كيفية صنع Rockoon: مشروع HAAS: 9 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:41

الفكرة وراء هذا Instructable هي توفير طريقة بديلة ، مهما بدت غير قابلة للتصديق ، لإطلاق الصواريخ بكفاءة عالية. مع التطورات الحديثة في تكنولوجيا الفضاء التي تركز على تقليل التكلفة ، اعتقدت أنه سيكون من الرائع تقديم موسيقى الروكون لجمهور أوسع. تنقسم هذه التعليمات إلى أربعة أجزاء: مقدمة ، تصميم ، بناء ، ونتائج. إذا كنت تريد تخطي مفهوم موسيقى الروك ولماذا صممت لي بالطريقة التي فعلت بها ، فانتقل مباشرة إلى جزء المبنى. أتمنى أن تستمتع ، وأحب أن أسمع منك عن أفكارك حول مشروعي أو عن التصميم والبناء الخاص بك !!

الخطوة 1: معلومات أساسية

وفقًا لـ Encyclopedia Astronautica ، فإن الصخور (من صاروخ ومنطاد) هي صاروخ يتم حمله أولاً إلى الغلاف الجوي العلوي بواسطة بالون مملوء بالغاز أخف من الهواء ، ثم يتم فصله واشتعاله. يسمح هذا للصاروخ بتحقيق ارتفاع أعلى باستخدام وقود أقل ، حيث لا يتعين على الصاروخ التحرك تحت الطاقة عبر الطبقات السفلية والأكثر سمكًا من الغلاف الجوي. تم تصميم المفهوم الأصلي أثناء إطلاق صاروخ Aerobee من Norton Sound في مارس 1949 ، وتم إطلاقه لأول مرة من قبل مجموعة مكتب الأبحاث البحرية تحت قيادة James A. Van Allen.

عندما بدأت مشروعي لأول مرة على rockoon ، لم يكن لدي أي فكرة عن ماهية موسيقى الروكوون. فقط بعد أن انتهيت من التوثيق بعد مشروعي اكتشفت أن هناك اسمًا لهذا الجهاز الذي صنعته. كطالب كوري جنوبي مهتم بتكنولوجيا الفضاء ، شعرت بالإحباط بسبب تطوير بلدي للصواريخ منذ أن كنت صغيرًا. على الرغم من أن وكالة الفضاء الكورية ، KARI ، قد قامت بعدة محاولات لإطلاق مركبات فضائية ، ونجحت مرة واحدة ، فإن تقنيتنا ليست قريبة من وكالات الفضاء الأخرى مثل NASA أو ESA أو CNSA أو Roscosmos. تم استخدام صاروخنا الأول ، Naro-1 ، في جميع محاولات الإطلاق الثلاث ، والتي يشتبه في فشل اثنتين منها بسبب فصل المراحل أو الانسيابية. الصاروخ التالي ، Naro-2 ، هو صاروخ ثلاثي المراحل ، مما يجعلني أتساءل ، هل من الحكمة تقسيم الصاروخ إلى عدة مراحل؟ وتتمثل فوائد القيام بذلك في أن الصاروخ يفقد كتلة كبيرة حيث يتم فصل المراحل ، وبالتالي زيادة كفاءة الوقود الدافع. ومع ذلك ، فإن إطلاق الصواريخ متعددة المراحل يزيد أيضًا من فرصة أن ينتهي الإطلاق بالفشل.

جعلني هذا أفكر في طرق لتقليل مراحل الصاروخ مع زيادة كفاءة الوقود. إن إطلاق صواريخ من طائرات مثل الصواريخ ، باستخدام مواد قابلة للاحتراق لأجسام مرحلة الصواريخ ، هي بعض الأفكار الأخرى التي كانت لدي ، ولكن أحد الخيارات التي جذبتني كان منصة الإطلاق على ارتفاعات عالية. فكرت ، "لماذا لا يمكن إطلاق صاروخ من بالون هيليوم فوق معظم الغلاف الجوي؟ يمكن أن يكون الصاروخ بعد ذلك صاروخًا أحادي المرحلة ، مما يبسط عملية الإطلاق بشكل كبير ، فضلاً عن تقليل التكلفة ". لذلك ، قررت تصميم وبناء rockoon بنفسي كدليل على المفهوم ، ومشاركة هذه التعليمات حتى تتمكن من تجربتها جميعًا إذا أردت.

يُطلق على النموذج الذي صنعته اسم HAAS ، وهو اختصار لـ High Altitude Aerial Spaceport ، على أمل ألا تكون الصخور ذات يوم مجرد منصة إطلاق مؤقتة للصواريخ ، ولكنها منصة دائمة تُستخدم لإطلاق مركبات الإطلاق الفضائية وإعادة التزود بالوقود والهبوط..

