איך להכין רוקון: פרויקט HAAS: 9 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:17

הרעיון מאחורי מדריך זה הוא לספק שיטה חלופית, ובלתי סבירה ככל שזה נראה, לשיגורי רקטות חסכוניים. כשהפיתוחים הטכנולוגיים בחלל האחרונים מתמקדים בהורדת העלות, חשבתי שיהיה נהדר להציג את הטיל בפני קהל רחב יותר. מדריך זה מחולק ברובו לארבעה חלקים: מבוא, עיצוב, בנייה ותוצאות. אם אתה רוצה לדלג על הרעיון של רוקונים ולמה עיצבתי את שלי כפי שעשיתי, עבור ישר לחלק הבניין. אני מקווה שתיהנו, ואשמח לשמוע מכם על המחשבות שלכם על הפרויקט שלי או על העיצוב והבנייה שלכם!

שלב 1: מידע רקע

על פי האנציקלופדיה אסטרונאוטיקה, רקטון (מרקטה ובלון) הוא רקטה שנשאת תחילה לאטמוספירה העליונה על ידי בלון מלא בגז קל יותר, ואז מופרדת ומציתה. זה מאפשר לרקטה להגיע לגובה גבוה יותר עם פחות דחף, מכיוון שהרקטה לא צריכה לנוע בכוח דרך השכבות התחתונות והעבות יותר של האטמוספירה. הרעיון המקורי נוצר במהלך אירוע ירי של אירובי של צליל נורטון במרץ 1949, והוא הושק לראשונה על ידי משרד המחקר של הצי בימי ג'יימס א. ואן אלן.

כשהתחלתי את הפרויקט הראשון שלי על רוקון, לא היה לי מושג מה זה טיל. רק לאחר שסיימתי את התיעוד לאחר הפרויקט גיליתי שיש שם למכשיר הזה שיצרתי. כתלמיד דרום קוריאני המתעניין בטכנולוגיית חלל, הייתי מתוסכל מהתפתחות הרקטות של ארצי מאז שהייתי צעיר. למרות שסוכנות החלל הקוריאנית, KARI, ביצעה מספר ניסיונות לכלי שיגור חלל, והצליחה פעם אחת, הטכנולוגיה שלנו אינה מתקרבת סוכנויות חלל אחרות כמו נאס א, ESA, CNSA או רוסקוסמוס. הרקטה הראשונה שלנו, נארו -1, שימשה את כל שלושת ניסיונות השיגור, שניים מהם חשודים כישלו בשל הפרדת שלבים או ירידה. הרקטה הבאה שתיעשה, נארו -2, היא רקטה בת שלושה שלבים, מה שגורם לי להטיל ספק, האם זה חכם לחלק את הרקטה למספר שלבים? היתרונות בכך הם שהרקטה מאבדת מסה משמעותית כאשר השלבים מופרדים, ולכן מגדילים את יעילות הדלק. עם זאת, שיגור רקטות מרובות שלבים גם מגדיל את הסיכוי שהשיגור יסתיים ככישלון.

זה גרם לי לחשוב על דרכים למזער את שלבי הרקטות תוך למקסם את יעילות ההנעה. שיגור רקטות ממטוסים כמו טילים, תוך שימוש בחומרים דליקים לגופי בימת רקטות, הם עוד כמה רעיונות שהיו לי, אבל אפשרות אחת שמשך אותי הייתה פלטפורמת השיגור בגובה רב. חשבתי, "מדוע רקטה לא יכולה פשוט לשגר מתוך בלון הליום, מעל רוב האטמוספרה? הרקטה יכולה להיות רקטת צליל חד-שלבית, שתפשט את תהליך השיגור באופן משמעותי, ותוזיל את העלות ". אז החלטתי לעצב ולבנות בעצמי רקון כהוכחת קונספט ולשתף את המדריכים כך שתוכלו לנסות את זה אם תרצו.

הדגם שאני בונה נקרא HAAS, קיצור של High Altitude Aerial Spaceport, בתקווה שיום אחד הטילים לא יהיו רק פלטפורמת שיגור זמנית לרקטות, אלא פלטפורמה קבועה המשמשת לשיגור, תדלוק ונחיתה של רכבי שיגור לחלל..

