Rockoon Nasıl Yapılır: HAAS Projesi: 9 Adım (Resimlerle)

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:21

Bu Eğitilebilir Yazının arkasındaki fikir, düşük maliyetli roket fırlatmaları için ne kadar mantıksız görünse de alternatif bir yöntem sağlamaktır. Son uzay teknolojisindeki gelişmelerin maliyeti düşürmeye odaklanmasıyla rockoon'u daha geniş bir kitleye tanıtmanın harika olacağını düşündüm. Bu Instructables büyük ölçüde dört bölüme ayrılmıştır: giriş, tasarım, oluşturma ve sonuçlar. Rockoons kavramını ve neden benimkini yaptığım gibi tasarladığımı atlamak istiyorsanız, doğrudan inşaat kısmına gidin. Umarım beğenirsiniz ve projem veya kendi tasarımınız ve yapınız hakkındaki düşüncelerinizi sizden duymak isterim!!

Adım 1: Arka Plan Bilgileri

Encyclopedia Astronautica'ya göre, bir rockoon (roket ve balondan), önce havadan hafif gaz dolu bir balon tarafından üst atmosfere taşınan, daha sonra ayrıştırılan ve ateşlenen bir rokettir. Bu, roketin atmosferin alt ve kalın katmanları boyunca güç altında hareket etmesi gerekmediğinden, roketin daha az itici gazla daha yüksek bir irtifaya ulaşmasını sağlar. Orijinal konsept, Mart 1949'da Norton Sound'un bir Aerobee ateşleme harekatı sırasında tasarlandı ve ilk olarak James A. Van Allen yönetimindeki Deniz Araştırmaları Ofisi grubu tarafından başlatıldı.

Rockoon'da projeme ilk başladığımda rockoon'un ne olduğu hakkında hiçbir fikrim yoktu. Yaptığım bu cihaz için bir isim olduğunu ancak projemden sonra belgeleri bitirdikten sonra öğrendim. Uzay teknolojisiyle ilgilenen Güney Koreli bir öğrenci olarak, gençliğimden beri ülkemin roket geliştirmesinden hayal kırıklığına uğradım. Kore uzay ajansı KARI, uzaya fırlatma araçları konusunda birkaç girişimde bulunmuş ve bir kez başarılı olmuş olsa da, teknolojimiz NASA, ESA, CNSA veya Roscosmos gibi diğer uzay ajanslarının yakınından bile geçmiyor. İlk roketimiz Naro-1, ikisinin etapların ayrılması veya kaporta nedeniyle başarısız olduğundan şüphelenilen üç fırlatma denemesinin tamamında kullanıldı. Bundan sonra yapılacak olan roket, Naro-2, üç aşamalı bir roket, bu da beni sorguluyor, roketi birkaç aşamaya bölmek akıllıca mı? Bunu yapmanın faydaları, aşamalar ayrıldıkça roketin önemli bir kütle kaybetmesi ve dolayısıyla iticinin verimliliğinin artması olacaktır. Bununla birlikte, çok aşamalı roketlerin fırlatılması, fırlatmanın başarısızlıkla sonuçlanma şansını da arttırır.

Bu bana itici yakıt verimliliğini en üst düzeye çıkarırken roket aşamalarını en aza indirmenin yollarını düşündürdü. Uçaklardan füze gibi roket fırlatmak, roket sahne gövdeleri için yanıcı malzeme kullanmak, aklımdaki birkaç fikirdi, ancak beni cezbeden bir seçenek, yüksek irtifa fırlatma platformuydu. Düşündüm ki, Neden bir roket, atmosferin çoğunun üzerinde, bir helyum balonundan fırlayamaz? Roket, daha sonra, fırlatma sürecini önemli ölçüde basitleştirecek ve maliyeti düşürecek olan tek aşamalı bir sondaj roketi olabilir.” Bu yüzden, konseptin bir kanıtı olarak kendim bir rockoon tasarlamaya ve inşa etmeye karar verdim ve bu Eğitilebilir Öğeleri, isterseniz hepiniz deneyebilmeniz için paylaşmaya karar verdim.

Yaptığım modelin adı HAAS, High Altitude Aerial Spaceport'un kısaltması..

