PWr Aerospace

Orion I

Nazwa ORION ONE pochodzi od Okrągły, Rozprężalny i Obserwujący Naturę Osobliwy Nośnik Eksperymentów. Jest to nasz inaugurujący działania koła projekt naukowy. Jego głównym celem było wykształcenie w zespole zdolności pracy w grupie oraz zapoznanie się z realiami tworzenia tego typu przedsięwzięć. Ten, tak samo jak kolejne projekty ORION, będą także służyły za nośniki testowe naszych przyszłych eksperymentów, takich jak systemy łączności radiowej w rakietach i platformach satelitarnych.

Pierwsze, robocze logo projektów O(N)RION

Głównymi celami projektu były m.in.:

  • Poszerzenie horyzontów, rozwój zainteresowań członków naszego koła,
  • Zdobycie doświadczenia w pracy zespołowej,
  • Poznanie praktycznych aspektów pracy przy projektach naukowych,
  • Wykorzystanie zdobytej podczas studiów wiedzy w praktyce,
  • Nawiązanie współpracy z instytucjami, stowarzyszeniami oraz dostawcami komponentów.

Główne założenia projektu:

  • Masa ładunku badawczego – 2 kg,
  • Pułap minimalny 25 km,
  • Wykorzystanie pierwotnych komponentów, takich jak gondola czy komputer pokładowy, w kolejnych misjach stratosferycznych,
  • Stworzenie uniwersalnej platformy telemetrycznej – głównego komputera balonu,
  • Bezpośrednie monitorowanie warunków panujących zarówno w gondoli, jak i na zewnątrz, z możliwością nieustannej kontroli ze stacji naziemnej,
  • Rejestrowanie przebiegu misji z gondoli balonu na materiale filmowym,
  • Przekazywanie aktualnego położenia balonu przez dwa niezależne systemy radiowe,
  • Wykonanie doświadczenia naukowego polegającego na badaniu wpływu warunków atmosferycznych występujących w górnych warstwach atmosfery na cyjanobakterie – Spirulinę.
Przygotowania w projekcie

Elementy projektu

Całość projektu składała się z zaprojektowanych przez zespół części i innych, odpowiednio dobranych elementów. Były to:

  • Balon nośny,
  • Spadochron,
  • Gondola z lekkich i izolacyjnych materiałów,
  • Komputer pokładowy,
  • System łączności,
  • Kamery,
  • System zasilający.

Balon

Balon użyty w projekcie to powszechnie stosowany do badań stratosfery Hwoyee HY-1200, wykonany z gumy lateksowej. Dane techniczne balonu:

  • Masa – (1200 ± 150) g
  • Długość szyjki – (14 ± 2) cm
  • Średnica szyjki – (6,0 ± 0,3) cm
  • Średnica rozerwania – minimum 9,1 m

Balon został wypełniony 3,5 m3 helu o czystości przemysłowej, co zapewniło około 2,7 kg wyporności netto.

Spadochron

Spadochron użyty w projekcie to stosowany komercyjnie produkt firmy Spherachute, model 48 in. Balloon Chute. Masa spadochronu wraz z linkami to 93 g, a przewidywana prędkość opadania ładunku to 5 m/s.

Testy spadochronu przed lotem

Gondola

Wykorzystana w projekcie gondola została zaprojektowana i zbudowana przez zespół naszego koła. Składała się ona z następujących elementów:

  • obudowy amortyzującej, odpowiedzialnej za zniwelowanie skutków oddziaływania na gondolę sił wynikających z uderzenia przy lądowaniu,
  • części konstrukcyjno-izolacyjnej, utrzymującej formę gondoli oraz izolującej od zmieniających się na zewnątrz warunków atmosferycznych,
  • ścian wewnętrznych, oddzielających segmenty konstrukcji,
  • części mocujących, łączących i izolujących,
  • pozostałych elementów konstrukcyjnych.

Wymiary wewnętrzne gondoli:

  • wysokość – 170 mm
  • szerokość – 200 mm
  • długość – 200 mm

Wymiary zewnętrzne gondoli:

  • wysokość – 190 mm
  • szerokość – 240 mm
  • długość – 240 mm

Waga gondoli z obudową: 235 g.

Gondola została w całości wykonana ze styroduru,  wyfrezowano ją w technologii CNC.

Symulacja wyglądu gondoli na etapie jej projektowania.

Obudowa amortyzująca

Element ten był odpowiedzialny za zniwelowanie skutków oddziaływania na gondolę sił wynikających z uderzenia przy lądowaniu. Prędkość opadania gondoli wynosiła około 5,6 m/s, co wiązało się z dużymi przeciążeniami konstrukcji. Aby zmniejszyć skutki uderzenia, zewnętrzna część gondoli pokryta została pianką poliuretanową, która dzięki swoim właściwościom plastycznym pochłonęła znaczną część energii. Jej charakterystyczną cechą jest niska gęstość, która wynosi 14 kg/ m3. Przełożyło się to na pożądaną niską wagę, czyli 55 g.

