Hoe maak je een Rockoon: Project HAAS - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:18

Het idee achter deze Instructable is om een alternatieve methode te bieden, hoe onwaarschijnlijk het ook mag lijken, voor kostenefficiënte raketlanceringen. Nu de recente ontwikkelingen in de ruimtetechnologie gericht zijn op het verlagen van de kosten, leek het me geweldig om de rockoon aan een breder publiek te introduceren. Deze Instructables is grotendeels verdeeld in vier delen: introductie, ontwerp, bouw en resultaten. Als je het concept van rockoons wilt overslaan en waarom ik de mijne heb ontworpen zoals ik deed, ga dan meteen naar het bouwgedeelte. Ik hoop dat je geniet, en ik zou graag van je horen over je mening over mijn project of over je eigen ontwerp en builds!!

Stap 1: Achtergrondinformatie

Volgens Encyclopedia Astronautica is een rockoon (van raket en ballon) een raket die eerst in de bovenste atmosfeer wordt gebracht door een met gas gevulde ballon die lichter is dan lucht, daarna wordt gescheiden en ontstoken. Hierdoor kan de raket een grotere hoogte bereiken met minder drijfgas, omdat de raket niet op kracht door de lagere en dikkere lagen van de atmosfeer hoeft te bewegen. Het originele concept werd bedacht tijdens een Aerobee-vurencruse van de Norton Sound in maart 1949 en werd voor het eerst gelanceerd door de Office of Naval Research-groep onder leiding van James A. Van Allen.

Toen ik voor het eerst aan mijn project op rockoon begon, had ik geen idee wat een rockoon was. Pas nadat ik de documentatie na mijn project had afgerond, ontdekte ik dat er een naam was voor dit apparaat dat ik had gemaakt. Als Zuid-Koreaanse student die geïnteresseerd is in ruimtetechnologie, ben ik al sinds mijn jeugd gefrustreerd over de ontwikkeling van raketten in mijn land. Hoewel het Koreaanse ruimteagentschap KARI verschillende pogingen heeft ondernomen om ruimtevaartuigen te lanceren, en één keer daarin is geslaagd, komt onze technologie niet in de buurt van andere ruimteagentschappen zoals NASA, ESA, CNSA of Roscosmos. Onze eerste raket, Naro-1, werd gebruikt voor alle drie de lanceringspogingen, waarvan er twee vermoedelijk zijn mislukt vanwege de scheiding van trappen of stroomlijnkappen. De volgende raket die zal worden gemaakt, Naro-2, is een drietrapsraket, waardoor ik me afvraag of het verstandig is om de raket in verschillende fasen te verdelen? De voordelen hiervan zouden zijn dat de raket aanzienlijke massa verliest naarmate de trappen van elkaar worden gescheiden, waardoor de efficiëntie van het drijfgas toeneemt. Het lanceren van meertrapsraketten vergroot echter ook de kans dat de lancering mislukt.

Dit deed me denken aan manieren om rakettrappen te minimaliseren en tegelijkertijd de efficiëntie van het drijfgas te maximaliseren. Het lanceren van raketten vanaf vliegtuigen zoals raketten, met behulp van brandbaar materiaal voor rakettraplichamen, zijn een paar andere ideeën die ik had, maar een optie die me aantrok was het lanceerplatform op grote hoogte. Ik dacht: "Waarom kan een raket niet gewoon lanceren vanuit een heliumballon, boven het grootste deel van de atmosfeer? De raket kan dan een eentraps klinkende raket zijn, wat het lanceringsproces aanzienlijk zou vereenvoudigen en de kosten zou verlagen." Dus besloot ik om zelf een rockoon te ontwerpen en te bouwen als een proof of concept, en deze Instructables te delen, zodat jullie het allemaal kunnen proberen als je wilt.

