W dniach 5-7 października we Wrocławiu odbył World Space Week 2018. Była to druga wrocławska edycja Światowego Tygodnia Przestrzeni Kosmicznej obchodzonego na całym Świecie od 1999 roku, a od dwóch lat również we Wrocławiu.
Z tej okazji organizatorzy przygotowali niespodziankę – dwa loty balonów stratosferycznych. Każdy z nich zabrał na pokład urządzenia do przetestowania w ekstremalnie trudnych warunkach oraz eksperyment naukowy przygotowany podczas warsztatów będących jednym z wydarzeń World Space Week Wrocław 2018.Elektronikę pokładową oraz organizację lotów przygotowali krótkofalowcy z klubu SP6ZWR, którzy realizują podobne misje w celach badawczych, naukowych i edukacyjnych.
Widok ze stratosfery wykonany podczas jednego z lotów World Space Week Wrocław 2018 / Credits – Włodzimierz Tarnowski SQ6NLN
Podstawowe wyposażenie każdego lotu to nadajniki lokalizacyjne. Tym razem na pokładzie kapsuły wyniesionej przez pierwszy balon znalazły się aż cztery takie nadajniki. Pierwsze trzy, były to amatroskie urządzenia opracowane przez krótkofalowców, nadające w paśmie 70cm przeznaczonym dla krótkofalowców i nadawały dane telemetryczne z niewielką mocą około 60mW wykorzystując kilka rodzajów emisji (RTTY – 437.615MHz, APRS – 432,500MHz, D-STAR – 438.025MHz). “Dzięki amatorskim stacjom odbiorczym krótkofalowców, mogliśmy śledzić aktualną pozycję oraz podstawowe parametry lotu a sygnał z tych urządzeń by odbierany w promieniu kilkuset kilometrów” – opowiada szef klubu, Włodzimierz Tarnowski, odpowiedzialny za całość stratosferycznego wydarzenia.
Oczywiście oprócz urządzeń monitorujących lot poleciały również eksperymenty. Pierwszy, to udana jak się okazało próba transmisji obrazu na żywo z pokładu kapsuły.
“Takie próby podejmowaliśmy już kilkukrotnie, jednak w ich trakcie napotkaliśmy wiele problemów technicznych. Tym razem udało się zrealizować założony cel i mogliśmy obserwować niemal cały przebieg lotu. Jedynym ograniczeniem pod sam koniec lotu tuż przed lądowaniem, była lokalizacja stacji odbiorczej, która została usytuowana nisko, pomiędzy budynkami i parkiem przy Hali Stulecia we Wrocławiu skąd startowaliśmy” opowiada Włodzimierz Tarnowski. Transmisja została przeprowadzona w wycinku pasma 23cm (1.2GHz) przeznaczonym dla krótkofalowców do transmisji ATV. Ze względu na ewentualne zaniki oraz wahania się sygnału podczas lotu wykorzystano transmisję analogową.
Sporo uwagi podczas przygotowań wymagał układ zasilania z którym bywały problemy podczas wcześniejszych prób. Podstawowe problemy podczas przygotowywania misji stratosferycznych to niska temperatura, sięgająca nawet -70°C w górnych granicach troposfery. Należy zadbać o odpowiednie zabezpieczenie termiczne zarówno elektroniki jak i źródła zasilania. “Styropianowe obudowy są wręcz idealne, doskonale izolują termicznie, są przy tym lekkie i proste w obróbce co przy prototypowaniu w warunkach amatorskich ma spore znaczenie a dodatkowo świetnie amortyzują uderzenie podczas lądowania. Są też niedrogie co przy budowaniu każdorazowo innej, dostosowanej do potrzeb danego eksperymentu kapsuły nie jest bez znaczenia.” – tłumaczy krótkofalowiec.
