Come fare un rockoon: progetto HAAS: 9 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

L'idea alla base di questo Instructable è quella di fornire un metodo alternativo, per quanto poco plausibile possa sembrare, per lanci di razzi economici. Con i recenti sviluppi della tecnologia spaziale incentrati sulla riduzione dei costi, ho pensato che sarebbe stato bello presentare il rockoon a un pubblico più ampio. Questo Instructables è diviso in gran parte in quattro parti: introduzione, progettazione, costruzione e risultati. Se vuoi saltare il concetto di rockoons e il motivo per cui ho progettato il mio in quel modo, vai direttamente alla parte dell'edificio. Spero che vi piaccia, e mi piacerebbe sentire da voi i vostri pensieri sul mio progetto o sul vostro design e realizzazioni!!

Passaggio 1: informazioni di base

Secondo l'Enciclopedia Astronautica, un rockoon (da razzo e pallone) è un razzo che viene prima trasportato nell'atmosfera superiore da un pallone pieno di gas più leggero dell'aria, quindi separato e acceso. Ciò consente al razzo di raggiungere un'altitudine più elevata con meno propellente, poiché il razzo non deve muoversi sotto potenza attraverso gli strati più bassi e più spessi dell'atmosfera. Il concetto originale è stato concepito durante una crociera di tiro Aerobee del Norton Sound nel marzo 1949, ed è stato lanciato per la prima volta dal gruppo dell'Office of Naval Research sotto James A. Van Allen.

Quando ho iniziato il mio progetto su rockoon, non avevo idea di cosa fosse un rockoon. È stato solo dopo aver terminato la documentazione dopo il mio progetto che ho scoperto che c'era un nome per questo dispositivo che avevo creato. Come studente sudcoreano interessato alla tecnologia spaziale, sono stato frustrato dallo sviluppo dei razzi nel mio paese sin da quando ero giovane. Sebbene l'agenzia spaziale coreana, KARI, abbia fatto diversi tentativi con veicoli di lancio nello spazio e ci sia riuscita una volta, la nostra tecnologia non è affatto vicina ad altre agenzie spaziali come NASA, ESA, CNSA o Roscosmos. Il nostro primo razzo, Naro-1, è stato utilizzato per tutti e tre i tentativi di lancio, due dei quali si sospetta siano falliti a causa della separazione degli stadi o della carenatura. Il prossimo razzo da realizzare, Naro-2, è un razzo a tre stadi, il che mi fa dubitare, è saggio dividere il razzo in più stadi? I vantaggi di ciò sarebbero che il razzo perde una massa significativa man mano che gli stadi vengono separati, aumentando quindi l'efficienza del propellente. Tuttavia, il lancio di razzi a più stadi aumenta anche la possibilità che il lancio si concluda con un fallimento.

Questo mi ha fatto pensare a modi per ridurre al minimo le fasi del razzo massimizzando l'efficienza del propellente. Lanciare razzi da aerei come missili, usando materiale combustibile per i corpi degli stadi dei razzi, sono alcune altre idee che ho avuto, ma un'opzione che mi ha attratto è stata la piattaforma di lancio ad alta quota. Ho pensato: Perché un razzo non può essere lanciato da un pallone ad elio, sopra la maggior parte dell'atmosfera? Il razzo può quindi essere un razzo sonda a stadio singolo, il che semplificherebbe significativamente il processo di lancio, oltre a ridurre i costi”. Quindi, ho deciso di progettare e costruire io stesso un rockoon come prova del concetto e di condividere questo Instructables in modo che possiate provarlo tutti se volete.

Il modello che costruisco si chiama HAAS, abbreviazione di High Altitude Aerial Spaceport, nella speranza che un giorno i rockoon non saranno solo una piattaforma di lancio temporanea per razzi, ma una piattaforma permanente utilizzata per il lancio, il rifornimento e l'atterraggio di veicoli di lancio spaziale.

Passaggio 2: progettazione

Ho progettato l'HAAS sulla base di forme intuitive e calcoli di base

Calcoli:

Utilizzando la guida della NASA su "Progettare un pallone ad alta quota" ho calcolato che avrei avuto bisogno di circa 60 litri di elio per sollevare al massimo 2 kg, il limite massimo che abbiamo impostato per il peso HAAS, tenendo conto che la temperatura e l'altitudine avranno un effetto sul forza di galleggiamento dell'elio, come menzionato in "Effetto dell'altitudine e della temperatura sul controllo del volume di un dirigibile a idrogeno" di Michele Trancossi. Tuttavia, questo non è stato sufficiente, di cui parlerò più dettagliatamente, ma è stato perché non ho tenuto conto dell'effetto del vapore acqueo sulla galleggiabilità dell'elio.

