Как сделать рокун: проект HAAS: 9 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:53

Идея, лежащая в основе этой инструкции, состоит в том, чтобы предоставить альтернативный метод, каким бы невероятным он ни казался, для рентабельных запусков ракет. Поскольку последние разработки в области космических технологий направлены на снижение стоимости, я подумал, что было бы здорово представить рокун более широкой аудитории. Эта инструкция разделена на четыре части: введение, дизайн, построение и результаты. Если вы хотите пропустить концепцию рокун и почему я спроектировал свой именно так, переходите сразу к части строительства. Надеюсь, вам понравится, и я хотел бы услышать от вас ваши мысли о моем проекте или о вашем собственном дизайне и сборках !!

Шаг 1. Справочная информация

Согласно Encyclopedia Astronautica, рокон (из ракеты и воздушного шара) - это ракета, которая сначала переносится в верхние слои атмосферы на воздушном шаре, наполненном газом легче воздуха, а затем отделяется и зажигается. Это позволяет ракете достигать большей высоты с меньшим количеством топлива, поскольку ракете не нужно двигаться под действием мощности через нижние и более толстые слои атмосферы. Первоначальная концепция была задумана во время стрельбы Aerobee в проливе Нортон в марте 1949 года и впервые была запущена группой Управления военно-морских исследований под руководством Джеймса А. Ван Аллена.

Когда я только начинал свой проект на рокуне, я понятия не имел, что такое рокун. И только после того, как я закончил документацию по моему проекту, я узнал, что у этого устройства есть имя, которое я сделал. Как южнокорейский студент, интересующийся космическими технологиями, я был разочарован разработкой ракет в моей стране с юных лет. Хотя корейское космическое агентство KARI предприняло несколько попыток создания космических ракет-носителей и однажды преуспело, наша технология далека от других космических агентств, таких как НАСА, ЕКА, CNSA или Роскосмос. Наша первая ракета, Наро-1, использовалась для всех трех попыток запуска, две из которых предположительно не удались из-за разделения ступеней или обтекателя. Следующая ракета, которую предстоит сделать, Наро-2, будет трехступенчатой, что заставляет меня задаться вопросом: а разумно ли разделить ракету на несколько ступеней? Выгоды от этого заключаются в том, что ракета теряет значительную массу при разделении ступеней, что увеличивает эффективность топлива. Однако запуск многоступенчатых ракет также увеличивает вероятность того, что запуск закончится неудачей.

Это заставило меня задуматься о способах минимизировать количество ступеней ракеты при максимальном увеличении эффективности топлива. Запуск ракет с самолетов, таких как ракеты, с использованием горючего материала для корпусов ступеней ракет - это еще несколько идей, которые у меня были, но одним из вариантов, который меня привлек, была высотная стартовая платформа. Я подумал: «Почему нельзя запустить ракету с гелиевого шара над большей частью атмосферы? Тогда ракета может быть одноступенчатой ракетой-зондом, что значительно упростит процесс запуска, а также снизит стоимость ». Итак, я решил спроектировать и построить рокон сам в качестве доказательства концепции и поделиться этими инструкциями, чтобы вы все могли попробовать его, если хотите.

Модель, которую я создаю, называется HAAS, сокращенно от High Altitude Aerial Spaceport, в надежде, что однажды роконы станут не просто временной пусковой платформой для ракет, а постоянной платформой, используемой для запуска, дозаправки и посадки космических ракет-носителей..

Шаг 2: Дизайн

Я разработал HAAS на основе интуитивно понятных форм и базовых расчетов.

Расчеты:

Используя руководство НАСА «Создание воздушного шара на большой высоте», я подсчитал, что мне потребуется около 60 литров гелия, чтобы поднять максимум 2 кг, верхний предел, который мы установили для веса HAAS, принимая во внимание, что температура и высота будут влиять на выталкивающая сила гелия, как упоминалось в статье Микеле Транкосси «Влияние высоты и температуры на регулирование объема водородного дирижабля». Однако этого было недостаточно, о чем я расскажу более подробно, но это произошло потому, что я не учел влияние водяного пара на плавучесть гелия.

