah 5: Melancarkan Mekanisme

1. Buat dua cangkuk, satu untuk memberitahu batang logam dan satu untuk menjadi pencetus. Saya menggunakan dua reka bentuk berbeza: satu menggunakan plat logam, dan satu menggunakan pencetak 3D. Reka cangkuk anda berdasarkan gambar di atas, dan fail percetakan 3D dipautkan di bawah.

2. Untuk dapat melepaskan pelatuk dan melancarkan roket menggunakan pemasa atau altimeter digital, litar Arduino yang ditentukan dalam gambar di atas mesti dibuat. Altimeter digital boleh ditambah dengan menyambungkan pin ini.

   • Arduino A5 -> BMP085 SCL
   • Arduino A4 -> BMP085 SDA
   • Arduino + 5V -> BMP085 VIN
   • Arduino GND -> BMP085 GND
3. Tambahkan litar ke HAAS. Sambungkan cangkuk pemicu ke motor dengan wayar, dan putar motor untuk menguji apakah cangkuk dapat meluncur keluar dengan lancar.
4. Kisar hujung batang logam nipis dan masukkan ke dalam paip aluminium. Kemudian, pasangkan dua mata air panjang ke hujung batang, dan sambungkan ke lapisan atas. Bengkokkan hujung batang supaya mudah dihubungkan ke mekanisme pelancaran.
5. Uji beberapa kali untuk memastikan batangnya dilancarkan dengan lancar.

Fail percetakan 3D:

Langkah 6: Roket

1. Sediakan dua botol aluminium. Potong bahagian atas satu botol, dan bahagian bawah yang lain.
2. Potong sedikit salib di bahagian atas botol pertama, dan bahagian bawah botol kedua.
3. Gunakan wayar dan kain untuk membuat pemegang kapsul CO2 pada botol pertama.
4. Masukkan kapsul CO2 ke bahagian atas, dan masukkan ke bawah botol kedua sehingga pintu masuk ke kapsul CO2 menghadap ke bawah.
5. Reka dan potong sirip dengan plastik atau acryl, kemudian lekatkan ke sisi roket. Gunakan mana-mana bahan pilihan, dalam hal ini dempul epoksi, untuk kerucut.
6. Potong lubang segi empat tepat di sisi roket untuk kamera aksi pilihan.

Untuk menyelesaikan HAAS, setelah memasang mekanisme pelancaran, bungkus mesh aluminium di sekitar bingkai, ikat ke lubang kecil di pelek luar. Potong lubang di sisi untuk masuk ke dalam peranti dengan mudah. Buat selongsong kecil untuk parasut dan letakkan di lapisan atas. Lipat parasut dan masukkan ke dalam selongsong.

Langkah 7: Pengekodan

Mekanisme pelancaran dapat diaktifkan dengan dua cara yang berbeza: dengan pemasa, atau altimeter digital. Kod Arduino disediakan, jadi komen kaedah yang anda tidak mahu gunakan sebelum memuat naiknya ke Arduino anda.

Langkah 8: Menguji

Sekiranya anda menggunakan pemasa untuk melancarkan roket, uji beberapa kali dengan kapsul CO2 ganti pada beberapa minit.

Sekiranya anda menggunakan altimeter, uji apakah mekanisme pelancaran berfungsi tanpa roket dengan menetapkan ketinggian pelancaran hingga ~ 2 meter dan berjalan menaiki tangga. Kemudian, uji pada ketinggian pelancaran yang lebih tinggi dengan menaiki lif (Ujian saya ditetapkan pada 37.5 meter). Uji bahawa mekanisme pelancaran sebenarnya melancarkan roket dengan menggunakan kaedah pemasa.

Termasuk 12 video pengujian HAAS

Langkah 9: Hasil

Mudah-mudahan sekarang, anda telah berjaya membuat rockoon sendiri dan mungkin juga meraikan pelancaran roket yang berjaya. Namun, saya harus melaporkan bahawa percubaan pelancaran saya berakhir dengan kegagalan. Sebab utama kegagalan saya adalah kerana saya memandang rendah jumlah helium yang diperlukan untuk mengangkat HAAS. Dengan menggunakan nisbah jisim molekul helium ke jisim molar udara, serta suhu dan tekanan, saya telah mengira bahawa saya memerlukan tiga tangki gas helium 20L, tetapi saya mendapat tahu bahawa saya salah. Oleh kerana sukar untuk membeli tangki helium sebagai pelajar, saya tidak mendapat tangki ganti, malah gagal mendapatkan HAAS di atas 5 meter dari permukaan tanah. Oleh itu, jika anda belum cuba menerbangkan rockoon anda, berikut adalah nasihat: dapatkan helium sebanyak yang anda boleh gunakan. Sebenarnya, mungkin lebih masuk akal jika anda mengira jumlah yang anda perlukan, dengan mengambil kira tekanan dan suhu menurun ketika ketinggian meningkat (dalam jarak terbang kami), dan semakin banyak wap air, helium daya apung akan semakin rendah, dapatkan dua kali ganda jumlahnya.

