Стратосферный шар, или как улететь (почти) в космос дома

Стратосферные воздушные шары — популярное решение, позволяющее получить доступ к верхним слоям атмосферы. Эти устройства обычно состоят из большого латексного шара, наполненного, например, гелием, груза, подвешенного под шаром с помощью страховочных тросов, и парашюта. Целью данной работы является демонстрация примерной конструкции стратостата, установление сметы расходов на такой проект и доказательство того, что стратостаты позволяют проводить исследования на больших высотах практически любому человеку. Как учащиеся последних классов начальных классов, так и старшеклассники способны построить экспериментальную установку для измерений окружающей среды.

С чего начать, т.е. основные элементы

Стратосферные шары уже много лет они используются для изучения атмосферы Земли и космоса. Первый аэростат для научных метеорологических исследований был запущен в 1783 г., и сегодня он используется такими учреждениями, как НАСА, которое использует их в качестве платформ для астрономических исследований, и учреждениями по исследованию климата [1].

Стратосферные шары Они могут различаться по сложности, но обычно состоят из четырех основных компонентов, таких как воздушный шар, трос, парашют и сердце системы, исследовательская нагрузка. Балон он выполняет несущую функцию, используя плавучесть газов, тоньше воздуха (гелий/водород), для подъема груза. Чаще всего изготавливается из латекса или гибкого пластика.

Крепежный трос соединяет воздушный шар-носитель как с парашютом, так и с грузом. Еще одним элементом является парашют, который является обязательным элементом каждого воздушного шара. Это позволяет полезной нагрузке безопасно вернуться на Землю, используя аэродинамику для замедления воздушного шара при посадке, в то время как тестовая полезная нагрузка содержит оборудование, которое отправляется в воздух для проведения исследований. Обычно он размещается в корпусе и используется для проведения исследовательских экспериментов, таких как сбор телеметрии и данных об окружающей среде, а также определение местоположения воздушного шара и передача данных телеметрии наземной команде.

Полезной нагрузкой может быть камера, фотокамера или исследовательские приборы, используемые, например, для измерения высоты, давления, температуры вместе с устройствами, собирающими данные на протяжении всего полета шара.

Подробнее, или как работает сам баллон?

Воздушные шары изготовлены из гибкого природного или пластикового материала и наполнены газом с плотностью ниже, чем у воздуха, благодаря явлению плавучести. Любительские воздушные шары обычно наполняют гелием из-за легкого доступа к точкам наполнения декоративных шаров и его негорючести. Гелий, в отличие от водорода, при смешивании с кислородом воздуха не образует взрывоопасной смеси, что повышает безопасность его применения.

По мере того, как воздушный шар поднимается, разница давлений между газом в воздушном шаре и воздухом снаружи увеличивается, потому что воздушный шар плотно закрыт, а атмосферное давление падает с высотой. Эта разница давлений заставляет баллон расширяться. После достижения критического потолка нагрузка на оболочку воздушного шара приводит к его разрыву и свободному падению. В атмосферу выбрасывается гелий и парашютируемый груз начинает падать на Землю, поэтому систему, отправляемую в стратосферу, необходимо оснастить парашютом для торможения системы.

Кабельная линия неровная

Баллон соединен с испытательным грузом веревкой.которые не могут быть выбраны случайным образом. Веревка должна соответствовать соответствующим критериям прочности, установленным местными авиационными агентствами, в том числе он должен быть сломан в случае столкновения с самолетом или другим устройством в воздушном пространстве.

В зависимости от нагрузки длина линии обычно составляет несколько метров, чтобы тестовая нагрузка не касалась баллона. При выборе его длины стоит помнить, что баллон расширяется при наборе высоты и нужно предусмотреть его запас. Благодаря подбору соответствующего расстояния линия не мешает работе исследовательских или телеметрических приборов (как линия, так и оболочка аэростата могут, например, блокировать сигналы GPS, следовательно, он должен быть правильно затянут). Дополнительной функцией веревки является крепление парашюта, который располагается между баллоном и испытательным грузом. Поэтому необходимо выбрать стропу, которая выдержит механический удар в случае разрыва баллона на критической высоте.

Исследовательский груз, т.е. что можно подвесить под стратостат?

Исследовательский груз может содержать различные инструменты в зависимости от его предполагаемого использования. Он может быть использован, среди прочего для измерения загрязнения окружающей среды, температуры окружающей среды, влажности воздуха, измерения интенсивности ультрафиолетового излучения и даже для астрофотографии.

