Xone Phone : Wysyłanie czegoś w kosmos – próby i udręki – Brownwood z 90 000 stóp

Dlaczego Xone Phone jest najlepszym telefonem?

Brownwood News – (TRICKHAM, TEXAS) W dniu 2 maja 2020 r. Trzech przyjaciół z college'u wykorzystało swój dodatkowy czas w domu ze względu na kwarantannę COVID-19 na zaprojektowanie, zaplanowanie, zbudowanie i uruchomienie balonu meteorologicznego z Trickham do 90 000 stóp nad hrabstwem Brown. Zrobione przez nich zdjęcia są niesamowite! To historia Josepha Kenricka, Justina Kilba i Matthew Rehberga.

Wprowadzenie

Od czego zaczynasz taką historię? Dwa tygodnie przed uruchomieniem, kiedy projekt się rozpoczął, cztery lata temu, kiedy pomysł został po raz pierwszy wyrażony, czy 20 lat temu, kiedy pojawiły się marzenia o pracy w kosmosie? Opowieść rozpoczniemy siedem lat temu, kiedy nasza trójka się spotkała. Wszyscy poszliśmy na uniwersytet w Colorado School of Mines w Golden, Kolorado i graliśmy w drużynie siatkówki męskiej. To na boisku i w naszych rolach jako prezes klubu (Joseph), skarbnik (Matthew) i menedżer ryzyka (Justin), nauczyliśmy się współpracować jako zespół i nawzajem się nawzajem odżywiać. Gdy nasza przyjaźń i ciekawość rosły razem, nasze cele stawały się coraz bardziej ambitne. Zaczęło się od małych projektów Arduino mających na celu zautomatyzowanie rzeczy w domu, które później przekształciły się w budowanie modeli rakiet i ostatecznie konkurowały w marcowym konkursie wiertniczym z NASA. Umiejętności wymagane do tego projektu były opracowywane indywidualnie i nie zostały jeszcze zebrane, aby osiągnąć jeden cel. Pomysł wysłania kamery w kosmos był dyskutowany podczas naszego pobytu na uniwersytecie, ale czas był ograniczony ze względu na szkołę i siatkówkę. Justin i Joseph otrzymali dyplom inżynierii naftowej, a Matt dyplom inżynierii chemicznej. Chociaż nasze pola nie pokrywają się dokładnie z aplikacją wysyłania kamery w kosmos, inżynieria jest narzędziem, niezależnie od zastosowania. Nasze względnie zróżnicowane pochodzenie przynosiło wyjątkowe perspektywy zbliżenia idei i celu życiowego. Pomysł ten rozwija się w nas, nawet poza tym projektem, i dopiero kilka lat później utknęliśmy w domu podczas weekendów z powodu Kwarantanny COVID, że znaleźliśmy czas potrzebny na taki projekt. Joseph był wtedy w Kalifornii, gdzie mieszka i pracuje, a Justin i Matt byli w Teksasie. Zaczęliśmy łączyć elementy projektu dzięki sile wideo-czatu online i współpracującym środowiskom online. Pierwszym i oczywistym pytaniem, które musieliśmy zadać, było: jak wysłać coś w kosmos? Zacznijmy od mechaniki.