Selepas pelancaran yang gagal, saya memutuskan untuk menggunakan kamera 360 untuk menangkap video udara sungai dan taman di sekitarnya, jadi saya mengikatnya ke belon helium dengan tali panjang yang melekat di bahagian bawah, lalu membiarkannya terbang. Tanpa disangka, angin pada ketinggian yang agak tinggi menuju ke arah bertentangan sepenuhnya seperti angin yang lebih rendah, dan belon helium melayang ke pemasangan pendawaian elektrik di dekatnya. Dalam usaha terdesak untuk menyelamatkan kamera saya dan tidak merosakkan pendawaian, saya menarik tali yang terpasang, tetapi tidak berguna; belon itu sudah terperangkap dalam wayar. Bagaimana di Bumi dapat banyak perkara yang salah dalam satu hari? Akhirnya, saya menghubungi syarikat pendawaian dan meminta mereka mengambil semula kamera. Dengan baik, mereka berjaya, walaupun saya mengambil masa tiga bulan untuk mendapatkannya kembali. Untuk hiburan anda, dilampirkan beberapa gambar dan video dari kejadian ini.

Kemalangan ini, walaupun pada awalnya tidak berlaku pada saya, menunjukkan batasan serius penggunaan rockoon. Belon tidak dapat dikemudikan, paling tidak dengan mekanisme ringan dan mudah dikendalikan yang dapat dipasang di HAAS, dan oleh itu, hampir mustahil untuk melancarkan roket ke orbit yang dimaksudkan. Juga, kerana keadaan setiap pelancaran berbeza dan terus berubah sepanjang pendakian, sukar untuk meramalkan pergerakan rockoon, yang kemudian mengharuskan peluncuran dilakukan di lokasi yang tidak ada di sekitarnya selama beberapa kilometer, kerana pelancaran yang gagal dapat membuktikan menjadi berbahaya.

Saya percaya batasan ini dapat diatasi dengan mengembangkan mekanisme menavigasi pada satah 3D dengan seretan dari belon, dan menafsirkan angin sebagai daya vektor. Idea yang saya fikirkan adalah layar, udara termampat, baling-baling, reka bentuk bingkai yang lebih baik, dan lain-lain. Perkembangan idea-idea ini adalah sesuatu yang akan saya kerjakan dengan model HAAS saya yang seterusnya, dan akan menantikan sebahagian daripada anda berkembang mereka juga.

Dengan sedikit kajian, saya mendapati bahawa dua jurusan aeroangkasa Stanford, Daniel Becerra dan Charlie Cox, menggunakan reka bentuk yang serupa dan berjaya dilancarkan dari jarak 30, 000 kaki. Rakaman pelancaran mereka boleh didapati di saluran Youtube Stanford. Syarikat seperti JP Aerospace sedang mengembangkan "Kepakaran" pada rockoon, merancang dan melancarkan rockoon yang lebih kompleks dengan bahan api pepejal. Sistem sepuluh balon mereka, yang disebut "The Stack", adalah contoh pelbagai peningkatan pada rockoon. Saya percaya bahawa sebagai kaedah menjimatkan roket yang menjimatkan, beberapa syarikat lain akan berusaha untuk membuat rockoon pada masa akan datang.

Saya ingin mengucapkan terima kasih kepada Profesor Kim Kwang Il, yang telah menyokong saya sepanjang projek ini, serta memberikan sumber dan nasihat. Saya juga ingin mengucapkan terima kasih kepada ibu bapa saya kerana bersemangat dengan apa yang saya minati. Akhir sekali, saya ingin mengucapkan terima kasih kerana membaca Instructables ini. Mudah-mudahan, teknologi mesra alam akan dikembangkan dalam industri angkasa tidak lama lagi, yang membolehkan kunjungan lebih kerap keajaiban di luar sana.