Рамка:

• Цилиндрическая форма для минимизации ветрового воздействия
• Три слоя (верхний для удержания ракеты, средний для пускового механизма, нижний для камеры 360)
• Толстый средний слой для дополнительной устойчивости
• Вертикальные направляющие для размещения и наведения ракет
• Камера 360 ° для видеосъемки
• Складной парашют для безопасного спуска
• Тонкий цилиндрический гелиевый баллон для минимального угла смещения ракеты

Механизм запуска

• Микропроцессор: Arduino Uno
• Способы запуска: Таймер / Цифровой высотомер

• Способ активирования пороха: пробив дырку в капсуле с CO2 под высоким давлением.

  • Металлический шип, прикрепленный к пружинам
  • Механизм спуска состоит из двух крючков.
  • Освобождается движением мотора
• Защита электронных устройств от более низких температур

Я придумал несколько методов отпускания шипа моторным движением.

Используя конструкцию, аналогичную дверному замку с цепочкой с ключом, потянув за металлическую пластину до тех пор, пока конец ключа не совместится с большим отверстием, можно запустить шип. Однако трение оказалось слишком сильным, и мотор не мог сдвинуть пластину с места.

Другим решением было наличие крюка, удерживающего штырь, и штифта, фиксирующего крюк на неподвижном объекте. Как и обратная сторона английской булавки огнетушителя, когда булавка вытаскивается, крючок уступает место и запускает штырь. Эта конструкция также создавала слишком большое трение.

Текущая конструкция, которую я использую, состоит из двух крючков, аналогичная конструкции спускового крючка пистолета. Первый крючок держится за шип, а второй зацепляется за небольшую выемку сзади первого крючка. Давление пружин удерживает крючки на месте, а у двигателя достаточно крутящего момента, чтобы разблокировать дополнительный крюк и запустить ракету.

Ракета:

• Пропеллент: CO2 под давлением
• Минимизировать вес
• Экшн-камера встроена в корпус
• Сменная капсула с СО2 (многоразовая ракета)
• Все основные характеристики ракетных моделей (носовая часть, цилиндрический корпус, оперение)

Поскольку твердотопливное ракетное топливо было не лучшим вариантом для запуска в густонаселенных районах, мне пришлось выбрать другие типы топлива. Наиболее распространенные альтернативы - сжатый воздух и вода. Поскольку вода могла повредить бортовую электронику, сжатый воздух должен был быть пропеллентом, но даже мини-воздушный насос был слишком тяжелым и потреблял слишком много электроэнергии, чтобы иметь его на HAAS. К счастью, я подумал о мини-капсулах с CO2, которые я купил несколько дней назад для велосипедных шин, и решил, что это будет эффективное топливо.

Шаг 3: материалы

Для создания HAAS вам потребуется следующее.

Для рамы:

• Тонкие деревянные доски (или любая легкая и устойчивая доска, МДФ)
• Длинные гайки и болты
• Алюминиевая сетка
• 4x алюминиевый слайдер
• 1x алюминиевая труба
• Камера 360 ° (дополнительно, Samsung Gear 360)
• Большой кусок ткани и веревка (или модель ракетного парашюта)

Для пускового механизма

• 2x длинные пружины
• 1x металлический стержень
• Тонкая проволока
• Некоторые алюминиевые пластины
• 1x макетная плата
• 1x Arduino Uno (с разъемом USB)
• Датчик температуры и давления (Adafruit BMP085)
• Пьезо-зуммер (Adafruit PS1240)
• Маленький мотор (Motorbank GWM12F)
• Провода перемычки
• Контроллер мотора (Контроллер мотора с двойным Н-мостом L298N)
• Батарейки и держатель батарейки

Для воздушной ракеты

• Баллончики для заправки велосипедных шин с CO2 (Bontager CO2 Threaded 16g)
• Несколько алюминиевых банок (по 2 на каждую ракету)
• Акриловые тарелки (или пластмассовые)
• Ленты
• Резинки
• Длинные струны
• Экшн-камера (опционально, экшн-камера Xiaomi)

Инструменты:

• Клей-пистолет
• Эпоксидная шпатлевка (по желанию)
• Пила / алмазный резак (опция)
• 3D-принтер (опционально)
• Лазерный резак или фрезерный станок с ЧПУ (опция)

Остерегаться! Пожалуйста, используйте инструменты осторожно и обращайтесь с ними осторожно. Если возможно, попросите кого-нибудь помочь, и получите помощь с помощью некоторых инструментов, если вы не знаете, как ими пользоваться.

