Cómo hacer un Rockoon: Proyecto HAAS: 9 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:44

La idea detrás de este Instructable es proporcionar un método alternativo, por inverosímil que parezca, para lanzamientos de cohetes rentables. Dado que los desarrollos recientes de la tecnología espacial se centran en reducir el costo, pensé que sería genial presentar el rockoon a una audiencia más amplia. Este Instructables se divide en gran parte en cuatro partes: introducción, diseño, construcción y resultados. Si desea omitir el concepto de rockoons y por qué diseñé el mío de la manera que lo hice, vaya directamente a la parte del edificio. Espero que lo disfruten, y me encantaría saber de usted sobre su opinión sobre mi proyecto o sobre su propio diseño y construcciones.

Paso 1: Información de antecedentes

Según la Encyclopedia Astronautica, un rockoon (de cohete y globo) es un cohete que primero es transportado a la atmósfera superior por un globo lleno de gas más liviano que el aire, luego se separa y se enciende. Esto permite que el cohete alcance una mayor altitud con menos propulsor, ya que el cohete no tiene que moverse con energía a través de las capas más bajas y más gruesas de la atmósfera. El concepto original fue concebido durante una plataforma de disparo de Aerobee en Norton Sound en marzo de 1949, y fue lanzado por primera vez por el grupo de la Oficina de Investigación Naval bajo la dirección de James A. Van Allen.

Cuando comencé mi proyecto en rockoon, no tenía idea de lo que era un rockoon. Fue solo después de haber terminado la documentación después de mi proyecto que descubrí que había un nombre para este dispositivo que había creado. Como estudiante de Corea del Sur que está interesado en la tecnología espacial, me ha frustrado el desarrollo de cohetes en mi país desde que era joven. Aunque la agencia espacial coreana, KARI, ha realizado varios intentos de lanzamiento de vehículos espaciales y lo ha logrado una vez, nuestra tecnología no está ni cerca de otras agencias espaciales como la NASA, ESA, CNSA o Roscosmos. Nuestro primer cohete, Naro-1, se utilizó para los tres intentos de lanzamiento, dos de los cuales se sospecha que fallaron debido a la separación de las etapas o el carenado. El próximo cohete que se fabricará, Naro-2, es un cohete de tres etapas, lo que me hace preguntarme, ¿es prudente dividir el cohete en varias etapas? Los beneficios de hacerlo sería que el cohete pierde una masa significativa a medida que se separan las etapas, lo que aumenta la eficiencia del propulsor. Sin embargo, el lanzamiento de cohetes de múltiples etapas también aumenta la posibilidad de que el lanzamiento termine fracasando.

Esto me hizo pensar en formas de minimizar las etapas del cohete mientras se maximiza la eficiencia del propulsor. Lanzar cohetes desde aviones como misiles, usar material combustible para los cuerpos de la etapa de cohetes, son algunas otras ideas que tuve, pero una opción que me atrajo fue la plataforma de lanzamiento a gran altitud. Pensé: "¿Por qué un cohete no puede simplemente lanzarse desde un globo de helio, por encima de la mayor parte de la atmósfera? El cohete puede ser entonces un cohete con sonda de una sola etapa, lo que simplificaría significativamente el proceso de lanzamiento y reduciría el costo ". Entonces, decidí diseñar y construir un rockoon yo mismo como prueba de concepto, y compartir este Instructables para que todos puedan probarlo si lo desean.

El modelo que construyo se llama HAAS, abreviatura de High Altitude Aerial Spaceport, con la esperanza de que algún día, Rockoons no sea solo una plataforma de lanzamiento temporal para cohetes, sino una plataforma permanente utilizada para el lanzamiento, reabastecimiento de combustible y aterrizaje de vehículos de lanzamiento espacial..

Paso 2: diseño

Diseñé el HAAS basado en formas intuitivas y cálculos básicos.

Cálculos:

Utilizando la guía de la NASA sobre "Diseño de un globo de gran altitud", calculé que necesitaría alrededor de 60 litros de helio para levantar un máximo de 2 kg, el límite superior que establecemos para el peso HAAS, teniendo en cuenta que la temperatura y la altitud tendrán un efecto en el fuerza de flotabilidad del helio, como se menciona en "Efecto de la altitud y la temperatura en el control de volumen de un dirigible de hidrógeno" por Michele Trancossi. Sin embargo, esto no fue suficiente, de lo que hablaré con más detalle, pero fue porque no tomé en cuenta el efecto del vapor de agua sobre la flotabilidad del helio.

