Cara Membuat Rockoon: Proyek HAAS: 9 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:58

Gagasan di balik Instructable ini adalah untuk memberikan metode alternatif, betapapun tidak masuk akalnya tampaknya, untuk peluncuran roket yang hemat biaya. Dengan perkembangan teknologi ruang angkasa baru-baru ini yang difokuskan pada pengurangan biaya, saya pikir akan sangat bagus untuk memperkenalkan rockoon kepada khalayak yang lebih luas. Instructables ini sebagian besar dibagi menjadi empat bagian: pengenalan, desain, bangunan, dan hasil. Jika Anda ingin melewatkan konsep rockoon dan mengapa saya mendesain tambang seperti yang saya lakukan, langsung ke bagian bangunan. Saya harap Anda menikmati, dan saya akan senang mendengar dari Anda tentang pemikiran Anda tentang proyek saya atau tentang desain dan bangunan Anda sendiri!!

Langkah 1: Informasi Latar Belakang

Menurut Encyclopedia Astronautica, rockoon (dari roket dan balon) adalah roket yang pertama kali dibawa ke atmosfer atas oleh balon berisi gas yang lebih ringan dari udara, kemudian dipisahkan dan dinyalakan. Hal ini memungkinkan roket untuk mencapai ketinggian yang lebih tinggi dengan propelan yang lebih sedikit, karena roket tidak harus bergerak di bawah kekuatan melalui lapisan atmosfer yang lebih rendah dan lebih tebal. Konsep asli dikandung selama peluncuran Aerobee dari Norton Sound pada Maret 1949, dan pertama kali diluncurkan oleh kelompok Office of Naval Research di bawah James A. Van Allen.

Ketika saya pertama kali memulai proyek saya di rockoon, saya tidak tahu apa itu rockoon. Baru setelah saya menyelesaikan dokumentasi setelah proyek saya, saya menemukan ada nama untuk perangkat yang saya buat ini. Sebagai mahasiswa Korea Selatan yang tertarik dengan teknologi luar angkasa, saya telah frustrasi dengan perkembangan roket di negara saya sejak saya masih muda. Meskipun badan antariksa Korea, KARI, telah melakukan beberapa upaya pada kendaraan peluncuran ruang angkasa, dan berhasil sekali, teknologi kami jauh dari badan antariksa lain seperti NASA, ESA, CNSA, atau Roscosmos. Roket pertama kami, Naro-1, digunakan untuk ketiga upaya peluncuran, dua di antaranya diduga gagal karena pemisahan tahapan atau fairing. Roket berikutnya yang akan dibuat, Naro-2, adalah roket tiga tahap, yang membuat saya bertanya-tanya, apakah bijaksana membagi roket menjadi beberapa tahap? Manfaatnya adalah roket kehilangan massa yang signifikan saat tahapan dipisahkan, sehingga meningkatkan efisiensi propelan. Namun, peluncuran roket multi-tahap juga meningkatkan kemungkinan peluncuran akan berakhir sebagai kegagalan.

Ini membuat saya memikirkan cara untuk meminimalkan tahapan roket sambil memaksimalkan efisiensi propelan. Meluncurkan roket dari pesawat seperti rudal, menggunakan bahan yang mudah terbakar untuk badan panggung roket, adalah beberapa ide lain yang saya miliki, tetapi satu opsi yang menarik bagi saya adalah platform peluncuran ketinggian tinggi. Saya berpikir, “Mengapa roket tidak bisa diluncurkan dari balon helium, di atas sebagian besar atmosfer? Roket kemudian dapat menjadi roket yang terdengar satu tahap, yang akan menyederhanakan proses peluncuran secara signifikan, serta mengurangi biaya.” Jadi, saya memutuskan untuk merancang dan membangun sebuah rockoon sendiri sebagai bukti konsep, dan untuk membagikan Instructables ini sehingga Anda semua dapat mencobanya jika Anda mau.

