Náměty pro středoškoláky

Rakety, balóny, satelity: Náměty pro středoškoláky
pro činnost v elektro- a radio kroužcích a klubech
Tyto náměty vhodně kombinují bastlení (experimentování, konstruování)
s aktivitami dotýkajícími se kosmu. Je v tom dobrodružství i nejmodernější technika.
Verze V.0, stav k 26. září 2015
Víte o dalších zajímavých námětech? Napište o nich na [email protected] , budou zařazeny do další verze tohoto souboru.
Tyto Náměty můžete libovolně šířit, uveďte zdroj, jímž je www.hamik.cz .
Mikrosatelity CanSat
Jak se dostat k profesi v kosmickém průmyslu
Na letošním Mezinárodním setkání radioamatérů v Holicích jsem měl domluvenou schůzku s panem Milanem Halouskem, vedoucím Centra studentských
aktivit České kosmické kanceláře a jedením z předních českých popularizátorů kosmonautiky. Z Pardubic to neměl daleko a využil možnost seznámit se
s prostředím, ve kterém, jak doufám, příští rok odpřednáší pro zájemce radioamatéry něco o technickám pozadí vypuštění satelitu, o oběžných drahách satelitů, jejich určení, životním cyklu atd. Na jeho část přednášky by měla navázat část druhá, ve které další odborník radioamatér seznámí zájemce s možnostmi
navázání komunikace s určitými satelity, se způsobem určení jejich dráhy a zaměření, s potřebnými výkony, frekvencemi, anténami – prostě praktická část.
Pan Halousek byl mile překvapen. O tradiční akci v Holicích prý do té doby nevěděl. Během rozhovoru jsme probrali i možnost představit radioamatérské
technické komunitě standard mikrosatelitů CubeSat o rozměrech 10x10x10 cm a technické problémy řešené při jejich vývoji. Vývoj takového mikrosatelitu
realizovaly české zájmové, univerzitní i profesionální týmy např. czCubesat.org, CzechTechSat, PilsnerCube, VZLUSat1 i VUT v Brně. A tak jsem se dozvěděl
o soutěžním projektu CanSat [1] pro vysoké a střední školy, jež byl vyhlášen Evropskou kosmickou agenturou a který se u nás pořádá pod záštitou České
kosmické kanceláře [3]. Probíhá již několikátý ročník tohoto soutěžního projektu. Agentura hledá cesty, jak tento projekt rozšířit mezi mladé [13]
http://www.esa.int/Education/CanSat .
Tímto hledáme další týmy, které mají chuť se zapojit. Soutěž je určena pro přibližně čtyřčlenné týmy středoškolských studentů z členských zemi ESA a jejich
učitele. CanSat nabízí jedinečnou příležitost pro studenty, kteří si chtějí vyzkoušet přípravu vědeckého kosmického experimentu. Soutěžní týmy si vyzkouší
vyslání svého „minisatelitu“, sestaveného ze speciální sady, sondážní raketou do výše 1 kilometru. Po dosažení dané výšky budou CanSaty z rakety uvolněny
a během jejich sestupu na padáku budou provádět měření (teplota, tlak, GPS poloha), které budou studenti v reálném čase přijímat a vyhodnocovat.
CanSaty jsou navrženy tak, aby se jejich veškeré vybavení, vč. napájení, vešlo do 350ml plechovky od nápoje. Evropská soutěž CanSat je součástí iniciativy
ESA inspirovat mladé lidi ke studiu v oblasti vědy a inženýrství, s cílem zajistit dostupnost vysoce kvalifikovaných pracovních sil v kosmickém průmyslu
budoucnosti.
Některá telemetrická data jsou stanovena v pravidlech, lze je však rozšířit o libovolný údaj, například o obrázek z kamery. CanSat lze koupit i jako stavebnici a řešit jen software. Stavebnice v nejjednodušším provedení obsahuje anténku, dva moduly, baterii na ohnutém nosníku z plechu zasunutém v plechovce a padáček.
1
Lze říci, že pravidelným účastníkem již několikátého ročníku této soutěže jsou týmy z pražské Střední průmyslové školy elektrotechniké (SPŠE) v Ječné pod
vedením Ing. Vladimíra Váni. V dalším předkládám zkrácený text účastníků (Váňa, Ondřej Slabý, Nikolas Šebek). Originál i se schématy je na webových stránkách SPŠE Ječná [2].