Kolejny problem to ogniwa stosowane do zasilania elektroniki. Pomimo izolacji termicznej temperatura mocno spada. Podobnie jak w branży kosmicznej czy lotniczej, bardzo ważna jest jakość stosowanych elementów, a ogniw dotyczy to w szczególności. Przy znacznym spadku temperatury maleje ich wydajność, spada napięcie i pojemność. Należy o tym pamiętać. Doskonale sprawdzają się baterie litowe, stosowane dosyć powszechnie np w sondach meteorologicznych lub podczas wypraw wysokogórskich.
Poza temperaturą ważna jest też odporność na różnicę ciśnień. “Podczas jednego z lotów wykorzystano ogniwo polimerowe w obudowie z folii. W trakcie lotu okazało się, że znajdujący się wewnątrz gaz, przy zmniejszającym się ciśnieniu zewnętrznym rozprężył się na tyle, że uszkodził obudowę kamery w której był zainstalowany.” – wspomina organizator lotu.
Tym razem zastosowano redundantny układ zasilania zrealizowany na dwóch połączonych przetwornicach step-up, z których każda została zasilona wysokiej klasy ogniwami przemysłowymi, co jak pokazał wspomniany lot okazało się dobrym rozwiązaniem.
“Pocztówki ze stratosfery” – SSTV / Credits – Włodzimierz Tarnowski SQ6NLN
Dodatkowo, krótkofalowcy wyposażyli ten lot w samodzielnie wykonany nadajnik, który na częstotliwości 144.500MHz nadawał wcześniej przygotowane zdjęcia w systemie SSTV. Podobne transmisje kilka razy w roku są nadawane z pokładu Międzynarodowej Stacji Kosmicznej ISS i są świetną okazją do przetestowania systemów antenowych stacji naziemnych. Podczas misji balonu stratosferycznego World Space Week Wrocław 2018 nadano 15 specjalnie przygotowanych na tą okazję okolicznościowych obrazków.
System SSTV (Slow Scan TeleVision), w którym prowadzona była transmisja, to prosta metoda, polegająca na liniowym skanowaniu obrazu, zamiany go w sygnał dźwiękowy i przesłanie za pomocą fal radiowych. Tego typu transmisja była wykorzystywana do przesyłania zdjęć z pierwszych satelitów meteorologicznych i po drobnych modyfikacjach jest stosowana również dziś, ze względu na stosunkowo małą zajętość szerokości pasma, odporność na zakłócenia, a przy tym wystarczającą do tego celu jakość.
Zdjęcia emitowane przez ten nadajnik podczas misji World Space Week Wrocław były odbierane w kilku krajach Europy.
Drugi eksperyment, również radiowy to wysłanie na stratosferyczny test, zbudowanego podczas sobotnich warsztatów World Space Week Wrocław 2018, nadajnika pracującego w systemie LoRa WAN. Miniaturowy, ważący kilkadziesiąt gramów nadajnik zbudowany wspólnie przez Mariusza Kubasa z Copernicus Project oraz uczestników zajęć, nadawał dane lokalizacyjne oraz podstawową telemetrię. Testy urządzenia zbudowanego w tak krótkim czasie można uznać za pomyślne. Co prawda doszło do chwilowej przerwy w transmisji, ale po pewnym czasie udało się ją przywrócić. LoRa to coraz bardziej powszechny system przesyłania telemetrii stosowany na całym Świecie, który ze względu na doskonałą optymalizację zasilania, niewielkie wymiary oraz cały czas rozbudowywaną infrastrukturę stacji odbiorczych wydaje się być wręcz stworzony do takich zastosowań, co mieliśmy okazję przetestować.
Misja stratosferyczna World Space Week Wrocław 2018 zabrała również na swój pokład eksperyment biologiczny przygotowany przez uczestników. Podczas sobotnich warsztatów prowadzonych przez grupę ARES uczestnicy przeprowadzili izolację DNA z próbek własnej śliny. W ten sposób udało się nam przygotować ponad 40 próbek, dzięki którym możemy zbadać w jaki sposób promieniowanie UV w stratosferze wpływa na właściwości DNA i czy wyindukowane w ten sposób zmiany w jakiś sposób korelują z danymi uzyskanymi ze wcześniejszych lotów z użyciem ludzkich komórek.