Model yang saya bangun disebut HAAS, kependekan dari High Altitude Aerial Spaceport, dengan harapan suatu hari nanti, rockoon tidak hanya menjadi platform peluncuran sementara untuk roket, tetapi platform permanen yang digunakan untuk meluncurkan, mengisi bahan bakar, dan mendaratkan kendaraan peluncuran ruang angkasa.

Langkah 2: Desain

Saya merancang HAAS berdasarkan bentuk intuitif dan perhitungan dasar

Perhitungan:

Menggunakan panduan NASA tentang "Merancang Balon Ketinggian Tinggi", saya menghitung bahwa saya membutuhkan sekitar 60L helium untuk mengangkat paling banyak 2kg, batas atas yang kami tetapkan untuk berat HAAS, dengan mempertimbangkan bahwa suhu dan ketinggian akan berpengaruh pada gaya apung helium, sebagaimana disebutkan dalam "Pengaruh Ketinggian dan Suhu pada Kontrol Volume Kapal Udara Hidrogen" oleh Michele Trancossi. Namun, ini tidak cukup, yang akan saya bicarakan secara lebih rinci, tetapi itu karena saya tidak memperhitungkan efek uap air pada daya apung helium.

Bingkai:

• Bentuk silinder untuk meminimalkan efek angin
• Tiga lapisan (Atas untuk menahan roket, tengah untuk mekanisme peluncuran, bawah untuk kamera 360)
• Lapisan tengah tebal untuk stabilitas ekstra
• Rel vertikal untuk penempatan dan panduan roket
• Kamera 360° untuk rekaman
• Parasut lipat untuk aman yang layak
• Balon helium silinder tipis untuk sudut offset roket minimum

Mekanisme Peluncuran

• Mikroprosesor: Arduino Uno
• Metode peluncuran: Timer / Digital Altimeter

• Metode pengaktifan propelan: Dengan melubangi kapsul CO2 bertekanan tinggi

  • Lonjakan logam menempel pada pegas
  • Mekanisme pelepasan terdiri dari dua kait
  • Dilepaskan oleh gerakan motor
• Perlindungan perangkat elektronik terhadap suhu yang lebih rendah

Saya menemukan beberapa metode untuk melepaskan paku dengan gerakan motorik.

Menggunakan desain yang mirip dengan kunci pintu rantai berkunci, dengan menarik pelat logam hingga kunci ujung sejajar dengan lubang yang lebih besar, paku dapat diluncurkan. Namun, gesekan terbukti terlalu kuat, dan motor tidak bisa menggerakkan pelat.

Memiliki kail yang menahan paku dan pin yang mengunci kail ke benda yang tidak bergerak adalah solusi lain. Seperti kebalikan dari peniti pemadam kebakaran, ketika peniti ditarik keluar, pengait akan terbuka dan meluncurkan paku. Desain ini juga menghasilkan terlalu banyak gesekan.

Desain saat ini yang saya gunakan adalah dengan menggunakan dua pengait, desain yang mirip dengan pelatuk pistol. Kait pertama memegang paku, sementara kait lainnya tersangkut di celah kecil di belakang kait pertama. Tekanan pegas menahan kait di tempatnya, dan motor memiliki torsi yang cukup untuk membuka kait sekunder, dan meluncurkan roket.

Roket:

• Propelan: CO2 Bertekanan
• Minimalkan berat badan
• Kamera aksi terintegrasi ke dalam tubuh
• Kapsul CO2 yang dapat diganti (roket yang dapat digunakan kembali)
• Semua fitur utama model roket (hidung, badan silinder, sirip)

Karena propelan roket padat bukanlah pilihan terbaik untuk diluncurkan di daerah berpenduduk, saya harus memilih jenis propelan lain. Alternatif yang paling umum adalah udara bertekanan dan air. Karena air dapat merusak elektronik di dalam pesawat, udara bertekanan harus menjadi pendorongnya, tetapi bahkan pompa udara mini pun terlalu berat dan menghabiskan terlalu banyak listrik untuk digunakan di HAAS. Untungnya, saya memikirkan kapsul mini CO2 yang saya beli beberapa hari yang lalu untuk ban sepeda saya, dan memutuskan bahwa itu akan menjadi propelan yang efektif.

