Wie man einen Rockoon macht: Projekt HAAS – wikiHow

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:21

Die Idee hinter diesem Instructable ist es, eine alternative Methode für kosteneffiziente Raketenstarts bereitzustellen, so unplausibel sie auch erscheinen mag. Da die jüngsten Entwicklungen in der Weltraumtechnologie darauf ausgerichtet waren, die Kosten zu senken, dachte ich, es wäre großartig, den Rockoon einem breiteren Publikum vorzustellen. Diese Instructables ist weitgehend in vier Teile unterteilt: Einführung, Design, Gebäude und Ergebnisse. Wenn Sie das Konzept der Rockoons überspringen möchten und warum ich meine so entworfen habe, wie ich es getan habe, gehen Sie direkt zum Gebäudeteil. Ich wünsche Ihnen viel Spaß und würde gerne von Ihnen über Ihre Gedanken zu meinem Projekt oder zu Ihrem eigenen Design und Builds hören!

Schritt 1: Hintergrundinformationen

Laut Encyclopedia Astronautica ist ein Rockoon (aus Rakete und Ballon) eine Rakete, die zuerst von einem leichter als Luft gasgefüllten Ballon in die obere Atmosphäre getragen, dann getrennt und gezündet wird. Dadurch kann die Rakete mit weniger Treibstoff eine höhere Flughöhe erreichen, da sich die Rakete nicht unter Strom durch die tieferen und dickeren Schichten der Atmosphäre bewegen muss. Das ursprüngliche Konzept wurde während einer Aerobee-Feuerkreuzfahrt des Norton Sound im März 1949 entwickelt und zuerst von der Office of Naval Research-Gruppe unter James A. Van Allen ins Leben gerufen.

Als ich mit meinem Projekt auf Rockoon begann, hatte ich keine Ahnung, was ein Rockoon ist. Erst nachdem ich die Dokumentation nach meinem Projekt fertiggestellt hatte, fand ich heraus, dass es einen Namen für dieses von mir erstellte Gerät gab. Als südkoreanischer Student, der sich für Weltraumtechnologie interessiert, war ich seit meiner Jugend frustriert über die Entwicklung von Raketen in meinem Land. Obwohl die koreanische Weltraumbehörde KARI mehrere Versuche mit Weltraumträgern unternommen hat und einmal erfolgreich war, ist unsere Technologie bei weitem nicht in der Nähe anderer Weltraumbehörden wie NASA, ESA, CNSA oder Roscosmos. Unsere erste Rakete, Naro-1, wurde für alle drei Startversuche verwendet, von denen zwei vermutlich aufgrund von Stufentrennung oder Verkleidung gescheitert sind. Die nächste Rakete, die gebaut werden soll, Naro-2, ist eine dreistufige Rakete, was mich fragen lässt, ob es ratsam ist, die Rakete in mehrere Stufen zu unterteilen? Dies hätte den Vorteil, dass die Rakete beim Trennen der Stufen erheblich an Masse verliert, wodurch die Effizienz des Treibmittels erhöht wird. Der Start von mehrstufigen Raketen erhöht jedoch auch die Wahrscheinlichkeit, dass der Start fehlschlägt.

Dies brachte mich dazu, über Möglichkeiten nachzudenken, die Raketenstufen zu minimieren und gleichzeitig die Treibstoffeffizienz zu maximieren. Raketen von Flugzeugen wie Raketen abzufeuern und dabei brennbares Material für Raketenstufenkörper zu verwenden, waren einige andere Ideen, die ich hatte, aber eine Option, die mich anzog, war die Startplattform in großer Höhe. Ich dachte: „Warum kann eine Rakete nicht einfach von einem Heliumballon über dem größten Teil der Atmosphäre starten? Die Rakete kann dann eine einstufige Höhenforschungsrakete sein, was den Startvorgang erheblich vereinfachen und die Kosten senken würde.“Also habe ich beschlossen, selbst einen Rockoon als Proof of Concept zu entwerfen und zu bauen und diese Instructables zu teilen, damit Sie es alle ausprobieren können, wenn Sie möchten.

Das Modell, das ich baue, heißt HAAS, kurz für High Altitude Aerial Spaceport, in der Hoffnung, dass Rockoons eines Tages nicht nur eine temporäre Startplattform für Raketen sein werden, sondern eine permanente Plattform zum Starten, Betanken und Landen von Trägerraketen.

