Comment faire un Rockoon : Projet HAAS : 9 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:09

L'idée derrière ce Instructable est de fournir une méthode alternative, aussi invraisemblable que cela puisse paraître, pour les lancements de fusées rentables. Les récents développements de la technologie spatiale étant axés sur la réduction des coûts, j'ai pensé qu'il serait formidable de présenter le rockoon à un public plus large. Ce Instructables est divisé en grande partie en quatre parties: introduction, conception, construction et résultats. Si vous voulez ignorer le concept de rockoons et pourquoi j'ai conçu le mien comme je l'ai fait, passez directement à la partie construction. J'espère que vous apprécierez, et j'aimerais beaucoup avoir votre avis sur mon projet ou sur votre propre conception et construction !!

Étape 1: Informations générales

Selon l'Encyclopedia Astronautica, un rockoon (provenant d'une fusée et d'un ballon) est une fusée qui est d'abord transportée dans la haute atmosphère par un ballon rempli de gaz plus léger que l'air, puis séparée et enflammée. Cela permet à la fusée d'atteindre une altitude plus élevée avec moins de propulseur, car la fusée n'a pas à se déplacer sous tension à travers les couches inférieures et plus épaisses de l'atmosphère. Le concept original a été conçu lors d'un tir Aerobee du Norton Sound en mars 1949, et a été lancé pour la première fois par le groupe Office of Naval Research sous James A. Van Allen.

Quand j'ai commencé mon projet sur le rockoon, je n'avais aucune idée de ce qu'était un rockoon. Ce n'est qu'après avoir terminé la documentation après mon projet que j'ai découvert qu'il y avait un nom pour cet appareil que j'avais fait. En tant qu'étudiant sud-coréen intéressé par la technologie spatiale, je suis frustré par le développement de fusées dans mon pays depuis que je suis jeune. Bien que l'agence spatiale coréenne, KARI, ait fait plusieurs tentatives avec des lanceurs spatiaux, et ait réussi une fois, notre technologie est loin d'être proche d'autres agences spatiales telles que la NASA, l'ESA, la CNSA ou Roscosmos. Notre première fusée, Naro-1, a été utilisée pour les trois tentatives de lancement, dont deux sont soupçonnées d'avoir échoué en raison de la séparation des étages ou du carénage. La prochaine fusée à fabriquer, Naro-2, est une fusée à trois étages, ce qui me pose la question, est-il sage de diviser la fusée en plusieurs étages ? Les avantages de le faire seraient que la fusée perd une masse significative lorsque les étages sont séparés, augmentant ainsi l'efficacité du propulseur. Cependant, le lancement de fusées à plusieurs étages augmente également le risque que le lancement se termine par un échec.

Cela m'a fait penser à des moyens de minimiser les étages de fusée tout en maximisant l'efficacité du propulseur. Lancer des fusées à partir d'avions comme des missiles, en utilisant des matériaux combustibles pour les corps d'étage de fusée, sont quelques autres idées que j'avais, mais une option qui m'a attiré était la plate-forme de lancement à haute altitude. Je me suis dit: « Pourquoi une fusée ne peut-elle pas simplement décoller d'un ballon à l'hélium, au-dessus de la majeure partie de l'atmosphère ? La fusée peut alors être une fusée-sonde à un étage, ce qui simplifierait considérablement le processus de lancement et réduirait le coût. » J'ai donc décidé de concevoir et de construire moi-même un rockoon comme preuve de concept, et de partager ce Instructables afin que vous puissiez tous l'essayer si vous le souhaitez.

Le modèle que je construis s'appelle un HAAS, abréviation de High Altitude Aerial Spaceport, dans l'espoir qu'un jour, les rockoons ne seront pas seulement une plate-forme de lancement temporaire pour les fusées, mais une plate-forme permanente utilisée pour le lancement, le ravitaillement et l'atterrissage de lanceurs spatiaux..

Étape 2: Concevoir

J'ai conçu le HAAS basé sur des formes intuitives et des calculs de base

Calculs:

En utilisant le guide de la Nasa sur "Concevoir un ballon à haute altitude", j'ai calculé que j'aurais besoin d'environ 60 L d'hélium pour soulever au plus 2 kg, la limite supérieure que nous avons fixée pour le poids HAAS, en tenant compte du fait que la température et l'altitude auront un effet sur le force de flottabilité de l'hélium, comme mentionné dans "Effet de l'altitude et de la température sur le contrôle du volume d'un dirigeable à hydrogène" par Michele Trancossi. Cependant, cela ne suffisait pas, ce dont je parlerai plus en détail, mais c'était parce que je n'avais pas pris en compte l'effet de la vapeur d'eau sur la flottabilité de l'hélium.