Portafoto:

• Forma cilindrica per ridurre al minimo l'effetto del vento
• Tre strati (in alto per contenere il razzo, al centro per il meccanismo di lancio, in basso per la fotocamera 360)
• Strato intermedio spesso per una maggiore stabilità
• Guide verticali per il posizionamento e la guida dei razzi
• Fotocamera a 360° per le riprese
• Paracadute pieghevole per un decente sicuro
• Palloncino a elio cilindrico sottile per un angolo di offset minimo del razzo

Meccanismo di lancio

• Microprocessore: Arduino Uno
• Metodi di lancio: Timer / Altimetro digitale

• Metodo di attivazione del propellente: perforando un foro in una capsula di CO2 ad alta pressione

  • Punta di metallo attaccata alle molle
  • Il meccanismo di rilascio è costituito da due ganci
  • Rilasciato dal movimento del motore
• Protezione dei dispositivi elettronici contro le basse temperature

Ho escogitato diversi metodi per rilasciare il picco con un movimento del motore.

Usando un design simile a una serratura per porte a catena con chiave, tirando la piastra metallica fino a quando la chiave finale non si allinea con il foro più grande, il picco potrebbe essere lanciato. Tuttavia, l'attrito si è rivelato troppo forte e il motore non ha potuto spostare la piastra.

Un'altra soluzione era avere un gancio che si aggrappasse alla punta e un perno che bloccasse il gancio a un oggetto fisso. Come il rovescio della spilla da balia di un estintore, quando il perno viene estratto, il gancio cederebbe e lancerebbe la punta. Questo design ha anche prodotto troppo attrito.

Il design attuale che uso è quello di utilizzare due ganci, un design simile al grilletto di una pistola. Il primo gancio tiene la punta, mentre l'altro gancio è catturato in una piccola tacca sul retro del primo gancio. La pressione delle molle mantiene i ganci in posizione e il motore ha una coppia sufficiente per sbloccare il gancio secondario e lanciare il razzo.

Razzo:

• Propellente: CO2 pressurizzato
• Riduci al minimo il peso
• Action camera integrata nel corpo
• Capsula CO2 sostituibile (razzo riutilizzabile)
• Tutte le principali caratteristiche dei razzi modello (naso, corpo cilindrico, pinne)

Poiché il propellente per razzi solidi non era l'opzione migliore per il lancio in un'area popolata, ho dovuto optare per altri tipi di propellente. Le alternative più comuni sono aria e acqua pressurizzate. Poiché l'acqua poteva danneggiare l'elettronica di bordo, l'aria pressurizzata doveva essere il propellente, ma anche una mini pompa ad aria era troppo pesante e consumava troppa elettricità per essere caricata sull'HAAS. Per fortuna ho pensato alle mini capsule di CO2 che avevo comprato qualche giorno fa per le gomme della mia bici, e ho deciso che sarebbe stato un propellente efficace.

Passaggio 3: materiali

Per creare un HAAS, avrai bisogno di quanto segue.

Per il telaio:

• Tavole di legno sottili (o qualsiasi tavola leggera e stabile, MDF)
• Dadi e bulloni lunghi
• Maglia di alluminio
• 4x cursore in alluminio
• 1x tubo di alluminio
• Fotocamera a 360° (opzionale, Samsung Gear 360)
• Grande pezzo di stoffa e corda (o un modello di paracadute a razzo)

Per il meccanismo di lancio

• 2x molle lunghe
• 1x asta di metallo
• Filo sottile
• Alcuni piatti di alluminio
• 1x tagliere
• 1x Arduino Uno (con connettore USB)
• Sensore di temperatura e pressione (Adafruit BMP085)
• Cicalino piezoelettrico (Adafruit PS1240)
• Piccolo motore (Motorbank GWM12F)
• Ponticelli
• Controller motore (controller motore a doppio ponte H L298N)
• Batterie e portabatterie

Per il razzo aereo

• Lattine di ricarica per pneumatici bici CO2 (Bontager CO2 Threaded 16g)
• Diverse lattine di alluminio (2 per ogni razzo)
• Lastre acriliche (o plastica)
• nastri
• Elastici
• Corde lunghe
• Action Camera (opzionale, Xiaomi Action Camera)

Utensili:

• Pistola a colla
• Stucco epossidico (opzionale)
• Sega/taglierina diamantata (opzionale)
• Stampante 3D (opzionale)
• Taglierina laser o fresatrice CNC (opzionale)

Attenzione! Si prega di utilizzare gli strumenti con cautela e maneggiare con cura. Se possibile, chiedi a qualcun altro di aiutarti e ottieni assistenza utilizzando gli strumenti selezionati se non sai come usarli.

