Balon stratosferyczny, czyli jak polecieć (prawie) w kosmos domowym sposobem
Od czego zacząć, czyli podstawowe elementy
Balony stratosferyczne od wielu lat służą do badań atmosfery Ziemi oraz kosmosu. Pierwszy naukowy balon do badań meteorologicznych wypuszczono w 1783 roku, a dziś korzystają z nich takie instytucje jak NASA, która wykorzystuje je jako platformy do badań astronomicznych, oraz placówki zajmujące się badaniami klimatu [1].
Balony stratosferyczne mogą różnić się złożonością, ale na ogół składają się z czterech zasadniczych elementów, takich jak balon, linka mocująca, spadochron i serce układu, czyli ładunek badawczy. Balon pełni funkcję, nośną wykorzystując wyporność gazów rzadszych niż powietrze (hel/wodór) do wyniesienia ładunku w górę. Jest on najczęściej wykonany z lateksu lub elastycznych tworzyw sztucznych.
Linka mocująca łączy balon nośny zarówno ze spadochronem, jak i ładunkiem. Kolejny element to spadochron, który jest nieodzownym elementem każdego balonu. Pozwala na bezpieczny powrót ładunku na Ziemię, wykorzystując aerodynamikę do wyhamowania balonu podczas lądowania, natomiast ładunek badawczy zawiera aparaturę wysyłaną w przestrzeń powietrzną w celu prowadzenia badań. Na ogół znajduje się w obudowie i służy do przeprowadzania eksperymentów badawczych, np. zbiera dane telemetryczne oraz środowiskowe, zajmuje się także lokalizowaniem balonu oraz przekazywaniem danych telemetrycznych do zespołu naziemnego.
Ładunkiem może być kamera, aparat fotograficzny lub instrumenty badawcze służące np. do pomiaru wysokości, ciśnienia, temperatury wraz z urządzeniami zbierającymi dane przez cały czas trwania lotu balonu.
Więcej szczegółów, czyli jak działa sam balon?
Balony wykonuje się z elastycznego tworzywa naturalnego lub sztucznego i wypełnia się gazem o gęstości mniejszej od powietrza, przez co dzięki zjawisku wyporności balon wznosi się w górę. Amatorskie balony wypełniane są zazwyczaj helem ze względu na łatwy dostęp do punktów napełniania balonów dekoracyjnych oraz jego niepalność. Hel w przeciwieństwie do wodoru, mieszając się z tlenem zawartym w powietrzu, nie tworzy mieszanki wybuchowej, co zwiększa bezpieczeństwo jego użycia.
Gdy balon wznosi się, różnica ciśnień pomiędzy gazem w balonie a powietrzem na zewnątrz rośnie, ponieważ balon jest szczelnie zamknięty, a ciśnienie atmosferyczne spada wraz z wysokością. Ta różnica ciśnień powoduje rozprężanie się balonu. Po osiągnięciu pułapu krytycznego napięcie na powłoce balonu powoduje jego pęknięcie i swobodny spadek. Hel jest uwalniany do atmosfery, a ładunek ze spadochronem zaczynają opadać na Ziemię, przez co układ wysyłany do stratosfery musi być wyposażony w spadochron wyhamowujący układ.
Linka lince nierówna
Balon jest łączony z ładunkiem badawczym za pomocą linki, która nie może być losowo wybrana. Linka musi spełniać odpowiednie kryteria dotyczące jej wytrzymałości ustalone przez lokalne agencje lotnictwa, m.in. musi zostać zerwana w przypadku kolizji z samolotem lub innym urządzeniem znajdującym się w przestrzeni powietrznej.
W zależności od ładunku linka ma zazwyczaj długość kilku metrów, aby oddalić ładunek badawczy od balonu. Przy doborze jej długości warto pamiętać, że balon rozpręża się przy wznoszeniu i trzeba przewidzieć jej zapas. Dzięki doborowi odpowiedniej odległości linka nie powoduje zaburzenia w pracy instrumentów badawczych lub telemetrycznych (zarówno linka, jak i powłoka balonu może np. blokować sygnały GPS, stąd musi być odpowiednio napięta). Dodatkową funkcją linki jest mocowanie spadochronu, który znajduje się pomiędzy balonem a ładunkiem badawczym. Konieczny jest zatem dobór takiej linki, która wytrzyma szok mechaniczny w chwili pęknięcia balonu na krytycznej wysokości.