2. Adım: Tasarım

HAAS'ı sezgisel şekillere ve temel hesaplamalara dayalı olarak tasarladım

Hesaplamalar:

Nasa'nın "Yüksek İrtifa Balonu Tasarlama" rehberini kullanarak, HAAS ağırlığı için belirlediğimiz üst sınır olan en fazla 2 kg'ı kaldırmak için yaklaşık 60 L helyuma ihtiyacım olacağını hesapladım. Michele Trancossi'nin "Bir Hidrojen Hava Gemisinin Hacim Kontrolü Üzerinde Yükseklik ve Sıcaklığın Etkisi" bölümünde belirtildiği gibi helyumun kaldırma kuvveti. Ancak bu yeterli değildi, daha ayrıntılı olarak bahsedeceğim, ancak bunun nedeni su buharının helyumun kaldırma kuvveti üzerindeki etkisini hesaba katmamamdı.

Çerçeve:

• Rüzgar etkisini en aza indirmek için silindirik şekil
• Üç katman (Üstten roketi tutmak için, orta fırlatma mekanizması için, alttan 360 kamera için)
• Ekstra stabilite için kalın orta katman
• Roket yerleştirme ve yönlendirme için dikey raylar
• Çekimler için 360 ° kamera
• Güvenli terbiye için katlanabilir paraşüt
• Minimum roket ofset açısı için ince Silindirik helyum balonu

Başlatma Mekanizması

• Mikroişlemci: Arduino Uno
• Başlatma yöntemleri: Zamanlayıcı / Dijital Altimetre

• İticiyi etkinleştirme yöntemi: Yüksek basınçlı bir CO2 kapsülünde bir delik açarak

  • Yaylara bağlı metal başak
  • Serbest bırakma mekanizması iki kancadan oluşur
  • Motorun hareketi ile serbest bırakılır
• Elektronik cihazların düşük sıcaklıklara karşı korunması

Bir motor hareketi ile çiviyi serbest bırakmak için birkaç yöntem buldum.

Anahtarlı zincir kapı kilidine benzer bir tasarım kullanarak, uç anahtarı daha büyük delikle aynı hizaya gelene kadar metal plakayı çekerek sivri uç fırlatılabilir. Ancak sürtünmenin çok güçlü olduğu ortaya çıktı ve motor plakayı yerinden oynatamadı.

Çiviyi tutan bir kancaya ve kancayı sabit bir nesneye sabitleyen bir pime sahip olmak başka bir çözümdü. Bir yangın söndürücünün çengelli iğnesinin tersi gibi, pim dışarı çekildiğinde, kanca yol verecek ve çiviyi fırlatacaktır. Bu tasarım aynı zamanda çok fazla sürtünme üretti.

Kullandığım mevcut tasarım, tabanca tetiğine benzer bir tasarım olan iki kanca kullanmaktır. İlk kanca sivri uca tutunur, diğer kanca ise ilk kancanın arkasındaki küçük bir çentikte takılır. Yayların basıncı, kancaları yerinde tutar ve motor, ikincil kancanın kilidini açmak ve roketi fırlatmak için yeterli torka sahiptir.

Roket:

• İtici: Basınçlı CO2
• Ağırlığı en aza indirin
• Gövdeye entegre aksiyon kamerası
• Değiştirilebilir CO2 kapsülü (tekrar kullanılabilir roket)
• Model roketlerin tüm temel özellikleri (burun, silindirik gövde, kanatçıklar)

Katı roket yakıtı, kalabalık bir alanda fırlatmak için en iyi seçenek olmadığından, diğer yakıt türlerini tercih etmek zorunda kaldım. En yaygın alternatifler basınçlı hava ve sudur. Su, gemideki elektronik aksamlara zarar verebileceğinden, itici gazın basınçlı hava olması gerekiyordu, ancak mini bir hava pompası bile HAAS'ta bulunamayacak kadar ağırdı ve çok fazla elektrik tüketiyordu. Şans eseri, birkaç gün önce bisiklet lastiklerim için aldığım mini CO2 kapsüllerini düşündüm ve bunun etkili bir itici yakıt olacağına karar verdim.