Wzniesienie się

Istnieje kilka sposobów wysłania czegoś na odległość do 90 000 stóp. Najtańszym i najłatwiejszym sposobem jest z pewnością balon balonowy. Balony pogodowe są dostępne w wielu różnych rozmiarach, które ostatecznie zapewniają różne maksymalne wysokości. Zdecydowaliśmy się na użycie balonu pogodowego Kaymont o masie 600 gramów, aby osiągnąć zamierzoną wysokość 90 000 stóp. Ten balon w pobliżu powierzchni Ziemi ma średnicę około 5,4 stopy po napełnieniu. Balony pogodowe są wykonane z bardzo wrażliwego materiału lateksowego, który ma rozszerzać się w miarę wzrostu w atmosferze. Balon unosi się i rozszerza, napędzany przez malejące ciśnienie atmosferyczne, gdy odsuwasz się od powierzchni, aż ostatecznie rozszerzy się do punktu, w którym siła lateksu nie będzie już w stanie utrzymać, a balon pęknie. Wszystkie czynności związane z balonem musiały być wykonywane za pomocą rękawic lateksowych, ponieważ oleje z rąk mogą powodować nierówności na powierzchni balonu, a tym samym powodować punkt osłabienia. To ostatecznie oznacza, że ​​balon nie podniesie się tak wysoko. Następne pytanie brzmi: czym wypełniasz balon? Wodór? Jest to najlżejszy stabilny element i zapewni nam siłę potrzebną do dotarcia w kosmos. Jest także obfity, a zatem tani. Jest jednak bardzo łatwopalna i niebezpieczna w pracy (pomyśl Hindenburg). O wiele bezpieczniejszą opcją jest drugi najlżejszy element, hel. Będąc gazem szlachetnym, nie reaguje z innymi pierwiastkami. Problem, z którym początkowo mieliśmy do czynienia, polegał jednak na tym, że w Stanach Zjednoczonych brakuje helu, więc bardzo trudno było znaleźć go w wystarczającej ilości i czystości potrzebnej do realizacji projektu. W końcu znaleźliśmy dostawcę i zdecydowaliśmy się na Hel. Ile potrzebujesz helu? Zacznijmy od koncepcji windy. Jeśli masz siłę działającą w dół (z grawitacją) na obiekt, aby ten obiekt mógł się unosić, musi mieć równą i przeciwną siłę działającą na niego (w górę przeciw grawitacji). Jeśli masz więcej siły działającej wbrew grawitacji niż w przypadku grawitacji, zyskujesz netto. Im większy jest wzrost siatki, tym szybciej obiekt porusza się w kierunku tego podnoszenia siatki. Z grubsza gęstość powietrza jest nieco większa niż 1,2 grama na litr, a helu jest nieco mniejsza niż 0,2 grama na litr. Oznacza to, że na każdy litr helu, który masz, dostajesz 1 gram podnoszenia netto w górę. Tak więc, aby po prostu zawiesić ładunek 4 funtów (około 1800 gramów) i 600 gramowy balon w powietrzu, potrzebowalibyśmy 1800 g + 600 g = 2400 gramów wzniosu = 2400 litrów helu lub 85 stóp sześciennych. Tak więc, aby dostać balon w górę, potrzebujemy więcej niż 85 stóp sześciennych, aby stworzyć podnośnik netto w kierunku do góry. O ile więcej?

Pokonana odległość = prędkość początkowa * czas + ½ * przyspieszenie * 〖czas〗 ^ 2

Chcieliśmy wynosić około 2,5 godziny wynurzania, aby balon nie przeleciał zbyt daleko w strumieniu odrzutowca, a celem było 90 000 stóp. Podłączenie tych wartości do powyższego równania daje średnie pożądane przyspieszenie 8 stóp na minutę do kwadratu lub 0,0006773 metrów na sekundę do kwadratu. Przyspieszenie zmienia się podczas lotu z powodu zmiennych warunków atmosferycznych, ale przybliżona średnia wystarczy do oszacowań.

Siła podzielona przez przyspieszenie jest równa masie i chcemy wzrostu masy netto, ponieważ mamy już korelację między wzrostem masy masy a objętością helu, musimy znaleźć siłę netto balonu.

Objętość balonu = 〖(promień balonu 0,82 m)〗 ^ 3 * 4/3 * π = 〖2,33 m〗 ^ 3
Siła w dół = waga ładunku + waga helu =
〖2,33 m〗 ^ 3 * 〖0,152 kg / m〗 ^ 3 * 〖9,81 m / s〗 ^ 2 + 2,4 kg ładowności * 〖9,81 m / s〗 ^ 2 = 27,025 N
Siła w górę = objętość balonu * 〖9,81 m / s〗 ^ 2 * 〖1,18 kg / m〗 ^ 3 = 27,0254N
Siła / przyspieszenie netto = wzrost masy netto = 0,0004 N / 〖0,0006773 m / s〗 ^ 2 = 408 gramów
= 15 stóp sześciennych helu

Łącznie 85 + 15 = 100 stóp sześciennych helu.

