Como fazer um Rockoon: Projeto HAAS: 9 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:39

A ideia por trás deste Instructable é fornecer um método alternativo, por mais implausível que possa parecer, para lançamentos de foguetes de baixo custo. Com os recentes desenvolvimentos de tecnologia espacial focados na redução de custos, achei que seria ótimo apresentar o rockoon a um público mais amplo. Este Instructables é amplamente dividido em quatro partes: introdução, design, construção e resultados. Se você quiser pular o conceito de rockoons e por que projetei o meu da maneira que fiz, vá direto para a parte de construção. Espero que gostem e eu adoraria ouvir de você sobre suas opiniões sobre meu projeto ou sobre seu próprio design e construções !!

Etapa 1: informações básicas

De acordo com a Encyclopedia Astronautica, um foguete (de foguete e balão) é um foguete que é primeiro carregado para a atmosfera superior por um balão cheio de gás mais leve que o ar, depois separado e inflamado. Isso permite que o foguete atinja uma altitude maior com menos propelente, já que o foguete não precisa se mover com força através das camadas mais baixas e mais espessas da atmosfera. O conceito original foi concebido durante uma botija de disparo do Aerobee no Norton Sound em março de 1949, e foi lançado pela primeira vez pelo grupo Office of Naval Research sob James A. Van Allen.

Quando comecei meu projeto no rockoon, não tinha ideia do que era um rockoon. Foi só depois de terminar a documentação do meu projeto que descobri que havia um nome para este dispositivo que eu havia feito. Como um estudante sul-coreano interessado em tecnologia espacial, estou frustrado com o desenvolvimento de foguetes em meu país desde que era jovem. Embora a agência espacial coreana, KARI, tenha feito várias tentativas com veículos lançadores espaciais e tenha tido sucesso uma vez, nossa tecnologia está longe de outras agências espaciais como NASA, ESA, CNSA ou Roscosmos. Nosso primeiro foguete, o Naro-1, foi usado para todas as três tentativas de lançamento, duas das quais são suspeitas de terem falhado devido à separação de fases ou carenagem. O próximo foguete a ser feito, o Naro-2, é um foguete de três estágios, o que me faz questionar, é sensato dividir o foguete em vários estágios? Os benefícios de fazer isso seriam que o foguete perderia uma massa significativa à medida que os estágios fossem separados, aumentando, portanto, a eficiência do propelente. No entanto, o lançamento de foguetes de vários estágios também aumenta a chance de que o lançamento fracasse.

Isso me fez pensar em maneiras de minimizar os estágios do foguete e, ao mesmo tempo, maximizar a eficiência do propelente. O lançamento de foguetes de aviões como mísseis, usando material combustível para corpos de palco de foguetes, são algumas outras idéias que tive, mas uma opção que me atraiu foi a plataforma de lançamento de alta altitude. Eu pensei: “Por que um foguete não pode simplesmente ser lançado de um balão de hélio, acima da maior parte da atmosfera? O foguete pode então ser um foguete de sondagem de estágio único, o que simplificaria o processo de lançamento significativamente, além de diminuir o custo.” Então, eu decidi projetar e construir um rockoon sozinho como uma prova de conceito e compartilhar este Instructables para que todos possam experimentá-lo, se quiserem.

O modelo que construí é chamado HAAS, abreviação de High Altitude Aerial Spaceport, na esperança de que um dia, os rockoons não sejam apenas uma plataforma temporária de lançamento de foguetes, mas uma plataforma permanente usada para lançamento, reabastecimento e pouso de veículos lançadores espaciais.

Etapa 2: Design

Projetei o HAAS com base em formas intuitivas e cálculos básicos

Cálculos:

Usando o guia da Nasa sobre "Projetar um balão de alta altitude", calculei que precisaria de cerca de 60L de hélio para levantar no máximo 2kg, o limite superior que estabelecemos para o peso HAAS, levando em consideração que a temperatura e a altitude afetarão o força de empuxo do hélio, conforme mencionado em "Efeito da altitude e da temperatura no controle de volume de um dirigível a hidrogênio", de Michele Trancossi. No entanto, isso não foi suficiente, sobre o qual falarei mais detalhadamente, mas foi porque não levei em consideração o efeito do vapor d'água na flutuabilidade do hélio.

