Làm thế nào để tạo ra một Rockoon: Dự án HAAS: 9 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:35

Ý tưởng đằng sau Có thể hướng dẫn này là cung cấp một phương pháp thay thế, tuy nhiên nó có vẻ khó tin, để phóng tên lửa hiệu quả về chi phí. Với những phát triển công nghệ vũ trụ gần đây đang tập trung vào việc giảm chi phí, tôi nghĩ sẽ thật tuyệt nếu giới thiệu rockoon đến với nhiều đối tượng hơn. Tài liệu hướng dẫn này được chia phần lớn thành bốn phần: giới thiệu, thiết kế, xây dựng và kết quả. Nếu bạn muốn bỏ qua khái niệm về tên lửa và lý do tại sao tôi thiết kế mỏ theo cách tôi đã làm, hãy đi thẳng vào phần xây dựng. Tôi hy vọng bạn sẽ thích và tôi rất muốn nghe từ bạn về suy nghĩ của bạn về dự án của tôi hoặc về thiết kế và công trình của chính bạn !!

Bước 1: Thông tin cơ bản

Theo Encyclopedia Astronautica, rockoon (từ tên lửa và khinh khí cầu) là một tên lửa đầu tiên được đưa vào tầng cao của khí cầu bằng khí cầu nhẹ hơn không khí, sau đó tách ra và bốc cháy. Điều này cho phép tên lửa đạt được độ cao lớn hơn với ít nhiên liệu đẩy hơn, vì tên lửa không phải di chuyển dưới sức mạnh qua các lớp thấp hơn và dày hơn của khí quyển. Ý tưởng ban đầu được hình thành trong một cuộc tấn công của tàu Aerobee của Norton Sound vào tháng 3 năm 1949, và lần đầu tiên được đưa ra bởi nhóm nghiên cứu của Văn phòng Hải quân dưới sự chỉ đạo của James A. Van Allen.

Khi tôi lần đầu tiên bắt đầu dự án của mình về rockoon, tôi không biết rockoon là gì. Chỉ sau khi tôi hoàn thành tài liệu sau dự án của mình, tôi mới biết rằng có một cái tên cho thiết bị này mà tôi đã tạo ra. Là một sinh viên Hàn Quốc quan tâm đến công nghệ vũ trụ, tôi đã rất thất vọng về sự phát triển tên lửa của đất nước tôi kể từ khi tôi còn nhỏ. Mặc dù cơ quan vũ trụ Hàn Quốc, KARI, đã thực hiện một số lần thử nghiệm các phương tiện phóng vào không gian và đã thành công một lần, nhưng công nghệ của chúng tôi không bằng các cơ quan không gian khác như NASA, ESA, CNSA hoặc Roscosmos. Tên lửa đầu tiên của chúng tôi, Naro-1, đã được sử dụng cho cả ba lần phóng, hai trong số đó bị nghi ngờ là đã thất bại do tách rời các giai đoạn hoặc quá trình phóng. Tên lửa tiếp theo sẽ được chế tạo, Naro-2, là một tên lửa ba giai đoạn, điều này khiến tôi đặt ra câu hỏi, liệu có khôn ngoan khi chia tên lửa thành nhiều giai đoạn? Lợi ích của việc làm như vậy là tên lửa sẽ mất đi khối lượng đáng kể khi các giai đoạn bị tách rời, do đó làm tăng hiệu quả của thuốc phóng. Tuy nhiên, việc phóng tên lửa nhiều tầng cũng làm tăng khả năng vụ phóng thất bại.

Điều này khiến tôi nghĩ ra nhiều cách để giảm thiểu các giai đoạn của tên lửa trong khi tối đa hóa hiệu quả của thuốc phóng. Phóng tên lửa từ các máy bay như tên lửa, sử dụng vật liệu dễ cháy cho các phần thân của tên lửa, là một vài ý tưởng khác mà tôi có, nhưng một lựa chọn thu hút tôi là bệ phóng ở độ cao lớn. Tôi nghĩ, “Tại sao một tên lửa không thể phóng từ khinh khí cầu heli ở trên phần lớn bầu khí quyển? Tên lửa sau đó có thể là một tên lửa phóng âm thanh một giai đoạn, điều này sẽ đơn giản hóa đáng kể quá trình phóng, cũng như giảm chi phí”. Vì vậy, tôi quyết định tự mình thiết kế và xây dựng một rockoon như một bằng chứng về khái niệm và chia sẻ Tài liệu hướng dẫn này để tất cả các bạn có thể thử nếu muốn.