Cuadro:

• Forma cilíndrica para minimizar el efecto del viento.
• Tres capas (superior para sostener el cohete, medio para el mecanismo de lanzamiento, inferior para la cámara 360)
• Capa intermedia gruesa para mayor estabilidad
• Rieles verticales para orientación y colocación de cohetes
• Cámara de 360 ° para metraje
• Paracaídas plegable para un decente seguro.
• Globo de helio cilíndrico delgado para un ángulo de desplazamiento mínimo del cohete

Mecanismo de lanzamiento

• Microprocesador: Arduino Uno
• Métodos de lanzamiento: temporizador / altímetro digital

• Método de activación del propulsor: perforando un orificio en una cápsula de CO2 a alta presión

  • Punta de metal unida a resortes
  • El mecanismo de liberación consta de dos ganchos
  • Liberado por movimiento del motor
• Protección de dispositivos electrónicos contra temperaturas más bajas

Se me ocurrieron varios métodos para liberar el pico con un movimiento motor.

Usando un diseño similar a una cerradura de puerta de cadena con llave, tirando de la placa de metal hasta que la llave del extremo se alinee con el orificio más grande, se podría lanzar la púa. Sin embargo, la fricción resultó ser demasiado fuerte y el motor no pudo mover la placa.

Tener un gancho sujetando la espiga y un alfiler que fija el gancho a un objeto estacionario fue otra solución. Al igual que el reverso del imperdible de un extintor de incendios, cuando se saca el perno, el gancho cedía y lanzaba la púa. Este diseño también produjo demasiada fricción.

El diseño actual que utilizo es mediante el uso de dos ganchos, un diseño similar al gatillo de una pistola. El primer anzuelo se sujeta a la espiga, mientras que el otro anzuelo queda atrapado en una pequeña muesca en la parte posterior del primer anzuelo. La presión de los resortes mantiene los ganchos en su lugar y el motor tiene suficiente torque para desbloquear el gancho secundario y lanzar el cohete.

Cohete:

• Propelente: CO2 presurizado
• Minimizar el peso
• Cámara de acción integrada en el cuerpo
• Cápsula de CO2 reemplazable (cohete reutilizable)
• Todas las características principales de los cohetes modelo (nariz, cuerpo cilíndrico, aletas)

Dado que el propulsor de cohete sólido no era la mejor opción para lanzar en un área poblada, tuve que optar por otros tipos de propulsor. Las alternativas más comunes son el aire y el agua a presión. Debido a que el agua podía dañar los componentes electrónicos a bordo, el aire a presión tenía que ser el propulsor, pero incluso una mini bomba de aire era demasiado pesada y consumía demasiada electricidad para tenerla en el HAAS. Por suerte, pensé en las mini cápsulas de CO2 que había comprado hace unos días para los neumáticos de mi bicicleta y decidí que sería un propulsor eficaz.

Paso 3: Materiales

Para hacer un HAAS, necesitará lo siguiente.

Para el marco:

• Tablas de madera delgadas (o cualquier tabla ligera y estable, MDF)
• Tuercas y tornillos largos
• Malla de Aluminio
• Deslizador de aluminio 4x
• 1x tubo de aluminio
• Cámara de 360 ° (opcional, Samsung Gear 360)
• Pieza grande de tela y cuerda (o un modelo de paracaídas de cohete)

Para el mecanismo de lanzamiento

• 2x resortes largos
• 1x varilla de metal
• Cable delgado
• Algunas placas de aluminio
• 1x tablero
• 1x Arduino Uno (con conector USB)
• Sensor de temperatura y presión (Adafruit BMP085)
• Zumbador piezoeléctrico (Adafruit PS1240)
• Motor pequeño (Motorbank GWM12F)
• Cables de puente
• Controlador de motor (controlador de motor de doble puente H L298N)
• Baterías y soporte de batería

Para el cohete aéreo

• Latas de recarga de neumáticos de bicicleta de CO2 (Bontager CO2 roscado 16 g)
• Varias latas de aluminio (2 por cada cohete)
• Placas acrílicas (o plástico)
• Cintas
• Bandas elásticas
• Cuerdas largas
• Cámara de acción (opcional, cámara de acción Xiaomi)

Instrumentos:

• Pistola de pegamento
• Masilla epoxi (opcional)
• Cortador de sierra / diamante (opcional)
• Impresora 3D (opcional)
• Cortadora láser o fresadora CNC (opcional)

¡Tener cuidado! Utilice las herramientas con precaución y manipúlelas con cuidado. Tenga a alguien más cerca para ayudar si es posible, y obtenga ayuda con las herramientas seleccionadas si no sabe cómo usarlas.

