نحوه ساخت راکون: پروژه HAAS: 9 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:57

ایده پشت این دستورالعمل ارائه یک روش جایگزین ، هرچند غیر ممکن به نظر می رسد ، برای پرتاب موشک های مقرون به صرفه است. با توجه به اینکه تحولات اخیر فناوری فضایی بر کاهش هزینه متمرکز شده است ، من فکر کردم که معرفی روکون به مخاطبان وسیع تر بسیار عالی خواهد بود. این دستورالعمل ها عمدتا به چهار بخش تقسیم می شوند: مقدمه ، طراحی ، ساختمان و نتایج. اگر می خواهید از مفهوم روکون ها و اینکه چرا من همانطور که من طراحی کردم ، چشم پوشی کنید ، مستقیماً به قسمت ساختمان بروید. امیدوارم لذت ببرید ، و من دوست دارم نظرات خود را در مورد پروژه من یا در مورد طراحی و ساختمان خود از شما بشنوم !!

مرحله 1: اطلاعات پیشین

بر اساس دانشنامه Astronautica ، راکون (از موشک و بالون) موشکی است که ابتدا توسط بالن پر از گاز پر از گاز به بالاترین سطح جو منتقل می شود ، سپس جدا شده و مشتعل می شود. این امر به موشک اجازه می دهد تا با پیشرانه کمتر به ارتفاع بالاتری برسد ، زیرا موشک مجبور نیست از طریق لایه های زیرین و ضخیم تر اتمسفر تحت قدرت حرکت کند. مفهوم اصلی در طی حمله هوایی Aerobee از Norton Sound در مارس 1949 شکل گرفت و برای اولین بار توسط گروه دفتر تحقیقات نیروی دریایی تحت فرماندهی James A. Van Allen ارائه شد.

وقتی برای اولین بار پروژه خود را روی راکون شروع کردم ، نمی دانستم راکون چیست. تنها پس از اتمام اسناد و مدارک پس از پروژه ، متوجه شدم که نامی برای این دستگاهی که من ساخته بودم وجود دارد. من به عنوان یک دانشجوی کره جنوبی و علاقمند به فناوری فضایی ، از زمان جوانی از توسعه موشک های کشورم ناامید شده ام. اگرچه آژانس فضایی کره ، KARI ، چندین بار برای پرتاب موشک به فضا تلاش کرده و یک بار نیز موفق شده است ، اما فناوری ما در هیچ کجای دیگر آژانس های فضایی مانند ناسا ، ESA ، CNSA یا Roscosmos قرار ندارد. اولین موشک ما ، Naro-1 ، برای هر سه تلاش پرتاب استفاده شد ، که دو مورد از آنها به دلیل جداسازی مراحل یا فیرینگ ناموفق است. موشک بعدی که قرار است ساخته شود ، Naro-2 ، یک موشک سه مرحله ای است که باعث می شود من سوال کنم که آیا تقسیم موشک به چند مرحله عاقلانه است؟ مزایای انجام این کار این است که موشک با جدا شدن مراحل جرم قابل توجهی را از دست می دهد ، بنابراین کارایی پیشرانه را افزایش می دهد. با این حال ، پرتاب موشک های چند مرحله ای نیز احتمال عدم موفقیت پرتاب را افزایش می دهد.

این امر باعث شد تا راه هایی را برای به حداقل رساندن مراحل موشک در حالی که حداکثر بازده پیشرانه را افزایش می دهم ، در نظر بگیرم. پرتاب موشک از هواپیماها مانند موشک ، استفاده از مواد قابل احتراق برای اجسام مرحله موشک ، چند ایده دیگر بود ، اما یکی از گزینه هایی که من را به خود جلب کرد ، سکوی پرتاب در ارتفاع بالا بود. من فکر کردم ، "چرا یک موشک نمی تواند فقط از بالن هلیوم ، در بالای اکثر جو پرتاب شود؟ این موشک می تواند یک موشک صدایی تک مرحله ای باشد که روند پرتاب را به میزان قابل توجهی ساده کرده و هزینه آن را نیز کاهش می دهد. " بنابراین ، من تصمیم گرفتم که یک راکون را به عنوان اثبات مفهوم طراحی و بسازم ، و این دستورالعمل ها را به اشتراک بگذارم تا در صورت تمایل همه آن را امتحان کنید.