الخطوة الثانية: التصميم

لقد صممت نظام HAAS بناءً على أشكال بديهية وحسابات أساسية

العمليات الحسابية:

باستخدام دليل ناسا حول "تصميم بالون عالي الارتفاع" ، حسبت أنني سأحتاج إلى حوالي 60 لترًا من الهيليوم لرفع 2 كجم على الأكثر ، وهو الحد الأعلى الذي حددناه لوزن HAAS ، مع الأخذ في الاعتبار أن درجة الحرارة والارتفاع سيكون لهما تأثير على قوة طفو الهليوم ، كما هو مذكور في "تأثير الارتفاع ودرجة الحرارة على التحكم بحجم الصوت لمنطاد الهيدروجين" بقلم ميشيل ترانكوسي. ومع ذلك ، لم يكن هذا كافيًا ، والذي سأتحدث عنه بمزيد من التفصيل ، ولكن كان ذلك لأنني لم آخذ في الاعتبار تأثير بخار الماء على طفو الهيليوم.

إطار:

• شكل أسطواني لتقليل تأثير الرياح
• ثلاث طبقات (علوي لحمل الصاروخ ، وسط لآلية الإطلاق ، وقاع لكاميرا 360 درجة)
• طبقة وسطى سميكة لمزيد من الثبات
• قضبان عمودية لوضع الصواريخ وتوجيهها
• كاميرا 360 درجة للقطات
• مظلة قابلة للطي لائقة آمنة
• بالون هيليوم أسطواني رفيع للحد الأدنى من زاوية إزاحة الصاروخ

آلية الإطلاق

• المعالج الدقيق: Arduino Uno
• طرق الإطلاق: المؤقت / مقياس الارتفاع الرقمي

• طريقة تنشيط الوقود: عن طريق ثقب ثقب في كبسولة عالية الضغط من ثاني أكسيد الكربون

  • مسمار معدني متصل بالزنبركات
  • تتكون آلية الإطلاق من خطافين
  • أطلق عن طريق حركة المحرك
• حماية الأجهزة الإلكترونية من درجات الحرارة المنخفضة

لقد توصلت إلى عدة طرق لتحرير السنبلة بحركة محرك.

باستخدام تصميم مشابه لقفل الباب ذي المفاتيح ، عن طريق سحب اللوحة المعدنية حتى يتماشى مفتاح النهاية مع الفتحة الأكبر ، يمكن إطلاق السنبلة. ومع ذلك ، فقد ثبت أن الاحتكاك قوي للغاية ، ولم يتمكن المحرك من تحريك اللوحة.

كان وجود خطاف يمسك بالسنبلة ودبوسًا يقفل الخطاف بجسم ثابت حلاً آخر. مثل الجزء الخلفي من دبوس أمان مطفأة الحريق ، عندما يتم سحب الدبوس ، فإن الخطاف سوف يفسح المجال ويطلق السنبلة. أنتج هذا التصميم أيضًا الكثير من الاحتكاك.

التصميم الحالي الذي أستخدمه هو استخدام خطافين ، وهو تصميم مشابه لمشغل البندقية. يتم تثبيت الخطاف الأول على السنبلة ، بينما يتم تثبيت الخطاف الآخر في شق صغير في الجزء الخلفي من الخطاف الأول. ضغط الينابيع يثبت الخطافات في مكانها ، وللمحرك عزم دوران كافٍ لفتح الخطاف الثانوي وإطلاق الصاروخ.

صاروخ:

• الدافع: ضغط ثاني أكسيد الكربون
• تقليل الوزن
• كاميرا أكشن مدمجة في الجسم
• كبسولة CO2 قابلة للاستبدال (صاروخ قابل لإعادة الاستخدام)
• جميع الميزات الرئيسية لنموذج الصواريخ (الأنف ، الجسم الأسطواني ، الزعانف)

نظرًا لأن دافع الصواريخ الصلب لم يكن الخيار الأفضل للإطلاق في منطقة مأهولة بالسكان ، فقد اضطررت إلى اختيار أنواع أخرى من الوقود. البدائل الأكثر شيوعًا هي الهواء المضغوط والماء. نظرًا لأن المياه يمكن أن تلحق الضرر بالإلكترونيات الموجودة على متن الطائرة ، يجب أن يكون الهواء المضغوط هو الدافع ، ولكن حتى مضخة الهواء الصغيرة كانت ثقيلة جدًا وتستهلك الكثير من الكهرباء على نظام HAAS. لحسن الحظ ، فكرت في كبسولات CO2 الصغيرة التي اشتريتها منذ بضعة أيام لإطارات دراجتي ، وقررت أنها ستكون دافعًا فعالًا.