Het model dat ik bouw heet een HAAS, een afkorting voor High Altitude Aerial Spaceport, in de hoop dat rockoons op een dag niet alleen een tijdelijk lanceerplatform voor raketten zullen zijn, maar een permanent platform dat wordt gebruikt voor het lanceren, tanken en landen van ruimtelanceervoertuigen.

Stap 2: Ontwerp

Ik heb de HAAS ontworpen op basis van intuïtieve vormen en basisberekeningen

Berekeningen:

Met behulp van Nasa's gids over "Een ballon op grote hoogte ontwerpen" heb ik berekend dat ik ongeveer 60 liter helium nodig zou hebben om maximaal 2 kg op te tillen, de bovengrens die we hebben ingesteld voor het HAAS-gewicht, rekening houdend met het feit dat temperatuur en hoogte een effect zullen hebben op de drijfkracht van helium, zoals vermeld in "Effect van hoogte en temperatuur op volumeregeling van een waterstofluchtschip" door Michele Trancossi. Dit was echter niet genoeg, waarover ik in meer detail zal praten, maar het was omdat ik geen rekening hield met het effect van waterdamp op het drijfvermogen van helium.

Kader:

• Cilindrische vorm om het windeffect te minimaliseren
• Drie lagen (bovenkant om raket vast te houden, midden voor lanceermechanisme, onderkant voor 360-camera)
• Dikke tussenlaag voor extra stabiliteit
• Verticale rails voor plaatsing en geleiding van raketten
• 360°-camera voor beeldmateriaal
• Opvouwbare parachute voor veilig afdalen
• Dunne cilindrische heliumballon voor minimale raketoffsethoek

Lanceermechanisme

• Microprocessor: Arduino Uno
• Startmethoden: Timer / Digitale Hoogtemeter

• Methode om drijfgas te activeren: Door een gaatje in een hogedruk CO2-capsule te prikken

  • Metalen spike bevestigd aan veren
  • Ontgrendelingsmechanisme bestaat uit twee haken
  • Vrijgegeven door beweging van motor
• Bescherming van elektronische apparaten tegen lagere temperaturen

Ik heb verschillende methoden bedacht om de spike met een motorische beweging los te laten.

Door een ontwerp te gebruiken dat lijkt op een deurslot met sleutelketting, kan de spijker worden gelanceerd door aan de metalen plaat te trekken totdat de eindsleutel is uitgelijnd met het grotere gat. De wrijving bleek echter te sterk en de motor kon de plaat niet bewegen.

Een andere oplossing was het hebben van een haak die de spijker vasthield en een pen die de haak aan een stilstaand object vergrendelde. Net als het omgekeerde van de veiligheidsspeld van een brandblusser, zou de haak bezwijken en de spijker lanceren wanneer de pen wordt uitgetrokken. Dit ontwerp veroorzaakte ook te veel wrijving.

Het huidige ontwerp dat ik gebruik, is door twee haken te gebruiken, een vergelijkbaar ontwerp als een pistooltrekker. De eerste haak houdt de spike vast, terwijl de andere haak in een kleine inkeping aan de achterkant van de eerste haak zit. De druk van de veren houdt de haken op hun plaats en de motor heeft voldoende koppel om de secundaire haak te ontgrendelen en de raket te lanceren.

Raket:

• Drijfgas: CO2. onder druk
• Gewicht minimaliseren
• Actiecamera geïntegreerd in de body
• Vervangbare CO2-capsule (herbruikbare raket)
• Alle hoofdkenmerken van modelraketten (neus, cilindrisch lichaam, vinnen)

Omdat vaste raketstuwstof niet de beste optie was om in een bevolkt gebied te lanceren, moest ik kiezen voor andere soorten drijfgas. De meest voorkomende alternatieven zijn perslucht en water. Omdat water de elektronica aan boord kon beschadigen, moest perslucht de drijfkracht zijn, maar zelfs een mini-luchtpomp was te zwaar en verbruikte te veel elektriciteit om op de HAAS te hebben. Gelukkig dacht ik aan de mini CO2-capsules die ik een paar dagen geleden voor mijn fietsbanden had gekocht en besloot dat het een effectief drijfgas zou zijn.