Langkah 3: Bahan

Untuk membuat HAAS, Anda memerlukan yang berikut ini.

Untuk bingkai:

• Papan kayu tipis (atau papan ringan & stabil, MDF)
• Mur & baut panjang
• Jaring Aluminium
• 4x Aluminium penggeser
• 1x pipa Aluminium
• Kamera 360° (opsional, Samsung Gear 360)
• Sepotong besar kain & tali (atau model parasut roket)

Untuk mekanisme peluncuran

• 2x Mata air panjang
• 1x batang logam
• Kawat tipis
• Beberapa pelat aluminium
• 1x papan tempat memotong roti
• 1x Arduino Uno (dengan konektor USB)
• Sensor suhu & tekanan (Adafruit BMP085)
• Piezo Buzzer (Adafruit PS1240)
• Motor kecil (Motorbank GWM12F)
• Kabel jumper
• Pengontrol Motor (Pengontrol Motor H-Bridge Ganda L298N)
• Baterai & tempat baterai

Untuk roket udara

• Kaleng isi ulang ban sepeda CO2 (Bontager CO2 Threaded 16g)
• Beberapa kaleng aluminium (2 untuk setiap roket)
• Pelat akrilik (atau plastik)
• Pita
• Pita elastis
• Senar panjang
• Kamera Aksi (opsional, Kamera Aksi Xiaomi)

Peralatan:

• Lem tembak
• Dempul epoksi (opsional)
• Pemotong gergaji / berlian (opsional)
• Pencetak 3D (opsional)
• Pemotong laser atau mesin penggilingan CNC (opsional)

Awas! Silakan gunakan alat dengan hati-hati dan tangani dengan hati-hati. Mintalah orang lain untuk membantu jika memungkinkan, dan dapatkan bantuan menggunakan alat tertentu jika Anda tidak tahu cara menggunakannya.

Langkah 4: Bingkai

1. Gunakan pemotong laser, mesin penggilingan CNC, atau alat apa pun pilihan Anda untuk memotong papan kayu tipis menjadi bentuk pada gambar terlampir. Lapisan atas terdiri dari dua papan yang dihubungkan dengan baut untuk stabilisasi. (Untuk penggilingan atau pemotongan laser, file disediakan di bawah ini.
2. Potong penggeser aluminium menjadi panjang yang sama, dan masukkan ke dalam celah-celah di sepanjang cincin bagian dalam setiap lapisan. Dengan menggunakan lem tembak, tempelkan lapisan-lapisan itu sehingga ada ruang untuk roket di bagian atas.
3. Tempatkan pipa aluminium di tengah lapisan tengah. Pastikan stabil dan vertikal ke lapisan mungkin.
4. Bor lubang ke lapisan bawah dan pasang kamera 360° opsional. Saya membuat penutup karet yang dapat dilepas untuk kamera, jika kamera menerima kejutan selama fase pendaratan.
5. Lipat potongan besar kain atau kain menjadi persegi panjang yang lebih kecil dan pasang 8 tali dengan panjang yang sama ke sudut terjauh. Ikat tali di ujungnya agar tidak kusut. Parasut akan dipasang di bagian paling akhir.

Langkah 5: Mekanisme Peluncuran

1. Buat dua pengait, satu untuk memberi tahu batang logam dan satu lagi sebagai pelatuk. Saya menggunakan dua desain yang berbeda: satu menggunakan pelat logam, dan satu menggunakan printer 3D. Rancang kait Anda berdasarkan gambar di atas, dan file pencetakan 3D ditautkan di bawah.

2. Agar dapat melepaskan pelatuk dan meluncurkan roket baik menggunakan timer atau altimeter digital, rangkaian Arduino yang ditentukan pada gambar di atas harus dibuat. Altimeter digital dapat ditambahkan dengan menghubungkan pin ini.