Proces określania, ile dokładnie potrzebujesz helu, jest nieco iteracyjny i istnieje kilka kalkulatorów online, które pomagają sprawdzić twoje liczby. Ogólnie jednak, im więcej masz helu, tym większy jest wzrost siły nośnej, a tym samym szybsze przyspieszenie i krótszy czas lotu, co oznacza mniejszą odległość w poziomie od miejsca wystrzelenia. Jest to jednak pomocne, ponieważ przy większej ilości helu balon faktycznie wyskoczy na niższą wysokość, ponieważ zaczyna się od większej objętości, szybciej osiąga swoją objętość rozrywającą. Technicznie rzecz biorąc, możesz mieć wysokość podnoszenia wynoszącą zaledwie kilka gramów, a będzie ona znacznie wyższa niż 90 000 stóp, ale czas wynurzania będzie wynosił wiele godzin, jeśli nie dni, i do tego czasu balon mógłby przelecieć setki do tysięcy mil z dala. Przy naszej planowanej ilości ładunku i helu spodziewaliśmy się średniej prędkości wynurzania około 3 metrów na sekundę. Mamy to, czego potrzebujemy, aby pójść w górę, a co z powrotem na dół?

Zejście

Po przeprowadzonych badaniach znaleźliśmy i kupiliśmy specjalistyczny spadochron pogodowy online. Spadochron miał przybyć na dzień przed startem, ale niestety został wysłany na zły adres. W rezultacie stworzyliśmy własny spadochron z prześcieradłem. Średnica spadochronu podczas napięcia jest bardzo ważna, ponieważ wpływa na objętość powietrza, z którą spadnie spadochron podczas jego powrotu na Ziemię. Zasadniczo spadochron o większej średnicy będzie oddziaływał z większą liczbą cząsteczek powietrza, spowalniając w ten sposób prędkość opadania. Chociaż mniejsza prędkość opadania jest korzystna dla zachowania ładunku użytecznego, gdy zderza się on z ziemią, może również zwiększyć odległość, którą ładunek pokonuje podczas schodzenia z powrotem na ziemię.

Oprócz wyboru właściwej średnicy spadochronu, byliśmy świadomi faktu, że materiał tkaniny o wysokiej przepuszczalności powietrza zwiększy prędkość opadania. Innymi słowy, jeśli cząsteczki powietrza mogą łatwo prześlizgnąć się przez tkaninę spadochronu, wówczas spadochron napotka mniejszy opór podczas opadania i zwiększy prędkość, z którą spada. Prosta analogia do tej koncepcji wymagałaby spadochronu z dużymi dziurami.

Zdjęcie po lewej: Testowanie spadochronu i osprzętu

Kolejnym kluczowym elementem spadochronu było zapewnienie, aby każda lina przymocowana do spadochronu była równej długości. Każda zmiana długości liny może prowadzić do niezrównoważenia spadochronu. Może to zwiększyć tendencję spadochronu do szybowania, drastycznie zwiększając odległość, jaką ładunek pokonuje, gdy schodzi z powrotem na ziemię. Wzmocniliśmy spadochron dodatkową tkaniną w każdym punkcie mocowania liny. To powiedziawszy, nie wzmocniliśmy tych punktów przywiązania, jak w przypadku spadochronu spadochronowego. Kiedy spadochroniarz ludzki rozkłada spadochron, zwykle podróżuje z maksymalną prędkością. Ten nagły wstrząs kładzie ogromny nacisk na spadochron. Natomiast spadochron, który wypuściliśmy, zaczyna się rozkładać nieco poniżej maksymalnej wysokości, ponieważ kierunek ruchu zmienia się z góry na dół. Dlatego po otwarciu spadochronu ładunek porusza się znacznie wolniej niż spadochroniarz, co powoduje mniejsze obciążenie spadochronu. Co więcej, amerykańscy spadochroniarze zwykle rozmieszczają swoje spadochrony na wysokości około 13 000 stóp, co jest znacznie niższe niż wysokość, na której zaczął spadać nasz spadochron. Na 90 000 stóp gęstość cząsteczek powietrza jest znacznie mniejsza niż na 13 000 stóp. Ten nieliniowy rozkład rosnącej gęstości powietrza z dużej na małą wysokość powoduje stosunkowo łagodny początek siły odczuwanej przez spadochron. Ostateczna konstrukcja naszego spadochronu miała średnicę około 4,5 stopy, zapewniając prędkość opadania około 5 metrów na sekundę.