שלב 2: עיצוב

עיצבתי את ה- HAAS על סמך צורות אינטואיטיביות וחישובים בסיסיים

חישובים:

בעזרת המדריך של נאסא בנושא "עיצוב בלון בגובה רב" חישבתי שצריך כ- 60 ליטר הליום להרים לכל היותר 2 ק"ג, הגבול העליון שהגדרנו למשקל ה- HAAS, תוך התחשבות בטמפרטורה וגובה ישפיעו על כוח הציפה של הליום, כפי שהוזכר ב"השפעת הגובה והטמפרטורה על בקרת עוצמת הקול של ספינת אוויר מימן "מאת מישל טרנקוסי. עם זאת, זה לא הספיק, עליו אדבר בפירוט רב יותר, אלא שזה משום שלא לקחתי בחשבון את השפעת אדי המים על ציפת הליום.

מִסגֶרֶת:

• צורה גלילית על מנת למזער את אפקט הרוח
• שלוש שכבות (למעלה להחזיק רקטה, אמצע למנגנון שיגור, תחתון למצלמת 360)
• שכבה אמצעית עבה ליציבות נוספת
• מסילות אנכיות למיקום והנחיית טילים
• מצלמת 360 ° לצילומים
• מצנח מתקפל למען הגנה בטוחה
• בלון הליום דק גלילי לזווית קיזוז מינימלית של רקטות

מנגנון השקה

• מעבד: Arduino Uno
• שיטות השקה: טיימר / מד גובה דיגיטלי

• שיטת הפעלת הדלק: על ידי ניקוב חור בתוך כמוסת CO2 בלחץ גבוה

  • ספייק מתכת מחובר לקפיצים
  • מנגנון השחרור מורכב משני ווים
  • משתחרר בתנועת מנוע
• הגנה על מכשירים אלקטרוניים מפני טמפרטורות נמוכות יותר

מצאתי מספר שיטות לשחרר את הספייק בתנועה מוטורית.

באמצעות עיצוב הדומה לנעילת דלת שרשרת עם מפתחות, על ידי משיכת לוחית המתכת עד שמפתח הסיום מתיישר עם החור הגדול יותר, ניתן היה לשגר את הדוקרנית. עם זאת, החיכוך התגלה כחזק מדי, והמנוע לא הצליח להזיז את הצלחת.

פיסת אחיזה של הוק על הדוקרן וסיכת נעילת הקרס לחפץ נייח היה פתרון אחר. בדומה להיפך של סיכת הבטיחות של מטף כיבוי אש, כאשר הסיכה נשלפת החוצה, הקרס היה מפנה את מקומו ומשגר את הדוקרנית. עיצוב זה גם הניב יותר מדי חיכוך.

העיצוב הנוכחי שבו אני משתמש הוא באמצעות שני ווים, עיצוב דומה לטריגר. הקרס הראשון מחזיק את הדוקר, בעוד הקרס השני נקלע לניקוי קטן בחלק האחורי של הקרס הראשון. לחץ המעיינות מחזיק את הקרסים במקומם, ולמנוע יש מספיק מומנט כדי לפתוח את הקרס המשני ולשגר את הרקטה.

רָקֵטָה:

• דלק: CO2 בלחץ
• צמצם את המשקל
• מצלמת אקשן המשולבת בגוף
• כמוסת CO2 הניתנת להחלפה (רקטה לשימוש חוזר)
• כל המאפיינים העיקריים של רקטות דגם (אף, גוף גלילי, סנפירים)

מאחר שמניעת רקטות מוצקות לא הייתה האפשרות הטובה ביותר לשיגור באזור מאוכלס, נאלצתי לבחור בסוגים אחרים של דלק. החלופות הנפוצות ביותר הן אוויר ולחץ מים. מכיוון שמים עלולים לפגוע באלקטרוניקה המשולבת, אוויר בלחץ חייב להיות המניע, אך אפילו משאבת אוויר קטנה הייתה כבדה מדי וצרכה יותר מדי חשמל על HAAS. למזלי, חשבתי על קפסולות המיני CO2 שקניתי לפני כמה ימים לצמיגי האופניים שלי, והחלטתי שזה יהיה דלק יעיל.