Quadro:

• Forma cilíndrica para minimizar o efeito do vento
• Três camadas (superior para segurar o foguete, meio para o mecanismo de lançamento, inferior para câmera 360)
• Camada intermediária espessa para estabilidade extra
• Trilhos verticais para posicionamento e orientação de foguetes
• Câmera 360 ° para filmagem
• Pára-quedas dobrável para decente seguro
• Balão de hélio cilíndrico fino para ângulo mínimo de deslocamento do foguete

Mecanismo de Lançamento

• Microprocessador: Arduino Uno
• Métodos de lançamento: Timer / Altímetro Digital

• Método de ativação do propelente: Perfurando um orifício em uma cápsula de CO2 de alta pressão

  • Espigão de metal preso a molas
  • O mecanismo de liberação consiste em dois ganchos
  • Liberado pelo movimento do motor
• Proteção de dispositivos eletrônicos contra temperaturas mais baixas

Eu vim com vários métodos de liberação do pico com um movimento motor.

Usando um design semelhante a uma fechadura com chave de corrente, puxando a placa de metal até que a chave final se alinhe com o orifício maior, o espigão pode ser lançado. No entanto, o atrito provou ser muito forte e o motor não conseguia mover a placa.

Ter um gancho segurando a ponta e um pino prendendo o gancho a um objeto fixo era outra solução. Como o reverso do pino de segurança de um extintor de incêndio, quando o pino é puxado para fora, o gancho cedia e lançava o espigão. Este projeto também produziu muito atrito.

O design atual que uso é usando dois ganchos, um design semelhante a um gatilho de arma. O primeiro anzol segura o espigão, enquanto o outro é preso em um pequeno entalhe na parte de trás do primeiro anzol. A pressão das molas mantém os ganchos no lugar e o motor tem torque suficiente para destravar o gancho secundário e lançar o foguete.

Foguete:

• Propelente: CO2 pressurizado
• Minimize o peso
• Câmera de ação integrada ao corpo
• Cápsula de CO2 substituível (foguete reutilizável)
• Todas as principais características dos modelos de foguetes (nariz, corpo cilíndrico, aletas)

Como o propelente de foguete sólido não era a melhor opção para lançar em uma área povoada, tive que optar por outros tipos de propelente. As alternativas mais comuns são ar e água pressurizados. Como a água poderia danificar os componentes eletrônicos a bordo, o ar pressurizado tinha que ser o propulsor, mas mesmo uma minibomba de ar era muito pesada e consumia muita eletricidade para ter no HAAS. Felizmente, pensei nas mini cápsulas de CO2 que comprei há alguns dias para os pneus da minha bicicleta e decidi que seria um propelente eficaz.

Etapa 3: Materiais

Para fazer um HAAS, você precisará do seguinte.

Para o quadro:

• Tábuas de madeira finas (ou qualquer placa leve e estável, MDF)
• Porcas e parafusos longos
• Malha de Alumínio
• 4x controle deslizante de alumínio
• 1x tubo de alumínio
• Câmera 360 ° (opcional, Samsung Gear 360)
• Grande pedaço de pano e corda (ou um modelo de foguete paraquedas)

Para o mecanismo de lançamento

• 2x molas longas
• 1x haste de metal
• Fio fino
• Algumas placas de alumínio
• 1x breadboard
• 1x Arduino Uno (com conector USB)
• Sensor de temperatura e pressão (Adafruit BMP085)
• Piezo Buzzer (Adafruit PS1240)
• Motor pequeno (Motorbank GWM12F)
• Fios de ligação
• Controlador de motor (Controlador de motor Dual H-Bridge L298N)
• Baterias e suporte de bateria

Para o foguete aéreo

• Latas de recarga de pneus de bicicleta CO2 (Bontager CO2 rosqueado 16g)
• Várias latas de alumínio (2 para cada foguete)
• Placas de acrílico (ou plástico)
• Fitas
• Tiras elásticas
• Cordas longas
• Câmera de ação (opcional, Câmera de ação Xiaomi)

Ferramentas:

• Pistola de cola
• Massa epóxi (opcional)
• Serra / cortador de diamante (opcional)
• Impressora 3D (opcional)
• Cortador a laser ou fresadora CNC (opcional)

Cuidado! Use as ferramentas com cuidado e manuseie-as com cuidado. Tenha alguém por perto para ajudar, se possível, e obtenha ajuda usando ferramentas selecionadas se você não souber como usá-las.