Trajektoria

Odkryliśmy już pionowe elementy tej podróży, a co z komponentem poziomym? Jak wspomniano, jeśli jest zbyt mało helu lub jeśli spadochron jest nierówny, ładunek może przejechać dość daleko. Mając to na uwadze, lokalizacja uruchomienia jest kluczowa. Wymagany jest otwarty obszar wokół startu dla nieprzerwanego startu, i wymagany jest względnie otwarty obszar z minimalną ilością wody, lotnisk, miast i ograniczoną przestrzenią powietrzną na wiele kilometrów. Ostatecznie zdecydowaliśmy się uruchomić lokalną legendę Pat McClatchy 3Mac Ranch na północ od Trickham w Teksasie. Obfitość użytków rolnych zapewniała mile nieprzerwanej przestrzeni powietrznej i lądowania przy dobrej widoczności. Dzięki informacjom, które mamy teraz, możemy skorzystać z kalkulatorów prognoz trajektorii znalezionych w Internecie, aby zacząć zorientować się w ścieżce balonu i ostatecznie określić najlepszy dzień na uruchomienie. Prognoza jest dokładna tylko na kilka dni przed uruchomieniem, ponieważ uwzględnia prognozy pogody i staje się dokładniejsza w momencie uruchomienia. Wstępne prognozy pokazały nasz ładunek lądujący 150 mil na wschód, za Waco. Jednak w miarę zbliżania się dnia premiery wiatr ucichł, a prognoza przewidywała jedynie odległość 40 mil, lądując w pobliżu Zephyr, co uznaliśmy za akceptowalne.


Wstępna projekcja trajektorii (fioletowy) i projekcja trajektorii w dniu rozpoczęcia (zielony)

Ładowność i testy

Wspominaliśmy, że nasza ładowność wynosi 2400 gramów, ale co to oznacza? Na początek kamera. Redundancja jest kluczem – zaufaj nam. Użyliśmy dwóch kamer do pierwszego uruchomienia i 3 do drugiego uruchomienia. Tak, uruchomiliśmy dwa razy. Użyliśmy GoPro 7, GoPro 2 i do drugiego uruchomienia dodaliśmy telefon Motorola x4, który również był telefonem Matta. Jeden skierowany na bok i jeden skierowany w dół. Wycinamy formy dla GoPro, aby pokazać tylko obiektyw. Pudełko, na które wycięto formy, zostało wykonane ze styropianu. Styropian jest lekkim, odpornym na uderzenia, nadającym się do kształtu i izolowanym termicznie materiałem, który stanowi idealną skrzynię ładunkową. Akumulatory dla każdego GoPro to kluczowy element zapewniający wystarczającą żywotność kamer przez cały czas podróży. Byliśmy również zainteresowani zbieraniem danych w trakcie podróży, dlatego dodaliśmy dwa Arduinos zaprogramowane do odczytu i zapisu danych na kartach SD z czujnika temperatury, barometru ciśnienia i czujnika orientacji 9 stopni swobody. Arduinos wymagały również źródła zasilania. Po zsumowaniu ciężaru, w tym ciężaru spadochronu i liny, aby wszystko związać, zaczął zwężać się na 1800 gramach, a 600-gramowy balon pogodowy wytworzył 2400 gramów.