الخطوة 3: المواد

من أجل إنشاء HAAS ، ستحتاج إلى ما يلي.

للإطار:

• ألواح خشبية رقيقة (أو أي لوح خفيف ومستقر ، MDF)
• براغي وصواميل طويلة
• شبكة الألمنيوم
• 4x منزلق ألومنيوم
• 1x أنابيب الألومنيوم
• كاميرا بزاوية 360 درجة (اختيارية ، Samsung Gear 360)
• قطعة كبيرة من القماش والحبل (أو نموذج بمظلة صاروخية)

لآلية الإطلاق

• 2x نوابض طويلة
• 1x قضيب معدني
• سلك رفيع
• بعض ألواح الألمنيوم
• 1x اللوح
• 1x Arduino Uno (مع موصل USB)
• مستشعر درجة الحرارة والضغط (Adafruit BMP085)
• بيزو بيززر (Adafruit PS1240)
• محرك صغير (Motorbank GWM12F)
• أسلاك العبور
• وحدة تحكم المحرك (L298N Dual H-Bridge Motor Controller)
• البطاريات وحامل البطارية

لصاروخ الهواء

• علب إعادة تعبئة إطارات الدراجة CO2 (Bontager CO2 Threaded 16g)
• عدة علب ألمنيوم (2 لكل صاروخ)
• ألواح أكريليك (أو بلاستيك)
• شرائط
• العصابات المرنة
• خيوط طويلة
• كاميرا الحركة (اختيارية ، كاميرا Xiaomi Action)

أدوات:

• مسدس الغراء
• معجون إيبوكسي (اختياري)
• المنشار / القاطع الماسي (اختياري)
• طابعة ثلاثية الأبعاد (اختيارية)
• آلة القطع بالليزر أو آلة الطحن CNC (اختياري)

احذر! يرجى استخدام الأدوات بحذر والتعامل معها بحذر. اطلب من شخص آخر المساعدة إن أمكن ، واحصل على المساعدة باستخدام أدوات محددة إذا كنت لا تعرف كيفية استخدامها.

الخطوة 4: الإطار

1. استخدم أداة القطع بالليزر أو آلة الطحن CNC أو أي أداة تفضلها لتقطيع اللوح الخشبي الرفيع بالشكل الموجود في الصور المرفقة. تتكون الطبقة العليا من لوحين متصلين بمسامير للتثبيت. (بالنسبة للطحن أو القطع بالليزر ، يتم توفير الملفات أدناه.
2. اقطع منزلقات الألمنيوم إلى أطوال متساوية وأدخلها في الشقوق على طول الحلقة الداخلية لكل طبقة. باستخدام مسدس الغراء ، قم بلصق الطبقات بحيث يكون هناك مساحة للصاروخ في الأعلى.
3. ضع أنبوب الألمنيوم في وسط الطبقة الوسطى. تأكد من أنها مستقرة وعمودية على الطبقة قدر الإمكان.
4. قم بعمل ثقب في الطبقة السفلية وقم بتوصيل الكاميرا الاختيارية بزاوية 360 درجة. لقد صنعت غطاءًا مطاطيًا قابل للإزالة للكاميرا ، في حالة تعرض الكاميرا لصدمة أثناء مرحلة الهبوط.
5. اطوِ قطعة القماش الكبيرة أو القماش إلى مستطيلات أصغر واربط 8 حبال متساوية الطول في أبعد الزوايا. اربط الحبل في النهاية البعيدة حتى لا يتشابك. سيتم إرفاق المظلة في النهاية.

الخطوة 5: آلية الإطلاق

1. اصنع خطافين ، أحدهما يخبر القضيب المعدني والآخر ليكون الزناد. لقد استخدمت تصميمين مختلفين: أحدهما يستخدم ألواح معدنية ، والآخر يستخدم طابعة ثلاثية الأبعاد. صمم خطافاتك بناءً على الصور أعلاه ، وملفات الطباعة ثلاثية الأبعاد مرتبطة أدناه.

2. لكي تكون قادرًا على إطلاق الزناد وإطلاق الصاروخ باستخدام إما مؤقت أو مقياس ارتفاع رقمي ، يجب عمل دائرة Arduino المحددة في الصورة أعلاه. يمكن إضافة مقياس الارتفاع الرقمي عن طريق توصيل هذه المسامير.