Etapa 4: Quadro

1. Use um cortador a laser, uma fresadora CNC ou qualquer ferramenta de sua preferência para cortar a placa de madeira fina na forma das fotos anexas. A camada superior é composta por duas placas conectadas com parafusos para estabilização. (Para fresamento ou corte a laser, os arquivos são fornecidos abaixo.
2. Corte os controles deslizantes de alumínio em comprimentos iguais e insira-os nas fendas ao longo do anel interno de cada camada. Usando uma pistola de cola, cole as camadas de modo que haja espaço para o foguete no topo.
3. Coloque o tubo de alumínio no centro da camada do meio. Certifique-se de que esteja estável e o mais vertical possível em relação à camada.
4. Faça um furo na camada inferior e conecte a câmera 360 ° opcional. Fiz uma capa de borracha removível para a câmera, caso a câmera receba um choque durante a fase de pouso.
5. Dobre o pedaço grande de tecido ou pano em retângulos menores e prenda 8 cordas de igual comprimento nos cantos mais distantes. Amarre a corda na extremidade para que não fique emaranhada. O paraquedas será colocado bem no final.

Etapa 5: mecanismo de lançamento

1. Faça dois ganchos, um para dizer a haste de metal e outro para ser o gatilho. Usei dois designs diferentes: um usando placas de metal e outro usando uma impressora 3D. Projete seus ganchos com base nas imagens acima, e os arquivos de impressão 3D estão vinculados abaixo.

2. Para poder liberar o gatilho e lançar o foguete usando um cronômetro ou um altímetro digital, o circuito Arduino especificado na imagem acima deve ser feito. O altímetro digital pode ser adicionado conectando esses pinos.

   • Arduino A5 -> BMP085 SCL
   • Arduino A4 -> BMP085 SDA
   • Arduino + 5V -> BMP085 VIN
   • Arduino GND -> BMP085 GND
3. Adicione o circuito ao HAAS. Conecte o gancho do gatilho ao motor com um fio e gire o motor para testar se o gancho pode deslizar suavemente para fora.
4. Moa a ponta da haste de metal fina e insira-a no tubo de alumínio. Em seguida, prenda duas molas longas na extremidade da haste e conecte-a à camada superior. Dobre a extremidade da haste para que possa ser facilmente engatada no mecanismo de lançamento.
5. Teste algumas vezes para ter certeza de que a haste foi lançada suavemente.

Arquivos de impressão 3D:

Etapa 6: foguete

1. Prepare duas garrafas de alumínio. Corte a parte superior de uma garrafa e a parte inferior da outra.
2. Corte uma pequena cruz na parte superior da primeira garrafa e no fundo da segunda garrafa.
3. Use arame e tecido para fazer um suporte para a cápsula de CO2 do primeiro frasco.
4. Insira uma cápsula de CO2 na parte superior e aperte-a no fundo do segundo frasco de forma que a entrada da cápsula de CO2 fique voltada para baixo.
5. Desenhe e corte aletas com plástico ou acrílico e, em seguida, cole-as na lateral do foguete. Use qualquer material preferido, neste caso massa epóxi, para o cone.
6. Corte um orifício retangular na lateral do foguete para a câmera de ação opcional.

Para finalizar o HAAS, após instalar o mecanismo de lançamento, enrole a malha de alumínio em volta da moldura, amarre-a nos pequenos orifícios da borda externa. Faça um orifício na lateral para alcançar o dispositivo facilmente. Faça um pequeno invólucro para o paraquedas e coloque-o na camada superior. Dobre o pára-quedas e coloque-o na caixa.

Etapa 7: codificação

O mecanismo de lançamento pode ser ativado de duas maneiras diferentes: com um cronômetro ou um altímetro digital. O código do Arduino é fornecido, portanto, comente o método que você não deseja usar antes de fazer o upload para o seu Arduino.

Etapa 8: Teste

Se você estiver usando o cronômetro para lançar o foguete, teste algumas vezes com a cápsula de CO2 sobressalente em alguns minutos.

Se você estiver usando o altímetro, teste se o mecanismo de lançamento funciona sem o foguete, definindo a altitude de lançamento para ~ 2 metros e subindo a escada. Em seguida, teste-o em uma altitude de lançamento mais alta, subindo em um elevador (Meu teste foi definido para 37,5 metros). Teste se o mecanismo de lançamento realmente lança um foguete usando o método do cronômetro.