Шаг 4: рамка

1. Используйте лазерный резак, фрезерный станок с ЧПУ или любой другой инструмент по вашему выбору, чтобы вырезать тонкую деревянную доску по форме, изображенной на прикрепленных изображениях. Верхний слой состоит из двух досок, соединенных болтами для стабилизации. (Для фрезерования или лазерной резки файлы представлены ниже.
2. Разрежьте алюминиевые ползунки на равные отрезки и вставьте их в щели вдоль внутреннего кольца каждого слоя. С помощью клеевого пистолета приклейте слои так, чтобы наверху оставалось место для ракеты.
3. Поместите алюминиевую трубу в центр среднего слоя. Убедитесь, что он устойчив и находится как можно вертикальнее слоя.
4. Просверлите отверстие в нижнем слое и прикрепите дополнительную камеру на 360 °. Я сделал съемный резиновый чехол для камеры на случай, если камера получит толчок во время фазы приземления.
5. Сложите большой кусок ткани в прямоугольники меньшего размера и прикрепите 8 веревок одинаковой длины к самым дальним углам. Привяжите веревку к дальнему концу, чтобы она не запуталась. Парашют будет прикреплен в самом конце.

Шаг 5: механизм запуска

1. Сделайте два крючка, один для металлического стержня, а другой для спускового крючка. Я использовал два разных дизайна: один с использованием металлических пластин, а другой с использованием 3D-принтера. Создайте свои крючки на основе изображений выше, а файлы для 3D-печати приведены ниже.

2. Чтобы можно было отпустить спусковой крючок и запустить ракету с помощью таймера или цифрового высотомера, необходимо создать схему Arduino, указанную на рисунке выше. Цифровой высотомер можно добавить, подключив эти штыри.

   • Arduino A5 -> BMP085 SCL
   • Arduino A4 -> BMP085 SDA
   • Arduino + 5V -> BMP085 VIN
   • Arduino GND -> BMP085 GND
3. Добавьте схему в HAAS. Соедините крючок спускового крючка с двигателем с помощью провода и поверните двигатель, чтобы проверить, может ли крюк плавно выдвигаться.
4. Отшлифуйте конец тонкого металлического стержня и вставьте его в алюминиевую трубу. Затем прикрепите две длинные пружины к концу стержня и соедините его с верхним слоем. Согните конец стержня, чтобы его можно было легко зацепить за спусковой механизм.
5. Проверьте несколько раз, чтобы убедиться, что штанга запускается плавно.

Файлы для 3D-печати:

Шаг 6: ракета

1. Подготовьте две алюминиевые бутылки. Отрежьте верхнюю часть одной бутылки и нижнюю часть другой.
2. Вырежьте небольшой крест на верхней части первой бутылки и на нижней части второй бутылки.
3. С помощью проволоки и ткани сделайте держатель для капсулы CO2 на первом баллоне.
4. Вставьте капсулу с CO2 в верхнюю часть и выдавите ее на дно второй бутылки так, чтобы вход в капсулу с CO2 был направлен вниз.
5. Сконструируйте и вырежьте плавники из пластика или акрила, затем приклейте их к борту ракеты. Для конуса используйте любой предпочтительный материал, в данном случае эпоксидную замазку.
6. Вырежьте прямоугольное отверстие сбоку ракеты для дополнительной экшн-камеры.

Чтобы закончить HAAS, после установки пускового механизма оберните алюминиевую сетку вокруг рамы, привяжите ее к маленьким отверстиям на внешнем ободе. Вырежьте сбоку отверстие, чтобы легко можно было достать до устройства. Сделайте небольшой кожух для парашюта и поместите его на верхний слой. Сложите парашют и поместите его в кожух.

Шаг 7. Кодирование

Механизм запуска можно активировать двумя способами: таймером или цифровым высотомером. Предоставляется код Arduino, поэтому закомментируйте метод, который вы не хотите использовать, прежде чем загружать его на свой Arduino.

Шаг 8: Тестирование

Если вы используете таймер для запуска ракеты, проверьте несколько раз с запасной капсулой с CO2 в течение нескольких минут.

Если вы используете высотомер, проверьте, работает ли пусковой механизм без ракеты, установив высоту пуска на ~ 2 метра и поднявшись по лестнице. Затем протестируйте его на большей высоте запуска, поднявшись на лифте (мой тест был установлен на 37,5 метра). Проверьте, действительно ли пусковой механизм запускает ракету, используя метод таймера.