Исследовательская нагрузка аэростата может состоять из различных элементов, например:

• бортовые компьютеры, для регистрации данных исследований и управления бортовыми приборами;
• экологические эксперименты используется, например, для измерения давления, температуры, влажности воздуха, загрязнения воздуха;
• инструменты телеметрии, позволяющие измерять местоположение (GPS), скорость (акселерометр) воздушного шара и другие, например гироскоп или магнитометр;
• радиопередатчики, используемый для передачи данных исследований и телеметрии с аэростата на наземную станцию. Эти устройства в основном используются для предоставления информации о месте приземления воздушного шара, чтобы облегчить восстановление полезной нагрузки;
• оптические устройства, также известный как оптический заряд (т.е. камера, спектроскоп, фотометр), позволяющий проводить различные оптические эксперименты и делать фото/записи во время полета.

Однако следует помнить, что каждый груз должен быть соответствующим образом защищен от атмосферных условий, преобладающих в стратосфере.

С увеличением высоты температура окружающей среды падает, поэтому груз должен быть подготовлен к эксплуатации при низком давлении и температуре -40°С. Для этого груз должен быть помещен в кожух из изоляционного материала, например полистирола или другого изоляционного материала. Стоит помнить об элементах, скрепляющих измерительные приборы, таких как соединитель, рамка и т. п., чтобы они были изготовлены из элементов, которые не будут крошиться и трескаться при низких температурах.

Груз — шаг 1. Выбор бортового компьютера

Начать приключение стоит с подготовки макета для стратосферный полет от выбора бортового компьютера. Для этой цели вы можете использовать различные платформы с открытым исходным кодом, такие как Arduino, STM32 или. Все зависит от требований к вычислительной мощности конкретной миссии и ограничений, связанных с весом полезной нагрузки. Самые легкие полетные контроллеры могут располагаться на Микроконтроллеры ATmega на собственной печатной плате или на готовой плате-прототипе Arduino.

Более продвинутые решения, поддерживающие более обширные наборы датчиков и бортовых систем, могут быть основаны на контроллерах серии STM32. Помимо ПК, наиболее продвинутым с точки зрения вычислительной мощности является микрокомпьютер Raspberry Pi, потенциально подключаемый к микроконтроллерам ATmega или STM32. В этой конфигурации компьютер Raspberry Pi с операционной системой Linux управляет микроконтроллерами, загружает данные с датчиков, анализирует их и сохраняет во встроенной памяти. В эпоху современной электроники возможностей много, поэтому выбор бортового компьютера зависит только от вашего бюджета и фантазии.

Загрузка — шаг 2. Датчики и прочее

После выбора бортового компьютера можно приступать выбор датчикадля размещения на борту. Поэтому стоит учитывать цель миссии. Наиболее популярными решениями являются экологические исследованияпредполагая, среди прочего, измерение изменений температуры окружающей среды, давления на определенных высотах полета, влажности воздуха или наличия взвешенной пыли. Для этого могут использоваться цифровые и аналоговые электронные системы (термозонды, датчики влажности, манометры). Более продвинутым экспериментом может стать использование датчика пыли PM10/PM2.5 для изучения концентрации пыли на разных высотах.

Воздушные шары также могут использовать датчики света, такие как ультрафиолетовые фотометры, для изучения прозрачности земной атмосферы на разных высотах и ​​длинах волн. Стратосферные шары могут даже использовать детекторы космических лучей, интенсивность которых увеличивается с высотой.

Полезная нагрузка — шаг 3. Радиопередатчики: как получить данные с аэростата?

Благодаря развитию коммерческих радиотехнологий довольно легко построить система радиосвязи для аэростата. Он может быть основан на Радиопередатчик LoRa: это маломощные передатчики, использующие нелицензированные радиодиапазоны ISM (промышленные, научные и медицинские). Они позволяют осуществлять дальнюю связь с использованием радиоволн в диапазоне УВЧ (433 МГц или 868 МГц). Однако перед использованием такого передатчика проверьте распределение местных частот, чтобы адаптировать передатчик к требованиям законодательства. Помимо передачи данных исследования во время полета, передатчик также может передавать текущее положение аэростата, облегчая его восстановление после приземления.

Альтернативной технологией, используемой для связи с воздушным шаром, является сотовая сеть GSM. Модули GSM обеспечивают связь по сети 2G Lub 3G. Их недостаток в том, что они перестают работать, когда баллон поднимается слишком высоко. Однако они идеально подходят для передачи положения воздушного шара после приземления. Благодаря вездесущей сети GSM можно передавать данные практически из любой точки Европы. Таким образом, операторам воздушных шаров не нужно беспокоиться, если их груз приземлится за пределами страны.