Grubość pianki wynosiła 20 mm. Część konstrukcyjna została nią obudowana na spodzie oraz bocznych ściankach. Pianka posiadała w sobie wycięcia odpowiadające tym w gondoli. Obudowa dodatkowo została pomalowana na pomarańczowo, żeby łatwiej było ją odnaleźć po zakończonej misji.

Część konstrukcyjno-izolacyjna

W związku z trudnymi warunkami atmosferycznymi i koniecznością występowania niezmiennego stanu wewnątrz gondoli, wymagane było zastosowanie odpowiednich materiałów izolacyjnych, które przy odpowiednim doborze mogłyby pełnić też funkcję konstrukcyjną. Wybrany został bardzo dobrze izolujący (powyżej 0,032 W/mK – w zależności od grubości) polistyren ekstrudowany (XPS) o grubości 20 mm, który jest wystarczająco wytrzymały na uderzenia (wytrzymałość na ściskanie powyżej 300 kPa). Ten element gondoli składał się z dwóch części, symetrycznych względem siebie podstawy oraz pokrywy, które po połączeniu ze sobą tworzą spójną całość. Łączenie polegało na włożeniu jednej części w drugą, dzięki zastosowaniu odpowiednich zakończeń, a następnie sklejeniu ich ze sobą za pomocą specjalistycznego kleju montażowego.

W narożnikach zostały umieszczone otwory, przeznaczone na aluminiowe rurki, które wykorzystane były jako prowadnice dla linek łączących gondolę z pozostałymi elementami projektu. Dodatkowo wycięte zostały odpowiednie otwory: dwa umożliwiające kamerom poprawne kąty widzenia przy nagrywaniu przebiegu misji, oraz otwory na antenę i okablowanie czujników zewnętrznych.

Elementy mocujące

W konstrukcji zastosowano plecione linki wykonane z polipropylenu o średnicy 3 mm, o maksymalnym obciążeniu 750 N na każdą. Wszystkie linki zostały związane i powiązane w jednym punkcie z linkami spadochronu oraz balonem. Wszystkie połączenia zostały wykonane odpowiednimi węzłami żeglarskimi.

Montowanie gondoli przed startem


Komputer pokładowy

Wykonany w ramach projektu komputer pokładowy to układ elektroniczny składający się z mikrokontrolera rodziny AVR – ATmega328P oraz czytnika kart microSD. ATmega328P pełnił w tym projekcie rolę kodera ramek APRS. Głównym układem odpowiadającym za składanie danych z czujników i modułu GPS w całość oraz kontrolę poprawności danych jest 32-bitowy mikrokontroler STM32F411RE.

Główny komputer, pakiet ogniw oraz moduł GPS i radiotelefon w roli nadajnika.

Sensory

Termometry DS18B20 mierzyły temperaturę komponentów balonu, umieszczono po jednym w zestawie baterii komputera pokładowego, w zestawie kamer, wewnątrz oraz na zewnątrz gondoli. Termometr MLX90614 to termometr na podczerwień mierzący temperaturę otoczenia.

Moduł Pololu MinIMU-9 v5 9DOF wyposażony był w akcelerometr, żyroskop i magnetometr, dzięki którym byliśmy w stanie ustalić położenie gondoli w przestrzeni i monitorować siły działające na gondolę w czasie lotu.

Ogniwo fotowoltaiczne miało za zadanie sprawdzić wydajność tanich i łatwo dostępnych ogniw w warunkach występujących w wysokich warstwach atmosfery. Dodatkowo miało zweryfikować możliwość zasilania urządzeń o niskim poborze mocy przez takie właśnie ogniwa.

Zasilanie

Zasilanie komputera pokładowego stanowił osobny moduł, którego podstawą były dwa ogniwa Li-ion typu 18650, połączone szeregowo. Jego pojemność to około 3100 mAh. Dodatkowo zabezpieczony izolacją termiczną i czujnikami temperatury ogniw – gwarantował niezawodność działania podczas trwania misji.

System łączności

Protokół APRS

Do utrzymania łączności z balonem wykorzystano krótkofalarskie pasma radiowe (144 – 146 i 430 – 440 MHz) oraz system naziemnych stacji przekaźnikowych APRS, zrzeszonych w projekt APRS.fi.

APRS (ang. Automatic Packet Reporting System) jest krótkofalarskim systemem pozwalającym na aktualne przekazywanie informacji na temat pozycji stacji ruchomych poprzez nadawanie na wybranej w danym regionie częstotliwości krótkich pakietów radiowych. Pozycje te mogę następnie zostać retransmitowane przez inne stacje (przekaźniki), w celu zwiększenia zasięgu lub zostać naniesione na mapę. System pozwala również na wymianę krótkich wiadomości między stacjami mobilnymi i stacjonarnymi.