Ładunek badawczy, czyli co można zawiesić pod balonem stratosferycznym?
Ładunek badawczy może zawierać różne instrumenty, w zależności od jego przeznaczenia. Może być on wykorzystany m.in. do pomiaru zanieczyszczenia środowiska, temperatury otoczenia, wilgotności powietrza, pomiaru natężenia promieniowania ultrafioletowego, a nawet do astrofotografii.
Na ładunek badawczy balonu mogą składać się różne elementy, na przykład:
- komputery pokładowe, służące do zapisu danych badawczych oraz sterowania instrumentami pokładowymi;
- eksperymenty środowiskowe służące, np. do pomiaru ciśnienia, temperatury, wilgotności powietrza, zanieczyszczeń powietrza;
- instrumenty telemetryczne, pozwalające na pomiar lokalizacji (GPS), prędkości (akcelerometr) balonu i inne, takie jak żyroskop lub magnetometr;
- transmitery radiowe, służące do przekazywania danych badawczych oraz telemetrycznych z balonu do stacji naziemnej. Urządzenia te są używane głównie do przekazania informacji o miejscu lądowania balonu w celu ułatwienia odzyskania ładunku;
- urządzenia optyczne, zwane także ładunkiem optycznym (tj. kamera, spektroskop, fotometr), pozwalające na prowadzenie różnych eksperymentów optycznych oraz wykonywanie zdjęć/nagrań w trakcie lotu.
Należy jednak pamiętać o tym, że każdy ładunek musi być odpowiednio zabezpieczony przed warunkami atmosferycznymi panującymi w stratosferze.
Wraz ze wzrostem wysokości nad poziomem morza temperatura otoczenia spada, zatem ładunek musi być przygotowany na działanie w niskim ciśnieniu i temperaturze rzędu –40°C. W tym celu należy umieścić ładunek w obudowie wykonanej z materiału izolacyjnego, np. styropianu lub z innego tworzywa służącego do izolacji. Warto pamiętać o elementach mocujących urządzenia pomiarowe, jak np. łącznik, stelaż itp., aby wykonane były z elementów, które nie zaczną kruszyć się i pękać w niskich temperaturach.
Ładunek - krok 1. Wybór komputera pokładowego
Warto zacząć przygodę z przygotowywaniem układu do lotu stratosferycznego od wyboru komputera pokładowego. W tym celu można skorzystać z różnych otwartoźródłowych platform typu Arduino, STM32 lub Raspberry Pi. Wszystko zależy od zapotrzebowania danej misji na moc obliczeniową oraz od ograniczeń związanych z wagą ładunku. Najlżejsze kontrolery lotu można oprzeć na mikrokontrolerach ATmega na własnej płytce PCB lub na gotowej płytce prototypowej Arduino.
Bardziej zaawansowane rozwiązania, wspierające bardziej rozbudowane zestawy czujników i systemów pokładowych, można oprzeć na kontrolerach z serii STM32. Najbardziej zaawansowanym pod względem mocy obliczeniowej komputerem pokładowym, nie licząc komputerów PC, jest mikrokomputer Raspberry Pi, potencjalnie połączony z mikrokontrolerami ATmega lub STM32. W takiej konfiguracji komputer Raspberry Pi z systemem operacyjnym Linux steruje mikrokontrolerami, pobiera dane z czujników, analizuje je i zapisuje w pamięci pokładowej. W dobie nowoczesnej elektroniki możliwości jest wiele, zatem wybór komputera pokładowego zależy tylko od budżetu oraz wyobraźni.
Ładunek - krok 2. Czujniki i nie tylko
Po wyborze komputera pokładowego można przystąpić do wyboru czujników, które zostaną umieszczone na pokładzie. Warto zatem zastanowić się nad celem misji. Najpopularniejszymi rozwiązaniami są badania środowiska, zakładające m.in. pomiar zmian temperatury otoczenia, ciśnienia na określonych wysokościach lotu, wilgotności powietrza czy obecności pyłów zawieszonych. Do tego celu można wykorzystać cyfrowe i analogowe układy elektroniczne (termosondy, czujniki wilgotności, ciśnieniomierze). Bardziej zaawansowanym eksperymentem może być wykorzystanie czujnika pyłów PM10/PM2.5 do badania stężenia pyłów na różnych wysokościach.