=====================================================
Poprvé s myšlenkou CanSatu přišel profesor Robert Twiggs [1] na konci 90. let. Tvůrci CanSatů do
plechovky od limonády obvykle umisťují nějaká čidla jako např. čidlo tlaku a teploty, GPS moduly,
kamery apod., jednočipové mikropočítače a vysílač pro VKV či UKV pásma ISP či pro některé z radioamatérských pásem 2 m, 70 cm, 23 cm či 12 cm. K vypuštění CanSatu vybaveného vlastním padáčkem
obvykle slouží balón či signální raketa. Poté, co CanSat opustí raketu či balón, padá na padáčku k zemi
(Obr. 1) a přitom vysílá naměřené údaje. Stavbou a provozem CanSatů se zabývají často zejména
vysokoškolští studenti. Někdy je to i součást jejich studia.
V několika posledních letech jsou pořádány národní i mezinárodní soutěže založené na použití
CanSatů. V lednu 2010 vyhlásila ESA poprvé takovou soutěž i pro středoškoláky. Druhý ročník evropské soutěže proběhl v roce 2012. Evropská soutěž CanSat je součástí iniciativy ESA inspirovat mladé
lidi ke studiu v oblasti vědy a inženýrství, s cílem zajistit dostupnost vysoce kvalifikovaných pracovních
sil v kosmickém průmyslu budoucnosti. Finále prvních dvou ročníků soutěže se uskutečnilo na základně
Andøya Rocket Range v Norsku (Obr. 2). V roce 2010 mezi 12 finalistů postoupil i český tým studentů
Gymnásia ze Žďáru nad Sázavou a do finále druhého ročníku v roce 2012 tým studentů Střední průmyslové školy elektrotechnické z Ječné ulice v Praze [2], viz Obr. 8.
1
První dva ročníky soutěže
Při prvních dvou ročnících soutěže pořádané Evropskou kosmickou agenturou soutěžily studentské týmy ze členských zemí ESA pouze v jedné kategorii. Jejich úkolem bylo vytvořit CanSat
realizující tři mise a provozovat ho ve finále soutěže. První dvě mise měly všechny týmy společné –
měření teploty a tlaku při sestupu CanSatu na padáčku k Zemi a přenos naměřených hodnot během
sestupu bezdrátově v pásmu 433 MHz do pozemní stanice týmu a jejich vyhodnocování pomocí PC.
Třetí misi si již každý tým navrhl individuálně a obsah a zaměření této mise byl klíčovým pro výběru
týmů do finále. Učitelé vedoucí vybrané týmy se poté účastnili workshopu v EST EC v Holandsku.
2
Předmětem workshopu bylo jejich seznámení s technologiemi doporučenými pro tuto soutěž
v roce 2010 a 2012. Za základ splňující obě první mise byla použita stavebnice americké firmy
PrattHobbies [4]. Tuto stavebnici si po skončení workshopu také každý učitel pro svůj tým odvezl (Obr. 3). Kromě mechanické konstrukce CanSatu obsahoval startkit i destičku vysílače, palubní počítač a čidla teploty a tlaku. Základem vysílače je integrovaný vysílač ADF7012 od Analog Devices řízený ATmega88
s firmware StenSat. Umožňuje vysílání v 70cm amatérském pásmu protokolem AX25 (packet radio). Destička palubního počítače pak je osazena ATmega
168 s firmware Arduino. To umožňuje jeho programování jazykem WIRE, což je vlastně C(++) ve kterém se neprogramuje vstupní bod main, protože ten už je
2
v knihovně a místo něj se vytváří funkce setup (počáteční inicializace) a loop (volá
se v cyklu), které se z toho knihovního main volají. Výhodou je i dostupnost znač3
ného množství knihovních funkcí použitelných ve firmware Cansatu (GPS, čidla
teploty, tlaku, akcelerometry atd.). Přijímač pozemní stanice, anténu a počítač si
soutěžní týmy již musely zajistit samy. V případě týmu Ječňáci jsme získali grant
HMP. Na výsledném hodnocení se technická stránka řešení podílí z 50 %.
Kromě technického řešení a dokumentace jsou dále hodnoceny měsíční reporty
zasílané týmy do ESA, jejich publikační a propagační činnost, www stránky, blog
a rovněž prezentace před a po letu jejich CanSatu. Veškerá komunikace s ESA,
reporty, presentace apod. jsou pochopitelně pouze v angličtině. Při druhém ročníku soutěže se technické řešení českého týmu dosti lišilo od řešení ostatních
studentských týmů. Při evropské soutěži jsme nechtěli za základ vzít americkou stavebnici s americkými obvody a navrhli a realizovali jsme elektroniku vlastní,
založenou na obvodech největšího evropského výrobce mikroelektronických prvků italsko-francouzské firmy STMicroelectronic. Tato firma má v Praze 8 i své
významné vývojové centrum. Palubní počítač jsme osadili 32bitovým MCU ARM Cortex STM32F100. Rovněž čidla jsme použili od STM. Protože soutěž má
studentům přiblížit skutečný kosmický výzkum měl náš tým několik CanSatů (technologický a dva letové).