Wykorzystaliśmy dwie zasilane bateryjnie tablice Arduino do pomiaru i rejestrowania warunków podczas wznoszenia i zniżania balonu. Do pomiaru prędkości obrotu wokół trzech osi zastosowano żyroskop. Ten typ danych pomaga określić orientację ładunku. Do pomiaru przyspieszenia w trzech osiach zastosowano akcelerometr. Przyspieszenie można wykorzystać do określenia sił G odczuwanych przez ładunek. Ostatnim czujnikiem użytym do ustalenia orientacji ładunku był magnetometr. Magnetometr mierzy kierunek, siłę lub względną zmianę pola magnetycznego. Kompas wykorzystuje ten typ danych do określenia pola magnetycznego Ziemi. Oprócz orientacji ładunku w przestrzeni, uwzględniliśmy czujnik temperatury i ciśnienia. Oba czujniki zostały selektywnie wybrane ze względu na ich zdolność do pomiaru w ekstremalnych warunkach. Spodziewaliśmy się, że temperatura spadnie do -70 ° C. Co ciekawe, najzimniejsze temperatury nie występują przy 100 000 stóp, a raczej od ~ 40 000 stóp do 60 000 stóp. Jest tak, ponieważ stratosfera ulega tak zwanej inwersji temperatury. Dzieje się tak, gdy krótkofalowe promienie ultrafioletowe reagują z tlenem, tworząc w sposób ciągły ozon z ciepłem jako produkt uboczny.

Zdjęcie: balon, spadochron i ładunek

Na 100 000 stóp ciśnienie wynosi około 1% ciśnienia na poziomie morza. Ciśnienie na tej wysokości jest tak niskie, że nie trzeba podgrzewać wody, aby ją zagotować. Jak więc uzyskać ładunek i jego składniki, aby przetrwać w tych warunkach?

Temperatura jest trudna do zrozumienia. Każdy zna wynik pomiaru temperatury, pewna liczba opisuje, jak odczuwa się „ciepło” lub „zimno”. Temperatura jest pomiarem energii cieplnej zawartej w substancji. Zimne substancje mają małą ilość energii cieplnej. Ta energia zawsze będzie płynąć z wysokiej do niskiej. Gdy dociskasz palec do kostki lodu, czujesz przepływ energii cieplnej palca przenoszonej do kostki lodu.

Każdy, kto był na zewnątrz z telefonem w temperaturach poniżej 0 ℉, doświadczył naszego podstawowego problemu obniżenia wydajności baterii. Baterie litowo-jonowe zasilające GoPros, telefon komórkowy i Arduinos to nic innego jak zamknięta reakcja chemiczna. Wszystkie reakcje chemiczne wymagają pewnej ilości energii. W kominku można umieścić dwa dzienniki, ale dopóki nie będzie wystarczającej ilości ciepła do rozpoczęcia reakcji spalania, nic się nie wydarzy. Te same zasady dotyczą naszych akumulatorów. Temperatura powierzchni baterii naszego GoPro zacznie się zatrzymywać, jeśli nie zatrzymać, reakcje chemiczne dostarczające elektryczność. Jest to świetne w teorii, ale jak w rzeczywistości będzie wyglądać nasza wydajność baterii? Zdecydowaliśmy się przeprowadzić kilka testów, aby dowiedzieć się:

Test nr 1: Umieść GoPro bezpośrednio w zamrażarce (-10 ℃)

Akumulator trwał 15 minut, zanim się wyłączył.

Przepływ energii cieplnej jest powszechnie nazywany przenoszeniem ciepła. Pamiętając, że przepływ jest zawsze od gorącego do zimnego, GoPro przenosi swoją energię bezpośrednio do otaczających go cząsteczek gazu o niskiej energii.

Test nr 2: Włóż GoPro do pudełka styropianowego, a następnie do zamrażarki

Żywotność baterii poprawiła się do 60 minut. Styropian jest izolatorem, co oznacza, że ​​nie pozwala na swobodny przepływ energii cieplnej. To sprawia, że ​​jest to doskonały materiał na filiżankę kawy. GoPro przenosi teraz ciepło do otaczającego gazu w skrzynce styropianowej, która następnie powoli przenosi ciepło do otaczającej zamrażarki.

Test nr 3: GoPro podłączony do zewnętrznego zestawu akumulatorów, w styropianowym pudełku wewnątrz zamrażarki

Akumulator trwał 200 minut. Sama bateria GoPro ma 1100 mAh. Pojemność zewnętrznego zestawu akumulatorów wynosi 2200 mAh. Ten test pozwolił nam obliczyć, jak duży zestaw baterii będziemy potrzebować do zasilania GoPros. Biorąc pod uwagę, że planowaliśmy dostać się do 90 000 stóp przy prędkości wynurzania 3 m / s, a następnie zejść z prędkością 5 m / s, obliczyliśmy całkowity czas lotu (z grubsza) 4 godzin lub 240 minut.