Schritt 2: Design

Ich habe das HAAS basierend auf intuitiven Formen und grundlegenden Berechnungen entworfen

Berechnungen:

Unter Verwendung des Nasa-Leitfadens zum Thema "Designing a High Altitude Balloon" habe ich berechnet, dass ich etwa 60 Liter Helium benötige, um höchstens 2 kg zu heben, die Obergrenze, die wir für das HAAS-Gewicht festgelegt haben, unter Berücksichtigung, dass Temperatur und Höhe einen Einfluss auf die Auftriebskraft von Helium, wie in "Effect of Altitude and Temperature on Volume Control of an Hydrogen Airship" von Michele Trancossi erwähnt. Dies war jedoch nicht genug, worüber ich noch ausführlicher sprechen werde, aber es lag daran, dass ich die Wirkung von Wasserdampf auf den Auftrieb von Helium nicht berücksichtigt habe.

Rahmen:

• Zylindrische Form zur Minimierung des Windeinflusses
• Drei Schichten (Oberseite zum Halten der Rakete, Mitte für den Startmechanismus, Unterseite für die 360-Kamera)
• Dicke Mittelschicht für zusätzliche Stabilität
• Vertikale Schienen für Raketenplatzierung und -führung
• 360°-Kamera für Filmmaterial
• Faltbarer Fallschirm für sicheren Abstieg
• Dünner zylindrischer Heliumballon für minimalen Raketenversatzwinkel

Startmechanismus

• Mikroprozessor: Arduino Uno
• Startmethoden: Timer / Digitaler Höhenmesser

• Methode zur Aktivierung des Treibmittels: Durch Einstechen eines Lochs in eine Hochdruck-CO2-Kapsel

  • Metalldorn an Federn befestigt
  • Auslösemechanismus besteht aus zwei Haken
  • Auslösung durch Bewegung des Motors
• Schutz elektronischer Geräte vor niedrigeren Temperaturen

Ich habe mir mehrere Methoden ausgedacht, um den Dorn mit einer motorischen Bewegung zu lösen.

Bei Verwendung eines Designs ähnlich einem Schlüsselketten-Türschloss kann der Dorn durch Ziehen an der Metallplatte, bis der Endschlüssel mit dem größeren Loch ausgerichtet ist, gestartet werden. Die Reibung erwies sich jedoch als zu stark und der Motor konnte die Platte nicht bewegen.

Ein Haken, der den Dorn hält, und ein Stift, der den Haken an einem stationären Objekt festhält, war eine weitere Lösung. Wie die Rückseite einer Sicherheitsnadel eines Feuerlöschers würde der Haken beim Herausziehen der Nadel nachgeben und den Dorn ausstoßen. Auch diese Konstruktion erzeugte zu viel Reibung.

Das aktuelle Design, das ich verwende, verwendet zwei Haken, ein ähnliches Design wie ein Pistolenabzug. Der erste Haken hält den Spike, während der andere Haken in einer kleinen Kerbe an der Rückseite des ersten Hakens gefangen ist. Der Druck der Federn hält die Haken in Position, und der Motor hat genug Drehmoment, um den sekundären Haken zu entriegeln und die Rakete zu starten.

Rakete:

• Treibmittel: CO2. unter Druck
• Gewicht minimieren
• Im Körper integrierte Action-Kamera
• Austauschbare CO2-Kapsel (wiederverwendbare Rakete)
• Alle Hauptmerkmale von Modellraketen (Nase, zylindrischer Körper, Flossen)

Da Feststoffraketentreibstoff nicht die beste Option war, um in einem besiedelten Gebiet zu starten, musste ich mich für andere Arten von Treibstoffen entscheiden. Die gängigsten Alternativen sind Druckluft und Wasser. Da Wasser die Elektronik an Bord beschädigen könnte, musste Druckluft als Treibmittel verwendet werden, aber selbst eine Mini-Luftpumpe war zu schwer und verbrauchte zu viel Strom für den HAAS. Zum Glück dachte ich an die Mini-CO2-Kapseln, die ich vor einigen Tagen für meine Fahrradreifen gekauft hatte, und entschied, dass es sich um ein wirksames Treibmittel handelt.

Schritt 3: Materialien

Um einen HAAS zu erstellen, benötigen Sie Folgendes.