مدلی که من می سازم HAAS نامیده می شود ، مخفف کلاهبرداری هوایی با ارتفاع بالا ، به این امید که روزی راکون ها فقط یک سکوی موقت پرتاب موشک نباشند ، بلکه یک سکوی دائمی برای پرتاب ، سوخت گیری و فرود خودروهای پرتاب کننده فضایی باشد. به

مرحله 2: طراحی

من HAAS را بر اساس اشکال بصری و محاسبات اساسی طراحی کردم

محاسبات:

با استفاده از راهنمای ناسا در مورد "طراحی بالن با ارتفاع زیاد" من محاسبه کردم که برای بالا بردن حداکثر 2 کیلوگرم به حدود 60 لیتر هلیوم نیاز دارم ، حد بالایی که برای وزن HAAS تعیین کردیم ، با توجه به اینکه دما و ارتفاع بر روی نیروی شناوری هلیوم ، همانطور که در "اثر ارتفاع و دما بر کنترل حجم یک کشتی هوایی هیدروژنی" توسط Michele Trancossi ذکر شده است. با این حال ، این کافی نبود ، که من در مورد آن با جزئیات بیشتری صحبت خواهم کرد ، اما به این دلیل بود که من تأثیر بخار آب بر شناور بودن هلیوم را در نظر نگرفتم.

قاب:

• شکل استوانه ای به منظور به حداقل رساندن اثر باد
• سه لایه (بالا برای نگه داشتن موشک ، وسط برای مکانیزم پرتاب ، پایین برای دوربین 360)
• لایه میانی ضخیم برای ثبات بیشتر
• ریل های عمودی برای قرار دادن و هدایت موشک
• دوربین 360 درجه جهت فیلم برداری
• چتر نجات تاشو برای ایمنی مناسب
• بالن هلیوم استوانه ای نازک برای حداقل زاویه جابجایی موشک

راه اندازی مکانیسم

• ریزپردازنده: آردوینو اونو
• روش های راه اندازی: تایمر / ارتفاع سنج دیجیتال

• روش فعال کردن پیشرانه: با سوراخ کردن کپسول CO2 با فشار بالا

  • سنبله فلزی متصل به چشمه ها
  • مکانیزم انتشار شامل دو قلاب است
  • با حرکت موتور منتشر می شود
• حفاظت از وسایل الکترونیکی در برابر دمای پایین

من چندین روش برای رهاسازی سنبله با یک حرکت موتور ارائه دادم.

با استفاده از طرحی شبیه به قفل درب زنجیر دار ، با کشیدن صفحه فلزی تا تراز شدن کلید انتهایی با سوراخ بزرگتر ، می توان این سنبله را راه اندازی کرد. با این حال ، اصطکاک بسیار قوی بود و موتور نمی توانست از صفحه تکان بخورد.

داشتن قلاب روی سنبله و سنجاق قفل کردن قلاب به یک جسم ثابت راه حل دیگر بود. مانند پشت سنجاق ایمنی کپسول آتش نشانی ، وقتی سنجاق بیرون می آید ، قلاب جا می دهد و سنبله را پرتاب می کند. این طراحی همچنین اصطکاک زیادی ایجاد کرد.

طراحی فعلی که من استفاده می کنم با استفاده از دو قلاب ، طراحی مشابه با ماشه تفنگ است. قلاب اول روی سنبله نگه داشته می شود ، در حالی که قلاب دیگر در یک نیک کوچک در پشت اولین قلاب گیر کرده است. فشار چشمه ها قلاب ها را در جای خود نگه می دارد و موتور گشتاور کافی برای بازکردن قفل ثانویه و پرتاب موشک را دارد.

موشک:

• پیشرانه: CO2 تحت فشار
• وزن را به حداقل برسانید
• دوربین اکشن یکپارچه با بدنه
• کپسول CO2 قابل تعویض (موشک قابل استفاده مجدد)
• تمام ویژگی های اصلی موشک های مدل (بینی ، بدنه استوانه ای ، باله)

از آنجا که پیشرانه موشک جامد بهترین گزینه برای پرتاب در مناطق پرجمعیت نبود ، مجبور شدم انواع دیگری از پیشرانه را انتخاب کنم. رایج ترین جایگزین ها هوا و آب تحت فشار هستند. از آنجا که آب می تواند به قطعات الکترونیکی موجود در هواپیما آسیب برساند ، هوای تحت فشار باید پیشران باشد ، اما حتی یک مینی پمپ هوا بسیار سنگین بود و بیش از حد برق را برای HAAS مصرف می کرد. خوشبختانه ، من به کپسول های مینی CO2 که چند روز پیش برای لاستیک دوچرخه ام خریداری کرده بودم فکر کردم و تصمیم گرفتم که یک پیشرانه موثر باشد.