שלב 3: חומרים

על מנת לבצע HAAS, תזדקק לדברים הבאים.

עבור המסגרת:

• לוחות עץ דקים (או כל לוח אור ויציב, MDF)
• ברגים ואומים ארוכים
• רשת אלומיניום
• 4x מחוון אלומיניום
• 1x צינור אלומיניום
• מצלמת 360 ° (אופציונלי, Samsung Gear 360)
• פיסת בד וחבל גדולה (או מצנח רקטות מדגם)

למנגנון ההשקה

• 2x מעיינות ארוכים
• 1x מוט מתכת
• חוט דק
• כמה לוחות אלומיניום
• 1x לוח לחם
• 1x Arduino Uno (עם מחבר USB)
• חיישן טמפרטורה ולחץ (Adafruit BMP085)
• זמזם פיז'ו (Adafruit PS1240)
• מנוע קטן (מוטורבנק GWM12F)
• חוטי מגשר
• בקר מנוע (בקר מנוע L298N כפול H-Bridge)
• סוללות ומחזיק סוללות

לטיל האוויר

• פחיות מילוי לצמיגי אופניים CO2 (Bontager CO2 מושחל 16 גרם)
• מספר פחיות אלומיניום (2 לכל רקטה)
• צלחות אקריליק (או פלסטיק)
• סרטים
• תחבושת אלסטית
• מחרוזות ארוכות
• מצלמת פעולה (אופציונלית, מצלמת פעולה של Xiaomi)

כלים:

• אקדח דבק
• מרק אפוקסי (אופציונלי)
• חותך מסור/יהלום (אופציונלי)
• מדפסת תלת מימד (אופציונלי)
• חותך לייזר או מכונת כרסום CNC (אופציונלי)

לְהִזָהֵר! אנא השתמש בכלים בזהירות ונהג בזהירות. פנה למישהו אחר לסייע במידת האפשר, וקבל עזרה באמצעות כלים נבחרים אם אינך יודע כיצד להשתמש בהם.

שלב 4: מסגרת

1. השתמש בחותך לייזר, מכונת כרסום CNC או כל כלי לפי העדפתך כדי לחתוך את לוח העץ הדק לצורה שבתמונות המצורפות. השכבה העליונה מורכבת משני לוחות המחוברים עם ברגים לייצוב. (עבור כרסום או חיתוך בלייזר, הקבצים מסופקים להלן.
2. חותכים את המחוונים מאלומיניום לאורכים שווים, ומכניסים אותם לתוך הנקיקים לאורך הטבעת הפנימית של כל שכבה. בעזרת אקדח דבק הדביקו את השכבות כך שיהיה מקום לטיל בחלקו העליון.
3. מניחים את צינור האלומיניום במרכז השכבה האמצעית. וודא שהיא יציבה ואנכית ככל האפשר לשכבה.
4. לקדוח חור בשכבה התחתונה ולצרף את מצלמת 360 ° האופציונלית. הכנתי כיסוי גומי נשלף למצלמה, למקרה שהמצלמה תקבל זעזוע בשלב הנחיתה.
5. קפלו את פיסת הבד או הבד הגדולים למלבנים קטנים יותר והצמידו 8 חבלים באורך שווה לפינות הרחוקות ביותר. קשור את החבל בקצה הרחוק כדי שלא יסתבך. המצנח יצורף בסוף ממש.

שלב 5: מנגנון ההשקה

1. צור שני ווים, אחד שאמר למוט המתכת ואחד הוא ההדק. השתמשתי בשני עיצובים שונים: אחד באמצעות לוחות מתכת, ואחד באמצעות מדפסת תלת מימד. תכנן את הקרסים שלך על סמך התמונות שלמעלה, וקבצי ההדפסה התלת -ממדית מקושרים למטה.

2. על מנת שתוכל לשחרר את ההדק ולשגר את הרקטה באמצעות טיימר או מד גובה דיגיטלי, יש לבצע את מעגל הארדואינו המצוין בתמונה למעלה. ניתן להוסיף את מד הגובה הדיגיטלי על ידי חיבור הפינים הללו.