Mô hình mà tôi xây dựng có tên là HAAS, viết tắt của High Altitude Aerial Spaceport, với hy vọng một ngày nào đó, tên lửa sẽ không chỉ là bệ phóng tạm thời cho tên lửa, mà là nền tảng vĩnh viễn được sử dụng để phóng, tiếp nhiên liệu và hạ cánh các phương tiện phóng vào không gian..

Bước 2: Thiết kế

Tôi thiết kế HAAS dựa trên các hình dạng trực quan và các phép tính cơ bản

Tính toán:

Sử dụng hướng dẫn của Nasa về "Thiết kế khinh khí cầu độ cao", tôi đã tính toán rằng tôi sẽ cần khoảng 60L heli để nâng tối đa 2kg, giới hạn trên mà chúng tôi đặt cho trọng lượng HAAS, có tính đến nhiệt độ và độ cao sẽ ảnh hưởng đến lực nổi của heli, như đã đề cập trong "Ảnh hưởng của độ cao và nhiệt độ đối với việc kiểm soát thể tích của khí cầu hydro" của Michele Trancossi. Tuy nhiên, điều này là chưa đủ, mà tôi sẽ nói chi tiết hơn, nhưng đó là vì tôi đã không tính đến ảnh hưởng của hơi nước đối với sức nổi của heli.

Khung:

• Hình trụ để giảm thiểu hiệu ứng gió
• Ba lớp (Trên cùng để giữ tên lửa, giữa cho cơ chế phóng, dưới cùng cho camera 360)
• Lớp giữa dày để tăng độ ổn định
• Đường ray dọc để đặt và dẫn hướng tên lửa
• Camera 360 ° cho cảnh quay
• Dù có thể gập lại để an toàn
• Khí cầu heli hình trụ mỏng cho góc lệch tên lửa tối thiểu

Cơ chế khởi chạy

• Bộ vi xử lý: Arduino Uno
• Phương pháp khởi chạy: Hẹn giờ / Máy đo độ cao kỹ thuật số

• Phương pháp kích hoạt thuốc phóng: Bằng cách chọc thủng một lỗ trên viên nang CO2 áp suất cao

  • Mũi nhọn kim loại gắn vào lò xo
  • Cơ chế phát hành bao gồm hai móc
  • Được giải phóng bởi chuyển động của động cơ
• Bảo vệ các thiết bị điện tử khỏi nhiệt độ thấp hơn

Tôi đã nghĩ ra một số phương pháp giải phóng mũi nhọn bằng chuyển động cơ.

Sử dụng thiết kế tương tự như khóa cửa có móc chìa khóa, bằng cách kéo tấm kim loại cho đến khi chìa khóa cuối khớp với lỗ lớn hơn, mũi nhọn có thể được đưa ra. Tuy nhiên, ma sát được chứng minh là quá mạnh và động cơ không thể dịch chuyển tấm.

Có một cái móc giữ vào mũi nhọn và một cái chốt khóa móc vào một vật thể đứng yên là một giải pháp khác. Giống như mặt trái của chốt an toàn của bình chữa cháy, khi chốt được kéo ra, cái móc sẽ nhường chỗ và phóng mũi nhọn. Thiết kế này cũng tạo ra quá nhiều ma sát.

Thiết kế hiện tại mà tôi sử dụng là sử dụng hai cái móc, một thiết kế tương tự như một cái cò súng. Móc đầu tiên giữ vào mũi nhọn, trong khi móc còn lại bị mắc vào một vết nhỏ ở phía sau của móc thứ nhất. Áp lực của lò xo giữ các móc ở vị trí, và động cơ có đủ mô-men xoắn để mở khóa móc thứ cấp và phóng tên lửa.

Tên lửa:

• Chất đẩy: CO2 có áp suất
• Giảm thiểu trọng lượng
• Camera hành động được tích hợp vào thân máy
• Viên nang CO2 có thể thay thế (tên lửa tái sử dụng)
• Tất cả các đặc điểm chính của tên lửa mô hình (mũi, thân hình trụ, vây)

Vì thuốc phóng tên lửa rắn không phải là lựa chọn tốt nhất để phóng ở khu vực đông dân cư, nên tôi phải chọn các loại thuốc phóng khác. Các lựa chọn thay thế phổ biến nhất là không khí và nước có điều áp. Bởi vì nước có thể làm hỏng các thiết bị điện tử trên bo mạch, không khí có áp suất phải là chất đẩy, nhưng ngay cả một máy bơm không khí mini cũng quá nặng và tiêu thụ quá nhiều điện trên HAAS. May mắn thay, tôi nghĩ đến những viên nang CO2 mini mà tôi đã mua vài ngày trước cho lốp xe đạp của mình và quyết định rằng nó sẽ là một chất đẩy hiệu quả.