Paso 4: Marco

1. Utilice un cortador láser, una fresadora CNC o cualquier herramienta de su preferencia para cortar la delgada tabla de madera en la forma que se muestra en las imágenes adjuntas. La capa superior consta de dos tableros conectados con pernos para estabilización. (Para fresado o corte por láser, los archivos se proporcionan a continuación.
2. Corte los controles deslizantes de aluminio en longitudes iguales e insértelos en las grietas a lo largo del anillo interior de cada capa. Usando una pistola de pegamento, pegue las capas para que haya espacio para el cohete en la parte superior.
3. Coloque el tubo de aluminio en el centro de la capa intermedia. Asegúrese de que sea estable y lo más vertical posible a la capa.
4. Taladre un agujero en la capa inferior y coloque la cámara de 360 ° opcional. Hice una cubierta de goma extraíble para la cámara, en caso de que la cámara reciba un golpe durante la fase de aterrizaje.
5. Doble la pieza grande de tela o tela en rectángulos más pequeños y coloque 8 cuerdas de igual longitud en las esquinas más alejadas. Ate la cuerda en el otro extremo para que no se enrede. El paracaídas se adjuntará al final.

Paso 5: Mecanismo de lanzamiento

1. Haz dos ganchos, uno para indicarle a la varilla de metal y otro para ser el gatillo. Usé dos diseños diferentes: uno con placas de metal y otro con una impresora 3D. Diseñe sus ganchos basándose en las imágenes de arriba, y los archivos de impresión 3D están vinculados a continuación.

2. Para poder soltar el gatillo y lanzar el cohete usando un temporizador o un altímetro digital, se debe hacer el circuito Arduino especificado en la imagen de arriba. El altímetro digital se puede agregar conectando estos pines.

   • Arduino A5 -> BMP085 SCL
   • Arduino A4 -> BMP085 SDA
   • Arduino + 5V -> BMP085 VIN
   • Arduino GND -> BMP085 GND
3. Agregue el circuito al HAAS. Conecte el gancho del gatillo al motor con un cable y haga girar el motor para probar si el gancho puede deslizarse suavemente hacia afuera.
4. Muela el extremo de la varilla metálica delgada e insértelo en el tubo de aluminio. Luego, coloque dos resortes largos en el extremo de la varilla y conéctelo a la capa superior. Doble el extremo de la varilla para que pueda engancharse fácilmente en el mecanismo de lanzamiento.
5. Pruebe varias veces para asegurarse de que la caña se lanza sin problemas.

Archivos de impresión 3D:

Paso 6: cohete

1. Prepara dos botellas de aluminio. Corta la parte superior de una botella y la parte inferior de la otra.
2. Corta una pequeña cruz en la parte superior de la primera botella y en la parte inferior de la segunda botella.
3. Use alambre y tela para hacer un soporte para la cápsula de CO2 en la primera botella.
4. Inserte una cápsula de CO2 en la parte superior y apriétela en la parte inferior de la segunda botella de modo que la entrada de la cápsula de CO2 quede hacia abajo.
5. Diseñe y corte las aletas con plástico o acrílico, luego péguelas al costado del cohete. Utilice cualquier material preferido, en este caso masilla epoxi, para el cono.
6. Corta un agujero rectangular en el costado del cohete para la cámara de acción opcional.

Para terminar el HAAS, después de instalar el mecanismo de lanzamiento, envuelva la malla de aluminio alrededor del marco, átela a los pequeños orificios en el borde exterior. Haga un agujero en el lateral para poder acceder fácilmente al dispositivo. Haz una pequeña funda para el paracaídas y colócala en la capa superior. Dobla el paracaídas y colócalo en la carcasa.

Paso 7: codificación

El mecanismo de lanzamiento se puede activar de dos formas diferentes: con un temporizador o un altímetro digital. Se proporciona el código Arduino, así que comente el método que no desea utilizar antes de cargarlo en su Arduino.

Paso 8: prueba

Si está utilizando un temporizador para lanzar el cohete, pruebe unas cuantas veces con una cápsula de CO2 de repuesto durante unos minutos.

Si está utilizando el altímetro, pruebe si el mecanismo de lanzamiento funciona sin el cohete estableciendo la altitud de lanzamiento en ~ 2 metros y subiendo las escaleras. Luego, pruébelo a una altitud de lanzamiento más alta subiendo un ascensor (mi prueba se fijó en 37,5 metros). Pruebe que el mecanismo de lanzamiento realmente lanza un cohete utilizando el método del temporizador.