Další, čím se naše řešení lišilo od řešení ostatních týmů bylo použití trojice padáčků čímž se zvýšila stabilita klesajícího CanSatu, což bylo kladně hodnoceno pořadatelem i ostatními týmy. Bohužel vyhazovací zařízení rakety (systém pružin) prorazilo plech plechovky našeho CanSatu a úlomek tohoto plechu přerušil tištěný spoj vysílače, takže vysílač stačil odeslat jen několik paketů. Z časových důvodů nedošlo ke startu další
rakety s naším záložním letovým kusem CanSatu. Podmínky soutěže předepisují rozměry CanSatu stejné, jako má plechovka 350 ml, ale není zde podmínka tuto plechovku použít. Většina týmů sice plechovku coby kryt mechanické
konstrukce používala, nicméně několik týmů použilo vlastní bytelnější konstrukci, např. dle Obr. 4. Na základě naší
zkušenosti rozhodně doporučujeme studentům v budoucnu realizovat vlastní odolnou mechanickou konstrukci.
Pokud se i vy rozhodnete s Vašimi studenty si postavit a odzkoušet vlastní CanSat obdobný tomu, který používaly
týmy středoškoláků při prvním a druhém ročníku soutěže a mít přitom co nejmenší náklady, máme pro Vás dva typy:
Není nutné si za 260 $ kupovat startkit PrattHobbies, ale můžete si postavit vlastní. Podklady najdete v diplomové
práci Ing. Martina Sabola „FM vysílač APRS telemetrických dat v pásmu 144 MHz“ [5]. Jeho vysílač vychází z konstrukce od PrattHobbies, má však řadu vylepšení a k dispozici jsou podklady pro PCB v Eagle a sw včetně zdrojových kódů
v C jak pro firmware ATmega88, tak pro program na PC nastavující vlastnosti vysílače (u PrattHobbies se nastavovat
nedají). Obvody vysílače ADF7012 přitom můžete získat zdarma od Analog Devices jako tzv. free samples. Značnou
částku můžete ušetřit i při pořizování pozemní přijímací stanice. Všechny týmy totiž použivaly ruční scannery či
transceivery v ceně řádově několik tisíc Kč. Např. námi používaný Kenwood TH-F7 stojí 7-8 tisíc Kč. Podstatně lacinější
(pod 500 Kč) je pro příjem použít SDR (Software Defined Radio) realizované pomocí USB TV tuneru. Odzkoušeli jsme
Sencor SDB 522RT s free sw HDSDR [6] a [7].
4
3
Další ročník soutěže
Dá se předpokládat, že se od předchozích ročníků nebude příliš lišit. Vážným zájemcům, kteří budou mít tým šikovných studentů zajímajících se o kosmické technologie rádi pomůžeme jak svými zkušenostmi ze soutěže, tak svými znalostmi a zkušenostmi v oblasti tvorby hardware i software jednočipových počítačů, tvorbou sw na PC i bezdrátové komunikace pro přenos dat. Na základě naší zkušenosti z druhého ročníku soutěže předpokládáme, že pomoc soutěžícím
týmům poskytne i Centrum studentských aktivit České kosmické kanceláře vedené panem Milanem Halouskem.
CANSAT druhé generace
Protože od třetího ročníku soutěže je předpokládáno oboustranné spojení mezi CanSatem a pozemní stanicí, vyvinuli jsme pro tento účel vlastní transceiver. Ve třetím ročníku soutěže týmy používaly továrně vyráběné transceivery čínské výroby. Protože jde o evropskou soutěž, vzali jsme za základ
jednočipové mikropočítače evropské firmy STMicroelectronics STM32W108, které obsahují mezi vestavěnými periferiemi na čipu tohoto obvodu i transceiver pro pásmo 2,4 GHz. Principiální zapojení
modulů SPZB32W1C1 je na Obr. 5. Přesněji řečeno, použili jsme již hotové moduly SPZB32W1C1.4.
5
Jejich výhodou je i to, že mají FCC i evropské CE certifikáty týkající se elektromagnetické slučitelnosti.
Další výhodou je to, že mohou sloužit jak pro zajištění spojení, tak současně jako palubní počítač,
k němuž stačí připojit již jen čidla (teploty, tlaku a další).
