Com fer un Rockoon: Projecte HAAS: 9 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

La idea darrere d’aquest Instructable és proporcionar un mètode alternatiu, per molt plausible que sembli, per als llançaments de coets que siguin rendibles. Amb els darrers desenvolupaments de tecnologia espacial enfocats a disminuir els costos, vaig pensar que seria fantàstic presentar el rocó a un públic més ampli. Aquest Instructables es divideix en gran part en quatre parts: introducció, disseny, construcció i resultats. Si voleu saltar-vos el concepte de rocó i per què he dissenyat el meu tal com ho vaig fer, aneu directament a la part de l’edifici. Espero que us agradi i m'encantaria saber de vosaltres sobre els vostres pensaments sobre el meu projecte o sobre el vostre propi disseny i construccions.

Pas 1: informació de fons

Segons l'Enciclopèdia Astronautica, un rocó (de coet i globus) és un coet que primer es porta a l'atmosfera superior mitjançant un globus ple de gas més lleuger que l'aire, que després es separa i s'encén. Això permet que el coet aconsegueixi una altitud més alta amb menys propelent, ja que el coet no ha de moure’s sota poder a través de les capes més baixes i més gruixudes de l’atmosfera. El concepte original va ser concebut durant una nau de tir Aerobee del Norton Sound al març de 1949, i va ser llançat per primera vegada pel grup Office of Naval Research sota James A. Van Allen.

Quan vaig començar el meu projecte sobre rockoon, no tenia ni idea de què era un rockoon. Només després d’haver acabat la documentació després del meu projecte vaig descobrir que hi havia un nom per a aquest dispositiu que havia creat. Com a estudiant sud-coreà interessat en la tecnologia espacial, des del meu país he estat frustrat pel desenvolupament de coets del meu país. Tot i que l’agència espacial coreana, KARI, ha fet diversos intents de vehicles de llançament espacial i ho ha aconseguit una vegada, la nostra tecnologia no s’acosta a cap altra agència espacial com la NASA, l’ESA, la CNSA o Roscosmos. El nostre primer coet, Naro-1, es va utilitzar per als tres intents de llançament, dos dels quals se sospita que han fallat a causa de la separació d'etapes o del carenat. El següent coet que es farà, Naro-2, és un coet de tres etapes, cosa que em fa qüestionar: és savi dividir el coet en diverses etapes? Els avantatges de fer-ho serien que el coet perd massa significativa a mesura que es separen les etapes, augmentant així l'eficiència del propulsor. No obstant això, el llançament de coets de diverses etapes també augmenta la possibilitat que el llançament acabi sent un fracàs.

Això em va fer pensar en maneres de minimitzar les etapes del coet i maximitzar l'eficiència del propulsor. Llançar coets des d’avions com els míssils, fer servir material combustible per a cossos d’escenaris de coets, són algunes altres idees que vaig tenir, però una opció que em va atreure va ser la plataforma de llançament a gran altitud. Vaig pensar: Per què un coet no pot llançar-se des d'un globus d'heli, per sobre de la major part de l'atmosfera? El coet pot ser un coet de so d’una sola etapa, cosa que simplificaria significativament el procés de llançament i reduiria el cost”. Per tant, vaig decidir dissenyar i construir jo mateix un rockoon com a prova de concepte i compartir aquest Instructables perquè pugueu provar-ho si voleu.

El model que construeix es diu HAAS, abreujat de High Altitude Aerial Spaceport, amb l’esperança que algun dia els rockoons no siguin només una plataforma de llançament temporal de coets, sinó una plataforma permanent que s’utilitzi per llançar, repostar i aterrar vehicles de llançament espacial..

Pas 2: disseny

Vaig dissenyar l'HAAS basant-me en formes intuïtives i en càlculs bàsics

Càlculs:

Utilitzant la guia de la NASA sobre "Dissenyar un globus d'alta altitud" vaig calcular que necessitaria aproximadament 60 litres d'heli per aixecar com a màxim 2 kg, el límit superior que establim per al pes HAAS, tenint en compte que la temperatura i l'altitud tindran un efecte força de flotabilitat de l'heli, tal com s'esmenta a "Efecte de l'altitud i la temperatura sobre el control de volum d'un dirigible d'hidrogen" de Michele Trancossi. Tanmateix, això no va ser suficient, del qual parlaré amb més detall, sinó perquè no vaig tenir en compte l’efecte del vapor d’aigua sobre la flotabilitat de l’heli.