Für den Rahmen:

• Dünne Holzplatten (oder jede leichte & stabile Platte, MDF)
• Lange Muttern und Schrauben
• Aluminiumgewebe
• 4x Aluminium-Schieber
• 1x Aluminiumrohr
• 360°-Kamera (optional, Samsung Gear 360)
• Großes Stück Stoff & Seil (oder ein Modell-Raketenfallschirm)

Für den Startmechanismus

• 2x lange Federn
• 1x Metallstab
• Dünner Draht
• Einige Aluminiumplatten
• 1x Steckbrett
• 1x Arduino Uno (mit USB-Anschluss)
• Temperatur- und Drucksensor (Adafruit BMP085)
• Piezo-Summer (Adafruit PS1240)
• Kleinmotor (Motorbank GWM12F)
• Überbrückungsdrähte
• Motorcontroller (L298N Dual-H-Brücken-Motorcontroller)
• Batterien & Batteriehalter

Für die Luftrakete

• CO2 Nachfülldosen für Fahrradreifen (Bontager CO2 Threaded 16g)
• Mehrere Aluminiumdosen (2 für jede Rakete)
• Acrylplatten (oder Kunststoff)
• Bänder
• Elastische Bänder
• Lange Saiten
• Action-Kamera (optional, Xiaomi Action-Kamera)

Werkzeuge:

• Klebepistole
• Epoxidspachtel (optional)
• Säge/Diamantschneider (optional)
• 3D-Drucker (optional)
• Laserschneider oder CNC-Fräsmaschine (optional)

In acht nehmen! Bitte verwenden Sie die Werkzeuge mit Vorsicht und gehen Sie vorsichtig damit um. Bitten Sie jemanden, der Ihnen hilft, wenn möglich, und holen Sie sich Hilfe bei der Verwendung ausgewählter Tools, wenn Sie nicht wissen, wie man sie verwendet.

Schritt 4: Rahmen

1. Verwenden Sie einen Laserschneider, eine CNC-Fräsmaschine oder ein beliebiges Werkzeug Ihrer Wahl, um das dünne Holzbrett in die Form in den beigefügten Bildern zu schneiden. Die oberste Schicht besteht aus zwei Brettern, die zur Stabilisierung mit Schrauben verbunden sind. (Für das Fräsen oder Laserschneiden werden die Dateien unten bereitgestellt.
2. Schneiden Sie die Aluminiumschieber in gleiche Längen und führen Sie sie in die Spalten entlang des Innenrings jeder Schicht ein. Kleben Sie die Schichten mit einer Klebepistole so, dass oben Platz für die Rakete ist.
3. Legen Sie das Aluminiumrohr in die Mitte der mittleren Schicht. Stellen Sie sicher, dass es stabil und möglichst senkrecht zur Schicht steht.
4. Bohren Sie ein Loch in die untere Schicht und befestigen Sie die optionale 360°-Kamera. Ich habe eine abnehmbare Gummiabdeckung für die Kamera gemacht, falls die Kamera während der Landephase einen Stoß bekommt.
5. Falten Sie das große Stück Stoff oder Stoff in kleinere Rechtecke und befestigen Sie 8 gleich lange Seile an den äußersten Ecken. Binde das Seil am anderen Ende fest, damit es sich nicht verheddert. Der Fallschirm wird ganz am Ende befestigt.

Schritt 5: Startmechanismus

1. Machen Sie zwei Haken, einen für die Metallstange und einen für den Auslöser. Ich habe zwei verschiedene Designs verwendet: eines mit Metallplatten und eines mit einem 3D-Drucker. Entwerfen Sie Ihre Haken basierend auf den obigen Bildern und die 3D-Druckdateien sind unten verlinkt.

2. Um den Auslöser loslassen und die Rakete entweder mit einem Timer oder einem digitalen Höhenmesser starten zu können, muss die im obigen Bild angegebene Arduino-Schaltung hergestellt werden. Der digitale Höhenmesser kann durch Verbinden dieser Pins hinzugefügt werden.