مرحله 3: مواد

برای ایجاد HAAS ، به موارد زیر نیاز دارید.

برای قاب:

• تخته های چوبی نازک (یا هر تخته سبک و پایدار ، MDF)
• پیچ و مهره بلند
• مش آلومینیومی
• کشویی آلومینیومی 4 برابر
• 1x لوله آلومینیومی
• دوربین 360 درجه (اختیاری ، Samsung Gear 360)
• تکه پارچه و طناب بزرگ (یا مدل چتر نجات)

برای مکانیزم پرتاب

• 2 برابر چشمه های بلند
• 1 عدد میله فلزی
• سیم نازک
• برخی از صفحات آلومینیومی
• 1x تخته نان
• 1x Arduino Uno (بدون اتصال USB)
• سنسور دما و فشار (Adafruit BMP085)
• Piezo Buzzer (Adafruit PS1240)
• موتور کوچک (Motorbank GWM12F)
• سیم های بلوز
• کنترل موتور (L298N D-H-Bridge Motor Controller)
• باتری و نگهدارنده باتری

برای موشک هوایی

• قوطی های پر کردن لاستیک CO2 دوچرخه (Bontager CO2 موضوع 16 گرم)
• چندین قوطی آلومینیومی (2 عدد برای هر موشک)
• صفحات اکریلیک (یا پلاستیک)
• روبان
• نوارهای الاستیک
• تارهای بلند
• دوربین اکشن (اختیاری ، دوربین اکشن شیائومی)

ابزارها:

• تفنگ چسب
• بتونه اپوکسی (اختیاری)
• دستگاه برش اره/الماس (اختیاری)
• چاپگر سه بعدی (اختیاری)
• دستگاه برش لیزری یا فرز CNC (اختیاری)

برحذر بودن! لطفاً از ابزارها با احتیاط استفاده کنید و با احتیاط کار کنید. در صورت امکان شخص دیگری را در اطراف خود راهنمایی کنید و اگر نمی دانید چگونه از آنها استفاده کنید ، با کمک آنها از آنها کمک بگیرید.

مرحله 4: قاب

1. از برش لیزری ، دستگاه فرز CNC یا هر وسیله دلخواه خود برای برش دادن تخته چوبی نازک به شکل در تصاویر پیوست استفاده کنید. لایه بالایی از دو تخته متصل به پیچ برای تثبیت تشکیل شده است. (برای فرز یا برش لیزری ، فایلها در زیر ارائه شده است.
2. لغزنده های آلومینیومی را به طول مساوی برش دهید و آنها را در شکاف های حلقه داخلی هر لایه قرار دهید. با استفاده از تفنگ چسبی ، لایه ها را بچسبانید تا جایی برای موشک در بالا وجود داشته باشد.
3. لوله آلومینیومی را در مرکز لایه میانی قرار دهید. مطمئن شوید که پایدار است و تا آنجا که ممکن است روی لایه عمودی باشد.
4. در لایه زیرین یک سوراخ ایجاد کرده و دوربین 360 درجه اختیاری را وصل کنید. من یک روکش لاستیکی قابل جابجایی برای دوربین تهیه کردم ، در صورتی که دوربین در مرحله فرود ضربه ببیند.
5. تکه پارچه یا پارچه بزرگ را به شکل مستطیل های کوچکتر تا کنید و 8 طناب با طول مساوی به دورترین گوشه ها وصل کنید. طناب را در انتهای دور ببندید تا گره نخورد. چتر نجات در انتها متصل می شود.

مرحله 5: راه اندازی مکانیسم

1. دو قلاب درست کنید ، یکی به میله فلزی و دیگری به عنوان ماشه. من از دو طرح مختلف استفاده کردم: یکی از صفحات فلزی و دیگری از چاپگر سه بعدی. قلاب های خود را بر اساس تصاویر بالا طراحی کنید و فایل های چاپ سه بعدی در زیر پیوند خورده است.

2. برای اینکه بتوانیم ماشه را رها کرده و موشک را با استفاده از تایمر یا ارتفاع سنج دیجیتالی پرتاب کنیم ، باید مدار آردوینو مشخص شده در تصویر بالا ساخته شود. ارتفاع سنج دیجیتال را می توان با اتصال این پین ها اضافه کرد.