   • Arduino A5 -> BMP085 SCL
   • Arduino A4 -> BMP085 SDA
   • Arduino +5V -> BMP085 VIN
   • Arduino GND -> BMP085 GND
3. הוסף את המעגל ל- HAAS. חבר את וו ההדק למנוע בעזרת חוט, וסובב את המנוע כדי לבדוק אם הקרס יכול להחליק החוצה בצורה חלקה.
4. טוחנים את קצה מוט המתכת הדק ומכניסים אותו לצינור האלומיניום. לאחר מכן, חבר שני קפיצים ארוכים לקצה המוט, וחבר אותו לשכבה העליונה. כופף את קצה המוט כך שניתן יהיה לחבר אותו בקלות למנגנון ההשקה.
5. בדוק כמה פעמים כדי לוודא שהמוט יושק בצורה חלקה.

קבצי הדפסה תלת -ממדית:

שלב 6: רקטה

1. הכינו שני בקבוקי אלומיניום. חותכים את החלק העליון של בקבוק אחד, ואת החלק התחתון של השני.
2. חותכים צלב קל בחלקו העליון של הבקבוק הראשון, ותחתית הבקבוק השני.
3. השתמש בחוט ובבד כדי ליצור מחזיק עבור כמוסת CO2 בבקבוק הראשון.
4. הכנס כמוסת CO2 לחלק העליון, וסחט אותה לתחתית הבקבוק השני כך שהכניסה לקפסולת CO2 פונה כלפי מטה.
5. עיצוב וחתוך סנפירים עם פלסטיק או אקריל, ולאחר מכן הדבק אותם בצד הרקטה. השתמש בכל חומר מועדף, במקרה זה מרק אפוקסי, לחרוט.
6. חותכים חור מלבני בצד הרקטה עבור מצלמת הפעולה האופציונלית.

לסיום ה- HAAS, לאחר התקנת מנגנון ההשקה, עטפו את רשת האלומיניום סביב המסגרת, קשרו אותה לחורים הקטנים בשפה החיצונית. חותכים חור בצד על מנת להיכנס למכשיר בקלות. יוצרים מעטפת קטנה לצנח ומניחים אותה על השכבה העליונה. מקפלים את המצנח ומכניסים אותו למעטפת.

שלב 7: קידוד

ניתן להפעיל את מנגנון ההשקה בשתי דרכים שונות: עם טיימר, או מד גובה דיגיטלי. הקוד של Arduino מסופק, אז הגיב על השיטה שבה אינך רוצה להשתמש לפני שתעלה אותה ל- Arduino שלך.

שלב 8: בדיקה

אם אתה משתמש בטיימר כדי לשגר את הרקטה, בדוק כמה פעמים עם כמוסת CO2 פנויה בכמה דקות.

אם אתה משתמש במד הגובה, בדוק אם מנגנון השיגור פועל ללא הרקטה על ידי הגדרת גובה השיגור ל -2 מטרים והליכה במעלה גרם המדרגות. לאחר מכן, בדוק אותו בגובה שיגור גבוה יותר על ידי עלייה במעלית (המבחן שלי נקבע על 37.5 מטר). בדוק שמנגנון השיגור למעשה משגר רקטה בשיטת הטיימר.

כלולים 12 סרטוני בדיקה של HAAS

שלב 9: תוצאות

יש לקוות שעד עכשיו ניסית לייצר טיל בעצמך ואולי אפילו חגגת שיגור טילים מוצלח. עם זאת אני חייב לדווח שניסיון ההשקה שלי הסתיים בכישלון. הסיבה העיקרית לכישלון שלי הייתה בכך שזלזלתי בכמות ההליום הדרושה להעלאת ה- HAAS. בעזרת היחס בין המסה הטוחנת של הליום למסה האוויר הטוחנת, כמו גם הטמפרטורה והלחץ, חישבתי בערך שאני צריך שלושה טנקים של גז הליום של 20 ליטר, אבל גיליתי שטעיתי להחריד. מכיוון שהיה קשה לרכוש מיכלי הליום כסטודנט, לא קיבלתי מיכלים חלופיים, ואף לא הצלחתי להוריד את ה- HAAS מעל 5 מטרים מהקרקע. לכן, אם עדיין לא ניסית להטיס את הטיל שלך, הנה עצה: קבל כמה הליום שאתה יכול לשים עליו את הידיים. למעשה, סביר להניח שיהיה סביר יותר אם תחשיב את הכמות הדרושה שלך, תוך התחשבות בלחץ והטמפרטורה יורדים ככל שהגובה עולה (בטווח הטיסה שלנו), וככל שככל שיש יותר אדי מים כך יהיה הליום הציפה פחות לקבל סכום כפול.