240 minut lotu x (2200 mAh) / (200 minut) x 2 GoPros x 2 współczynnik bezpieczeństwa ≈ 10.000 mAh

Zastosowaliśmy współczynnik bezpieczeństwa, ponieważ nasze testy przeprowadzono tylko w temperaturze 0 ℃, podczas gdy znane warunki będą znacznie trudniejsze (później testowaliśmy w temperaturze -78 ℃ z suchym lodem, ale musieliśmy kupić zestaw akumulatorowy kilka tygodni przed czasem wysyłki ). Inżynier w nas chciał uzyskać bardziej jednoznaczną odpowiedź na pytanie „czy nasze akumulatory będą działać w temperaturze -70 ℉? Aby odpowiedzieć na to pytanie, przyjęliśmy podejście analityczne.

Test # 4: GoPro z czujnikiem temperatury bezpośrednio na nim, w pudełku styropianowym, wewnątrz lodówki (0 ℃)

GoPro podczas tego testu zostało wciśnięte w dokładne wycięcie swojego kształtu w skrzynce styropianowej. Jak wspomniano wcześniej, styropian ma wysoką odporność na przepływ energii cieplnej. Możemy założyć, że utratę ciepła z GoPro do styropianu można zignorować. To pozwala nam założyć, że cała utrata ciepła z GoPro będzie na zewnątrz (w lodówce). W środowisku stanu ustalonego, płaskiej linii na powyższym wykresie, wytwarzanie ciepła w naszym systemie jest równe zeru. Forma przekazywania ciepła z GoPro do lodówki odbywa się poprzez konwekcję. Szybkość konwekcyjnych strat ciepła jest funkcją odsłoniętego obszaru (powierzchnia podstawowa GoPro), współczynnika przenikania ciepła (można założyć) i zmiany temperatury między dwoma obiektami. Jesteśmy teraz w stanie modelować, ile ciepła zużywa bateria.

Q_ (Batttery) + Q_ (Loss) = Q_Generation
Q_Bateria = Ah (ΔT)

Test nr 5: GoPro z czujnikiem temperatury i ogrzewaczem ręcznym bezpośrednio na nim, w pudełku styropianowym, wewnątrz lodówki (0 ℃)

Ogrzewacz ręczny zapewnia nowe źródło ciepła dla systemu. Jednak moc cieplna akumulatora nie zmienia się. To daje następujące równania:

Q_ (Bateria) + Q_ (Strata) + Q_ Podgrzewacz dłoni = Q_ Generacja
Q_ Ogrzewacz dłoni = Ah (ΔT_2) – Ah (ΔT_1)
ΔT_1 = 21 ° C-0 ° C, ΔT_2 = 41 ° C-0 ° C, A = 0,00202 〖m〗 ^ 2, h≈20 W / m ^ 2 K
Q_ Podgrzewacz dłoni = 2,02 W.

Możemy teraz obliczyć w przybliżeniu, jaka będzie stała temperatura GoPro w oczekiwanych warunkach atmosferycznych.

Q_ (bateria) + Ah (T_ (stan ustalony) -T_Atmospheric) + n_ Podgrzewacz dłoni × Q_ Podgrzewacz dłoni = 0

Nie wiedzieliśmy, jak to równanie zrujnuje nas…

Warto zwrócić uwagę na dwa inne dylematy związane z bateriami. Arduino wymaga bardzo niskiego natężenia prądu (50-250 mA), a większość komercyjnych zestawów akumulatorów nie jest przystosowana do takich warunków. Zestawy akumulatorów urządzeń elektronicznych (telefony, słuchawki, laptop…) zaczną ograniczać pobór prądu, gdy bateria zbliża się do pełnego naładowania. Akumulator traktuje to jako sygnał wyłączenia, co pozwala uniknąć problemów z przeładowaniem. Musieliśmy kupić (właściwie mieliśmy do użytku osobistego Arduino) specjalny zestaw akumulatorów, aby zapewnić zasilanie Arduinos. Można to osiągnąć za pomocą akumulatorów 4AA (szeregowo 6 V), ale Arduino pobiera napięcie 5 V. Różnica ta byłaby emitowana jako ciepło odpadowe przez regulator napięcia Arduino. Pojemność akumulatorów AA była również znacznie mniejsza niż dostępny akumulator.