   • آردوینو A5 -> BMP085 SCL
   • آردوینو A4 -> BMP085 SDA
   • Arduino +5V -> BMP085 VIN
   • آردوینو GND -> BMP085 GND
3. مدار را به HAAS اضافه کنید. قلاب ماشه را با سیم به موتور وصل کنید و موتور را بچرخانید تا بررسی شود که آیا قلاب می تواند به آرامی به بیرون لغزش کند یا خیر.
4. انتهای میله نازک فلزی را خرد کرده و داخل لوله آلومینیومی قرار دهید. سپس ، دو فنر بلند را به انتهای میله وصل کنید و آن را به لایه بالا وصل کنید. انتهای میله را خم کنید تا به راحتی به مکانیزم پرتاب متصل شود.
5. چند بار آزمایش کنید تا مطمئن شوید که میله به راحتی راه می افتد.

فایلهای چاپ سه بعدی:

مرحله ششم: موشک

1. دو بطری آلومینیومی آماده کنید. قسمت بالای یک بطری و قسمت پایین بطری دیگر را برش دهید.
2. یک صلیب خفیف در بالای بطری اول و پایین بطری دوم را برش دهید.
3. از سیم و پارچه برای قرار دادن کپسول CO2 در اولین بطری استفاده کنید.
4. یک کپسول CO2 را در قسمت بالایی قرار دهید و آن را در انتهای بطری دوم فشار دهید تا ورودی کپسول CO2 به سمت پایین باشد.
5. باله ها را با پلاستیک یا اکریل طراحی و برش دهید ، سپس آنها را به طرف موشک بچسبانید. از هر نوع ماده ترجیحی ، در این مورد بتونه اپوکسی ، برای مخروط استفاده کنید.
6. یک سوراخ مستطیلی در کنار موشک برای دوربین اکشن اختیاری برش دهید.

برای خاتمه HAAS ، پس از نصب مکانیزم راه اندازی ، مش آلومینیومی را در اطراف قاب بپیچید ، آن را به سوراخ های کوچک در لبه بیرونی ببندید. برای اینکه به راحتی به دستگاه برسید ، یک سوراخ در طرف آن برش دهید. یک پوشش کوچک برای چتر نجات تهیه کرده و آن را روی لایه بالایی قرار دهید. چتر نجات را تا کنید و در جعبه قرار دهید.

مرحله 7: کد نویسی

مکانیسم پرتاب را می توان به دو روش مختلف فعال کرد: با تایمر یا ارتفاع سنج دیجیتال. کد آردوینو ارائه شده است ، بنابراین قبل از بارگذاری آن در آردوینو ، روشی را که نمی خواهید استفاده کنید ، کامنت کنید.

مرحله 8: آزمایش

اگر از تایمر برای پرتاب موشک استفاده می کنید ، چند بار با کپسول یدکی CO2 در چند دقیقه آزمایش کنید.

اگر از ارتفاع سنج استفاده می کنید ، با تنظیم ارتفاع پرتاب بر روی 2 متر پله و راه رفتن از پله ، آزمایش کنید که آیا مکانیسم پرتاب بدون موشک کار می کند. سپس ، آن را در ارتفاع پرتاب بالاتر با بالا رفتن از آسانسور آزمایش کنید (آزمایش من 37.5 متر تنظیم شد). با استفاده از روش تایمر ، آزمایش کنید که مکانیسم پرتاب در واقع یک موشک پرتاب می کند.

شامل 12 فیلم تست HAAS است

مرحله 9: نتایج

امیدوارم تا به حال ، شما خودتان سعی کرده اید یک راکون بسازید و شاید حتی یک پرتاب موشک موفق را جشن گرفته اید. با این حال ، باید گزارش دهم که تلاش پرتاب من با شکست انجام شد. دلیل اصلی شکست من این بود که مقدار هلیوم مورد نیاز برای بلند کردن HAAS را دست کم گرفتم. با استفاده از نسبت جرم مولی هلیوم به جرم مولی هوا و همچنین دما و فشار ، تقریباً محاسبه کرده بودم که به سه مخزن گاز هلیوم 20 لیتری نیاز دارم ، اما متوجه شدم که به طرز وحشتناکی اشتباه کرده ام. از آنجا که خرید مخازن هلیوم در دوران دانشجویی دشوار بود ، من هیچ مخزن یدکی دریافت نکردم و حتی نتوانستم HAAS را در بالای 5 متر از زمین بردارم. بنابراین ، اگر هنوز سعی نکرده اید با راکون خود پرواز کنید ، در اینجا یک توصیه وجود دارد: تا جایی که می توانید هلیوم دریافت کنید. در واقع ، اگر مقدار مورد نیاز خود را محاسبه کنید ، با در نظر گرفتن این که فشار و دما با افزایش ارتفاع (در محدوده پرواز ما) کاهش می یابد و اگر بخار آب بیشتر باشد ، هلیوم شناوری کمتری دارد ، احتمالاً منطقی تر خواهد بود. دو برابر آن را دریافت کنید