Adım 3: Malzemeler

Bir HAAS yapmak için aşağıdakilere ihtiyacınız olacak.

Çerçeve için:

• İnce ahşap levhalar (veya herhangi bir hafif ve sabit tahta, MDF)
• Uzun somunlar ve cıvatalar
• Alüminyum Hasır
• 4x Alüminyum kaydırıcı
• 1x Alüminyum boru
• 360° kamera (isteğe bağlı, Samsung Gear 360)
• Büyük bir bez ve ip parçası (veya bir model roket paraşütü)

Fırlatma mekanizması için

• 2x Uzun yaylar
• 1x metal çubuk
• İnce tel
• Bazı alüminyum levhalar
• 1x Ekmek Tahtası
• 1x Arduino Uno (USB konektörlü)
• Sıcaklık ve basınç sensörü (Adafruit BMP085)
• Piezo Buzzer (Adafruit PS1240)
• Küçük motor (Motorbank GWM12F)
• Atlama telleri
• Motor Kontrol Cihazı (L298N Çift H-Köprü Motor Kontrol Cihazı)
• Piller ve pil tutucu

hava roketi için

• CO2 bisiklet lastiği dolum kutuları (Bontager CO2 Dişli 16g)
• Birkaç alüminyum kutu (her roket için 2 adet)
• Akrilik plakalar (veya plastik)
• şeritler
• Elastik bantlar
• Uzun dizeler
• Aksiyon Kamerası (isteğe bağlı, Xiaomi Aksiyon Kamerası)

Aletler:

• Tutkal tabancası
• Epoksi macun (isteğe bağlı)
• Testere/Elmas kesici (isteğe bağlı)
• 3D yazıcı (isteğe bağlı)
• Lazer kesici veya CNC freze makinesi (isteğe bağlı)

Dikkat! Lütfen araçları dikkatli kullanın ve dikkatli kullanın. Mümkünse yardım edecek başka birini bulun ve nasıl kullanacağınızı bilmiyorsanız belirli araçları kullanarak yardım alın.

4. Adım: Çerçeve

1. İnce ahşap tahtayı ekli resimlerdeki şekle sokmak için bir lazer kesici, bir CNC freze makinesi veya tercih ettiğiniz herhangi bir alet kullanın. Üst katman, stabilizasyon için cıvatalarla bağlanmış iki levhadan oluşur. (Frezeleme veya lazer kesim için dosyalar aşağıda verilmiştir.
2. Alüminyum sürgüleri eşit uzunluklarda kesin ve bunları her katmanın iç halkası boyunca yarıklara yerleştirin. Bir tutkal tabancası kullanarak, üstte roket için yer kalacak şekilde katmanları yapıştırın.
3. Alüminyum boruyu orta tabakanın ortasına yerleştirin. Sabit ve katmana mümkün olduğunca dikey olduğundan emin olun.
4. Alt katmana bir delik açın ve isteğe bağlı 360° kamerayı takın. İniş aşamasında kameranın bir şok alması ihtimaline karşı kamera için çıkarılabilir bir lastik kapak yaptım.
5. Büyük kumaş veya kumaş parçasını daha küçük dikdörtgenler halinde katlayın ve en uzak köşelere eşit uzunlukta 8 ip bağlayın. Dolaşmaması için ipi en uçtan bağlayın. Paraşüt en sonunda takılacaktır.

Adım 5: Mekanizmayı Başlatın

1. Biri metal çubuğa ve diğeri tetikleyici olmak üzere iki kanca yapın. İki farklı tasarım kullandım: biri metal plakalar kullanıyor, diğeri 3D yazıcı kullanıyor. Kancalarınızı yukarıdaki resimlere göre tasarlayın ve 3D baskı dosyaları aşağıda bağlantılıdır.

2. Tetiği bırakabilmek ve roketi ya bir timer ya da dijital bir altimetre kullanarak fırlatabilmek için yukarıdaki resimde belirtilen Arduino devresinin yapılması gerekmektedir. Bu pinler bağlanarak dijital altimetre eklenebilir.