Marc:

• Forma cilíndrica per minimitzar l’efecte del vent
• Tres capes (coet superior per aguantar, mig per al mecanisme de llançament, inferior per a càmera 360)
• Capa mitjana gruixuda per a una major estabilitat
• Carrils verticals per a la col·locació i guiatge de coets
• Càmera de 360 ° per a imatges
• Paracaigudes plegable per a una seguretat segura
• Globus d'heli cilíndric prim per obtenir un angle mínim de desplaçament del coet

Mecanisme de llançament

• Microprocessador: Arduino Uno
• Mètodes de llançament: temporitzador / altímetre digital

• Mètode d’activació del propelent: punxant un forat en una càpsula de CO2 a alta pressió

  • Punt metàl·lic fixat a molles
  • El mecanisme d'alliberament consta de dos ganxos
  • Alliberat pel moviment del motor
• Protecció de dispositius electrònics contra temperatures més baixes

Vaig proposar diversos mètodes per alliberar l’espiga amb un moviment motor.

Utilitzant un disseny similar a un pany de porta de cadena amb clau, estirant la placa metàl·lica fins que la clau final s’alinea amb el forat més gran, es podria llançar l’espiga. Tanmateix, la fricció va resultar massa forta i el motor no va poder moure la placa.

Una altra solució era tenir un ganxo que agafava l’espiga i un passador que fixés el ganxo a un objecte estacionari. Com el revers del passador de seguretat d’un extintor, quan es treu el passador, el ganxo cediria i llançaria l’espiga. Aquest disseny també produïa massa fricció.

El disseny actual que faig servir és mitjançant dos ganxos, un disseny similar al d'un disparador de pistola. El primer ganxo s’aguanta a l’espiga, mentre que l’altre ganxo queda atrapat en un petit nick a la part posterior del primer ganxo. La pressió de les molles manté els ganxos al seu lloc i el motor té un parell suficient per desbloquejar el ganxo secundari i llançar el coet.

Coet:

• Propelent: CO2 a pressió
• Minimitzar el pes
• Càmera d'acció integrada al cos
• Càpsula de CO2 reemplaçable (coet reutilitzable)
• Totes les característiques principals dels models de coets (morro, cos cilíndric, aletes)

Com que el propulsor de coets sòlid no era la millor opció per llançar-lo en una zona poblada, vaig haver d’optar per altres tipus de propel·lent. Les alternatives més habituals són l’aire i l’aigua a pressió. Com que l’aigua podia danyar l’electrònica a bord, l’aire a pressió havia de ser el propulsor, però fins i tot una mini bomba d’aire era massa pesada i consumia massa electricitat per tenir-la al HAAS. Per sort, vaig pensar en les mini càpsules de CO2 que havia comprat fa uns dies per als pneumàtics de la meva bicicleta i vaig decidir que seria un propulsor eficaç.

Pas 3: Materials

Per fer un HAAS, necessitareu el següent.

Per al marc:

• Taulers de fusta prima (o qualsevol tauler lleuger i estable, MDF)
• Femelles i cargols llargs
• Malla d'alumini
• 4x lliscant d'alumini
• 1x canonada d'alumini
• Càmera de 360 ° (opcional, Samsung Gear 360)
• Peça gran de tela i corda (o un paracaigudes coet model)

Pel mecanisme de llançament

• 2x molles llargues
• 1x barra de metall
• Fil prim
• Algunes plaques d'alumini
• 1x tauler de pa
• 1x Arduino Uno (amb connector USB)
• Sensor de temperatura i pressió (Adafruit BMP085)
• Piezo Buzzer (Adafruit PS1240)
• Motor petit (Motorbank GWM12F)
• Filferros de pont
• Controlador de motor (controlador de motor de pont H doble L298N)
• Bateries i suport per a bateries

Per al coet aeri

• Llaunes de recàrrega de pneumàtics de bicicletes CO2 (Bontager CO2 roscat 16 g)
• Diverses llaunes d'alumini (2 per cada coet)
• Plaques acríliques (o plàstic)
• Cintes
• Bandes elàstiques
• Cordes llargues
• Càmera d'acció (opcional, càmera d'acció Xiaomi)

Eines:

• Pistola de cola
• Massilla epoxi (opcional)
• Talladora de serra / diamant (opcional)
• Impressora 3D (opcional)
• Talladora làser o fresadora CNC (opcional)

Compte! Utilitzeu les eines amb precaució i manipuleu-les amb cura. Si és possible, tingueu una altra persona que us ajudi i obtingueu ajuda mitjançant eines seleccionades si no sabeu com utilitzar-les.