   • Arduino A5 -> BMP085 SCL
   • Arduino A4 -> BMP085 SDA
   • Arduino +5V -> BMP085 VIN
   • Arduino GND -> BMP085 GND
3. Tambahkan sirkuit ke HAAS. Hubungkan kait pemicu ke motor dengan kabel, dan putar motor untuk menguji apakah kait dapat meluncur keluar dengan lancar.
4. Giling ujung batang logam tipis dan masukkan ke dalam pipa aluminium. Kemudian, pasang dua pegas panjang ke ujung batang, dan hubungkan ke lapisan atas. Tekuk ujung batang sehingga dapat dengan mudah dihubungkan ke mekanisme peluncuran.
5. Uji beberapa kali untuk memastikan batang meluncur dengan lancar.

File pencetakan 3D:

Langkah 6: Roket

1. Siapkan dua botol aluminium. Potong bagian atas satu botol, dan bagian bawah botol lainnya.
2. Potong sedikit salib di bagian atas botol pertama, dan bagian bawah botol kedua.
3. Gunakan kawat dan kain untuk membuat tempat kapsul CO2 pada botol pertama.
4. Masukkan kapsul CO2 ke bagian atas, dan peras ke bagian bawah botol kedua sehingga pintu masuk kapsul CO2 menghadap ke bawah.
5. Rancang dan potong sirip dengan plastik atau akrilik, lalu rekatkan ke sisi roket. Gunakan bahan apa pun yang disukai, dalam hal ini dempul epoksi, untuk kerucut.
6. Potong lubang persegi panjang di sisi roket untuk kamera aksi opsional.

Untuk menyelesaikan HAAS, setelah memasang mekanisme peluncuran, bungkus jaring aluminium di sekitar bingkai, ikat ke lubang kecil di tepi luar. Potong lubang di samping untuk menjangkau perangkat dengan mudah. Buat casing kecil untuk parasut dan letakkan di lapisan atas. Lipat parasut dan masukkan ke dalam casing.

Langkah 7: Pengkodean

Mekanisme peluncuran dapat diaktifkan dengan dua cara berbeda: dengan timer, atau altimeter digital. Kode Arduino disediakan, jadi beri komentar tentang metode yang tidak ingin Anda gunakan sebelum mengunggahnya ke Arduino Anda.

Langkah 8: Pengujian

Jika Anda menggunakan timer untuk meluncurkan roket, uji beberapa kali dengan kapsul CO2 cadangan dalam beberapa menit.

Jika Anda menggunakan altimeter, uji apakah mekanisme peluncuran bekerja tanpa roket dengan mengatur ketinggian peluncuran hingga ~2 meter dan menaiki tangga. Kemudian, uji di ketinggian peluncuran yang lebih tinggi dengan naik lift (Pengujian saya ditetapkan pada 37,5 meter). Uji apakah mekanisme peluncuran benar-benar meluncurkan roket dengan menggunakan metode timer.

Termasuk adalah 12 video pengujian HAAS

Langkah 9: Hasil

Mudah-mudahan sekarang, Anda sudah mencoba membuat rockoon sendiri dan bahkan mungkin merayakan peluncuran roket yang sukses. Namun, saya harus melaporkan bahwa upaya peluncuran saya berakhir dengan kegagalan. Alasan utama kegagalan saya adalah karena saya meremehkan jumlah helium yang dibutuhkan untuk mengangkat HAAS. Dengan menggunakan rasio massa molar helium dengan massa molar udara, serta suhu dan tekanan, saya kira-kira menghitung bahwa saya membutuhkan tiga tangki gas helium 20L, tetapi ternyata saya salah besar. Karena sulit untuk membeli tangki helium sebagai siswa, saya tidak mendapatkan tangki cadangan, dan bahkan gagal untuk mendapatkan HAAS di atas 5 meter dari tanah. Jadi, jika Anda belum mencoba menerbangkan rockoon Anda, berikut adalah sarannya: dapatkan helium sebanyak yang Anda bisa. Sebenarnya, mungkin akan lebih masuk akal jika Anda menghitung jumlah yang dibutuhkan, dengan mempertimbangkan bahwa tekanan dan suhu menurun seiring dengan bertambahnya ketinggian (dalam jangkauan terbang kami), dan semakin banyak uap air yang ada, semakin sedikit daya apung yang dimiliki helium, maka mendapatkan dua kali lipat.