   • Arduino A5 -> BMP085 SCL
   • Arduino A4 -> BMP085 SDA
   • Arduino +5V -> BMP085 FIN
   • Arduino GND -> BMP085 GND
3. Fügen Sie die Schaltung dem HAAS hinzu. Verbinden Sie den Abzugshaken mit einem Draht mit dem Motor und drehen Sie den Motor, um zu testen, ob der Haken reibungslos herausgleiten kann.
4. Schleifen Sie das Ende des dünnen Metallstabs und führen Sie ihn in das Aluminiumrohr ein. Befestigen Sie dann zwei lange Federn am Ende der Stange und verbinden Sie sie mit der oberen Schicht. Biegen Sie das Ende der Stange so, dass es leicht in den Startmechanismus eingehängt werden kann.
5. Testen Sie einige Male, um sicherzustellen, dass die Rute reibungslos startet.

3D-Druckdateien:

Schritt 6: Rakete

1. Bereiten Sie zwei Aluminiumflaschen vor. Schneiden Sie den oberen Teil einer Flasche und den unteren Teil der anderen ab.
2. Schneiden Sie ein leichtes Kreuz auf die Oberseite der ersten Flasche und den Boden der zweiten Flasche.
3. Verwenden Sie Draht und Tuch, um eine Halterung für die CO2-Kapsel auf der ersten Flasche herzustellen.
4. Setzen Sie eine CO2-Kapsel in das Oberteil ein und drücken Sie sie in den Boden der zweiten Flasche, sodass der Eingang der CO2-Kapsel nach unten zeigt.
5. Entwerfen und schneiden Sie Flossen mit Kunststoff oder Acryl und kleben Sie sie dann an die Seite der Rakete. Verwenden Sie für den Konus ein beliebiges bevorzugtes Material, in diesem Fall Epoxidspachtel.
6. Schneiden Sie ein rechteckiges Loch an der Seite der Rakete für die optionale Action-Kamera.

Um den HAAS fertigzustellen, wickeln Sie nach der Installation des Startmechanismus das Aluminiumgitter um den Rahmen und binden Sie es an den kleinen Löchern am äußeren Rand fest. Schneiden Sie ein Loch an der Seite, um leicht in das Gerät zu greifen. Machen Sie eine kleine Hülle für den Fallschirm und legen Sie sie auf die oberste Schicht. Klappen Sie den Fallschirm zusammen und legen Sie ihn in das Gehäuse.

Schritt 7: Codierung

Der Startmechanismus kann auf zwei verschiedene Arten aktiviert werden: mit einem Timer oder einem digitalen Höhenmesser. Der Arduino-Code wird bereitgestellt. Kommentieren Sie also die Methode aus, die Sie nicht verwenden möchten, bevor Sie sie auf Ihr Arduino hochladen.

Schritt 8: Testen

Wenn Sie einen Timer verwenden, um die Rakete zu starten, testen Sie einige Minuten mit einer Ersatz-CO2-Kapsel.

Wenn Sie den Höhenmesser verwenden, testen Sie, ob der Startmechanismus ohne die Rakete funktioniert, indem Sie die Starthöhe auf ~ 2 Meter einstellen und die Treppe hinaufgehen. Testen Sie es dann in einer höheren Starthöhe, indem Sie einen Aufzug hinauffahren (Mein Test war auf 37,5 Meter eingestellt). Testen Sie, ob der Startmechanismus tatsächlich eine Rakete startet, indem Sie die Timer-Methode verwenden.

Enthalten sind 12 Testvideos des HAAS

Schritt 9: Ergebnisse

Hoffentlich haben Sie inzwischen selbst versucht, einen Rockoon zu bauen und vielleicht sogar einen erfolgreichen Raketenstart gefeiert. Ich muss jedoch berichten, dass mein Startversuch gescheitert ist. Der Hauptgrund für mein Scheitern war, dass ich die Heliummenge, die zum Heben des HAAS benötigt wird, unterschätzt habe. Mit dem Verhältnis der Molmasse von Helium zur Molmasse von Luft sowie Temperatur und Druck hatte ich ungefähr berechnet, dass ich drei Tanks mit 20L Heliumgas benötige, aber ich fand heraus, dass ich mich schrecklich geirrt hatte. Da es als Student schwierig war, Heliumtanks zu kaufen, bekam ich keine Ersatztanks und schaffte es nicht einmal, den HAAS über 5 Meter vom Boden zu heben. Wenn Sie also noch nicht versucht haben, Ihren Rockoon zu fliegen, hier ein Rat: Holen Sie sich so viel Helium wie möglich. Tatsächlich wäre es wahrscheinlich vernünftiger, wenn Sie Ihre benötigte Menge berechnen würden, wenn Sie berücksichtigen, dass Druck und Temperatur mit zunehmender Höhe (innerhalb unserer Flugreichweite) abnehmen und dass Helium umso weniger Auftrieb hat, je mehr Wasserdampf vorhanden ist doppelt so viel bekommen.