Palubní počítač je prostřednictvím třídrátové sběrnice I2C spojen s blokem STEVAL MKI124V1 obsahujícím čidlo tlaku LPS331AP, gyroskop L3GD20 a akcelerometr s magnetometrem LSM303DLHC. K I2C je ještě připojen teploměr STLM75.
Závěr
Letos v červnu proběhlo finální klání Evropské soutěže v Santa Cruz,
v Portugalsku. O místě konání dalšího ročníku ještě není rozhodnuto. ESA
uhradí ubytování, stravu a lokální dopravu zúčastněným týmům (učitel a až
4 studenti), a všechny výdaje spojené s odpalem rakety a souvisejícími letovými aktivitami. Ukázka studentských konstrukcí CanSat je na Obr. 6 a 7.
Týmy si zajistí odpovídající sponzory pro jakýkoliv přídavný CanSat hardware, který potřebují (mimo stavebnici poskytnutou učitelům) a pro náklady na dopravu na místo soutěže.
6
Účastnící soutěže budou rozděleni do dvou kategorií: začátečníci a pokročilí, v závislosti na zkušenostech týmu. Každý tým musí mít 4 až maximálně 10
studentů střední školy ve věku od 14ti let, a vedoucího učitele. Učitelé/instruktoři vybraných týmů jsou zváni na úvodní workshop do ESA ESTEC centra
v Holandsku. Každý učitel se zúčastní kurzu na téma snímače a analýza signálů, sběr dat a jejich vysílání, instalace software a programování, a na závěr
dostane stavebnici elektroniky pro CanSat (kit). Postup registrace je popsán na [18].
Veškeré náklady spojené s účastí učitele na tomto zaškolení budou hrazeny z ESA. Zahrnují cestovní náklady, ubytování, stravu, podklady ke kurzu
a CanSat kit.
4
Citace
[1] Wang Torstein: CanSat Competition, http://www.rocketrange.no
[2] WWW SPŠE Ječná k CanSatu: http://www.spsejecna.net/cansat/
[3] WWW stránky České kosmické kanceláře: http://www.czechspace.cz/cs/vzdelavani/cansat
[4] http://www.pratthobbies.com/proddetail.asp?prod=CANSAT-1
[5] http://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=26883
[6] http://www.youtube.com/watch?v=nrH82BOgpQs
[7] http://www.youtube.com/watch?v=VZ-tCOeXj74
[8] http://kraksat.pl/2013/01/23/map2d/
[9] http://aurorateam.pl/
[10] http://www.control.aau.dk/~jdn/edu/cansat-kit/
[11] http://www.narom.no/kursfiler/20121024092121_pens.pdf
[12] http://leaflabs.com/devices/maple
[13] ESA stránky CanSAT:
http://www.esa.int/Education/New_CanSat_Competition_Announced
[14] Info na webu CSO o účasti českých týmů na soutěži:
2012 - http://www.czechspace.cz/cs/cansat-2012
2014 - http://www.czechspace.cz/cs/pragsat-2014-na-evropske-soutezi
[15] Video v rámci jednoho vzdělávacího projektu:
https://www.youtube.com/watch?v=uCCqSRfnLxM&feature=youtu.be
[16] Projektový list k PragSATu, připravený CSO:
http://www.czechspace.cz/sites/default/files/cso_factsheets-pragsat-web.pdf
[17] Kalendář akcí: http://www.esa.int/Education/CanSat/Calendar_and_locations
[18] Postup registrace: http://www.esa.int/Education/CanSat/How_to_apply
OK3VP
5
7
8
Sputník pod balónem...