Cadre:

• Forme cylindrique afin de minimiser l'effet du vent
• Trois couches (en haut pour tenir la fusée, au milieu pour le mécanisme de lancement, en bas pour la caméra 360)
• Couche intermédiaire épaisse pour plus de stabilité
• Rails verticaux pour le placement et le guidage des fusées
• Caméra 360° pour les images
• Parachute pliable pour une descente en toute sécurité
• Ballon d'hélium cylindrique mince pour un angle de décalage de fusée minimal

Mécanisme de lancement

• Microprocesseur: Arduino Uno
• Méthodes de lancement: Timer / Altimètre numérique

• Méthode d'activation du propulseur: En perçant un trou dans une capsule de CO2 à haute pression

  • Pointe en métal attachée aux ressorts
  • Le mécanisme de libération se compose de deux crochets
  • Déclenché par le mouvement du moteur
• Protection des appareils électroniques contre les basses températures

J'ai proposé plusieurs méthodes pour libérer la pointe avec un mouvement moteur.

En utilisant une conception similaire à une serrure de porte à chaîne à clé, en tirant sur la plaque métallique jusqu'à ce que la clé d'extrémité s'aligne avec le plus grand trou, la pointe pourrait être lancée. Cependant, la friction s'est avérée trop forte et le moteur n'a pas pu bouger la plaque.

Avoir un crochet tenant la pointe et une goupille verrouillant le crochet à un objet fixe était une autre solution. Comme l'inverse de la goupille de sécurité d'un extincteur, lorsque la goupille est retirée, le crochet cède et lance la pointe. Cette conception a également produit trop de friction.

La conception actuelle que j'utilise consiste à utiliser deux crochets, une conception similaire à une gâchette de pistolet. Le premier crochet tient la pointe, tandis que l'autre crochet est pris dans une petite entaille à l'arrière du premier crochet. La pression des ressorts maintient les crochets en place et le moteur a suffisamment de couple pour déverrouiller le crochet secondaire et lancer la fusée.

Fusée:

• Propulseur: CO2 sous pression
• Minimiser le poids
• Caméra d'action intégrée au corps
• Capsule de CO2 remplaçable (fusée réutilisable)
• Toutes les principales caractéristiques des modèles réduits de fusées (nez, corps cylindrique, ailerons)

Comme le propergol solide n'était pas la meilleure option pour lancer dans une zone peuplée, j'ai dû opter pour d'autres types de propergol. Les alternatives les plus courantes sont l'air et l'eau sous pression. Parce que l'eau pouvait endommager l'électronique à bord, l'air sous pression devait être le propulseur, mais même une mini pompe à air était trop lourde et consommait trop d'électricité pour avoir sur le HAAS. Heureusement, j'ai pensé aux mini capsules de CO2 que j'avais achetées il y a quelques jours pour mes pneus de vélo, et j'ai décidé que ce serait un propulseur efficace.

Étape 3: Matériaux

Pour créer un HAAS, vous aurez besoin des éléments suivants.

Pour le cadre:

• Planches de bois minces (ou toute planche légère et stable, MDF)
• Longs écrous et boulons
• Maille en aluminium
• 4x curseur en aluminium
• 1x tuyau en aluminium
• Caméra 360° (en option, Samsung Gear 360)
• Grand morceau de tissu et corde (ou un parachute de fusée modèle)

Pour le mécanisme de lancement

• 2x ressorts longs
• 1x tige en métal
• Mince fil
• Quelques plaques d'aluminium
• 1x planche à pain
• 1x Arduino Uno (avec connecteur USB)
• Capteur de température et de pression (Adafruit BMP085)
• Sonnerie piézo (Adafruit PS1240)
• Petit moteur (Motorbank GWM12F)
• Fils de cavalier
• Contrôleur de moteur (contrôleur de moteur double pont en H L298N)
• Piles et support de pile

Pour la fusée aérienne

• Bidons de recharge CO2 pour pneus de vélo (Bontager CO2 fileté 16g)
• Plusieurs canettes en aluminium (2 pour chaque fusée)
• Plaques acryliques (ou plastique)
• Rubans
• Bandes élastiques
• Longues cordes
• Caméra d'action (en option, caméra d'action Xiaomi)

Outils:

• Pistolet à colle
• Mastic époxy (facultatif)
• Scie/Coupe diamant (facultatif)
• Imprimante 3D (en option)
• Coupeur laser ou fraiseuse CNC (facultatif)

Il faut se méfier! Veuillez utiliser les outils avec prudence et manipuler avec soin. Demandez à quelqu'un d'autre de vous aider si possible et obtenez de l'aide en utilisant certains outils si vous ne savez pas comment les utiliser.