Passaggio 4: cornice

1. Usa una taglierina laser, una fresatrice CNC o qualsiasi strumento a tua scelta per tagliare la sottile tavola di legno nella forma nelle immagini allegate. Lo strato superiore è costituito da due tavole collegate con bulloni per la stabilizzazione. (Per la fresatura o il taglio laser, i file sono forniti di seguito.
2. Tagliare i cursori di alluminio in parti uguali e inserirli nelle fessure lungo l'anello interno di ogni strato. Usando una pistola per colla, incolla gli strati in modo che ci sia spazio per il razzo in alto.
3. Posiziona il tubo di alluminio al centro dello strato intermedio. Assicurati che sia stabile e il più verticale possibile rispetto allo strato.
4. Praticare un foro nello strato inferiore e collegare la telecamera a 360° opzionale. Ho realizzato una copertura in gomma rimovibile per la fotocamera, nel caso in cui la fotocamera subisse uno shock durante la fase di atterraggio.
5. Piega il grande pezzo di stoffa o stoffa in rettangoli più piccoli e attacca 8 corde di uguale lunghezza agli angoli più lontani. Lega la corda all'estremità in modo che non si aggrovigli. Il paracadute sarà attaccato alla fine.

Passaggio 5: meccanismo di avvio

1. Fai due ganci, uno per indicare l'asta di metallo e uno per essere il grilletto. Ho usato due design diversi: uno con lastre di metallo e uno con una stampante 3D. Progetta i tuoi ganci in base alle immagini sopra e i file di stampa 3D sono collegati di seguito.

2. Per poter rilasciare il grilletto e lanciare il razzo utilizzando un timer o un altimetro digitale, è necessario realizzare il circuito Arduino specificato nell'immagine sopra. L'altimetro digitale può essere aggiunto collegando questi pin.

   • Arduino A5 -> BMP085 SCL
   • Arduino A4 -> BMP085 SDA
   • Arduino +5V -> BMP085 VIN
   • Arduino GND -> BMP085 GND
3. Aggiungi il circuito all'HAAS. Collega il gancio del grilletto al motore con un filo e fai girare il motore per verificare se il gancio può scorrere senza problemi.
4. Macinare l'estremità dell'asta di metallo sottile e inserirla nel tubo di alluminio. Quindi, collega due lunghe molle all'estremità dell'asta e collegala allo strato superiore. Piegare l'estremità dell'asta in modo che possa essere facilmente agganciata al meccanismo di lancio.
5. Prova alcune volte per assicurarti che l'asta si avvii senza intoppi.

File di stampa 3D:

Passaggio 6: razzo

1. Preparare due bottiglie di alluminio. Taglia la parte superiore di una bottiglia e la parte inferiore dell'altra.
2. Taglia una leggera croce sulla parte superiore della prima bottiglia e sul fondo della seconda bottiglia.
3. Usa filo e stoffa per creare un supporto per la capsula di CO2 sulla prima bottiglia.
4. Inserire una capsula di CO2 nella parte superiore e schiacciarla sul fondo della seconda bottiglia in modo che l'ingresso della capsula di CO2 sia rivolto verso il basso.
5. Disegna e taglia le pinne con plastica o acrilico, quindi incollale sul lato del razzo. Utilizzare qualsiasi materiale preferito, in questo caso stucco epossidico, per il cono.
6. Taglia un foro rettangolare sul lato del razzo per la action cam opzionale.

Per completare l'HAAS, dopo aver installato il meccanismo di lancio, avvolgere la rete di alluminio attorno al telaio, legarla ai piccoli fori sul bordo esterno. Praticare un foro sul lato per raggiungere facilmente il dispositivo. Crea un piccolo involucro per il paracadute e posizionalo sullo strato superiore. Ripiegare il paracadute e metterlo nell'involucro.

Passaggio 7: codifica

Il meccanismo di lancio può essere attivato in due modi diversi: con un timer, oppure con un altimetro digitale. Il codice Arduino è fornito, quindi commenta il metodo che non vuoi usare prima di caricarlo sul tuo Arduino.

Passaggio 8: test

Se stai usando il timer per lanciare il razzo, prova alcune volte con una capsula di CO2 di riserva in pochi minuti.

Se stai usando l'altimetro, verifica se il meccanismo di lancio funziona senza il razzo impostando l'altitudine di lancio a ~ 2 metri e salendo le scale. Quindi, provalo a un'altitudine di lancio più elevata salendo su un ascensore (il mio test è stato impostato a 37,5 metri). Verifica che il meccanismo di lancio lanci effettivamente un razzo utilizzando il metodo del timer.