   • Arduino A5 -> BMP085 SCL
   • Arduino A4 -> BMP085 SDA
   • Arduino +5V -> BMP085 VIN
   • Arduino GND -> BMP085 GND
3. Devreyi HAAS'a ekleyin. Tetik kancasını bir tel ile motora bağlayın ve kancanın sorunsuz bir şekilde dışarı çıkıp çıkmadığını test etmek için motoru döndürün.
4. İnce metal çubuğun ucunu zımparalayın ve alüminyum borunun içine sokun. Ardından, çubuğun ucuna iki uzun yayı takın ve üst katmana bağlayın. Çubuğun ucunu, fırlatma mekanizmasına kolayca takılabilmesi için bükün.
5. Çubuğun düzgün bir şekilde fırlatıldığından emin olmak için birkaç kez test edin.

3D baskı Dosyaları:

Adım 6: Roket

1. İki alüminyum şişe hazırlayın. Bir şişenin üst kısmını ve diğerinin alt kısmını kesin.
2. İlk şişenin üstünden ve ikinci şişenin dibinden hafif bir çarpı işareti kesin.
3. İlk şişedeki CO2 kapsülü için bir tutucu yapmak için tel ve bez kullanın.
4. Üst kısma bir CO2 kapsülü yerleştirin ve CO2 kapsülünün girişi aşağı bakacak şekilde ikinci şişenin dibine sıkın.
5. Kanatları plastik veya akrilik ile tasarlayın ve kesin, ardından bunları roketin kenarına yapıştırın. Koni için tercih edilen herhangi bir malzemeyi, bu durumda epoksi macunu kullanın.
6. İsteğe bağlı aksiyon kamerası için roketin yan tarafında dikdörtgen bir delik açın.

HAAS'ı bitirmek için, fırlatma mekanizmasını kurduktan sonra, alüminyum ağı çerçevenin etrafına sarın, dış kenardaki küçük deliklere bağlayın. Cihaza kolayca ulaşabilmek için yandan bir delik açın. Paraşüt için küçük bir kasa yapın ve en üst katmanın üzerine yerleştirin. Paraşütü katlayın ve kasaya koyun.

Adım 7: Kodlama

Fırlatma mekanizması iki farklı şekilde etkinleştirilebilir: bir zamanlayıcı veya dijital altimetre ile. Arduino kodu sağlanmıştır, bu nedenle Arduino'nuza yüklemeden önce kullanmak istemediğiniz yöntemi yorumlayın.

Adım 8: Test Etme

Roketi fırlatmak için zamanlayıcı kullanıyorsanız, birkaç dakika içinde yedek CO2 kapsülü ile birkaç kez test edin.

Altimetre kullanıyorsanız, fırlatma yüksekliğini ~2 metreye ayarlayarak ve merdivenden yukarı çıkarak fırlatma mekanizmasının roket olmadan çalışıp çalışmadığını test edin. Ardından, bir asansöre çıkarak daha yüksek bir fırlatma yüksekliğinde test edin (Testim 37,5 metreye ayarlandı). Zamanlayıcı yöntemini kullanarak fırlatma mekanizmasının gerçekten bir roket fırlatıp fırlatmadığını test edin.

HAAS'ın 12 test videosu dahildir

9. Adım: Sonuçlar

Umarım şimdiye kadar kendin bir rockoon yapmayı denedin ve belki de başarılı bir roket fırlatmasını kutladın. Ancak, fırlatma girişimimin başarısızlıkla sonuçlandığını bildirmek zorundayım. Başarısızlığımın ana nedeni, HAAS'ı kaldırmak için gereken helyum miktarını hafife almamdı. Helyumun molar kütlesinin havanın molar kütlesine oranını, ayrıca sıcaklık ve basıncı kullanarak, yaklaşık olarak üç tank 20L helyum gazına ihtiyacım olduğunu hesaplamıştım, ama feci şekilde yanılmış olduğumu anladım. Öğrenciyken helyum tankları satın almak zor olduğu için yedek tank alamadım ve HAAS'ı yerden 5 metre yüksekliğe bile çıkaramadım. Bu nedenle, henüz rockoon'unuzu uçurmayı denemediyseniz, işte size bir tavsiye: Elinize alabildiğiniz kadar helyum alın. Aslında, yükseklik arttıkça basınç ve sıcaklığın düştüğünü (uçuş menzilimiz içinde) ve ne kadar fazla su buharı varsa, helyumun kaldırma kuvvetinin o kadar az olacağını hesaba katarak, ihtiyaç duyduğunuz miktarı hesaplarsanız muhtemelen daha mantıklı olurdu. miktarın iki katı olsun.