...vznikl v rámci programu PZ (Ptákovinám zdar)
Je léto roku asi 2003 a 80m pásmo je na rozdíl od současnosti ještě plné signálů. Prolaďuji pásmo a zaslechnu relativně slabý signál OK1MKX/P. Udává
QTH kemp Veveří v Novohradských horách. Je prý tam na cyklistické dovolené s dcerou a spí ve stanu. No jasně, to je moje krevní skupina. Okamžitě ho volám a povídáme si několik hodin. Stěžuji si, že vlastně „portábling” je moje srdeční záležitost a že vlastně nemám s kým do přírody jezdit (omlouvám se své
Janičce OK1JVF, která se mnou jezdí již 20 roků). Slovo dalo slovo a s Jardou jsme se dohodli na společné akci. Bohužel to trvalo ještě pár let, než vlastně
vznikla skupina provozující SRH (Summer Radio Hiking). Dnes lze do skupiny SRH (PZ klub – Ptákovinám Zdar) počítat následující kmenové hamy (OK1MKX,
OK1FII, OK1DDQ, OK1USP, OK1DCS, OK1BJH a další). Při naší první společné akci v roce 2007 jsme večer u piva rozebírali téma, jak by asi fungoval vertikální
dipól, pokud bychom ho umístili několik kilometrů vysoko. Od úvah k pokusům není již tak daleko. Jarda v roce 2008 na společnou akci u Lipna přinesl vysílač,
který jsme nazvali Sputník. Měl výkon kolem 30 mW. Jeho signál na 3536,3 kHz byl totiž jen přerušovaná nosná. Jarda deklaroval, že životnost baterií by měla
být asi 3 hodiny. Nakonec jsme zjistili, že balónového plynu byl nedostatek. Celá sonda nám nechtěla vzlétnout. Záchrana spočívala v tom, že jedno rameno
dipólu se uskříplo. Balón sice líně vzlétl, ale dosáhl výšky tak max. 300 m a majestátně přelétl lipenskou přehradu, až se nám ztratil z dohledu. Ještě dlouho
do noci jsme rozebírali to, co na příští akci uděláme jinak. Pamatuji si, jak jsem se asi v 5 hodin probudil. Na mé FT-817 byl ještě naladěn kmitočet Sputníku.
Bylo mi jasné, že po 10 hodinách provozu již asi budou baterie vyčerpány. Jaké však bylo moje překvapení, když se Sputník ozýval:
http://ok1if.c-a-v.com/Sputnik_sounds/Nahravka007.amr.MP3
http://ok1if.c-a-v.com/pellmell3/expedice_ol1exp_skoncila.htm
Měl jsem z toho takovou radost, jaká se objevuje snad jen u malých kloučků, kteří dostali houpacího koně. Bohužel
Sputník zavěšený na jednom rameni antény a v malé výšce nebyl ostatními slyšen. Byl to tedy neúspěch, který nedokazoval, jak nádherně na KV fungují vertikální antény ve veliké výšce. Na další pokus jsme se odhodlali až v roce 2014 na
společné dovolené v Heřmanicích. Tentokrát jsme se však dohodli, že zkusíme (vzhledem k velikosti ramen dipólu) udělat Sputník 2 pro pásmo 40 m. V té době probíhalo sekundární sluneční maximum a tak nebyl problém sledovat signál
i na krátké vzdálenosti. Balón nesl na palubě jen jednoduchý maják, pracující asi s 20 mW a to na kmitočtu 7030 kHz.
Abychom ušetřili na hmotnosti (malá baterie), byla identifikace vysílána ze země s výkonem asi 3 W. Balón velice rychle
vystoupal do výše asi 1500 m a byl „uchvácen” jižním větrem, který ho odnesl někam nad Polsko. Naše gonio stanice
(K1 plus MLA anténa) ho zaměřovalo s přesností asi na plus mínus 10 stupňů. Kolem 19:30 SELČ jsme registrovali přesun balónu na západ. Podle frekvenčního driftu jsme poznávali, zda ještě stoupá, či klesá. Poslední zaměření v 19:50
(z lokátoru JO70IT) bylo přesně na sever. S největší pravděpodobností tedy balón spadl někde v Německu. Poslední
námi zjištěný signál byl u nás slyšitelný v 19:59 SELČ. Přesto však maják pracoval dál a Luděk OK1HAS hlásil slyšitelnost
Elektronika majáku Sputník 2
ještě ve 20:10 SELČ. Bohužel jsme opět byli nespokojeni. Identifikaci ze země si plno hamů pletlo se signálem z balónu.
Výkon 30 mW se pro pásmo 40 m zdál nedostatečný. Kmitočet 7030 kHz je tak vytěžován, že vznikalo velice často rušení. A nakonec jsme vlastně ani nevěděli, jaké výšky balón dosáhl a kam vlastně přesně letěl a kdy spadl:
http://ok1if.c-a-v.com/Pellmell10/Dovolena%202014%20prvni%20cast.html
Zatím se v našem okolí začaly vyskytovat balóny pracující s GPS a APRS. Toto je asi to nejdokonalejší, co si člověk v současné době může přát. Přesto však
poslech balónů v pásmu 433 MHz není pro nás tak zajímavý, jako v pásmech KV. Pro sezónu 2015 jsme se tedy rozhodli, že minimálně balón musí ve svém
vysílání určovat přibližnou výšku s přesností na stovky metrů. Nakonec jsem sestrojil řídicí a monitorovací jednotku a Jarda OK1MKX zajistil vysílač se zvýše6
ným výkonem 120 mW. Opět jsme se vrátili k pásmu 80 m, kde lze očekávat
mnohem více volného místa a kde lze pohodlně pro zaměřování použít běžný
liškový přijímač. Pro monitoring jsem použil jednoduchý procesor PICAXE
08M2, který je vybaven několika 10 bitovými A/D převodníky. Současně
dovoluje velice jednoduchou komunikaci s teplotním čidlem DS18B20, které
vyniká dobrou rozlišovací schopností a dobrou přesností. Celé měření tedy je
založeno na měření teploty a měření stavu baterií. Po zapnutí si teplotní čidlo
změří teplotu okolí (startovací teplota) a bere ji jako referenční pro následující let. Průběh teploty s výškou je všeobecně znám (běžná kondukce ve
vzduchu).