Balony mogą też korzystać z czujników natężenia światła, takich jak fotometry ultrafioletowe, do badania przejrzystości atmosfery ziemskiej na różnych wysokościach i w różnych długościach fal. Balony stratosferyczne mogą nawet korzystać z detektorów promieniowania kosmicznego, którego intensywność rośnie wraz z wysokością.
Ładunek - krok 3. Transmitery radiowe: jak odbierać dane z balonu?
Dzięki rozwojowi komercyjnych technologii radiowych dość łatwo można zbudować system komunikacji radiowej dla balonu. Można go oprzeć na nadajniku radiowym typu LoRa: są to nadajniki o niskiej mocy nadawania, korzystające z nielicencjonowanych pasm radiowych ISM (Industrial, Scientific and Medical). Pozwalają one na komunikację na długie dystanse przy użyciu fal radiowych z zakresu UHF (433 MHz lub 868 MHz). Przed wykorzystaniem takiego nadajnika należy jednak sprawdzić lokalne alokacje częstotliwości, aby dostosować nadajnik do wymagań prawnych. Oprócz transmisji danych badawczych w trakcie lotu, nadajnik może też transmitować aktualną pozycję balonu, ułatwiając jego odzyskanie po lądowaniu.
Alternatywną technologią używaną do komunikacji z balonem jest sieć telefonii komórkowej GSM. Moduły GSM pozwalają na komunikację przez sieć 2G lub 3G. Ich wadą jest fakt, że przestają działać po wyniesieniu balonu na zbyt dużą wysokość. Są one jednak idealnym rozwiązaniem do przesyłania pozycji balonu po lądowaniu. Dzięki wszechobecnej sieci GSM możliwa jest transmisja danych z praktycznie dowolnego miejsca w Europie. Zatem operatorzy balonu nie muszą się martwić, jeśli ich ładunek wyląduje poza granicami kraju.
Ładunki optyczne, czyli jak zrobić selfie prawie z kosmosu
Bardzo popularnym ładunkiem pokładowym są szerokokątne kamery. Przykładem mogą być kamery sportowe GoPro lub zwyczajne kamery optyczne przeznaczone do zastosowań naukowo-inżynieryjnych. Głównym celem takich kamer jest pozyskiwanie obrazów Ziemi i chmur z dużej wysokości w celach popularyzacji nauki. Zdjęcia takie mogą mieć jednak wartość meteorologiczną. Innymi instrumentami optycznymi używanymi do badań mogą być fotometry, pozwalające na pomiar absorpcji światła słonecznego przez atmosferę, lub spektrometry, pozwalające na badanie składu chemicznego atmosfery na różnych wysokościach.
Kosztorys: ile kosztuje balon stratosferyczny?
W tabeli 1 przedstawiony został przybliżony kosztorys wraz z przykładowymi komponentami, na podstawie których stworzony został balon stratosferyczny na potrzeby edukacyjne w czasie pandemii przez grupę uczniów szkół licealnych w ramach projektu "Ochota na naukę" w wersji tzw. niskobudżetowej.
Jak podłączyć przedstawione powyżej elementy?
Pierwszym krokiem po zdobyciu wszystkich potrzebnych materiałów jest złożenie ładunku badawczego, w tym wypadku mikrokontrolera, czujnika temperatury, oraz modułów odpowiedzialnych za komunikację z balonem. Przykładowy schemat połączeń elektronicznych przedstawiono na rysunku 1.
W tabeli 2 przedstawiono połączenia między pinami urządzeń a mikrokontrolerem.
Następnie elementy elektroniczne należy umieścić w obudowie ładunku naukowego. Konieczne jest sprawdzenie, czy anteny modułów GPS i GSM nie są blokowane przez obudowę. Antenę GPS należy umieścić w taki sposób, by miała ona otwarty widok na niebo. Z kolei antena GSM musi mieć dostęp do stacji bazowych GSM znajdujących się po bokach ładunku. Należy ją zatem umieścić na szczycie obudowy. Termometr LM35DZ NS powinien mieć swobodny dostęp do powietrza, tak aby mógł badać jego temperaturę. Wszystkie elementy powinny być dobrze zabezpieczone mechanicznie.
