Strato
balloon
A KFK project.
© Gergely Attila, Rusu András.
O parte foarte importantă a „încărcăturii” balonului, pe lângă camere, dispozitive de telecomunicații și de stocare date, sunt diverși senzori. Senzorii au fost selectați astfel încât, cu ajutorul lor, putem examina diferitele caracteristici ale atmosferei Pământului cât mai precis și cât mai larg posibil și, ulterior, putem compara valorile măsurate cu alte modele atmosferice existente. Poate, contribuind astfel și la o înțelegere mai precisă a atmosferei.
De aceea, printre altele, au fost instalați senzori de măsurare a temperaturii (fiind majoritari), cu ajutorul cărora dorim să examinăm dependența temperaturii atmosferei de altitudine. În proiect folosim și senzori de umiditate și presiune. Senzorii de presiune joacă un rol dublu în această misiune. Pe lângă măsurarea presiunii atmosferice, putem folosi și datele obținute pentru a determina înălțimea balonului deasupra nivelului mării.
De asemenea, ni s-a părut interesant să examinăm conținutul de dioxid de carbon din atmosferă, concentrația de praf și indicele UV al radiației solare. Pe lângă coordonatele GPS, care este o data esentiala in cautarea unitatii, accelerometrul, giroscopul și magnetometrul încorporate dau informații despre orientarea balonului.
Senzori utilizați în proiect:
BMP280 – senzor de temperatură și presiune
SHT21 – senzor de măsurare a temperaturii și umidității
DS18B20 – senzor de temperatură
GP2Y1014AU0F - senzor de praf
MH-Z14A – senzor de dioxid de carbon
MPU6050 – accelerometru și giroscop
MiniIMU-9 v5 – accelerometru, giroscop și magnetometru
În timpul experimentului, funcționarea senzorilor este asigurată de un ESP32 și un microcontroler Arduino Nano. Am încercat sa construim unitatea cât mai modulara, astfel încât să ne putem schimba piesele în cazul unei defecțiuni sau dacă dorim să o modernizăm în viitor.
Rolul principal al cutiei este de a proteja componentele electronice de mediul înconjurător: temperaturile scăzute externe, impactul la sol, precipitațiile posibile sau efectele nesănătoase asupra circuitelor în urma căderii în apă.
Cutia joacă un rol foarte important în menținerea funcționării corecte a tuturor componentelor, așa că contează ce material folosim, cum o construim, cum potrivim piesele între ele. Materialul izolator folosit pentru cutie este polistirenul XPS cu grosimea de 5 cm, care este o alegere excelentă, deoarece este durabil, rezistent la apă și un bun izolator termic. Părțile laterale sunt realizate cu un design dințat, asemănător unui puzzle, pentru a crește stabilitatea. Am folosit spumă poliuretanică pentru a lipi panourile între ele, ținând cont de faptul că temperatura poate fi de până la -40 C, astfel încât benzile izolatoare obișnuite nu sunt potrivite în acest caz. Deoarece acoperișul nu este atașat direct, parașuta nu poate fi atașată de el, astfel că întreaga cutie a fost legată cu două curele cu clichet, iar de acestea au fost atașate corzile parașutei. Mai mulți senzori sunt plasați pe exteriorul cutiei pentru a măsura datele atmosferice. Pentru a oferi o vizibilitate pentru camerele de luat vederi, a trebuit să tăiem găuri în pereți,ceea ce a compromis impermeabilizarea și izolarea termică a cutiei, lucru pe care l-am compensat cu plexiglas.
Fiecare experiment sau proiect de măsurare are nevoie de modele teoretice deja existente sau, în unele cazuri, chiar noi, astfel încât, cu ajutorul acestora, fenomenul studiat și aspectele sale relevante să devină previzibile. Utilizarea practică a modelelor teoretice și verificarea seriilor de date se face cel mai adesea prin intermediul simulărilor.
Cea mai importantă sarcină a grupului de teorie și simulare (T&S) a fost crearea unei simulări minime de predicție a traiectoriei. Pentru aceasta am luat în considerare munca lui Gai et al. [2] ca bază. Modelul de urcare și coborâre prezentat în lucrare este construit pe baza unor ipoteze fizice generale, în timp ce deplasarea laterală este determinată prin utilizarea de prognoze meteo și meteorologice reale, cu interpolări mai simple sau complicate între punctele de date.