Оптические заряды, или как сделать селфи почти из космоса

Очень популярным бортовым грузом являются широкоугольные камеры. Камеры тому пример GoPro спорт или обычные оптические камеры, предназначенные для научных и инженерных приложений. Основное назначение таких камер — получение высотных изображений Земли и облаков с целью популяризации науки. Однако такие фотографии могут иметь метеорологическое значение. Другими оптическими приборами, используемыми для исследований, могут быть фотометры, позволяющие измерять поглощение солнечного света атмосферой, или спектрометры, позволяющие изучать химический состав атмосферы на разных высотах.

Оценка стоимости: сколько стоит стратостат?

В таблице 1 представлена ​​примерная смета расходов с примерами комплектующих, на основе которых был создан стратостат для образовательных целей в период пандемии группой старшеклассников по проекту «Охота на науку» в так называемом варианте. маленький бюджет.

Как соединить вышеперечисленные элементы?

После получения всех необходимых материалов первым делом нужно собрать исследовательскую нагрузку, в данном случае микроконтроллер, датчик температуры и модули, отвечающие за связь с шаром. Примерная схема электронных соединений показана на рисунке 1.

1. Схема электрических соединений бортовых модулей аэростата. На провода, отмеченные красным цветом, подается регулируемое напряжение 5 В. Оранжевый провод на источнике питания представляет собой нерегулируемый источник питания 5 В постоянного тока. Остальные кабели несут сигналы связи между модулями и микроконтроллером.

В таблице 2 показаны соединения между выводами устройства и микроконтроллером.

Затем электронные компоненты должны быть помещены в корпус научного заряда. Необходимо проверить, чтобы антенны модулей GPS и GSM не были заблокированы корпусом. Разместите антенну GPS так, чтобы она имела открытый вид на небо. В свою очередь антенна GSM должна иметь доступ к базовым станциям GSM, расположенным по бокам груза. Поэтому его следует размещать поверх корпуса. Термометр LM35DZ NS должен иметь свободный доступ к воздуху, чтобы он мог измерять его температуру. Все элементы должны быть механически хорошо закреплены.

Программное обеспечение для стратостатов

Следующим шагом будет написание программы, позволяющей управлять бортовыми приборами шара. Благодаря использованию Ардуино микроконтроллер это относительно легко для любителей программирования, потому что предлагаемая среда разработки очень доступна для новичков. На рис. 2 показано схема программы управления простым стратостатом.

2. Блок-схема программного обеспечения стратостата

Ниже мы представляем работу каждого блока на схеме и его реализацию на языке C, адаптированном к платформе Arduino.

1. ЕСЛИ РЕЙС ВЫПОЛНЯЕТСЯ: Блок принятия решения для определения того, приземлился ли стратостат или еще движется. Одним из возможных индикаторов этого состояния является проверка положения GPS: если положение GPS не меняется между несколькими последовательными измерениями, можно предположить, что груз уже приземлился.
2. ИЗМЕРИТЬ ТЕМПЕРАТУРУ, СКАЧАТЬ ПОЛОЖЕНИЕ GPS: модуль, отвечающий за считывание температуры воздуха с термометра и положения и высоты с модуля GPS.
3. СПАСТИ …: модуль, который сохраняет загруженные данные во внутреннюю память Arduino EEPROM

Важное примечание: EEPROM в микроконтроллере Arduino Nano имеет размер всего 1024 байта. Для числа с плавающей запятой на платформе Arduino требуется 4 байта в памяти, поэтому, если вы записываете температуру, долготу, широту и долготу в виде четырех чисел с плавающей запятой, каждое измерение телеметрии займет 16 байтов, что позволит выполнить 64 измерения. В этом случае вы можете разделить прогнозируемую максимальную достигнутую высоту на количество измерений, чтобы получить минимальную разницу высот для выполнения максимального количества измерений на протяжении восходящего полета.

Пример проекта программного обеспечения Arduino, разработанного для вышеописанного устройства, можно найти на GitHub у одного из авторов [2]. Авторы предлагают создать собственное программное обеспечение, лучше подходящее под конкретные требования данного проекта. Программное обеспечение авторов может быть использовано в качестве вдохновения.

Формальности: может ли кто-нибудь выпустить стратостат, когда захочет?