Přibližně lze stanovit pokles teploty s výškou rovnicí přímky (až do oblasti
tropopauzy), kde na každých 100 m výšky klesá teplota asi o 0,65 stupňů Celsia. Elektronika tedy u Sputníku 3 (tak byl nazván prototyp pro vypuštění dne
9.6.2015), měří neustále teplotu. Z rozdílu dvou po sobě změřených teplot
určí, zda rozdíl je záporný (balón stoupá), či kladný (balón klesá), či nulový
(balón levituje ve stejné výšce. Tento údaj podobný údaji variometru (přístroj
určující zda letoun stoupá či klesá) je pak převeden na vysílaný morse signál
ve formě:
EI - Balón nemění svoji výšku, UU - Balón stoupá, DD - Balón klesá
Příprava k vypuštění balónu Sputnik 2 (zleva OK1IF, OK1DDQ, OK1USP)
Současně v telemetrii je vysíláno napětí baterie (údaj U), startovací teplota balónu (ST), minimální změřená teplota (MIN), vypočtená pravděpodobně
dosažená výška balónu (H) a synchronizační signál přibližné délky letu v minutách (L). Zde je nutné si uvědomit, že procesor PICAXE 08B2 není uzpůsoben pro
řízení přesným krystalovým oscilátorem. K měření přesného času by bylo potřeba doplnit modul RTC (obvod reálného času) a ten by pro sběrnici I2C spotřeboval dva PINy. Ačkoliv jsme tomuto algoritmu moc nevěřili, tak praxe ukázala, že je to snad nejjednodušší způsob, jak zjistit vertikální polohu balónu a to
s přesností do 300 m. Z výšky a z rychlosti výškového větru (sondy Prostějov, či Libuš) a dodatečného zaměřování se pak dá celkem snadno určit poloha.
Bohužel při našem vypuštění se nenašel nikdo, kdo by s námi spolupracoval a prováděl zaměřování. Znali jsme tedy směr letu, ale ne vzdálenost od místa
vypuštění. Velice zajímavým efektem při startu balónu je vždy počáteční spirála, kterou balón vykoná, než je uchvácen výškovými větry.
Pokud balón má dostatek tahu, pak stoupá. S poklesem vnějšího tlaku se však vnitřní plyn uvnitř rozpíná a to až do doby, kdy to mechanicky balón nevydrží
(praskne). Ovšem každý kdo vypouští balón chce, aby mu bez prasknutí letěl co nejdéle. K tomu se využívá stavu, kdy se před vypuštěním nastavuje vertikální
tah jen něco kolem 20 až 100 mN (2 až 10 gramů). V našem pokusu jsme zvolili pro rychlejší stoupání tak zvané startovací balónky. Ty při vypuštění zvyšují
startovací tah, ale ve výšce kolem 2 km prasknou a vlastně způsobí snížení vertikálního tahu. Při našem vypouštění Sputníka 3 bylo tak větrno, že nešlo změřit na jakou hodnotu vlastně má být balón nafouknut plynem. Vše jsme tedy dělali odhadem. Tah byl příliš veliký a to se nám málem vymstilo:
http://ok1if.c-a-v.com/Sputnik3/Vse_o_Sputnik3.html
7
S hrůzou jsme sledovali, jak balón během necelé hodiny vystoupal do výše
kolem 8 km a jak jeho teplotně neizolovaná elektronika byla nucena odolávat
teplotám -38 °C. Při výstupu se několikrát stalo i to, že telemetrie začala místo
morse kódu vysílat nějaké ufounské znaky, které jsme nebyli schopni dekódovat. Vzpomněl jsem si, jak jsem k návodu k mazadlu WD-40 četl i to, že je silně
hygroskopický a že byl původně vyvinut v NASA k potlačování kondenzací
uvnitř balistických raket. Tedy v dalším (balón IFO-01) jsme desku promazali
tímto přípravkem a tento efekt již nenastal. Problém tedy způsobovala kondenzace par na povrchu součástek. Při konstrukci elektroniky jsme nepočítali
s tím, že bychom museli vzdorovat tak nízkým teplotám. Použili jsme běžné
Graf závislosti teploty na výšce