Stap 3: Materialen

Om een HAAS te maken, hebt u het volgende nodig.

Voor het frame:

• Dunne houten planken (of een licht en stabiel bord, MDF)
• Lange moeren en bouten
• Aluminium gaas
• 4x Aluminium schuifregelaar
• 1x aluminium pijp
• 360°-camera (optioneel, Samsung Gear 360)
• Groot stuk stof & touw (of een model raket parachute)

Voor het lanceringsmechanisme:

• 2x Lange veren
• 1x metalen staaf
• Dun draad
• Sommige aluminium platen
• 1x Broodplank
• 1x Arduino Uno (met USB-connector)
• Temperatuur- & druksensor (Adafruit BMP085)
• Piëzo-zoemer (Adafruit PS1240)
• Kleine motor (Motorbank GWM12F)
• Doorverbindingsdraden
• Motorcontroller (L298N Dual H-Bridge motorcontroller)
• Batterijen & batterijhouder

Voor de luchtraket

• CO2 navulbussen voor fietsbanden (Bontager CO2 Threaded 16g)
• Meerdere aluminium blikjes (2 voor elke raket)
• Acrylplaten (of plastic)
• Linten
• Elastische banden
• Lange snaren
• Actiecamera (optioneel, Xiaomi-actiecamera)

Gereedschap:

• Lijmpistool
• Epoxyplamuur (optioneel)
• Zaag/Diamantfrees (optioneel)
• 3D-printer (optioneel)
• Lasersnijder of CNC-freesmachine (optioneel)

Pas op! Gebruik het gereedschap voorzichtig en ga er voorzichtig mee om. Zorg dat er indien mogelijk iemand anders in de buurt is om u te helpen en hulp te krijgen met bepaalde tools als u niet weet hoe u ze moet gebruiken.

Stap 4: Kader

1. Gebruik een lasersnijder, een CNC-freesmachine of een ander gereedschap van uw voorkeur om het dunne houten bord in de vorm in de bijgevoegde afbeeldingen te snijden. De toplaag bestaat uit twee planken die met bouten zijn verbonden voor stabilisatie. (Voor frezen of lasersnijden vindt u hieronder de bestanden.
2. Snijd de aluminium schuifregelaars in gelijke lengtes en steek ze in de spleten langs de binnenring van elke laag. Plak de lagen met een lijmpistool zo dat er bovenaan ruimte is voor de raket.
3. Plaats de aluminium pijp in het midden van de middelste laag. Zorg ervoor dat deze stabiel en zo verticaal mogelijk op de laag staat.
4. Boor een gat in de onderste laag en bevestig de optionele 360°-camera. Ik heb een afneembare rubberen hoes gemaakt voor de camera, voor het geval de camera een schok krijgt tijdens de landingsfase.
5. Vouw het grote stuk stof of stof in kleinere rechthoeken en bevestig 8 touwen van gelijke lengte aan de verste hoeken. Bind het touw aan het uiteinde vast, zodat het niet verstrikt raakt. Helemaal aan het einde wordt de parachute vastgemaakt.

Stap 5: Lanceermechanisme

1. Maak twee haken, een om de metalen staaf te vertellen en een om de trekker te zijn. Ik heb twee verschillende ontwerpen gebruikt: een met metalen platen en een met een 3D-printer. Ontwerp uw haken op basis van de bovenstaande afbeeldingen en de 3D-afdrukbestanden zijn hieronder gelinkt.

2. Om de trekker los te laten en de raket te lanceren met behulp van een timer of een digitale hoogtemeter, moet het Arduino-circuit dat in de bovenstaande afbeelding is gespecificeerd, worden gemaakt. De digitale hoogtemeter kan worden toegevoegd door deze pinnen aan te sluiten.