Bước 3: Vật liệu

Để thực hiện một HAAS, bạn sẽ cần những điều sau đây.

Đối với khung:

• Ván gỗ mỏng (hoặc bất kỳ ván nhẹ và ổn định nào, MDF)
• Đai ốc và bu lông dài
• Lưới nhôm
• Thanh trượt nhôm 4x
• 1x ống nhôm
• Máy ảnh 360 ° (tùy chọn, Samsung Gear 360)
• Mảnh vải và dây thừng lớn (hoặc một chiếc dù tên lửa mô hình)

Đối với cơ chế khởi chạy

• 2x lò xo dài
• 1x thanh kim loại
• Dây dẫn nhỏ
• Một số tấm nhôm
• 1x Breadboard
• 1x Arduino Uno (đầu nối w / USB)
• Cảm biến nhiệt độ & áp suất (Adafruit BMP085)
• Piezo Buzzer (Adafruit PS1240)
• Động cơ nhỏ (Motorbank GWM12F)
• Dây nhảy
• Bộ điều khiển động cơ (Bộ điều khiển động cơ cầu H kép L298N)
• Pin & giá đỡ pin

Đối với tên lửa hàng không

• Thùng nạp lại lốp xe đạp CO2 (Bontager CO2 Threaded 16g)
• Vài lon nhôm (2 lon cho mỗi tên lửa)
• Tấm acrylic (hoặc nhựa)
• Ruy băng
• Dây đai cao su
• Dây dài
• Camera hành động (tùy chọn, Camera hành động Xiaomi)

Công cụ:

• Súng bắn keo
• Bột trét Epoxy (tùy chọn)
• Cưa / Máy cắt kim cương (tùy chọn)
• Máy in 3D (tùy chọn)
• Máy cắt laser hoặc máy phay CNC (tùy chọn)

Hãy coi chừng! Vui lòng sử dụng các công cụ một cách thận trọng và xử lý cẩn thận. Nhờ người khác trợ giúp nếu có thể và nhận hỗ trợ bằng cách sử dụng một số công cụ nếu bạn không biết cách sử dụng chúng.

Bước 4: Khung

1. Sử dụng máy cắt laser, máy phay CNC hoặc bất kỳ công cụ nào bạn muốn để cắt tấm gỗ mỏng thành hình trong hình đính kèm. Lớp trên cùng bao gồm hai bảng được kết nối bằng bu lông để ổn định. (Đối với phay hoặc cắt laser, các tệp được cung cấp bên dưới.
2. Cắt các thanh trượt bằng nhôm thành các đoạn dài bằng nhau và luồn chúng vào các kẽ hở dọc theo vòng trong của mỗi lớp. Dùng súng bắn keo dán các lớp sao cho có chỗ cho tên lửa ở trên cùng.
3. Đặt ống nhôm vào tâm của lớp giữa. Đảm bảo rằng nó ổn định và thẳng đứng với lớp nhất có thể.
4. Khoan một lỗ ở lớp dưới cùng và gắn camera 360 ° tùy chọn. Tôi đã làm một nắp cao su có thể tháo rời cho máy ảnh, phòng trường hợp máy ảnh bị sốc trong giai đoạn hạ cánh.
5. Gấp mảnh vải hoặc miếng vải lớn thành những hình chữ nhật nhỏ hơn và gắn 8 sợi dây có độ dài bằng nhau vào các góc xa nhất. Buộc dây ở đầu xa để nó không bị rối. Chiếc dù sẽ được gắn vào cuối cùng.

Bước 5: Cơ chế khởi chạy

1. Làm hai cái móc, một cái để bảo thanh kim loại và một cái để làm cò súng. Tôi đã sử dụng hai thiết kế khác nhau: một sử dụng các tấm kim loại và một sử dụng máy in 3D. Thiết kế móc của bạn dựa trên các hình ảnh ở trên và các tệp in 3D được liên kết bên dưới.

2. Để có thể nhả bộ kích hoạt và phóng tên lửa bằng cách sử dụng bộ đếm thời gian hoặc máy đo độ cao kỹ thuật số, mạch Arduino được chỉ định trong hình trên phải được thực hiện. Máy đo độ cao kỹ thuật số có thể được thêm vào bằng cách kết nối các chân này.