Başarısız olan fırlatmanın ardından, çevredeki nehir ve parkın havadan bir videosunu çekmek için 360 kamerayı kullanmaya karar verdim, bu yüzden onu helyum balonuna, altına uzun bir ip bağlayarak bağladım, sonra uçmasına izin verdim. Beklenmedik bir şekilde, biraz yüksek irtifadaki rüzgar, alçak rüzgarlarla tam zıt yönde ilerliyordu ve helyum balonu yakındaki bir elektrik tesisatına doğru sürüklendi. Kameramı kurtarmak ve kablolara zarar vermemek için çaresiz bir girişimde, bağlı ipi çektim ama faydasızdı; balon zaten tele yakalanmıştı. Bir günde nasıl olur da bu kadar çok şey ters gidebilir? Sonunda kablo şirketini aradım ve kamerayı almalarını istedim. Nazikçe yaptılar, ancak geri almam üç ayımı aldı. Eğlenmeniz için, bu olaydan bazı fotoğraflar ve videolar ektedir.

Bu kaza ilk başta aklıma gelmese de rockoon kullanma konusunda ciddi bir kısıtlama olduğunu ortaya çıkardı. Balonlar, en azından HAAS üzerine kurulabilen hafif ve kontrolü kolay bir mekanizma ile yönlendirilemiyor ve bu nedenle roketi istenilen yörüngeye fırlatmak neredeyse imkansız. Ayrıca, her fırlatmanın koşulları farklı olduğundan ve yükseliş boyunca değişmeye devam ettiğinden, rockoon'un hareketini tahmin etmek zordur, bu da fırlatmanın birkaç kilometre boyunca etrafında hiçbir şey olmayan bir yerde yapılmasını gerektirir, çünkü başarısız bir fırlatma bunu kanıtlayabilir. tehlikeli olmak.

Balondan sürüklenerek 3 boyutlu bir düzlemde gezinme mekanizması geliştirerek ve rüzgarı vektör kuvvetleri olarak yorumlayarak bu sınırlamanın üstesinden gelinebileceğine inanıyorum. Aklıma gelen fikirler yelkenler, basınçlı hava, pervaneler, daha iyi çerçeve tasarımı vb. Bu fikirlerin geliştirilmesi, bir sonraki HAAS modelim üzerinde çalışacağım ve bazılarınızın geliştirdiğini görmek için sabırsızlanıyorum. onları da.

Biraz araştırma ile, iki Stanford havacılık uzmanı Daniel Becerra ve Charlie Cox'un benzer bir tasarım kullandığını ve 30.000 fitten başarılı bir fırlatma gerçekleştirdiğini buldum. Lansman görüntüleri Stanford Youtube kanalında bulunabilir. JP Aerospace gibi şirketler, rockoonlar üzerinde "Uzmanlıklar" geliştiriyor, katı yakıtlı daha karmaşık rockoonlar tasarlıyor ve piyasaya sürüyor. "The Stack" olarak adlandırılan on balon sistemi, rockoon'daki çeşitli iyileştirmelere bir örnektir. Sondaj roketlerini fırlatmanın uygun maliyetli bir yolu olarak, diğer birçok şirketin gelecekte rockoon yapmak için çalışacağına inanıyorum.

Profesör Kim Kwang Il'e bu proje boyunca beni desteklediği, kaynak ve tavsiye sağladığı için teşekkür etmek istiyorum. Ayrıca, tutkulu olduğum şey konusunda hevesli oldukları için aileme teşekkür etmek istiyorum. Son olarak, ama en az değil, bu Talimatları okuduğunuz için teşekkür etmek istiyorum. Umarım, yakında uzay endüstrisinde çevre dostu teknoloji geliştirilecek ve oradaki harikalara daha sık ziyaretler sağlanacaktır.