Sono inclusi 12 video di test dell'HAAS

Passaggio 9: risultati

Si spera che ormai tu abbia provato a creare un rockoon da solo e forse abbia persino celebrato un lancio di razzi di successo. Devo segnalare, tuttavia, che il mio tentativo di lancio si è concluso con un fallimento. Il motivo principale del mio fallimento era che avevo sottovalutato la quantità di elio necessaria per sollevare l'HAAS. Usando il rapporto tra la massa molare dell'elio e la massa molare dell'aria, così come la temperatura e la pressione, avevo calcolato approssimativamente che avevo bisogno di tre serbatoi di gas elio da 20 litri, ma ho scoperto che mi sbagliavo terribilmente. Dato che era difficile acquistare serbatoi di elio da studente, non ho avuto serbatoi di riserva e non sono riuscito nemmeno a sollevare l'HAAS oltre i 5 metri da terra. Quindi, se non hai ancora provato a far volare il tuo rockoon, ecco un consiglio: prendi più elio su cui puoi mettere le mani. In realtà, sarebbe probabilmente più ragionevole se calcolassi la quantità necessaria, tenendo conto che la pressione e la temperatura diminuiscono all'aumentare dell'altezza (all'interno del nostro raggio di volo) e che più vapore acqueo c'è, meno galleggiabilità avrà l'elio, quindi ottenere il doppio dell'importo.

All'indomani del fallimento del lancio, ho deciso di utilizzare la fotocamera 360 per catturare un video aereo del fiume e del parco circostanti, quindi l'ho legato al pallone ad elio con una lunga corda attaccata al fondo, quindi l'ho lasciato volare. Inaspettatamente, il vento a un'altitudine leggermente elevata si stava dirigendo nella direzione completamente opposta rispetto ai venti più bassi, e il pallone ad elio è andato alla deriva in un impianto elettrico nelle vicinanze. In un disperato tentativo di salvare la mia macchina fotografica e non danneggiare il cablaggio, ho tirato la corda attaccata, ma è stato inutile; il pallone era già impigliato nel filo. Come diavolo possono andare storte così tante cose in un giorno? Alla fine, ho chiamato la società di cablaggio e ho chiesto loro di recuperare la telecamera. Gentilmente, lo hanno fatto, anche se mi ci sono voluti tre mesi per riaverlo. Per il tuo divertimento, allego alcune foto e video di questo incidente.

Questo incidente, anche se all'inizio non mi era venuto in mente, ha rivelato una seria limitazione nell'uso dei rockoon. I palloni non possono essere guidati, almeno non con un meccanismo leggero e facile da controllare che può essere installato sull'HAAS, e quindi è quasi impossibile lanciare il razzo in un'orbita prevista. Inoltre, poiché le condizioni di ogni lancio sono diverse e continuano a cambiare durante l'ascesa, è difficile prevedere il movimento del rockoon, che quindi richiede che il lancio venga effettuato in un luogo senza nulla intorno per diversi chilometri, perché un lancio fallito potrebbe rivelarsi essere pericoloso.

Credo che questa limitazione possa essere superata sviluppando un meccanismo di navigazione su un piano 3D con trascinamento dal pallone e interpretando il vento come forze vettoriali. Le idee a cui ho pensato sono le vele, l'aria compressa, le eliche, un miglior design del telaio, ecc. Gli sviluppi di queste idee sono qualcosa su cui lavorerò con il mio prossimo modello di HAAS e non vedo l'ora di vedere alcuni di voi sviluppare anche loro.

Con un po' di ricerca, ho scoperto che due major aerospaziali di Stanford, Daniel Becerra e Charlie Cox, hanno utilizzato un design simile e hanno avuto un lancio riuscito da 30.000 piedi. Il loro filmato di lancio può essere trovato sul canale Youtube di Stanford. Aziende come JP Aerospace stanno sviluppando "Specialità" sui rockoon, progettando e lanciando rockoon più complessi con combustibile solido. Il loro sistema a dieci palloncini, chiamato "The Stack", è un esempio di vari miglioramenti sul rockoon. Ritengo che, come metodo economico per lanciare razzi sonda, molte altre aziende lavoreranno per realizzare rockoon in futuro.

Vorrei ringraziare il professor Kim Kwang Il, per avermi supportato durante questo progetto, oltre a fornire risorse e consigli. Vorrei anche ringraziare i miei genitori per essere stati entusiasti di ciò che mi appassiona. Ultimo, ma non meno importante, vorrei ringraziarti per aver letto questo Instructables. Si spera che presto verrà sviluppata una tecnologia ecologica nell'industria spaziale, consentendo visite più frequenti alle meraviglie là fuori.