   • Arduino A5 -> BMP085 SCL
   • Arduino A4 -> BMP085 SDA
   • Arduino + 5V -> BMP085 VIN
   • Arduino GND -> BMP085 GND
3. Thêm mạch vào HAAS. Kết nối móc kích hoạt với động cơ bằng dây và quay động cơ để kiểm tra xem móc có thể trượt ra một cách trơn tru hay không.
4. Mài đầu thanh kim loại mỏng và lắp vào ống nhôm. Sau đó, gắn hai lò xo dài vào đầu thanh, và kết nối nó với lớp trên cùng. Uốn cong phần cuối của thanh để có thể dễ dàng móc vào cơ cấu phóng.
5. Kiểm tra một vài lần để đảm bảo thanh chạy trơn tru.

Tệp in 3D:

Bước 6: Tên lửa

1. Chuẩn bị hai chai nhôm. Cắt phần trên cùng của một chai và phần dưới cùng của chai còn lại.
2. Cắt một hình chữ thập nhỏ trên đỉnh của chai thứ nhất và đáy của chai thứ hai.
3. Dùng dây và vải để làm giá đỡ viên CO2 ở chai thứ nhất.
4. Lắp một viên CO2 vào phần trên cùng và ép nó vào đáy của chai thứ hai sao cho lối vào viên CO2 hướng xuống dưới.
5. Thiết kế và cắt các vây bằng nhựa hoặc acryl, sau đó dán chúng vào mặt bên của tên lửa. Sử dụng bất kỳ vật liệu ưa thích nào, trong trường hợp này là bột bả epoxy, cho hình nón.
6. Cắt một lỗ hình chữ nhật ở mặt bên của tên lửa cho camera hành động tùy chọn.

Để hoàn thiện HAAS, sau khi lắp cơ cấu khởi động, hãy quấn lưới nhôm xung quanh khung, buộc vào các lỗ nhỏ ở vành ngoài. Cắt một lỗ ở bên cạnh để có thể tiếp cận thiết bị một cách dễ dàng. Làm một chiếc vỏ nhỏ cho chiếc dù và đặt nó lên lớp trên cùng. Gấp chiếc dù lại và đặt nó vào trong vỏ.

Bước 7: Mã hóa

Cơ chế phóng có thể được kích hoạt theo hai cách khác nhau: bằng bộ đếm thời gian hoặc máy đo độ cao kỹ thuật số. Mã Arduino được cung cấp, vì vậy hãy bình luận phương pháp mà bạn không muốn sử dụng trước khi tải nó lên Arduino của bạn.

Bước 8: Kiểm tra

Nếu bạn đang sử dụng bộ hẹn giờ để phóng tên lửa, hãy thử một vài lần với viên CO2 dự phòng sau vài phút.

Nếu bạn đang sử dụng máy đo độ cao, hãy kiểm tra xem cơ chế phóng có hoạt động mà không cần tên lửa hay không bằng cách đặt độ cao phóng thành ~ 2 mét và đi bộ lên cầu thang. Sau đó, thử nghiệm nó ở độ cao phóng lớn hơn bằng cách đi lên thang máy (Thử nghiệm của tôi được đặt ở 37,5 mét). Kiểm tra xem cơ chế phóng có thực sự phóng tên lửa hay không bằng cách sử dụng phương pháp hẹn giờ.

Bao gồm 12 video thử nghiệm của HAAS

Bước 9: Kết quả

Hy vọng rằng bây giờ, bạn đã cố gắng tự tạo một rockoon và thậm chí có thể ăn mừng một vụ phóng tên lửa thành công. Tuy nhiên, tôi phải báo cáo rằng nỗ lực khởi chạy của tôi đã thất bại. Lý do chính cho sự thất bại của tôi là tôi đã đánh giá thấp lượng helium cần thiết để nâng HAAS. Sử dụng tỷ lệ giữa khối lượng mol của heli với khối lượng mol của không khí, cũng như nhiệt độ và áp suất, tôi đã tính toán gần đúng rằng tôi cần ba thùng chứa 20L khí heli, nhưng tôi phát hiện ra rằng tôi đã sai lầm khủng khiếp. Vì rất khó mua bình chứa khí heli khi còn là sinh viên, tôi không có bất kỳ bình xăng dự phòng nào và thậm chí không thể đưa được HAAS ở độ cao hơn 5 mét so với mặt đất. Vì vậy, nếu bạn chưa thử lái chiếc rockoon của mình, thì đây là một lời khuyên: hãy lấy càng nhiều khí heli càng tốt. Trên thực tế, có lẽ sẽ hợp lý hơn nếu bạn tính toán lượng cần thiết của mình, có tính đến áp suất và nhiệt độ giảm khi độ cao tăng (trong phạm vi bay của chúng ta) và rằng càng có nhiều hơi nước, thì helium sẽ càng ít nổi. nhận được gấp đôi số tiền.