Po odzyskaniu ładunku próbki zostały przekazane do analizy, której wyniki poznamy niebawem.
Aby zarejestrować przebieg lotu i wykonać zdjęcia, kapsuła została wyposażona w 3 kamery. Dwie z nich wykonywały zdjęcia w odstępach 1 sekundowych, a trzecia nagrywała filmy w systemie VR360 które można obejrzeć za pomocą smartfona i specjalnych okularów. Filmy z tego jaki i innych lotów organizowanych przez krótkofalowców SP6ZWR są dostępne na Youtube. Kamery pomimo umieszczenia ich w styropianowej kapsule, która zabezpieczała je przed nadmiernym wychłodzeniem zostały dodatkowo wyposażone w zewnętrzne układy zasilające, których zadaniem było zapewnienie odpowiedniego napięcia zasilania podczas lotu.
Jedno z nagrań z opisywanego lotu / Credits –Radio club WYSOKA SP6ZWR Digital & Emergency Call
Balon stratosferyczny miał spory ładunek bo około 1800 g z bardzo ciekawymi doświadczeniami i eksperymentami, wzniósł się na wysokość około 18 km. Po osiągnięciu tej wysokości balon pękł a ładunek na specjalnym spadochronie bezpiecznie wylądował w okolicach Kępna, ponad 70 km od miejsca startu. Średnia prędkość wznoszenia podczas lotu to około 4,5 m/s, maksymalna prędkość – 108 km/h, maksymalna osiągnięta wysokość 18016 m.
Widok ze stratosfery wykonany podczas jednego z lotów World Space Week Wrocław 2018 / Credits – Włodzimierz Tarnowski SQ6NLN
Wspomnieliśmy na początku o dwóch misjach stratosferycznych. Tuż po tym jak pierwszy balon znalazł się w powietrzu, rozpoczęły się przygotowania do wypuszczenia kolejnej misji.
Jej celem było sprawdzenie zasięgu miniaturowego nadajnika LoRa WAN. W tym celu wykorzystano dokładnie taki sam balon jak podczas pierwszego lotu, z tą tylko różnicą, że jego zadaniem było jedynie wyniesienie miniaturowego, 38 gramowego nadajnika specjalnie opracowanego na tą okazję. Balon przekroczył wysokość 30 km, a sygnał emitowany przez tak niewielkie urządzenie był odbierany ponad 700 km od miejsca, w którym znajdował się balon.
Tym samym doświadczenie potwierdziło szacunkowy maksymalny zasięg wspomnianego systemu.
Dlaczego loty stratosferyczne? “O tego typu misjach mówi się często, że są to małe misje kosmiczne, co oczywiście nie jest prawdą. Mnie osobiście podoba się określenie przedszkole satelitarne. Na pewno są doskonałą formą przetestowania sprzętu, wykonania eksperymentów, wykonania testów np. łączności w warunkach chociaż trochę zbliżonych do tych panujących w kosmosie, a przy okazji koszty ich przygotowania są w zasięgu placówek naukowych, czy grupy pasjonatów takich jak my. Dają niezwykłą okazję do sprawdzenia swoich możliwości konstrukcyjnych, sprawdzenia nowych systemów komunikacji. Są też świetnym narzędziem edukacyjnym dzięki któremu, mamy nadzieję udaje nam się zainteresować młodzież tematyką satelitarną, kosmiczną, konstrukcyjną czy lotniczą” – wyjaśnia Włodzimierz Tarnowski.