   • Arduino A5 -> BMP085 SCL
   • Arduino A4 -> BMP085 SDA
   • Arduino +5V -> BMP085 VIN
   • Arduino GND -> BMP085 GND
3. Voeg het circuit toe aan de HAAS. Sluit de trekkerhaak met een draad aan op de motor en draai de motor rond om te testen of de haak er soepel uit kan schuiven.
4. Slijp het uiteinde van de dunne metalen staaf en steek deze in de aluminium buis. Bevestig vervolgens twee lange veren aan het uiteinde van de staaf en verbind deze met de bovenste laag. Buig het uiteinde van de hengel zodat deze gemakkelijk aan het lanceermechanisme kan worden gehaakt.
5. Test een paar keer om ervoor te zorgen dat de hengel soepel wordt gelanceerd.

3D-printbestanden:

Stap 6: Raket

1. Bereid twee aluminium flessen voor. Snijd het bovenste deel van de ene fles en het onderste deel van de andere.
2. Snijd een klein kruis op de bovenkant van de eerste fles en de onderkant van de tweede fles.
3. Maak met draad en doek een houder voor de CO2-capsule op de eerste fles.
4. Steek een CO2-capsule in het bovenste gedeelte en knijp deze in de bodem van de tweede fles, zodat de ingang van de CO2-capsule naar beneden wijst.
5. Ontwerp en knip vinnen met plastic of acryl en lijm ze vervolgens aan de zijkant van de raket. Gebruik elk gewenst materiaal, in dit geval epoxyplamuur, voor de kegel.
6. Snijd een rechthoekig gat aan de zijkant van de raket voor de optionele actiecamera.

Om de HAAS af te maken, wikkelt u na het installeren van het lanceermechanisme het aluminium gaas om het frame en knoopt u het vast aan de kleine gaatjes aan de buitenrand. Snijd een gat aan de zijkant om gemakkelijk in het apparaat te kunnen reiken. Maak een klein omhulsel voor de parachute en plaats deze op de bovenste laag. Vouw de parachute op en stop deze in de behuizing.

Stap 7: Coderen

Het lanceermechanisme kan op twee verschillende manieren worden geactiveerd: met een timer, of een digitale hoogtemeter. De Arduino-code wordt meegeleverd, dus becommentarieer de methode die u niet wilt gebruiken voordat u deze naar uw Arduino uploadt.

Stap 8: Testen

Als je een timer gebruikt om de raket te lanceren, test dan een paar keer met een reserve CO2-capsule na een paar minuten.

Als je de hoogtemeter gebruikt, test dan of het lanceermechanisme werkt zonder de raket door de lanceerhoogte in te stellen op ~2 meter en de trap op te lopen. Test het vervolgens op een hogere lanceerhoogte door een lift op te gaan (mijn test was ingesteld op 37,5 meter). Test of het lanceermechanisme een raket daadwerkelijk lanceert met behulp van de timermethode.

Inbegrepen zijn 12 testvideo's van de HAAS

Stap 9: Resultaten

Hopelijk heb je nu zelf geprobeerd een rockoon te maken en misschien zelfs een succesvolle raketlancering gevierd. Ik moet echter melden dat mijn lanceringspoging is mislukt. De belangrijkste reden voor mijn mislukking was dat ik de hoeveelheid helium onderschatte die nodig was om de HAAS op te tillen. Met behulp van de verhouding van de molaire massa van helium tot de molaire massa van lucht, evenals temperatuur en druk, had ik ongeveer berekend dat ik drie tanks van 20L heliumgas nodig had, maar ik ontdekte dat ik het vreselijk mis had. Omdat het als student moeilijk was om heliumtanks te kopen, kreeg ik geen reservetanks en kreeg ik de HAAS niet eens boven de 5 meter van de grond. Dus, als je nog niet hebt geprobeerd om met je rockoon te vliegen, is hier een advies: koop zoveel helium als je kunt krijgen. Eigenlijk zou het waarschijnlijk redelijker zijn als u de benodigde hoeveelheid zou berekenen, rekening houdend met het feit dat druk en temperatuur afnemen naarmate de hoogte toeneemt (binnen ons vliegbereik), en dat hoe meer waterdamp er is, hoe minder drijfvermogen helium zal hebben, dan krijg het dubbele van het bedrag.