Étape 4: cadre

1. Utilisez un cutter laser, une fraiseuse CNC ou tout autre outil de votre choix pour couper la fine planche de bois dans la forme illustrée sur les images ci-jointes. La couche supérieure est constituée de deux planches reliées par des boulons pour la stabilisation. (Pour le fraisage ou la découpe laser, les fichiers sont fournis ci-dessous.
2. Coupez les curseurs en aluminium en longueurs égales et insérez-les dans les crevasses le long de l'anneau intérieur de chaque couche. A l'aide d'un pistolet à colle, collez les couches de façon à ce qu'il y ait de la place pour la fusée en haut.
3. Placez le tuyau en aluminium au centre de la couche intermédiaire. Assurez-vous qu'il est stable et aussi vertical que possible par rapport à la couche.
4. Percez un trou dans la couche inférieure et fixez la caméra 360° en option. J'ai réalisé un cache en caoutchouc amovible pour la caméra, au cas où la caméra recevrait un choc pendant la phase d'atterrissage.
5. Pliez le grand morceau de tissu ou de tissu en rectangles plus petits et attachez 8 cordes de longueur égale aux coins les plus éloignés. Attachez la corde à l'extrémité pour qu'elle ne s'emmêle pas. Le parachute sera attaché à la toute fin.

Étape 5: mécanisme de lancement

1. Faites deux crochets, un pour indiquer la tige métallique et un pour être la gâchette. J'ai utilisé deux modèles différents: l'un utilisant des plaques métalliques et l'autre utilisant une imprimante 3D. Concevez vos crochets sur la base des images ci-dessus, et les fichiers d'impression 3D sont liés ci-dessous.

2. Afin de pouvoir relâcher la gâchette et lancer la fusée à l'aide d'une minuterie ou d'un altimètre numérique, le circuit Arduino spécifié dans l'image ci-dessus doit être réalisé. L'altimètre numérique peut être ajouté en connectant ces broches.

   • Arduino A5 -> BMP085 SCL
   • Arduino A4 -> BMP085 SDA
   • Arduino +5V -> NIV BMP085
   • Arduino GND -> BMP085 GND
3. Ajoutez le circuit au HAAS. Connectez le crochet de déclenchement au moteur avec un fil et faites tourner le moteur pour tester si le crochet peut glisser en douceur.
4. Broyez l'extrémité de la fine tige métallique et insérez-la dans le tuyau en aluminium. Ensuite, attachez deux longs ressorts à l'extrémité de la tige et connectez-la à la couche supérieure. Pliez l'extrémité de la tige pour qu'elle puisse être facilement accrochée au mécanisme de lancement.
5. Testez plusieurs fois pour vous assurer que la tige se lance en douceur.

Fichiers d'impression 3D:

Étape 6: Fusée

1. Préparez deux bouteilles en aluminium. Coupez la partie supérieure d'une bouteille et la partie inférieure de l'autre.
2. Coupez une légère croix sur le haut de la première bouteille et le bas de la deuxième bouteille.
3. Utilisez du fil et un chiffon pour faire un support pour la capsule de CO2 sur la première bouteille.
4. Insérez une capsule de CO2 dans la partie supérieure et pressez-la dans le fond de la deuxième bouteille de sorte que l'entrée de la capsule de CO2 soit orientée vers le bas.
5. Concevez et découpez des ailerons avec du plastique ou de l'acrylique, puis collez-les sur le côté de la fusée. Utilisez n'importe quel matériau préféré, dans ce cas du mastic époxy, pour le cône.
6. Découpez un trou rectangulaire sur le côté de la fusée pour la caméra d'action en option.

Pour terminer le HAAS, après avoir installé le mécanisme de lancement, enroulez le treillis en aluminium autour du cadre, attachez-le aux petits trous sur le bord extérieur. Découpez un trou sur le côté afin d'accéder facilement à l'appareil. Faites un petit boîtier pour le parachute et placez-le sur la couche supérieure. Repliez le parachute et mettez-le dans le boîtier.

Étape 7: Codage

Le mécanisme de lancement peut être activé de deux manières différentes: avec une minuterie ou un altimètre numérique. Le code Arduino est fourni, alors commentez la méthode que vous ne souhaitez pas utiliser avant de la télécharger sur votre Arduino.

Étape 8: Tester

Si vous utilisez une minuterie pour lancer la fusée, testez plusieurs fois avec une capsule de CO2 de rechange pendant quelques minutes.

Si vous utilisez l'altimètre, testez si le mécanisme de lancement fonctionne sans la fusée en réglant l'altitude de lancement à environ 2 mètres et en montant l'escalier. Ensuite, testez-le à une altitude de lancement plus élevée en remontant un ascenseur (Mon test a été fixé à 37,5 mètres). Testez que le mécanisme de lancement lance réellement une fusée en utilisant la méthode de la minuterie.