Należy też wspomnieć o kosztach. Loty stratosferyczne które odbyły się podczas World Space Week Wrocław 2018, ze względu na wielkość ładunku, koszt sprzętu i czas potrzebny na ich przygotowanie to koszt co najmniej kilku tysięcy złotych. Czy można zrealizować misję balonową taniej? “Tak, bardzo dużo zależy od tego jaki jest jej cel, masa którą chcemy wysłać, wysokość którą chcemy osiągnąć. Przy odrobinie wiedzy, umiejętności i chęci najprostszą misję zawierającą prosty nadajnik lokalizacyjny i około 100-150g dodatkowego ładunku można zrealizować już za kilkaset złotych.” Tłumaczą krótkofalowcy z klubu SP6ZWR.
Mówiąc o kosztach trzeba też zaznaczyć, że w większości przypadków balon ląduje od kilkudziesięciu do nawet ponad dwustu kilometrów od miejsca startu i należy brać pod uwagę koszty poniesione przez ekipę poszukiwawczą.
Widok ze stratosfery wykonany podczas jednego z lotów World Space Week Wrocław 2018 / Credits – Włodzimierz Tarnowski SQ6NLN
Nawet mała misja stratosferyczna to sporo przygotowań, ustaleń, sprzętu, materiałów. Ale na koniec trzeba powiedzieć o bezpieczeństwie.
Każdy lot stratosferyczny wymaga zgody i ustaleń z Polską Agencją Żeglugi Powietrznej. Należy zapoznać się w warunkami wypuszczenia balonów lekkich używanych do sondowania atmosfery, sprawdzić czy planowana lokalizacja startu znajduje się w strefie, w której taki start będzie możliwy, przygotować specjalne zgłoszenie, uzyskać stosowne pozwolenia zarówno z PAŻP, jak i np. administratora terenu, z którego odbędzie się start itd. Najważniejsze jest zawsze bezpieczeństwo.
Plany na dalsze misje stratosferyczne? Włodzimierz Tarnowski odpowiada: “Mamy już kilka pomysłów na kolejne misje. Chcemy kontynuować rozpoczęty jakiś czas temu projekt przesyłania na Ziemię zdjęć natychmiast po ich wykonaniu w stratosferze, rozbudować czujniki telemetrii lotu, wysłać kamerę, która poradzi sobie z wykonaniem zdjęć w nocy. Planujemy też kolejne próby nadajników pracujących w zakresie fal krótkich np 14MHz i nowymi rodzajami emisji radiowych takimi jak FT8. Moim prywatnym marzeniem jest stworzenie uniwersalnej standardowej platformy do celów naukowych i edukacyjnych która będzie umożliwiała wynoszenie uczniom, studentom i pasjonatom ustalonej wielkości ładunku do którego nasza kapsuła będzie dostarczała danych telemetrycznych lotu, zasilania o ile jest potrzebne do działania wysyłanego eksperymentu. Może to być taka polska mini wersja programu BEXUS, jednak chciałbym, aby była dostępna nie tylko dla placówek naukowych, które obecnie we własnym zakresie realizują podobne misje, ale dla szerszej rzeszy młodych ludzi, których może to zachęcić do zainteresowania się w przyszłości sektorem kosmicznym, a nam da znakomitą okazję do kolejnych wspólnych doświadczeń i eksperymentów w stratosferze”.
Podczas lotu stratosferycznego z okazji World Space Week Wrocław 2018 wykonano wiele ciekawych zdjęć, które można obejrzeć profilu FB wydarzenia www.facebook.com/wswwroclaw oraz klubu SP6ZWR www.facebook.com/SP6ZWR
Redakcja serwisu Kosmonauta.net serdecznie Panu Włodzimierzowi Tarnowskiemu za przesłany tekst.
Ważne: artykuł chroniony prawem autorskim, co oznacza że wszelkie prawa, w tym Autorów i Wydawcy są zastrzeżone. Zabronione jest dalsze rozpowszechnianie tego artykułu w jakiejkolwiek formie bez pisemnej zgody ze strony właściciela serwisu Kosmonauta.net – firmy Blue Dot Solutions. Napisz do nas wiadomość z prośbą o wykorzystanie. Niniejsze ograniczenia dotyczą także współpracujących z nami serwisów.