Ответ — нет. К сожалению, по соображениям безопасности в авиационном пространстве для взлета воздушного шара требуется несколько очень важных формальностей. О старте следует сообщить в Польское агентство аэронавигационного обслуживания.путем предоставления таких данных, как: информация о лице, ответственном за запуск воздушного шара, точное место взлета, время полета, тип воздушного шара, размер, тип полезной нагрузки, вес тестовой нагрузки и ожидаемый потолок, достигнутый воздушным шаром. Кроме того, сами компоненты воздушного шара должны соответствовать соответствующим юридическим требованиям: например, радиопередатчики, работающие за пределами нелицензированных диапазонов ISM, требуют наличия лицензированного радиста.

Радиопередатчики они также должны вписываться в частотный план, а время и мощность передачи не должны превышать установленных норм. Веревка воздушного шара должна отвечать соответствующим механическим требованиям, чтобы в случае столкновения с самолетом она оборвалась до того, как повредит аэродинамический профиль машины. Сам шар, конечно, должен быть наполнен негорючим газом, то есть гелием. Поэтому прежде чем строить воздушный шар, следует ознакомиться со всеми юридическими нормами, связанными с такой затеей.

Еще одним важным элементом является страхование воздушного шара в том случае, если при падении он повредил, например, сельскохозяйственные культуры, автомобиль, окно в здании или прохожего. Тип страховки, которую следует выбрать, лучше всего согласовывать со страховщиком, так как сумма варьируется в зависимости от цели запуска воздушного шара и планируемой посадки. Самая дешевая страховка начинается от 100 злотых, но на эту часть приключения со стратостатом стоит выделить большую сумму. После получения всех необходимых разрешений любой желающий может запустить собственный стратостат при условии, что он соответствует формальным требованиям.

Как выглядит взлетающий воздушный шар?

После получения всех необходимых разрешений и выполнения оставшихся формальностей, стратостат наконец, он может взлететь в назначенную дату. Груз и парашют должны быть закреплены на стропе вместе с балластом, чтобы аэростат не мог контролировать момент взлета.

Следующим шагом будет подключение воздушного шара к гелиевому баллону и медленное заполнение воздушного шара ранее запланированным количеством гелия. После надувания вы можете завязать кончик воздушного шара узлом, а затем затянуть его, привязав веревку к концу, который держит парашют и груз. Важно, чтобы шар был прочно завязан таким образом, чтобы содержащийся внутри гелий не вырвался наружу и не вызвал изменения траектории полета. Следующим шагом будет запуск бортового компьютера и других приборов. После проверки работы бортовых систем отойти от взлетной площадки. Один делегированный человек должен сбросить груз, тем самым освободив шар и начав полет. Также стоит проверить предполагаемую траекторию полета аэростата с помощью соответствующего калькулятора [3] и подготовиться к его возвращению.

Исследование восстановления груза после приземления

Если на борту GPS-устройство i GSM работал правильно, после приземления шара мы должны получить координаты посадки шара и, возможно, некоторые научные данные в виде SMS. Чтобы восстановить все данные, содержащиеся в исследовательской полезной нагрузке EEPROM, груз должен быть восстановлен. Обычно аэростат приземляется в пределах десятка/нескольких десятков километров от места взлета. Поэтому стоит воспользоваться картами, которые позволяют ввести местоположение GPS и начать поиск воздушного шара. Поэтому важен выбор места полета воздушного шара, ведь стоит подготовиться к тому, что воздушный шар перелетит границу страны, приземлится на высокое дерево, на крутой склон или в море, реку или озеро. Поэтому стоит планировать место выхода аэростата, которое в радиусе нескольких/несколько десятков километров будет свободно от каких-либо препятствий в его нахождении. Выпускать шар также стоит в безветренный день, уточняя прогноз на этапе сообщения о полете в Польское агентство аэронавигационных служб.

Чтение данных исследований

Данные EEPROM можно легко прочитать. Память EEPROM не стирается после отключения питания или загрузки новой программы в Arduino, благодаря чему данные можно восстановить в любое время после восстановления бортового компьютера. Просто используйте встроенную функцию EEPROM.read(), чтобы получить необработанные байты, а затем вы можете преобразовать их обратно в числа с плавающей запятой, например, с помощью структуры данных union. Примерный декодер данных доступен в вышеупомянутом репозитории, подготовленном авторами этой статьи [4].

Суммирование

Построить стратостат в домашних условиях несложно. В данной статье описывается конструкция базовой версии, содержащей исследовательский заряд. Также была предложена примерная конфигурация системы. Надеемся, что наше предложение вдохновит энтузиастов исследовать атмосферу с помощью стратостата с зарядом, сконструированного в домашних условиях.

Źródła: