Strato
balloon
A KFK project.
© Gergely Attila, Rusu András.
A ballon „rakományának”, a kamerák, a telekommunikációs eszközök és az adattárolók mellet egy igen fontos részét képezik a különböző szenzorok. A szenzorokat aszerint választottuk ki, hogy ezek segítségével minél pontosabban és minél szélesebb skálán tudjuk megvizsgálni a Föld légkörének különböző karakterisztikáit és utólag a mért értékeket összehasonlítási más, már meglévő légköri modellekkel. Talán ezzel is hozzájárulva a légkör pontosabb megértéséhez.
Ezért kerültek többek között beszerelésre hőmérséklet mérő szenzorok (ezekből van a legtöbb), amelyekkel a légkör hőmérsékletének magasságtól való függését szeretnénk vizsgálni. Továbbá a projektben használunk páratartalom és nyomásmérő szenzorokat is. A nyomásmérő szenzorok kettős szerepet töltenek be a küldetésben. Amellett, hogy mérik a légköri nyomást, az általuk mért adatok segítségével meg tudjuk határozni a ballon tengerszint feletti magasságát is.
Érdekesnek találtuk még megvizsgálni a légkör szén-dioxid tartalmát, a por koncentrációját és a napsugárzás UV indexét. A ballon megtalálásában létfontosságú szerepet betöltő GPS koordináták mellett, a ballon orientációjának az ismeretéről a beépített gyorsulásmérő, giroszkóp és a magnetométer gondoskodik.
A projektben használt szenzorok:
BMP280 – hőmérséklet és nyomásmérő szenzor
SHT21 – hőmérséklet és páratartalom mérő szenzor
DS18B20 – hőmérséklet szenzor
GP2Y1014AU0F - por-szenzor
MH-Z14A – szén-dioxid szenzor
MPU6050 – gyorsulás mérő és giroszkóp
MiniIMU-9 v5 – gyorsulásmérő, giroszkóp és magnetométer
A küldetés során a szenzorok működéséről és ESP32-es és egy Arduino Nano mikrovezérlő gondoskodik.
Az áramkör megépítésekor igyekeztünk lehetőségeinkhez mérten modulárisra tervezni az egységet, esetleges meghibásodásra, vagy jövőbeli fejlesztésre gondolva.
A doboz fő szerepe megvédeni az elektronikát a környezettől: a külső alacsony hőmérséklettől, a landoláskori ütközéstől, az esetleges csapadék vagy a vízre esés áramkörre egészségtelen következményeitől.
Nagyon fontos szerepe van a doboznak, hogy minden rendben működhessen, ezért nem mindegy, hogy milyen anyagot használunk, hogyan építjük meg, hogyan illesszük össze a részeit. Az dobozt alkotó szigetelőanyagnak 5cm vastagságú XPS-polisztirolt használtunk, ami kiváló választás, mivel strapabíró, vízálló és jó hőszigetelő. Az oldalak kialakitásánál puzzlehoz hasonló fogazott kialakítást alkalmaztunk a stabilitás megnövelésének érdekében. Az összeillesztés, megragasztáshoz Purhabot használtunk, figyelnünk kell arra, hogy a hőmérséklet akár -40 C is lehet, tehát az átlagos szigetelőszalagok alkalmazhatatlanok ebben az esetben.
Mivel a tető nincs közvetlen módon rögzítve, az ejtőernyőt nem rögzíthetjük ehhez, ezért a teljes dobozt két spaniferrel kötöttük át és ezekhez rögzítettük a ejtőernyő fonalait. Számos szenzor a doboz külsején kerül elhelyezésre, hogy atmoszférikus adatokat mérhessen. A kamerák kilátása érdekében jelentős üregeket kellett kivágnunk a doboz falából, ami a doboz vizhatlanságát és a hőszigetelését is rontja, aminek ellensúlyozására plexi üvegek alkalmaztunk.
Mint minden kísérleti vagy mérési projektben szükség van már meglévő, esetenként új elméleti modellekre, amelyek előrejelezhetik vagy előrejelezhetővé teszik a vizsgált jelenséget. Az elméleti modellek kifejtése, az adatsorok ellenőrzése leggyakrabban szimuláció segítségével történik.
Az elméleti és szimuláció csoportnak (E&Sz) elsősorban egy trajektória előrejelzésre alkalmas szimulációt kellett készítenie már meglévő elméleti modellek alapján. Az elsődleges forrásként Gai et al. [2] munkáját tekintettük. A modell egyszerű fizikai meggondolások alapján írja le a függőleges mozgást, míg az oldal-irányú elmozdulás meghatározására valós meteorológiai adatokat használ.
Az emelkedési modell fő egyenlete:
\[ m_{tot}a_z = g\rho_{air}V - g(m_{gross} + m_{gas}) - \frac{1}{2}C_D\rho_{air}\dot{z}^2A_b, \]ahol:
\(m_{tot} = m_{gross} + m_{gas} + m_{added}\)
\(m_{added} = \frac{1}{2}\rho_{air}V\) - a ballon által mozgatott levegő tömege emelkedés során.
\(C_D\) - légellenállási együttható
\(A_b\) a ballon referencia keresztmetszete
A ballon térfogat növekedése felelős elsősorban az emelkedési ráta növekedéséért. Az eredeti modellben a térfogat kifejezésében megjelenő hőmérséklet egy szofisztikált tag, mivel ez nemcsak a tágulástól függ, hanem különböző konvekciós rátáktól (levegő-ballon anyag, ballon anyag-hélium, sugárzási konvekciós ráta). Ezek újabb differenciálegyenleteket jelentenek, illetve számunkra gyakran nem hozzáférhető, vagy nehezen kimérhető adatot, hisz ezek egy része hely és idő függő. Ezek az általunk módosított modellben valamilyen közelítésként (pl. lineáris), állandóként, esetenként elhanyagolva jelennek meg.
A ballonbeli gáz nyomás leírására két lehetséges utat is kipróbáltunk. Elsődlegesen adiabatikus folyamatként fogtuk fel az emelkedést. Ekkor a nyomás
\[ p\cdot V^{\gamma}=const. \]Illetve a másik variáns az ideális gáztörvényből adódik.
\[ V = \frac{m_{gas}}{M_{gas}} R \frac{T_{gas}}{p_{air}} \]A ballon horizontális mozgását csak adatbázisok alapján lehet meghatározni. Ehhez különböző adatcsomagokat vetettünk össze, mint NCEP, ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts). Itt lényeges szempontok voltak a jó időbeli és térbeli felbontás, ami miatt végül az ECMWF adatbázist használtuk. A térbeli felbontást finomítandó, két mérési pont között egyszerűbb és bonyolultabb interpolációt is alkalmaztunk, hogy több pontra tudjuk kiértékelni a trajektóriát.
A trajektória jóslás mellett igyekeztünk egy predikciót adni a levegő-sűrűség, hőmérséklet és nyomás változásra. Mivel a ballon 24-30 km-s magasságig emelkedik, ezekre nem alkalmazható egyetlen közelítés, hanem adott magassághatárok között más és más törvényszerűségeket kell alkalmaznunk. Ezen közelítések rétegekre bontják a légkört [1]. Ezeket implementáltuk a szimulációban és a hőmérséklet, nyomás, levegő sűrűség előrejelzésekben.
Összességében a fentiekkel foglalkozott/foglalkozik az E&Sz csoport. A programozás fő részéért Kuki Andrást és Rusu Andrást illeti az érdem. A szimuláció, illetve a légsűrűség, nyomás és hőmérséklet magasság szerinti modellezése Python 3 nyelvben írodtak. Az elméleti modellek összeállította, megfelelő állandókat kereste, szakirodalmat tanulmányozta elsősorban Bálint Zsuzsa és segítette Benedek Kristóf. A csoport többi része ezen két fő terület alá volt beosztva mint segítő, illetve néhányan még az adatfeldogozásban fognak részt venni a ballon repülése után.
Jövőbeni tervek közé tartozik a trajektória modell tökéletesítése abban az esetben, ha nagy eltérések jelentkeznek a kapott GPS adatok és a jósolt pálya között. Ebben az esetben egy pontosabb modell próbálunk meg kidolgozni és javasolni. Az E&Sz nagy része részt vesz az adatfeldolgozási folyamatban is, mely a szenzorok által mért és küldött információ értelmezését jelenti a repülés után.
Hivatkozások, hasznos linkek
Gai, Mario & Guglieri, Giorgio & Lattanzi, M. & Lombardi, A. & Mana, M. & Masserano, L. & Musso, Ivano & Navone, P.. (2014). A scientific mission based on a high altitude stratospheric balloon. Int. J. Aerosp. Sci.. 3. 18-29.
Morris, A. L. (1975). Scientific Ballooning Handbook (No. NCAR/TN-99+IA). University Corporation for Atmospheric Research. doi:10.5065/D6G73BM1
Farley, Rodger. (2005). BalloonAscent: 3-D Simulation Tool for the Ascent and Float of High-Altitude Balloons. 7412. 10.2514/6.2005-7412.
Gallice, A. & Wienhold, F. & Hoyle, Christopher & Immler, Franz & Peter, T.. (2011). Modeling the ascent of sounding balloons: Derivation of the vertical air motion. Atmospheric Measurement Techniques Discussions. 4. 10.5194/amtd-4-3965-2011.
International Standard Atmosphere - Wikipedia
Density of air - Wikipedia
Ahogyan a projekt céljai között szerepel és a Szenzorok fejezetnek megfelelően, a ballon különböző mérőberendezéseket fog szállítani, melyek egy rádió egységen keresztül közlik az adatokat a földi vevőegységekkel. Az Adatfeldolgozás részleg az így kapott információt hivatott értelmezni és kiértékelni.
A feladatkör a kapott információcsomag szenzorok és állapothatározók szerinti szétválasztásánál kezdődik. Mindezek után a rendszerezett adatokat ábrázoljuk, kiértékeljük és összevetjük az Elmélet és szimuláció csoport predikcióival. Ezen összevetés és a kapcsolatos következtetések megfogalmazása a projekt csúcsát fogják jelenteni elméleti szempontból, irányvonalat biztosítva, hogy a modellek mely pontjai a javításra szorulók.
Jelenlegi modelljeink különböző magasság intervallumokra bontják az emelkedést, és a megfelelő tartományokban adott közelítéseket alkalmaznak hőmérséklet, nyomás és egyéb paraméterek változásának leírásához. Az adatfeldolgozás során lehetőség nyílik ezen feltételezés validálására is.
A "fedélzeten" helyet kapott néhány egzotikusabb mérőműszer is, mint UV, CO2, por koncentrációt mérő szenzor, magnetométer és gyorsulásmérő. Az általuk biztosított információ a meteorológiai és egyéb modellek ellenőrzésén túl új kérdések vizsgálatában is segíthetnek, mint például a párataralom-hőmérséklet-magasság, vagy páratartalom-CO2-UV paraméterek közötti potenciális összefüggések keresése.
A szükséges programok Python3 nyelvben íródnak ás az ábrák is ugyancsak Pythonban készülnek.