پس از پرتاب ناموفق ، تصمیم گرفتم از دوربین 360 برای ضبط فیلم هوایی از رودخانه و پارک اطراف استفاده کنم ، بنابراین آن را با یک رشته بلند به پایین به بالن هلیوم بستم ، سپس اجازه دادم پرواز کند. به طور غیرمنتظره ، باد در ارتفاع کمی بالا در جهت کاملاً مخالف با بادهای پایین حرکت می کرد و بادکنک هلیوم به داخل سیم کشی برق در همان حوالی رفت. در تلاش ناامیدانه برای نجات دوربین و آسیب ندیدن سیم کشی ، طناب متصل شده را کشیدم ، اما بی فایده بود. بادکنک قبلاً در سیم گیر کرده بود چگونه ممکن است این همه چیز در یک روز اشتباه شود؟ سرانجام با شرکت سیم کشی تماس گرفتم و از آنها خواستم دوربین را بازیابی کنند. با مهربانی ، آنها این کار را کردند ، اگرچه سه ماه طول کشید تا آن را پس بگیرم. برای سرگرمی شما ، تعدادی عکس و فیلم از این حادثه ضمیمه شده است.

این حادثه ، اگرچه در ابتدا برای من اتفاق نیفتاد ، اما محدودیت جدی استفاده از راکون ها را آشکار کرد. بالونها را نمی توان هدایت کرد ، حداقل با یک مکانیسم سبک و کنترل آسان که می تواند بر روی HAAS نصب شود ، و بنابراین ، پرتاب موشک به مدار مورد نظر تقریباً غیرممکن است. همچنین ، از آنجا که شرایط هر پرتاب متفاوت است و در طول صعود همچنان در حال تغییر است ، پیش بینی حرکت راکون دشوار است ، که پس از آن لازم است پرتاب در مکانی انجام شود که چندین کیلومتر در اطراف آن وجود ندارد ، زیرا یک پرتاب ناموفق می تواند ثابت کند خطرناک بودن

من معتقدم این محدودیت را می توان با توسعه مکانیزم حرکت در یک هواپیمای سه بعدی با کشش از بادکنک و تفسیر باد به عنوان نیروهای بردار ، برطرف کرد. ایده هایی که به آنها فکر می کنم بادبان ، هوای فشرده ، ملخ ، طراحی بهتر قاب و غیره هستند. پیشرفت این ایده ها چیزی است که من با مدل بعدی HAAS روی آن کار می کنم و منتظر پیشرفت برخی از شما هستم. آنها نیز همینطور

با کمی تحقیق متوجه شدم که دو رشته هوافضای استنفورد ، دانیل بیسرا و چارلی کاکس ، از طراحی مشابهی استفاده کرده و پرتاب موفقی را از ارتفاع 30 هزار پایی انجام داده اند. فیلم راه اندازی آنها را می توانید در کانال استنفورد یوتیوب پیدا کنید. شرکت هایی مانند JP Aerospace در حال توسعه "Specialities" در زمینه راکون ها هستند ، طراحی و راه اندازی راکون های پیچیده تر با سوخت جامد. سیستم ده بادکنکی آنها که "The Stack" نامیده می شود ، نمونه ای از پیشرفت های مختلف روی راکون است. من معتقدم که به عنوان روشی مقرون به صرفه برای پرتاب موشک های صوتی ، چندین شرکت دیگر در آینده برای ساخت راکون تلاش خواهند کرد.

من می خواهم از پروفسور کیم کوانگ ایل تشکر کنم ، زیرا در طول این پروژه از من حمایت کرد و همچنین منابع و مشاوره ارائه داد. من همچنین می خواهم از والدینم تشکر کنم که مشتاقانه در مورد آنچه که من علاقه مند هستم ، هستند. در آخر ، اما مهمتر ، من می خواهم از شما برای خواندن این دستورالعمل تشکر کنم. امیدوارم فناوری دوستدار محیط زیست به زودی در صنعت فضایی توسعه یابد و بازدیدهای مکرر از شگفتی های موجود را ممکن سازد.