   • اردوينو A5 -> BMP085 SCL
   • اردوينو A4 -> BMP085 SDA
   • اردوينو + 5 فولت -> BMP085 VIN
   • اردوينو GND -> BMP085 GND
3. أضف الدائرة إلى HAAS. قم بتوصيل خطاف الزناد بالمحرك بسلك ، وقم بتدوير المحرك لاختبار ما إذا كان الخطاف يمكن أن ينزلق بسلاسة.
4. قم بطحن نهاية القضيب المعدني الرقيق وأدخله في أنبوب الألمنيوم. بعد ذلك ، قم بإرفاق نوابض طويلة بنهاية القضيب ، وقم بتوصيله بالطبقة العلوية. قم بثني نهاية القضيب بحيث يمكن ربطه بسهولة بآلية الإطلاق.
5. اختبر عدة مرات للتأكد من بدء تشغيل القضيب بسلاسة.

ملفات الطباعة ثلاثية الأبعاد:

الخطوة 6: الصاروخ

1. تحضير زجاجتين من الألومنيوم. قطع الجزء العلوي من زجاجة والجزء السفلي من الآخر.
2. قطع صليبًا خفيفًا أعلى الزجاجة الأولى وقاع الزجاجة الثانية.
3. استخدم الأسلاك والقماش لعمل حامل لكبسولة ثاني أكسيد الكربون على الزجاجة الأولى.
4. أدخل كبسولة ثاني أكسيد الكربون في الجزء العلوي ، واضغط عليها في قاع الزجاجة الثانية بحيث يكون مدخل كبسولة ثاني أكسيد الكربون متجهًا لأسفل.
5. قم بتصميم وقطع الزعانف بالبلاستيك أو الأكريل ثم الصقها على جانب الصاروخ. استخدم أي مادة مفضلة ، في هذه الحالة معجون إيبوكسي ، للمخروط.
6. قطع فتحة مستطيلة على جانب الصاروخ لكاميرا الحركة الاختيارية.

لإنهاء HAAS ، بعد تثبيت آلية الإطلاق ، قم بلف شبكة الألومنيوم حول الإطار ، واربطها بالفتحات الصغيرة الموجودة على الحافة الخارجية. اقطع فتحة على الجانب للوصول إلى الجهاز بسهولة. اصنع غلافًا صغيرًا للمظلة وضعه على الطبقة العليا. اطوِ المظلة وضعها في الغلاف.

الخطوة 7: التشفير

يمكن تنشيط آلية الإطلاق بطريقتين مختلفتين: باستخدام جهاز ضبط الوقت أو مقياس الارتفاع الرقمي. تم توفير كود Arduino ، لذا قم بالتعليق على الطريقة التي لا تريد استخدامها قبل تحميلها على Arduino.

الخطوة 8: الاختبار

إذا كنت تستخدم مؤقتًا لإطلاق الصاروخ ، فاختبر عدة مرات باستخدام كبسولة احتياطية لثاني أكسيد الكربون في بضع دقائق.

إذا كنت تستخدم مقياس الارتفاع ، فاختبر ما إذا كانت آلية الإطلاق تعمل بدون الصاروخ عن طريق ضبط ارتفاع الإطلاق على حوالي مترين وصعود السلم. بعد ذلك ، اختبرها على ارتفاع إطلاق أعلى عن طريق الصعود إلى المصعد (تم ضبط الاختبار على 37.5 مترًا). اختبر أن آلية الإطلاق تطلق صاروخًا بالفعل باستخدام طريقة المؤقت.

تم تضمين 12 مقطع فيديو تجريبيًا لنظام HAAS

الخطوة 9: النتائج

نأمل الآن أنك قد حاولت صنع روك بنفسك وربما احتفلت بإطلاق صاروخ ناجح. ومع ذلك ، يجب أن أبلغ أن محاولة الإطلاق الخاصة بي انتهت بالفشل. كان السبب الرئيسي لفشلي هو أنني قللت من كمية الهيليوم اللازمة لرفع HAAS. باستخدام نسبة الكتلة المولية للهيليوم إلى الكتلة المولية للهواء ، بالإضافة إلى درجة الحرارة والضغط ، كنت قد حسبت تقريبًا أنني بحاجة لثلاثة خزانات من غاز الهليوم 20 لترًا ، لكنني اكتشفت أنني كنت مخطئًا بشكل فظيع. نظرًا لأنه كان من الصعب شراء خزانات الهيليوم كطالب ، لم أحصل على أي خزانات احتياطية ، وفشلت حتى في الحصول على HAAS على ارتفاع 5 أمتار من الأرض. لذا ، إذا لم تكن قد حاولت إطلاق صخرة الروك بعد ، فإليك نصيحة: احصل على أكبر قدر من الهيليوم يمكنك الحصول عليه. في الواقع ، من المحتمل أن يكون من المعقول أكثر إذا قمت بحساب الكمية المطلوبة ، مع الأخذ في الاعتبار انخفاض الضغط ودرجة الحرارة مع زيادة الارتفاع (ضمن نطاق طيراننا) ، وأنه كلما زاد بخار الماء ، قلت قوة الهيليوم في الطفو ، ثم احصل على ضعف المبلغ.