Estão incluídos 12 vídeos de teste do HAAS

Etapa 9: Resultados

Felizmente, a esta altura, você já tentou fazer um foguete e talvez até tenha comemorado o lançamento de um foguete de sucesso. Devo relatar, no entanto, que minha tentativa de lançamento fracassou. O principal motivo do meu fracasso foi subestimar a quantidade de hélio necessária para erguer o HAAS. Usando a relação entre a massa molar de hélio e a massa molar de ar, bem como a temperatura e a pressão, calculei aproximadamente que precisava de três tanques de 20L de gás hélio, mas descobri que estava terrivelmente errado. Como era difícil comprar tanques de hélio quando estudante, não consegui nenhum tanque sobressalente e nem mesmo consegui tirar o HAAS acima de 5 metros do solo. Então, se você ainda não tentou voar com seu rockoon, aqui vai um conselho: consiga o máximo de hélio que puder em suas mãos. Na verdade, provavelmente seria mais razoável se você calculasse a quantidade necessária, levando em consideração que a pressão e a temperatura diminuem à medida que a altura aumenta (dentro de nossa faixa de voo), e que quanto mais vapor de água houver, menos hélio terá flutuabilidade, então obtenha o dobro da quantia.

Após o lançamento fracassado, decidi usar a câmera 360º para capturar um vídeo aéreo do rio ao redor e estacionar, então amarrei ao balão de hélio com um longo fio preso ao fundo e depois o deixei voar. Inesperadamente, o vento em uma altitude ligeiramente elevada estava indo na direção totalmente oposta aos ventos mais baixos, e o balão de hélio foi levado para uma instalação de fiação elétrica próxima. Em uma tentativa desesperada de resgatar minha câmera e não danificar a fiação, puxei a corda presa, mas foi inútil; o balão já estava preso no arame. Como na Terra tantas coisas podem dar errado em um dia? Por fim, liguei para a empresa de fiação e pedi que recuperassem a câmera. Gentilmente, eles fizeram, embora eu tenha demorado três meses para recuperá-lo. Para sua diversão, seguem em anexo algumas fotos e vídeos desse incidente.

Este acidente, embora não tenha me ocorrido a princípio, revelou uma séria limitação do uso de rockoons. Os balões não podem ser dirigidos, pelo menos não com um mecanismo leve e fácil de controlar que pode ser instalado no HAAS e, portanto, é quase impossível lançar o foguete na órbita pretendida. Além disso, como as condições de cada lançamento são diferentes e mudam continuamente ao longo da subida, é difícil prever o movimento do foguete, que então requer que o lançamento seja feito em um local sem nada ao redor por vários quilômetros, porque um lançamento mal sucedido poderia provar ser perigoso.

Acredito que essa limitação pode ser superada desenvolvendo um mecanismo de navegação em um plano 3D com arrasto do balão e interpretando o vento como forças vetoriais. As ideias nas quais pensei são velas, ar comprimido, hélices, um melhor design de estrutura, etc. O desenvolvimento dessas ideias é algo em que estarei trabalhando com meu próximo modelo de HAAS, e ficarei ansioso para ver alguns de vocês desenvolvendo eles também.

Com um pouco de pesquisa, descobri que dois majores aeroespaciais de Stanford, Daniel Becerra e Charlie Cox, usaram um design semelhante e tiveram um lançamento bem-sucedido a 30.000 pés. A filmagem do lançamento pode ser encontrada no canal Stanford no Youtube. Empresas como a JP Aerospace estão desenvolvendo "Specialties" em rockoons, projetando e lançando rockoons mais complexos com combustível sólido. Seu sistema de dez balões, chamado "The Stack", é um exemplo de várias melhorias no rockoon. Acredito que, como forma econômica de lançar foguetes de sondagem, várias outras empresas trabalharão para fazer foguetes no futuro.

Gostaria de agradecer ao Professor Kim Kwang Il, por me apoiar ao longo deste projeto, bem como fornecer recursos e conselhos. Também gostaria de agradecer a meus pais por estarem entusiasmados com o que sou apaixonado. Por último, mas não menos importante, gostaria de agradecer a leitura deste Instructables. Esperançosamente, tecnologia amiga do ambiente será desenvolvida na indústria espacial em breve, permitindo visitas mais frequentes às maravilhas por aí.