In de nasleep van de mislukte lancering besloot ik de 360-camera te gebruiken om een luchtvideo van de omringende rivier en het park vast te leggen, dus bond ik hem aan de heliumballon met een lang touw aan de onderkant en liet hem vliegen. Onverwacht ging de wind op een enigszins grote hoogte in de tegenovergestelde richting als de lagere winden, en de heliumballon dreef in een nabijgelegen elektrische bedradingsinstallatie. In een wanhopige poging om mijn camera te redden en de bedrading niet te beschadigen, trok ik aan het vastgemaakte touw, maar het was nutteloos; de ballon zat al vast in de draad. Hoe kunnen er in hemelsnaam zoveel dingen misgaan op één dag? Uiteindelijk heb ik het kabelbedrijf gebeld en gevraagd of ze de camera wilden ophalen. Vriendelijk, dat deden ze, hoewel het me drie maanden kostte om het terug te krijgen. Voor uw vermaak zijn bijgevoegd enkele foto's en video's van dit incident.

Dit ongeluk bracht, hoewel het in eerste instantie niet bij me opkwam, een ernstige beperking van het gebruik van rockoons aan het licht. De ballonnen kunnen niet worden bestuurd, althans niet met een licht en gemakkelijk te bedienen mechanisme dat op de HAAS kan worden geïnstalleerd, en daarom is het bijna onmogelijk om de raket in een beoogde baan te lanceren. Omdat de omstandigheden van elke lancering anders zijn en tijdens de opstijging blijven veranderen, is het ook moeilijk om de beweging van de rockoon te voorspellen, die vervolgens vereist dat de lancering wordt gedaan op een locatie met niets eromheen gedurende enkele kilometers, omdat een mislukte lancering zou kunnen blijken gevaarlijk zijn.

Ik geloof dat deze beperking kan worden overwonnen door een mechanisme te ontwikkelen voor het navigeren op een 3D-vlak met weerstand van de ballon, en wind te interpreteren als vectorkrachten. Ideeën waar ik aan heb gedacht zijn zeilen, perslucht, propellers, een beter frameontwerp, enz. Ontwikkelingen van deze ideeën zijn iets waar ik aan zal werken met mijn volgende model van HAAS, en ik kijk ernaar uit om sommigen van jullie te zien ontwikkelen zij ook.

Met een beetje onderzoek ontdekte ik dat twee Stanford-luchtvaart-majors, Daniel Becerra en Charlie Cox, een soortgelijk ontwerp gebruikten en een succesvolle lancering hadden vanaf 30, 000 voet. Hun lanceringsbeelden zijn te vinden op het Stanford Youtube-kanaal. Bedrijven zoals JP Aerospace ontwikkelen "Specialties" op rockoons, ontwerpen en lanceren meer complexe rockoons met vaste brandstof. Hun tien-ballonsysteem, genaamd "The Stack", is een voorbeeld van verschillende verbeteringen aan de rockoon. Ik geloof dat als een kostenefficiënte manier om klinkende raketten te lanceren, verschillende andere bedrijven in de toekomst zullen werken aan het maken van rockoons.

Ik wil graag professor Kim Kwang Il bedanken voor de steun tijdens dit project en voor het verstrekken van middelen en advies. Ook wil ik mijn ouders bedanken voor hun enthousiasme over waar ik gepassioneerd over ben. Last but not least wil ik u bedanken voor het lezen van deze Instructables. Hopelijk zal er binnenkort milieuvriendelijke technologie worden ontwikkeld in de ruimtevaartindustrie, waardoor frequentere bezoeken aan de wonderen die er zijn mogelijk worden.