Oprogramowanie balonu stratosferycznego
Następnym krokiem jest napisanie programu, który pozwala na sterowanie instrumentami pokładowymi balonu. Dzięki wykorzystaniu mikrokontrolera Arduino jest to względnie proste dla amatorów programowania, ponieważ zaproponowane środowisko programistyczne jest bardzo przystępne dla początkujących. Na rysunku 2 przedstawiono schemat programu sterującego prostym balonem stratosferycznym.
Poniżej przedstawiamy działanie każdego bloczku w diagramie oraz jego implementację w języku C przystosowanym pod platformę Arduino.
- JEŚLI LOT TRWA: Bloczek decyzyjny, określający, czy balon stratosferyczny już wylądował, czy nadal się porusza. Jednym z możliwych wyznaczników tego stanu jest sprawdzenie pozycji GPS: jeśli pozycja GPS nie zmienia się pomiędzy kilkoma kolejnymi pomiarami, można założyć, że ładunek już wylądował
- ZMIERZ TEMPERATURĘ, POBIERZ POZYCJĘ GPS: moduł odpowiadający za odczytywanie temperatury powietrza z termometru oraz pozycji i wysokości z modułu GPS.
- ZAPISZ...: moduł, który zapisuje pobrane dane do wewnętrznej pamięci Arduino EEPROM
Ważna notatka: EEPROM w mikrokontrolerze Arduino Nano ma zaledwie 1024 bajty. Liczba zmiennoprzecinkowa na platformie Arduino potrzebuje 4 bajtów w pamięci, więc jeśli zapisze się temperaturę, długość, szerokość i wysokość geograficzną w formie czterech liczb zmiennoprzecinkowych, to każdy pomiar telemetryczny będzie zabierał 16 bajtów, co pozwoli na 64 pomiary. W tym wypadku można podzielić przewidywaną maksymalną wysokość osiągniętą przez liczbę pomiarów, uzyskując minimalną różnicę wysokości do wykonania maksymalnej liczby pomiarów przez cały lot w górę.
Przykładowy projekt oprogramowania Arduino opracowanego na potrzeby opisanego powyżej urządzenia można znaleźć na GitHubie jednego z autorów [2]. Autorzy sugerują stworzenie własnego oprogramowania, lepiej dopasowanego do szczegółowych wymogów danego projektu. Oprogramowanie autorów może posłużyć jako inspiracja.
Formalności: czy każdy może wypuścić balon stratosferyczny, kiedy tylko chce?
Odpowiedź brzmi NIE. Niestety, ze względów bezpieczeństwa w przestrzenii lotnicznej, starty balonów wymagają kilku bardzo istotnych formalności. Start należy zgłosić do Polskiej Agencji Żeglugi Powietrznej, podając takie dane jak: dane osoby odpowiedzialnej za wypuszczenie balonu, dokładne miejsce startu, czas lotu, typ balonu, jego rozmiar, rodzaj ładunku, masa ładunku badawczego oraz przewidywany pułap osiągnięty przez balon. Ponadto same komponenty balonu muszą spełniać odpowiednie wymogi prawne: np. nadajniki radiowe operujące poza nielicencjonowanymi pasmami ISM wymagają licencjowanego operatora radiowego.
Nadajniki radiowe muszą też wpasować się w plan częstotliwości, a czas i moc transmisji nie mogą przekraczać wyznaczonych norm. Linka mocująca balon musi spełniać odpowiednie wymogi mechaniczne, tak by przy ewentualnej kolizji z samolotem zerwała się przed uszkodzeniem płata nośnego maszyny. Sam balon musi być oczywiście wypełniony gazem niepalnym tj. helem. Przed zbudowaniem balonu należy zatem zapoznać się z wszystkimi normami prawnymi związanymi z takim przedsięwzięciem.
Kolejnym ważnym elementem jest ubezpieczenie balonu na wypadek, gdyby spadając, uszkodził on np. uprawy rolnicze, samochód, szybę w budynku, uszkodził przechodnia. Rodzaj ubezpieczenia, jaki należy wybrać, najlepiej ustalić z ubezpieczycielem, gdyż w zależności od celu wypuszczenia balonu i planowanego lądowania zmienia się kwota. Najtańsze ubezpieczenia zaczynają się od 100 zł, jednak warto na tę część przygody z balonem stratosferycznym przeznaczyć większą kwotę. Po uzyskaniu wszelkich potrzebnych pozwoleń każdy może wypuścić własny balon stratosferyczny, pod warunkiem, że spełnia on wymogi formalne.