Включены 12 видео испытаний HAAS.

Шаг 9: Результаты

Надеюсь, к настоящему времени вы уже пытались сделать рокон самостоятельно и, возможно, даже отметили успешный запуск ракеты. Однако я должен сообщить, что моя попытка запуска закончилась неудачей. Основная причина моей неудачи заключалась в том, что я недооценил количество гелия, необходимое для подъема HAAS. Используя отношение молярной массы гелия к молярной массе воздуха, а также температуру и давление, я приблизительно рассчитал, что мне нужны три баллона с 20-литровым гелием, но я обнаружил, что был ужасно неправ. Поскольку в студенческие годы было сложно покупать баллоны с гелием, у меня не было запасных баллонов, и даже не удалось поднять HAAS на высоту более 5 метров от земли. Итак, если вы еще не пробовали управлять своим роконом, вот вам совет: возьмите столько гелия, сколько сможете. На самом деле, вероятно, было бы более разумным, если бы вы рассчитали необходимое количество, учитывая, что давление и температура уменьшаются с увеличением высоты (в пределах нашего диапазона полета), и что чем больше водяного пара, тем меньше плавучесть будет у гелия, тогда получите вдвое большую сумму.

После неудачного запуска я решил использовать камеру 360 для съемки с воздуха на окружающую реку и парк, поэтому я привязал ее к гелиевому шару длинной веревкой, прикрепленной ко дну, и позволил ему полететь. Неожиданно ветер на небольшой высоте дул в совершенно противоположном направлении по сравнению с более низкими ветрами, и гелиевый шар врезался в электрическую проводку поблизости. В отчаянной попытке спасти камеру и не повредить проводку, я потянул за прикрепленную веревку, но это было бесполезно; шар уже был зажат проволокой. Как на Земле так много вещей может пойти не так за один день? В конце концов, я позвонил в электромонтажную компанию и попросил их вернуть камеру. Любезно, что они это сделали, хотя мне потребовалось три месяца, чтобы вернуть его. Для вашего развлечения прилагаем несколько фотографий и видео с этого инцидента.

Этот несчастный случай, хотя сначала мне это не приходило в голову, выявил серьезные ограничения в использовании рокун. Управлять воздушными шарами невозможно, по крайней мере, с помощью легкого и простого в управлении механизма, который может быть установлен на HAAS, и поэтому вывести ракету на заданную орбиту практически невозможно. Кроме того, поскольку условия каждого запуска разные и постоянно меняются на протяжении всего всплытия, трудно предсказать движение каменного тела, для чего требуется, чтобы запуск был произведен с участка, вокруг которого ничего нет на протяжении нескольких километров, потому что неудачный запуск может оказаться невозможным. быть опасным.

Я считаю, что это ограничение можно преодолеть, разработав механизм навигации в трехмерной плоскости с сопротивлением воздушного шара и интерпретируя ветер как векторные силы. Идеи, которые я придумал, - это паруса, сжатый воздух, гребные винты, улучшенная конструкция рамы и т. Д. Я буду работать над развитием этих идей с моей следующей моделью HAAS и с нетерпением жду встречи с некоторыми из вас. их тоже.

Проведя небольшое исследование, я обнаружил, что два крупных аэрокосмических предприятия Стэнфордского университета, Даниэль Бесерра и Чарли Кокс, использовали аналогичную конструкцию и успешно взлетели с высоты 30 000 футов. Кадры их запуска можно найти на канале Stanford Youtube. Такие компании, как JP Aerospace, занимаются разработкой «Специальностей» по роконам, разрабатывают и запускают более сложные роконы с твердым топливом. Их система из десяти воздушных шаров, названная «Стопка», является примером различных улучшений на рокуне. Я считаю, что в качестве экономичного способа запуска звуковых ракет несколько других компаний будут работать над созданием роконов в будущем.

Я хотел бы поблагодарить профессора Ким Кван Ира за поддержку меня на протяжении всего этого проекта, а также за предоставление ресурсов и советов. Я также хотел бы поблагодарить своих родителей за то, что они с энтузиазмом относятся к тому, чем я увлечен. И последнее, но не менее важное: я хотел бы поблагодарить вас за то, что вы прочитали эти инструкции. Надеемся, что в ближайшее время в космической отрасли будут разработаны экологически чистые технологии, которые позволят чаще посещать чудеса.