Pas 4: marc

1. Utilitzeu un tallador làser, una fresadora CNC o qualsevol eina que preferiu per tallar la fina taula de fusta en la forma de les imatges adjuntes. La capa superior està formada per dues taules connectades amb parabolts per a l'estabilització. (Per a fresat o tall per làser, els fitxers es proporcionen a continuació.
2. Talleu els lliscadors d'alumini a igual longitud i introduïu-los a les escletxes al llarg de l'anell interior de cada capa. Amb una pistola de cola, enganxeu les capes de manera que hi hagi lloc per al coet a la part superior.
3. Col·loqueu el tub d'alumini al centre de la capa mitjana. Assegureu-vos que sigui estable i el més vertical possible a la capa.
4. Feu un forat a la capa inferior i poseu la càmera opcional de 360 °. Vaig fer una coberta de goma extraïble per a la càmera, per si la càmera rep un xoc durant la fase d’aterratge.
5. Doblegueu el tros gran de tela o tela en rectangles més petits i fixeu 8 cordes de la mateixa longitud a les cantonades més llunyanes. Lligueu la corda a l'extrem més lluny perquè no s'enredi. El paracaigudes s’adherirà al final.

Pas 5: llançament del mecanisme

1. Feu dos ganxos, un per dir a la vareta metàl·lica i un per ser el gallet. He utilitzat dos dissenys diferents: un amb plaques metàl·liques i un amb una impressora 3D. Dissenyeu els vostres ganxos basant-vos en les imatges anteriors i els fitxers d'impressió 3D estan enllaçats a continuació.

2. Per poder deixar anar el disparador i llançar el coet amb un temporitzador o un altímetre digital, s'ha de fer el circuit Arduino especificat a la imatge anterior. Es pot afegir l’altímetre digital connectant aquests pins.

   • Arduino A5 -> BMP085 SCL
   • Arduino A4 -> BMP085 SDA
   • Arduino + 5V -> BMP085 VIN
   • Arduino GND -> BMP085 GND
3. Afegiu el circuit al HAAS. Connecteu el ganxo del gallet al motor amb un cable i gireu-lo per comprovar si el ganxo es pot lliscar sense problemes.
4. Tritureu l’extrem de la barra de metall fina i introduïu-la a la canonada d’alumini. A continuació, fixeu dues molles llargues a l’extrem de la vareta i connecteu-la a la capa superior. Doblegueu l’extrem de la vareta perquè es pugui enganxar fàcilment al mecanisme de llançament.
5. Feu una prova diverses vegades per assegurar-vos que la vareta es llança sense problemes.

Fitxers d’impressió 3D:

Pas 6: coet

1. Prepareu dues ampolles d’alumini. Talleu la part superior d’una ampolla i la part inferior de l’altra.
2. Talla una lleugera creu a la part superior de la primera ampolla i a la part inferior de la segona ampolla.
3. Utilitzeu filferro i tela per fer un suport per a la càpsula de CO2 de la primera ampolla.
4. Introduïu una càpsula de CO2 a la part superior i extreu-la a la part inferior de la segona ampolla de manera que l’entrada a la càpsula de CO2 estigui mirant cap avall.
5. Dissenyeu i talleu les aletes amb plàstic o acrílic i, a continuació, enganxeu-les al costat del coet. Utilitzeu qualsevol material preferit, en aquest cas massilla epoxi, per al con.
6. Talleu un forat rectangular al costat del coet per obtenir la càmera d'acció opcional.

Per acabar l’HAAS, després d’instal·lar el mecanisme de llançament, envolteu la malla d’alumini al voltant del marc i lligueu-la als petits forats de la vora exterior. Talleu un forat al costat per poder accedir fàcilment al dispositiu. Feu una petita carcassa per al paracaigudes i col·loqueu-la a la capa superior. Doblegueu el paracaigudes i poseu-lo a la carcassa.

Pas 7: Codificació

El mecanisme de llançament es pot activar de dues maneres diferents: amb un temporitzador o un altímetre digital. Es proporciona el codi Arduino, així que comenteu el mètode que no voleu utilitzar abans de penjar-lo al vostre Arduino.

Pas 8: proves

Si feu servir el temporitzador per llançar el coet, proveu algunes vegades amb càpsula de CO2 de recanvi en uns minuts.

Si feu servir l’altímetre, proveu si el mecanisme de llançament funciona sense el coet establint l’altitud de llançament a ~ 2 metres i pujant per l’escala. Després, proveu-lo a una altitud de llançament més alta pujant per un ascensor (la meva prova es va establir a 37,5 metres). Proveu que el mecanisme de llançament realment llança un coet mitjançant el mètode del temporitzador.