Ecuația principală a modelului de ascensiune:
\[ m_{tot}a_z = g\rho_{air}V - g(m_{gross} + m_{gas}) - \frac{1}{2}C_D\rho_{air}\dot{z}^2A_b, \]where:
\( m_{tot}a_z = g\rho_{air}V - g(m_{gross} + m_{gas}) - \frac{1}{2}C_D\rho_{air}\dot{z}^2A_b, \)
\(m_{added} = \frac{1}{2}\rho_{air}V\) - masa de aer deplasată de balon în timpul ascensiunii
coeficientul de rezistență
\(A_b\) - secțiunea transversală de referință a balonului
Creșterea volumului este principalul responsabil pentru creșterea vitezei verticale a balonului, numită în mod obișnuit viteză ascendentă, deoarece în ecuația mișcării se observă că accelerația depinde de volum. Temperatura care apare în modelul original, prezentat în [2], este un termen destul de sofisticat, deoarece depinde nu numai de expansiunea balonului, ci și de diferite rate de convecție (ratele de convecție aer-materialul balonului, materialul balonului-heliu, ratele de convecție prin radiație). Acestea reprezintă alte ecuații diferențiale și date care sunt, de obicei, specifice locului și/sau timpului, pentru care fie nu există o bază de date, fie măsurarea lor depășește posibilitățile noastre. Acestea vor apărea în modelul nostru fie ca constante, fie ca aproximații (de exemplu, liniare), fie sunt neglijate.
Propunem două metode posibile pentru a descrie presiunea din interiorul balonului. În primul rând, am considerat că procesul de ascensiune este adiabatic. În acest caz, presiunea este dată de:
\[ p\cdot V^{\gamma}=const. \]Cealaltă variantă se bazează pe legea gazului ideal:
\[ V = \frac{m_{gas}}{M_{gas}} R \frac{T_{gas}}{p_{air}} \]În acest moment, încă investigăm care dintre ele se va dovedi mai bună.
Mișcarea orizontală a balonului poate fi determinată doar pe baza unor baze de date meteorologice reale. Am analizat diferite pachete de date disponibile, cum ar fi NCEP (National Centers for Environmental Prediction) sau ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts). Criteriile esențiale au fost rezoluțiile temporale și spațiale bune. Pentru aceasta am ales baza de date ECMWF. Cu toate acestea, datele spațiale nu au o rezoluție suficient de fină; în acest caz, se vor aplica metode de interpolare.
Pe lângă predicția traiectoriei, alte sarcini au fost modelarea densității, presiunii și temperaturii aerului în funcție de altitudine. Deoarece balonul va atinge o altitudine maximă de 24-30 km, o singură aproximare produce erori grave. Prin urmare, este necesară utilizarea unor aproximări diferite în diferite regiuni de altitudine. Regimurile de altitudine și aproximările corespunzătoare pot fi găsite în detaliu în [1], iar acestea sunt implementate în simulare și în predicțiile privind temperatura, presiunea, densitatea aerului și altitudinea.
În concluzie, T&S s-a ocupat de traiectoria menționată mai sus și de predicțiile altor parametri. Responsabilii pentru partea de codificare au fost András Kuki și András Rusu. Toată codificarea a fost realizată în limbajul Python 3. Modelele teoretice au fost compilate, datele aplicabile au fost găsite, iar literatura de specialitate a fost studiată în detaliu de Zsuzsa Bálint și sprijinită de Kristóf Benedek. Restul grupului a fost repartizat în aceste două domenii principale, iar unii vor participa la prelucrarea datelor după zborul balonului.
Planurile viitoare vizează perfecționarea modelului de traiectorie. După zborul baloanelor, vom compara datele GPS empirice cu predicția noastră inițială și, în cazul în care vom încerca să explicăm diferențele și să propunem o abordare mai exactă. O mare parte din T&S va participa, de asemenea, la procesarea datelor, ceea ce înseamnă interpretarea datelor primite de la senzorii plasați pe balon.
Referințe bibliografice, linkuri utile
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 - articol Wikipedia
Density of air - articol Wikipedia
După cum este precizat în obiectivele proiectului și în conformitate cu capitolul Senzori, balonul va transporta diverse dispozitive de măsurare care comunică date printr-o unitate radio. Așadar, echipa de prelucrare a datelor este responsabilă de interpretarea și evaluarea informațiilor primite.
Prima sarcină este de a separa pachetul de informații primit în funcție de senzori și parametri de stare. În etapa următoare, datele organizate sunt reprezentate în diagrame, evaluate și comparate cu predicțiile grupului de teorie și simulare. Formularea concluziilor va reprezenta punctul culminant al proiectului din punct de vedere teoretic, oferind o orientare cu privire la punctele modelelor care trebuiesc îmbunătățite.
Modelele noastre actuale împart ascensiunea în diferite intervale de înălțime și pentru fiecare interval sunt utilizate aproximări adecvate pentru a descrie schimbarea temperaturii, presiunii și altor parametri. În timpul prelucrării datelor, este posibilă și validarea acestei ipoteze.
Pe „puntea” balonului au fost amplasate și câteva instrumente de măsurare mai speciale, precum senzori de UV, CO2, concentrație de praf, magnetometru și accelerometru. Informațiile pe care le furnizează, în primul rând, ajută la verificarea vremii și a modelelor meteorologice, dar acestea pot ajuta și la investigarea noilor întrebări, cum ar fi căutarea corelațiilor posibile, de exemplu, între parametrii umiditate-temperatură-altitudine sau umiditate-CO2-UV.
Programele necesare sunt scrise în Python3, iar figurile sunt realizate tot în Python.