Setelah peluncuran yang gagal, saya memutuskan untuk menggunakan kamera 360 untuk merekam video udara dari sungai dan taman di sekitarnya, jadi saya mengikatnya ke balon helium dengan tali panjang yang terpasang di bagian bawah, lalu membiarkannya terbang. Tanpa diduga, angin di ketinggian yang agak tinggi sedang menuju ke arah yang berlawanan dengan angin yang lebih rendah, dan balon helium melayang ke instalasi kabel listrik di dekatnya. Dalam upaya putus asa untuk menyelamatkan kamera saya dan tidak merusak kabel, saya menarik tali yang terpasang, tetapi itu tidak berguna; balon sudah tersangkut di kawat. Bagaimana bisa begitu banyak hal yang tidak beres dalam satu hari? Akhirnya, saya menelepon perusahaan kabel dan meminta mereka untuk mengambil kamera. Mohon, mereka melakukannya, meskipun saya butuh tiga bulan untuk mendapatkannya kembali. Untuk hiburan Anda, terlampir adalah beberapa foto dan video dari kejadian ini.

Kecelakaan ini, meskipun pada awalnya tidak terpikir oleh saya, mengungkapkan batasan serius dalam menggunakan rockoon. Balon tidak dapat dikemudikan, setidaknya tidak dengan mekanisme yang ringan dan mudah dikendalikan yang dapat dipasang pada HAAS, dan oleh karena itu, hampir tidak mungkin untuk meluncurkan roket ke orbit yang diinginkan. Selain itu, karena kondisi setiap peluncuran berbeda dan terus berubah selama pendakian, sulit untuk memprediksi pergerakan batu, yang kemudian mengharuskan peluncuran dilakukan di lokasi tanpa apa pun di sekitarnya selama beberapa kilometer, karena peluncuran yang gagal dapat membuktikan menjadi berbahaya.

Saya percaya keterbatasan ini dapat diatasi dengan mengembangkan mekanisme navigasi pada bidang 3D dengan tarikan dari balon, dan menafsirkan angin sebagai gaya vektor. Ide-ide yang saya pikirkan adalah layar, udara bertekanan, baling-baling, desain rangka yang lebih baik, dll. Pengembangan ide-ide ini adalah sesuatu yang akan saya kerjakan dengan model HAAS saya berikutnya, dan akan menantikan untuk melihat beberapa dari Anda berkembang mereka juga.

Dengan sedikit riset, saya menemukan bahwa dua jurusan kedirgantaraan Stanford, Daniel Becerra dan Charlie Cox, menggunakan desain serupa dan sukses diluncurkan dari ketinggian 30.000 kaki. Cuplikan peluncuran mereka dapat ditemukan di saluran Youtube Stanford. Perusahaan seperti JP Aerospace sedang mengembangkan "Spesialisasi" pada rockoon, merancang dan meluncurkan rockoon yang lebih kompleks dengan bahan bakar padat. Sistem sepuluh balon mereka, yang disebut "The Stack", adalah contoh dari berbagai perbaikan pada rockoon. Saya percaya bahwa sebagai cara yang hemat biaya untuk meluncurkan roket yang terdengar, beberapa perusahaan lain akan bekerja untuk membuat rockoon di masa depan.

Saya ingin berterima kasih kepada Profesor Kim Kwang Il, untuk mendukung saya selama proyek ini, serta menyediakan sumber daya dan saran. Saya juga ingin berterima kasih kepada orang tua saya karena antusias dengan apa yang saya sukai. Terakhir, namun tidak kalah pentingnya, saya ingin mengucapkan terima kasih telah membaca Instruksi ini. Mudah-mudahan, teknologi ramah lingkungan akan segera dikembangkan di industri luar angkasa, memungkinkan kunjungan lebih sering ke keajaiban di luar sana.