Se incluyen 12 videos de prueba de HAAS

Paso 9: Resultados

Es de esperar que a estas alturas ya hayas intentado hacer un rockoon tú mismo y quizás incluso hayas celebrado un lanzamiento exitoso de un cohete. Sin embargo, debo informar que mi intento de lanzamiento fracasó. La principal razón de mi fracaso fue que subestimé la cantidad de helio necesaria para levantar el HAAS. Utilizando la relación entre la masa molar del helio y la masa molar del aire, así como la temperatura y la presión, había calculado aproximadamente que necesitaba tres tanques de gas helio de 20 litros, pero descubrí que estaba terriblemente equivocado. Como era difícil comprar tanques de helio cuando era estudiante, no obtuve tanques de repuesto y ni siquiera logré levantar el HAAS por encima de los 5 metros del suelo. Entonces, si aún no ha intentado volar su rockoon, aquí tiene un consejo: obtenga la mayor cantidad de helio que pueda. En realidad, probablemente sería más razonable si calculara la cantidad necesaria, teniendo en cuenta que la presión y la temperatura disminuyen a medida que aumenta la altura (dentro de nuestro rango de vuelo), y que cuanto más vapor de agua haya, menos flotabilidad tendrá el helio, entonces obtenga el doble de la cantidad.

Después del lanzamiento fallido, decidí usar la cámara 360 para capturar un video aéreo del río circundante y el parque, así que lo até al globo de helio con una cuerda larga unida a la parte inferior y luego lo dejé volar. Inesperadamente, el viento a una altitud ligeramente alta se dirigía en la dirección completamente opuesta a los vientos más bajos, y el globo de helio se dirigió a una instalación de cableado eléctrico cercana. En un intento desesperado por rescatar mi cámara y no dañar el cableado, tiré de la cuerda atada, pero fue inútil; el globo ya estaba atrapado en el alambre. ¿Cómo diablos pueden salir mal tantas cosas en un día? Finalmente, llamé a la compañía de cableado y les pedí que recuperaran la cámara. Amablemente, lo hicieron, aunque me tomó tres meses recuperarlo. Para su diversión, se adjuntan algunas fotos y videos de este incidente.

Este accidente, aunque no se me ocurrió al principio, reveló una seria limitación en el uso de rockoons. Los globos no se pueden dirigir, al menos no con un mecanismo ligero y fácil de controlar que se puede instalar en el HAAS y, por lo tanto, es casi imposible lanzar el cohete a la órbita prevista. Además, dado que las condiciones de cada lanzamiento son diferentes y siguen cambiando a lo largo del ascenso, es difícil predecir el movimiento del rockoon, que luego requiere que el lanzamiento se realice en un sitio sin nada a su alrededor durante varios kilómetros, porque un lanzamiento fallido podría resultar. ser peligroso.

Creo que esta limitación se puede superar desarrollando un mecanismo de navegación en un plano 3D con arrastre del globo e interpretando el viento como fuerzas vectoriales. Las ideas en las que he pensado son velas, aire comprimido, hélices, mejor diseño del bastidor, etc. El desarrollo de estas ideas es algo en lo que trabajaré con mi próximo modelo de HAAS, y estaré deseando ver a algunos de ustedes desarrollar ellos también.

Con un poco de investigación, descubrí que dos especialidades aeroespaciales de Stanford, Daniel Becerra y Charlie Cox, usaron un diseño similar y tuvieron un lanzamiento exitoso desde 30, 000 pies. Las imágenes de su lanzamiento se pueden encontrar en el canal de Youtube de Stanford. Empresas como JP Aerospace están desarrollando "Especialidades" en rocas, diseñando y lanzando rocas más complejas con combustible sólido. Su sistema de diez globos, llamado "The Stack", es un ejemplo de varias mejoras en el rockoon. Creo que como una forma rentable de lanzar cohetes con sonda, varias otras empresas trabajarán para fabricar cohetes en el futuro.

Me gustaría agradecer al profesor Kim Kwang Il por apoyarme a lo largo de este proyecto, así como por brindarme recursos y consejos. También me gustaría agradecer a mis padres por estar entusiasmados con lo que me apasiona. Por último, pero no menos importante, me gustaría agradecerles por leer este Instructables. Con suerte, pronto se desarrollará tecnología respetuosa con el medio ambiente en la industria espacial, lo que permitirá visitas más frecuentes a las maravillas que existen.