Pakiety APRS mają postać krótkich komunikatów zapisanych w zakresie drukowalnych znaków ASCII, kapsułkowanych w ramkach protokołu warstwy łącza danych AX.25 – krótkofalarskiej odmiany protokołu X.25. Następnie ramki danych nadawane są drogą radiową w lokalnym kanale APRS o szerokości 12,5 kHz, z modulacją AFSK1200. Częstotliwość nośna kanału APRS zależy od regionu, w którym nadawane są ramki. Dla Europy i azjatyckiej części Rosji częstotliwość ta to zwyczajowo 144,8 MHz w paśmie dwóch metrów (144 – 146 MHz) oraz 433,8 MHz w paśmie siedemdziesięciu centymetrów (430– 440 MHz). Sygnał transmitowany był z szybkością 1200 baudów (symboli na sekundę).

Moduł radiowy w balonie

Moduł komunikacji radiowej, który został umieszczony w balonie, składał się z:

  • zdublowanego modułu radiowego (radiotelefon Baofeng UV-5R) – maksymalna moc nadawania ograniczona do 0,5 W,
  • rozbudowanego modemu TNC (ang. Terminal Node Controler), opartego na otwartym projekcie MicroModem (MicroAPRS).

Naziemny moduł radiowy

Za pośrednictwem przekaźników zrzeszonych w projekcie APRS.fi możliwe jest jedynie odbieranie i prezentowanie danych na mapie. Nie ma możliwości transmisji danych (poleceń) z wybranych przekaźników. Z tego względu, a także, aby ułatwić odszukanie balonu po lądowaniu, wykonany został dodatkowy moduł radiowy, podłączony z jednej strony do radiotelefonu kompatybilnego ze złączem Kenwood (Baofeng BF-F8+), a z drugiej do komputera z zainstalowanym oprogramowaniem węzła APRS.

Moduł naziemny składał się:

  • modemu TNC,
  • konwertera poziomów napięć,
  • mikrokontrolera STM32F411R – zmodyfikowanej wersji komputera pokładowego balonu,
  • Radiostacji opartej o rozwiązania SDR wraz z instalacjami antenowymi.

Spirulina – ładunek naukowy

Spirulina to popularna handlowa nazwa sinic (cyjanobakterii). Jest bardzo bogata w białko, witaminy, magnez i beta-karoten. Z uwagi na te właściwości jest klasyfikowana jako tak zwany “super food” (z ang. “super jedzenie”). Do jej hodowli wystarczy niewielka ilość światła słonecznego lub sztucznego oświetlenia lampą UV, zbiornik akwarystyczny, rozpuszczalna w wodzie mieszanka podstawowych składników odżywczych oraz dbanie o czystość wody i zbiornika raz na tydzień. Właśnie dlatego spirulina może być jedną z najbardziej efektywnych roślin możliwych do hodowania w warunkach mikrograwitacji i zapewniania dodatkowego, świeżego pożywienia astronautom.

W gondoli balonu umieszczony został niewielki zbiornik z żywą spiruliną, aby zbadać wpływ warunków występujących w wyższych warstwach atmosfery i w czasie lotu na możliwość późniejszego efektywnej hodowli tej próbki.

Pojemniki ze Spiruliną


Przebieg misji – wynik

Z racji na panujące warunki atmosferyczne, wzmożone podmuchy wiatru oraz przeciążenie gondoli pierwszy start niestety zakończył się niepowodzeniem. W związku z tym, zdecydowano „odchudzić” konstrukcję, zostawiając jedynie główny komputer, nadajnik oraz system akwizycji danych.

Pierwsza próba startu balonu
Dane telemetryczne z lotu ORION I nałożone na mapę,

Druga próba startu balonu zakończyła się powodzeniem, ale została ograniczona wyłącznie do monitorowania podstawowych parametrów lotu tj. pozycja GPS, wysokość, temperatura i poziom zasilania.

Próba startu balonu zakończona sukcesem

Maksymalny pułap, na który zdołał wznieść się balon, wynosił 34,17 km. Na tej wysokości powłoka balonu została rozerwana przez różnicę ciśnień i gondola bezpiecznie powróciła na ziemię. Całkowity zarejestrowany dystans, od momentu startu do lądowania gondoli, wynosił około 140 km. Aparatura bezpiecznie wylądowała w powiecie gliwickim obok wsi Rudno.

Moment znalezienia gondoli oraz sprawdzenie aparatury pomiarowej.

ORION I pozwolił nam zapoznać się z ważnymi aspektami przeprowadzania tego typu badań oraz nabyć doświadczenie w kolejnych misjach balonowych. Niedługo po starcie pierwszej misji do stratosfery wzbił się kolejny projekt – ORION II. Bazując na doświadczeniach pierwowzoru, został ulepszony pod wieloma względami.

Prelekcja podczas SpaceDay 2017 – Orion I

Dziękujemy naszym partnerom, szczególnie Klubowi SP6ZWR za pomoc w poszukiwaniach ładunku oraz wszelkie wsparcie merytoryczne.

Dziękujemy również za możliwość korzystania z infrastruktury lotniska aeroklubu Wrocław – Szymany oraz za pomoc przy organizacji wydarzenia.