Sau khi phóng không thành công, tôi quyết định sử dụng camera 360 để quay video từ trên không về dòng sông và công viên xung quanh, vì vậy tôi buộc nó vào khí cầu heli bằng một sợi dây dài gắn dưới đáy, sau đó để nó bay. Bất ngờ thay, gió ở độ cao hơi lớn lại đi theo hướng hoàn toàn ngược lại với những cơn gió thấp hơn, và quả bóng khí heli bay vào một hệ thống dây dẫn điện gần đó. Trong một nỗ lực tuyệt vọng để giải cứu máy ảnh của mình và không làm hỏng hệ thống dây điện, tôi đã giật mạnh sợi dây gắn liền, nhưng vô ích; quả bóng đã được mắc vào dây. Làm thế nào mà trái đất lại có thể xảy ra nhiều chuyện như vậy trong một ngày? Cuối cùng, tôi đã gọi cho công ty sản xuất dây điện và yêu cầu họ lấy lại máy ảnh. Thật tốt, họ đã làm, mặc dù tôi phải mất ba tháng để lấy lại nó. Để các bạn giải trí, đính kèm là một số hình ảnh và video về vụ việc này.

Tai nạn này, mặc dù ban đầu nó không xảy ra với tôi, nhưng đã cho thấy một hạn chế nghiêm trọng của việc sử dụng rockon. Khí cầu không thể điều khiển, ít nhất là không có cơ chế điều khiển nhẹ và dễ điều khiển có thể được lắp đặt trên HAAS, và do đó, gần như không thể phóng tên lửa vào quỹ đạo đã định. Ngoài ra, vì các điều kiện của mỗi lần phóng khác nhau và liên tục thay đổi trong suốt quá trình đi lên, rất khó để dự đoán chuyển động của rockoon, điều này yêu cầu việc phóng phải được thực hiện tại một địa điểm không có gì xung quanh nó trong vài km, bởi vì một vụ phóng thất bại có thể chứng minh nguy hiểm.

Tôi tin rằng hạn chế này có thể được khắc phục bằng cách phát triển cơ chế điều hướng trên mặt phẳng 3D với lực cản từ khinh khí cầu và giải thích gió là lực vectơ. Những ý tưởng mà tôi đã nghĩ đến là cánh buồm, khí nén, cánh quạt, thiết kế khung tốt hơn, v.v. Sự phát triển của những ý tưởng này là điều tôi sẽ thực hiện với mô hình HAAS tiếp theo của mình và rất mong được thấy một số bạn phát triển họ cũng vậy.

Với một chút nghiên cứu, tôi phát hiện ra rằng hai sinh viên chuyên ngành hàng không vũ trụ của Stanford, Daniel Becerra và Charlie Cox, đã sử dụng một thiết kế tương tự và đã phóng thành công từ độ cao 30 000 feet. Đoạn phim ra mắt của họ có thể được tìm thấy trên kênh Youtube Stanford. Các công ty như JP Aerospace đang phát triển "Đặc sản" về tên lửa, thiết kế và phóng tên lửa phức tạp hơn bằng nhiên liệu rắn. Hệ thống mười khinh khí cầu của họ, được gọi là "The Stack", là một ví dụ về những cải tiến khác nhau trên rockoon. Tôi tin rằng như một cách tiết kiệm chi phí để phóng tên lửa âm thanh, một số công ty khác sẽ hướng tới việc chế tạo tên lửa trong tương lai.

Tôi muốn cảm ơn Giáo sư Kim Kwang Il, đã hỗ trợ tôi trong suốt dự án này, cũng như cung cấp các nguồn lực và lời khuyên. Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến bố mẹ vì đã tâm huyết với những gì em đam mê. Cuối cùng, nhưng không kém phần quan trọng, tôi muốn cảm ơn bạn đã đọc Tài liệu hướng dẫn này. Hy vọng rằng công nghệ thân thiện với môi trường sẽ sớm được phát triển trong ngành công nghiệp vũ trụ, cho phép các chuyến thăm thường xuyên hơn đến các kỳ quan ngoài kia.