Nach dem gescheiterten Start beschloss ich, die 360-Grad-Kamera zu verwenden, um ein Luftvideo des umliegenden Flusses und des Parks aufzunehmen, also band ich es mit einer langen Schnur an den Heliumballon, die am Boden befestigt war, und ließ ihn dann fliegen. Unerwarteterweise ging der Wind in etwas großer Höhe in die völlig entgegengesetzte Richtung wie die niedrigeren Winde, und der Heliumballon trieb in eine nahegelegene Elektroinstallation. In einem verzweifelten Versuch, meine Kamera zu retten und die Verkabelung nicht zu beschädigen, zerrte ich an dem befestigten Seil, aber es war nutzlos; der Ballon war bereits im Draht gefangen. Wie können an einem Tag so viele Dinge schief gehen? Schließlich rief ich die Kabelfirma an und bat sie, die Kamera zurückzuholen. Freundlicherweise taten sie es, obwohl ich drei Monate brauchte, um es zurückzubekommen. Zu Ihrer Unterhaltung sind einige Fotos und Videos von diesem Vorfall beigefügt.

Dieser Unfall, obwohl er mir zuerst nicht eingefallen ist, zeigte eine ernsthafte Einschränkung der Verwendung von Rockoons. Die Ballons lassen sich nicht steuern, zumindest nicht mit einem leichten und einfach zu steuernden Mechanismus, der auf dem HAAS installiert werden kann, und daher ist es fast unmöglich, die Rakete in eine beabsichtigte Umlaufbahn zu bringen. Da die Bedingungen jedes Starts unterschiedlich sind und sich während des Aufstiegs ständig ändern, ist es außerdem schwierig, die Bewegung des Rockoon vorherzusagen, was dann erfordert, dass der Start an einem Ort durchgeführt wird, an dem sich mehrere Kilometer lang nichts befindet, da ein fehlgeschlagener Start beweisen könnte gefährlich zu sein.

Ich glaube, dass diese Einschränkung überwunden werden kann, indem man einen Mechanismus entwickelt, der auf einer 3D-Ebene mit dem Luftwiderstand des Ballons navigiert und Wind als Vektorkräfte interpretiert. Ideen, die mir eingefallen sind, sind Segel, Druckluft, Propeller, besseres Rahmendesign usw. Weiterentwicklungen dieser Ideen sind etwas, an dem ich mit meinem nächsten Modell von HAAS arbeiten werde und freue mich darauf, einige von Ihnen entwickeln zu sehen sie auch.

Nach ein wenig Recherche fand ich heraus, dass zwei große Luft- und Raumfahrtunternehmen von Stanford, Daniel Becerra und Charlie Cox, ein ähnliches Design verwendeten und einen erfolgreichen Start aus 30.000 Fuß hatten. Ihr Filmmaterial zum Start ist auf dem Stanford-Youtube-Kanal zu finden. Unternehmen wie JP Aerospace entwickeln "Spezialitäten" auf Rockoons, entwerfen und starten komplexere Rockoons mit Festbrennstoff. Ihr Zehn-Ballon-System namens "The Stack" ist ein Beispiel für verschiedene Verbesserungen am Rockoon. Ich glaube, dass als kostengünstige Möglichkeit, Höhenforschungsraketen zu starten, in Zukunft mehrere andere Unternehmen daran arbeiten werden, Rockoons herzustellen.

Ich möchte Professor Kim Kwang Il dafür danken, dass er mich während dieses Projekts unterstützt und mir Ressourcen und Ratschläge zur Verfügung gestellt hat. Ich möchte auch meinen Eltern danken, die mich für meine Leidenschaft begeistert haben. Zu guter Letzt möchte ich Ihnen für das Lesen dieser Instructables danken. Hoffentlich wird in der Raumfahrtindustrie bald eine umweltfreundliche Technologie entwickelt, die häufigere Besuche der Wunder dort draußen ermöglicht.