S'inclouen 12 vídeos de proves de l'HAAS

Pas 9: Resultats

Amb sort, ja heu intentat fer un rocó i potser fins i tot heu celebrat un llançament de coets amb èxit. Tanmateix, he d'informar que el meu intent de llançament va acabar en un fracàs. La principal raó del meu fracàs va ser que vaig subestimar la quantitat d’heli necessària per aixecar l’HAAS. Utilitzant la relació entre la massa molar d’heli i la massa molar d’aire, així com la temperatura i la pressió, aproximadament havia calculat que necessitava tres dipòsits d’heli de 20 litres de gas, però vaig descobrir que m’equivocava terriblement. Com que era difícil adquirir tancs d'heli com a estudiant, no vaig obtenir cap dipòsit de recanvi i ni tan sols vaig aconseguir treure el HAAS per sobre del terra. Per tant, si encara no heu intentat volar el vostre rocó, aquí teniu un consell: obteniu tanta quantitat d’heli com pugueu aconseguir. En realitat, probablement seria més raonable si calculéss la quantitat necessària, tenint en compte que la pressió i la temperatura disminueixen a mesura que augmenta l'alçada (dins del nostre rang de vol) i que, com més vapor d'aigua hi hagi, menys heli tindrà, obtenir el doble de la quantitat.

Després del llançament fallit, vaig decidir utilitzar la càmera 360 per capturar un vídeo aeri del riu i el parc circumdants, de manera que el vaig lligar al globus d'heli amb una llarga corda fixada a la part inferior i després la vaig deixar volar. Inesperadament, el vent a una altitud lleugerament elevada es dirigia en la direcció oposada total a mesura que els vents més baixos, i el globus d’heli va derivar cap a una instal·lació de cablejat elèctric a prop. En un intent desesperat de rescatar la meva càmera i no danyar el cablejat, vaig tirar de la corda adjunta, però no va servir de res; el globus ja estava atrapat al filferro. Com es pot fer malament tantes coses en un dia? Finalment, vaig trucar a la companyia de cablejat i els vaig demanar que recuperessin la càmera. Amablement, ho van fer, tot i que vaig trigar tres mesos a recuperar-lo. Per a la vostra diversió, us adjuntem algunes fotos i vídeos d’aquest incident.

Aquest accident, tot i que no se’m va ocórrer al principi, va revelar una greu limitació d’ús de rocons. Els globus no es poden dirigir, almenys no amb un mecanisme lleuger i fàcil de controlar que es pugui instal·lar al HAAS i, per tant, és gairebé impossible llançar el coet a una òrbita prevista. A més, atès que les condicions de cada llançament són diferents i continuen canviant durant tota l'ascensió, és difícil predir el moviment del rocó, que requereix que el llançament es faci en un lloc sense res al voltant durant diversos quilòmetres, perquè un llançament fallit podria demostrar-se ser perillós.

Crec que aquesta limitació es pot superar desenvolupant un mecanisme de navegació en un pla 3D amb arrossegament del globus i interpretant el vent com a forces vectorials. Les idees que he pensat són veles, aire comprimit, hèlixs, un millor disseny de marcs, etc. Els desenvolupaments d’aquestes idees seran algunes de les que treballaré amb el meu pròxim model de HAAS i estaré desitjant veure que alguns de vosaltres es desenvolupin ells també.

Amb una mica d’investigació, vaig trobar que dos grans empreses aeroespacials de Stanford, Daniel Becerra i Charlie Cox, utilitzaven un disseny similar i van tenir un llançament reeixit des dels 30.000 peus. Les seves imatges de llançament es poden trobar al canal de Youtube de Stanford. Empreses com JP Aerospace estan desenvolupant "Especialitats" en rocó, dissenyant i llançant rocó més complexes amb combustible sòlid. El seu sistema de deu globus, anomenat "The Stack", és un exemple de diverses millores al rocó. Crec que, com una manera rendible de llançar coets sonors, diverses altres empreses treballaran per crear rocons en el futur.

M’agradaria donar les gràcies al professor Kim Kwang Il per haver-me donat suport durant tot aquest projecte, a més de proporcionar recursos i assessorament. També voldria donar les gràcies als meus pares per ser entusiastes del que m’apassiona. Per últim, però no menys important, voldria donar-vos les gràcies per llegir aquest manual d’instruccions. Amb sort, aviat es desenvoluparà tecnologia respectuosa amb el medi ambient a la indústria espacial, que permetrà visites més freqüents a les meravelles que hi ha.