součástky typu, co šuplík dal. Přesto vše fungovalo i bez tepelné izolace
téměř dokonale. Projevil se jen větší frekvenční offset vysílače, způsobený
teplotami nižšími než -20 °C. Ale to je dáno vlastnostmi použitého krystalu
s řezem XT. Slyšitelnost vysílače byla vynikající a dokonce ještě asi 2 hodiny
po startu bylo možno směr letu zaměřovat pomocí liškového přijímače. Jarda
OK1MKX se však při hlášení palubního napětí kolem 6,2 V začal drbat za
uchem. Tajně mně sdělil, že při menším napětí než je oněch 6,2 V prý přestane fungovat stabilizace napětí a vysadí mu oscilátor. Přitom podle jeho
propočtů měla být doba života kolem 8 hodin. Za ten sériový stabilizátor a za
nevyměněné baterie, jsem v tu chvíli Jardu proklínal (nebojte, brzy mne to
přešlo). Zkrátka nám se podařilo nádherně zalevitovat balón ve výšce kolem
Směr a intenzita výškových větrů
8
Vypouštění balónu Sputník 3
(zleva OK1BJH, OK1FHG, OK1USP, OK1DDQ, OK1IF)
7 km a ony mu postupně za 3 hodiny dojdou baterie. Naposledy se tedy ozýval
ještě kolem asi tří hodin po vypuštění a byl někde nad Ostravou. Podle posledního zaměření cestoval dál směrem severovýchodním, bohužel již bez funkčního
vysílače. Do dnešního dne (20.8.2015) jsme však nedostali zprávu, že by někdo
balón našel. Výkon vysílače 120 mW byl naprosto dostatečný a slyšitelnost byla
potvrzena i v severní Itálii.
Po tomto úspěchu – neúspěchu, jsem se rozhodl udělat s vyzkoušeným software ještě jeden pokus. No, možná bych se měl přiznat, že u původního software mi s výškou přetekl jeden 8 bitový registr a od určité výšky balón tvrdošíjně
hlásil nulovou výšku. Tedy pro pokus s balónem IFO-01 (Identified Flying Object)
jsem se rozhodl přepracovat elektroniku a tvrdě ji udělat systémem s nulovou
spotřebou při nevysílání (tedy nulová spotřeba TX, jestliže není klíčován).
Nechtěl jsem navrhovat tištěný spoj a tak jsem využil stavebnice PIXIE 4, která
ve svém původním určení je TCVR pro pásmo 40 m. Místo obvodu LM386 jsem
do patice vsunul procesor a za použití malých „vzdušných“ úprav jsem vytvořil
následující schéma. Jedná se vlastně o schéma, které používám u MIB majáků
(Micro Ionospheric Beacon).
Celek má rozměry 50x50 mm. Fotoodpor není softwarově využíván. Při vhodné volbě emitorového rezistoru (10R), lze dosáhnout při napájecím napětí kolem 5 V výkonu až 100 mW.
Do přípravy IFO-01 se tentokrát velice aktivně zapojil i můj brácha OK1USP. Vyrobil tepelně
izolační krabičku a vůbec se staral o všechny práce vedoucí ke zdárnému vypuštění. Datum vypuštění byl stanoven na den 1.8.2015 na naší společné akci SRH2014.
Tentokrát vypouštění bylo absolutně bez problémů. Přijímací stanice OK1DCS v Českých Chalupách slyšela signál telemetrie již téměř z nulové výšky a to dokonce i poté, co na poslední
chvíli byl snížen výkon majáku telemetrie na 30 mW, Zkrátka obavy z brzkého vybití baterií byly obrovské. Těšili jsme se, že balón přeletí celou republiku. Z těchto důvodů byla zvýšena
i hmotnost majáku na 130 g. Baterie tentokrát byly typu Energize Ultimate Lithium AAA.
Bohužel však jeden z konstruktérů nepovolil řádné nafouknutí (na videu je slyšet i kdo). Při použití startovacích balónků z roku výroby 2014 (zásoby z akce Sputnik 2) došlo k tomu jevu, že
balónky praskly příliš brzy. Balón se sice dostal do nádherné levitace, ale v malé výšce kolem
3 km.