בעקבות השיגור הכושל, החלטתי להשתמש במצלמת 360 כדי לצלם סרטון אוויר של הנהר שמסביב ולפארק, אז קשרתי אותו לבלון הליום עם מחרוזת ארוכה המחוברת לתחתית, ואז נתתי לו לעוף. באופן לא צפוי, הרוח בגובה מעט גבוה פנתה לכיוון ההפוך לגמרי כשהרוחות התחתונות, ובלון הליום נסחף למתקן חיווט חשמלי בקרבת מקום. בניסיון נואש לחלץ את המצלמה שלי ולא לפגוע בחיווט, משכתי בחבל המצורף, אך זה היה חסר תועלת; הבלון כבר נתפס בחוט. איך לכל הרוחות כל כך הרבה דברים יכולים להשתבש ביום אחד? בסופו של דבר התקשרתי לחברת החיווט וביקשתי שיחזירו את המצלמה. בחביבות, הם עשו זאת, למרות שלקח לי שלושה חודשים להחזיר אותו. לשעשועך, מצורפים כמה תמונות וסרטונים מאירוע זה.

התאונה הזו, למרות שזה לא עלה על דעתי בהתחלה, חשפה מגבלה רצינית בשימוש בטילים. לא ניתן לנתב את הבלונים, לפחות לא בעזרת מנגנון קל וקל לשליטה שניתן להתקין על ה- HAAS, ולכן כמעט בלתי אפשרי לשגר את הרקטה למסלול המיועד. כמו כן, מכיוון שהתנאים של כל שיגור שונים ומשתנים כל הזמן לאורך העלייה, קשה לחזות את תנועת הטיל, מה שאז מחייב את השיגור באתר ללא כל סביבו במשך כמה קילומטרים, כי שיגור כושל יכול להוכיח להיות מסוכן.

אני מאמין שניתן להתגבר על מגבלה זו על ידי פיתוח מנגנון ניווט במטוס תלת -ממדי עם גרירה מהבלון ופירוש הרוח ככוחות וקטוריים. רעיונות שחשבתי עליהם הם מפרשים, אוויר דחוס, מדחפים, עיצוב מסגרות טוב יותר וכו '. פיתוחים של רעיונות אלה הם משהו שאעבוד עליו עם הדגם הבא של HAAS, ואצפה לראות כמה מכם מתפתחים גם אותם.

עם קצת מחקר גיליתי ששתי מגמות תעופה בחלל של סטנפורד, דניאל בקרה וצ'רלי קוקס, השתמשו בעיצוב דומה והשיקה מוצלחת מ 30, 000 רגל. את קטעי ההשקה שלהם ניתן למצוא בערוץ היוטיוב של סטנפורד. חברות כמו JP Aerospace מפתחות "התמחויות" על רוקונים, מעצבות ומשגרות רקונים מורכבים יותר עם דלק מוצק. מערכת עשרת הבלונים שלהם, הנקראת "הערימה", היא דוגמה לשיפורים שונים על הטיל. אני מאמין שכדרך שיגור רקטות נשמעות חסכוניות, כמה חברות אחרות יפעלו בעתיד לייצור טילים.

ברצוני להודות לפרופסור קים קוואנג איל, על תמיכתך לאורך כל הפרויקט, וכן על מתן משאבים וייעוץ. אני גם רוצה להודות להורי על ההתלהבות ממה שאני נלהב ממנו. אחרון, אבל לא פחות חשוב, אני רוצה להודות לך שקראת את המדריך הזה. יש לקוות כי טכנולוגיה ידידותית לסביבה תתפתח בקרוב בתעשיית החלל, שתאפשר ביקורים תכופים יותר בנפלאות בחוץ.