Inclus sont 12 vidéos de test du HAAS

Étape 9: Résultats

J'espère que maintenant, vous avez essayé de faire un rockoon vous-même et peut-être même célébré un lancement de fusée réussi. Je dois signaler, cependant, que ma tentative de lancement s'est soldée par un échec. La principale raison de mon échec était que j'avais sous-estimé la quantité d'hélium nécessaire pour soulever le HAAS. En utilisant le rapport entre la masse molaire de l'hélium et la masse molaire de l'air, ainsi que la température et la pression, j'avais approximativement calculé que j'avais besoin de trois réservoirs d'hélium gazeux de 20 litres, mais j'ai découvert que j'avais horriblement tort. Comme il était difficile d'acheter des réservoirs d'hélium en tant qu'étudiant, je n'ai pas eu de réservoirs de rechange et je n'ai même pas réussi à faire monter le HAAS à plus de 5 mètres du sol. Donc, si vous n'avez pas encore essayé de faire voler votre rockoon, voici un conseil: procurez-vous autant d'hélium que possible. En fait, il serait probablement plus raisonnable de calculer la quantité nécessaire, en tenant compte du fait que la pression et la température diminuent à mesure que la hauteur augmente (dans notre rayon de vol), et que plus il y a de vapeur d'eau, moins l'hélium aura de flottabilité, alors obtenez le double du montant.

À la suite de l'échec du lancement, j'ai décidé d'utiliser la caméra 360 pour capturer une vidéo aérienne de la rivière et du parc environnants. Je l'ai donc attachée au ballon à l'hélium avec une longue ficelle attachée au fond, puis je l'ai laissée voler. De manière inattendue, le vent à une altitude légèrement élevée se dirigeait dans la direction complètement opposée à celle des vents inférieurs, et le ballon à l'hélium a dérivé dans une installation de câblage électrique à proximité. Dans une tentative désespérée de sauver mon appareil photo et de ne pas endommager le câblage, j'ai tiré sur la corde attachée, mais c'était inutile; le ballon était déjà pris dans le fil. Comment diable tant de choses peuvent-elles mal tourner en une journée ? Finalement, j'ai appelé la société de câblage et leur ai demandé de récupérer la caméra. Gentiment, ils l'ont fait, même s'il m'a fallu trois mois pour le récupérer. Pour votre amusement, vous trouverez ci-joint quelques photos et vidéos de cet incident.

Cet accident, même s'il ne m'est pas venu à l'esprit au début, a révélé une sérieuse limitation de l'utilisation des rockoons. Les ballons ne peuvent pas être dirigés, du moins pas avec un mécanisme léger et facile à contrôler qui peut être installé sur le HAAS, et par conséquent, il est presque impossible de lancer la fusée sur une orbite prévue. De plus, comme les conditions de chaque lancement sont différentes et changent tout au long de l'ascension, il est difficile de prévoir le mouvement du rockoon, ce qui nécessite alors que le lancement se fasse sur un site sans rien autour pendant plusieurs kilomètres, car un lancement raté pourrait s'avérer être dangereux.

Je pense que cette limitation peut être surmontée en développant un mécanisme de navigation sur un plan 3D avec la traînée du ballon et en interprétant le vent comme des forces vectorielles. Les idées auxquelles j'ai pensé sont les voiles, l'air comprimé, les hélices, une meilleure conception du cadre, etc. Les développements de ces idées sont quelque chose sur lequel je travaillerai avec mon prochain modèle de HAAS, et j'ai hâte de voir certains d'entre vous développer eux aussi.

Avec un peu de recherche, j'ai découvert que deux majors de l'aérospatiale de Stanford, Daniel Becerra et Charlie Cox, utilisaient une conception similaire et avaient réussi un lancement à 30 000 pieds. Leurs images de lancement peuvent être trouvées sur la chaîne Youtube de Stanford. Des entreprises telles que JP Aerospace développent des "Spécialités" sur les rockoons, concevant et lançant des rockoons plus complexes à combustible solide. Leur système à dix ballons, appelé "The Stack", est un exemple de diverses améliorations sur le rockoon. Je pense qu'en tant que moyen rentable de lancer des fusées-sondes, plusieurs autres sociétés s'efforceront de fabriquer des fusées à l'avenir.

Je tiens à remercier le professeur Kim Kwang Il, pour m'avoir soutenu tout au long de ce projet, ainsi que pour m'avoir fourni des ressources et des conseils. Je tiens également à remercier mes parents pour leur enthousiasme à propos de ce qui me passionne. Enfin, je tiens à vous remercier d'avoir lu ce Instructables. Espérons que des technologies respectueuses de l'environnement seront bientôt développées dans l'industrie spatiale, permettant des visites plus fréquentes des merveilles là-bas.