Jak wygląda start balonu?
Po uzyskaniu wszystkich niezbędnych pozwoleń i wypełnieniu pozostałych formalności, balon stratosferyczny może wreszcie wystartować w wyznaczonym terminie. Ładunek oraz spadochron należy zamontować na linkę, wraz z dociążeniem, tak aby balon nie mógł kontrolować chwili startu.
Następny krok to podłączenie balonu do butli z helem oraz powolne napełnienie balonu wcześniej zaplanowaną ilością helu. Po napełnieniu można zawiązać końcówkę balonu na supeł, a następnie zacieśnić ją przez obwiązanie końcówki linką, na której znajduje się spadochron i ładunek. Ważne jest, by balon był mocno związany w taki sposób, by zawarty w środku hel nie uciekał i powodował zmiany trajektorii lotu. Następny krok to uruchomienie komputera pokładowego i pozostałych instrumentów. Po sprawdzeniu działania systemów pokładowych należy oddalić się od miejsca startu. Jedna wydelegowana osoba powinna zwolnić obciążnik, tym samym uwalniając balon i rozpoczynając jego lot. Warto też sprawdzić przewidywaną ścieżkę lotu balonu za pomocą odpowiedniego kalkulatora [3] i przygotować się na jego powrót.
Odzyskiwanie ładunku badawczego po lądowaniu
Jeśli pokładowe urządzenia GPS i GSM zadziałały poprawnie, po wylądowaniu balonu powinniśmy otrzymać w formie SMS-a współrzędne lądowania balonu oraz opcjonalnie część danych naukowych. Aby odzyskać wszystkie dane zawarte w pamięci EEPROM ładunku naukowego, należy odzyskać ładunek. Zazwyczaj balon ląduje w promieniu kilkunastu/kilkudziesięciu kilometrów od miejsca startu. Warto zatem skorzystać z map, umożliwiających wprowadzenie lokalizacji GPS, i rozpocząć poszukiwania balonu. Dobór miejsca lotu balonu jest zatem istotny, gdyż warto przygotować się na przelot balon przez granicę kraju, wylądowania na wysokim drzewie, na stromym zboczu lub w morzu, rzece lub jeziorze. Warto więc zaplanować miejsce wylotu balonu, które w promieniu kilku/kilkudziesięciu kilometrów będzie wolne od przeszkód w jego odnalezieniu. Warto także wypuszczać balon w bezwietrzny dzień, sprawdzając prognozę na etapie zgłaszania lotu do Polskiej Agencji Żeglugi Powietrznej.
Odczyt danych badawczych
Dane z pamięci EEPROM można odczytać w prosty sposób. Pamięć EEPROM nie kasuje się po odłączeniu zasilania lub wgraniu nowego programu na Arduino, dzięki czemu dane można odzyskać w dowolnej chwili po odzyskaniu komputera pokładowego. Wystarczy skorzystać z wbudowanej funkcji EEPROM.read(), aby uzyskać surowe bajty, a następnie można przekonwertować je z powrotem na liczby zmiennoprzecinkowe np. za pomocą struktury danych union. Przykładowy dekoder danych jest dostępny we wcześniej wspomnianym repozytorium przygotowanym przez autorów niniejszego artykułu [4].
Podsumowanie
Budowa balonu stratosferycznego domowym sposobem nie jest trudna. W niniejszym artykule opisano budowę podstawowej wersji zawierającej ładunek badawczy. Zaproponowano także przykładową konfigurację układu. Mamy nadzieję, że nasza propozycja zachęci pasjonatów do badania atmosfery za pomocą balonu stratosferycznego z ładunkiem, skonstruowanego domowym sposobem.
Karol Masztalerz, Paweł Pleskaczyński,
Filip Bąk, Ewa Klejman, Magdalena Osial,
mosial@chem.uw.edu.pl
Źródła:
[1] http://go.nasa.gov/3baVoDp
[2] http://bit.ly/355xplq
[3] http://bit.ly/3nh6PM5
[4] http://bit.ly/3pLet39