9
Zapojení majáku v balónu IFO-01
Bylo jen otázkou času, kdy balón začne klesat. To nastalo krátce po půlnoci. Asi kolem třetí až páté hodiny
ranní balón dosedl na zem. Někteří posluchači při neznalosti algoritmu výpočtu výšky si však do poslední chvíle
mysleli, že balón stoupá a znovu klesá. Musíme si uvědomit, že výpočet výšky letu ze startovací teploty je tím
více méně přesný, čím déle je po startu a čím více se
mění okolní teplota. Členové týmu však IFO-01 zapíjeli
(jak se stalo tradicí) do pozdních hodin. Díky však mému
slunečnímu budíku (budí ne podle času, ale podle velikosti osvětlení, tedy když je venku zataženo nechá mne
spát déle, HI) jsem se vzbudil jako první. K mému velikému překvapení jsem telemetrii poslouchal v půl šesté
ráno. Bylo mi však z údajů jasné, že balón někde spadl.
OK1USP při konečné přípravě
Hotový balónový modul telemetrie
Podle odhadu proudění výškových větrů, se dá předpotelemetrického vysílače IFO-01
kládat (i podle posledních zaměření), že balón spadl někde asi 100 km od nás a to v segmentu daným úhlem od Plzně po Brdy. Pravděpodobně při svém pádu spadl tak výhodně, že anténa se orientovala horizontálně. Slyšitelnost v okolí Soumarského
Mostu byla 24 hodin. Dokonce jsme se Standou OK1HCD a bráchou OK1USP maják telemetrie poslouchali v pondělí kolem 18. hodiny na drát natažený
v železniční stanici Ovesná, po našem návratu ze sot. Poslední signál z majáku balónu jsem zaslechl ve čtvrtek 6.8.2015 asi kolem 6. hodiny, kdy napětí palubní baterie bylo již kolem 3 voltů. Ačkoliv na krabičce byl nápis o nahlášení místa nálezu, ke dnešnímu dni (20.8.2015) zřejmě balón nikdo nenalezl.
Vzlet balónu IFO-01
10
Místo startu balónu IFO-01
Co říci závěrem?
Naše pásma stále více připomínají pásma bez radiových signálů. Snad je ještě něco
slyšet při vysílání zvláštních značek, či při zajímavých expedicích. Normálních „random“ spojení je čím dále méně. Každá posluchačská aktivita tohoto typu tedy přináší
sebou docela slušné radioamatérské vzrušení. Jednoduchý telemetrický vysílač postavený na bázi stavebnice PIXIE 4, přijde na pár stokorun. Autor článku při vymýšlení
původních algoritmů dosahoval takového vzrušení, které pociťoval naposledy před
několika desítkami let a to při úplně jiné příležitosti. Přesto naše parta PZ se rozhodla,
že projekt Sputnik a následný projekt IFO bude ukončen. Na příští expedici připravuje Jirka OK1DDQ dalšího následovníka, který dostal jméno Apollo. Milujeme CW
a milujeme krátké vlny. Tedy i tento další vývojový typ bude vybaven klasickým
předáváním telemetrie v módu CW. Bude však již vybaven modulem GPS. Zkrátka
jasně chceme vědět, kde se náš balón pohybuje. V době, kdy bude vycházet tento
článek, zřejmě bude vypuštěn ještě jeden balón systému IFO. Bude mít pracovní
název IFO-DIG 01.
Pokud bude ještě někdy vypuštěn IFO, pak zcela s novým SW pro nový typ hry
Balon FOXORING. Zkrátka na palubě bude vysílač FOX s inteligentním power managementem, který mu zaručí životnost kolem měsíce. Zkrátka něco jako projekt
Lištička, ale ani autor nebude vědět, kam to spadlo. Vysílač bude vysílat 3x denně.
Z toho 2x denně v šedé zóně (pro hrubé zaměření) a pak cca jednohodinové okno
pro dohledání.
Tímto bych chtěl současně poděkovat všem, kteří se sponzorsky podíleli na uskutečnění projektu (OK1BJH, OK1DDQ, OK1MKX, OK1FII, OK1USP).
Kompletní video z vypouštění si můžete prohlédnout na YouTube:
http://youtu.be/QmHWA7h2gBM
http://youtu.be/uqrNp4iOmbk
http://youtu.be/2JKoZ1ggrHs
http://youtu.be/VcRpZSt8WQE
http://youtu.be/zNq6EavbKr8
http://youtu.be/ZHwRXR3dAQs
http://youtu.be/BirVSx8xg40
Tedy hodně úspěchu a PZ (Ptákovinám Zdar).
OK1IF
11