في أعقاب الإطلاق الفاشل ، قررت استخدام الكاميرا بزاوية 360 درجة لالتقاط مقطع فيديو جوي للنهر المحيط والمنتزه ، لذلك قمت بربطه بمنطاد الهيليوم بخيط طويل متصل بالجزء السفلي ، ثم دعه يطير. بشكل غير متوقع ، كانت الرياح على ارتفاع طفيف تتجه في الاتجاه المعاكس تمامًا مثل الرياح المنخفضة ، وانجرف بالون الهيليوم إلى تركيب الأسلاك الكهربائية في مكان قريب. في محاولة يائسة لإنقاذ الكاميرا الخاصة بي وعدم إتلاف الأسلاك ، قمت بشد الحبل الموصول ، لكنه كان عديم الفائدة ؛ كان البالون عالقًا بالفعل في السلك. كيف على الأرض يمكن أن تسوء أشياء كثيرة في يوم واحد؟ في النهاية ، اتصلت بشركة الأسلاك وطلبت منهم استعادة الكاميرا. لقد فعلوا ، بلطف ، رغم أنني استغرقت ثلاثة أشهر لاستعادتها. للتسلية ، أرفق بعض الصور ومقاطع الفيديو من هذا الحادث.

هذا الحادث ، على الرغم من أنه لم يحدث لي في البداية ، كشف عن قيود خطيرة لاستخدام موسيقى الروك. لا يمكن توجيه البالونات ، على الأقل ليس بآلية خفيفة وسهلة التحكم يمكن تثبيتها على HAAS ، وبالتالي ، يكاد يكون من المستحيل إطلاق الصاروخ إلى مدار مقصود. أيضًا ، نظرًا لأن ظروف كل إطلاق مختلفة وتتغير باستمرار طوال فترة الصعود ، فمن الصعب التنبؤ بحركة Rockoon ، الأمر الذي يتطلب بعد ذلك الإطلاق في موقع لا يوجد حوله شيء لعدة كيلومترات ، لأن الإطلاق الفاشل يمكن أن يثبت لتكون خطرة.

أعتقد أنه يمكن التغلب على هذا القيد من خلال تطوير آلية للتنقل على مستوى ثلاثي الأبعاد بالسحب من البالون ، وتفسير الرياح على أنها قوى متجهة. الأفكار التي فكرت فيها هي الأشرعة ، والهواء المضغوط ، والمراوح ، وتصميم إطار أفضل ، وما إلى ذلك. إن تطورات هذه الأفكار هي شيء سأعمل عليه مع نموذجي التالي من HAAS ، وسأكون متشوقًا لرؤية بعضكم يطور لهم كذلك.

مع القليل من البحث ، وجدت أن اثنين من رواد الفضاء في ستانفورد ، دانيال بيسيرا وتشارلي كوكس ، استخدموا تصميمًا مشابهًا وحققوا انطلاقًا ناجحًا من ارتفاع 30 ألف قدم. يمكن العثور على لقطات إطلاقها على قناة ستانفورد يوتيوب. تعمل شركات مثل جي بي إيروسبيس على تطوير "تخصصات" على الصخور ، وتصميم وإطلاق روكونز أكثر تعقيدًا بالوقود الصلب. نظامهم المكون من عشرة بالونات ، المسمى "The Stack" ، هو مثال على تحسينات مختلفة على Rockoon. أعتقد أنه كطريقة فعالة من حيث التكلفة لإطلاق صواريخ السبر ، ستعمل العديد من الشركات الأخرى على صنع موسيقى الروك في المستقبل.

أود أن أشكر البروفيسور Kim Kwang Il ، على دعمه لي طوال هذا المشروع ، فضلاً عن توفير الموارد والمشورة. أود أيضًا أن أشكر والديّ على حماسهما لما أنا متحمس له. أخيرًا وليس آخرًا ، أود أن أشكرك على قراءة هذه التعليمات. نأمل أن يتم تطوير تكنولوجيا صديقة للبيئة في صناعة الفضاء قريبًا ، مما يتيح المزيد من الزيارات المتكررة للعجائب الموجودة هناك.