Drugi dylemat baterii dotyczył GPS, który został zamontowany na zewnątrz ładunku styropianowego i nie było dla nas opcji izolowania GPS od trudnych warunków atmosferycznych (więcej na ten temat poniżej). Na szczęście Energizer ma baterię „Ultimate Lithium”, która ma działać w niskich temperaturach. Nasze obawy nie zostały jednak stonowane, ponieważ wykresy na stronie internetowej Energizer nie spadły do ​​-50 ℃. Testowaliśmy systemy w warunkach suchego lodu, aby dodatkowo symulować warunki na wysokości. Wszystkie systemy przeszły testy na suchym lodzie, oba GoPros kręcono przez ponad 5 godzin, Arduino napisał na kartach SD, a GPS nadal migał.

Zdjęcie po lewej: Arduino i testy skrzynek w temperaturze

Globalny system pozycjonowania (GPS)

Prawie gotowy do uruchomienia. Mamy wznoszenie, zejście, to, co wysyłamy, ścieżkę lotu i przetestowaliśmy każdy element. Jak to znaleźć? Predyktor trajektorii lotu poda ogólny obszar, ale po lądowaniu może wynosić kilka mil plus lub minus, więc nie możesz na tym polegać. Korzystanie z urządzeń pozycjonujących opartych na wieży komórkowej, takich jak telefon, jest ryzykowne (a także niezgodne z prawem dla telefonu, Matt był w trybie samolotowym). Jeśli twój ładunek wyląduje w miejscu bez usługi komórkowej, nie masz szczęścia. Pozostawia to satelitarne systemy pozycjonowania, zwane także GPS. Użyliśmy GPS Spot Gen 3, który wymagał konta z miesięczną subskrypcją. Radzę, nie przeocz GPS. Jeśli nie możesz znaleźć ładunku, który wylądował, wszystko na nic. GPS działał doskonale na niskich wysokościach, ale daje około 20000 stóp, ponieważ satelity mogą dłużej śledzić go powyżej tego punktu. Na szczęście GPS wróci do użytku, gdy wróci poniżej 20000 stóp, abyś mógł zacząć go ponownie śledzić. Stresujące godziny czekają na powrót. Chociaż wysokość była nierówna, co wymagało od nas częstych obliczeń lotu w celu potwierdzenia odczytów, okazało się, że współrzędne X-Y były bardzo dokładne. GPS musi być zamontowany na górze skrzynki na zewnątrz, aby zapewnić nieprzerwany sygnał satelitom, więc baterie o wysokiej temperaturze są ważne dla GPS. Pierwsze lądowanie przeszło prosto przez przemysłową farmę wiatrową, omijając wiatraki i na szczęście wylądowało tuż przy drodze, gdzie mogliśmy szybko ją złapać. Jak się później przejdziemy, lot zakończył się całkowitym upadkiem, więc wystartowaliśmy ponownie, a drugie lądowanie zakończyło się na lokalnym podwórku w pobliżu torów kolejowych w południowo-wschodniej części Zephyr. Za każdym razem udało nam się dojść prosto do niego.

Federalna Administracja Lotnicza (FAA)

Czy to i tak jest legalne? Tak, Jerry, tak jest. Pod warunkiem przestrzegania niektórych przepisów. FAA ma zasady dotyczące tego, co amator może wysłać w kosmos. Jednak przepisy mają zastosowanie do czegoś, co „przenosi paczkę ładunkową, która waży więcej niż cztery funty i ma stosunek masy do wielkości wynoszący więcej niż trzy uncje na cal kwadratowy na dowolnej powierzchni opakowania, określony przez podzielenie całkowitej masy na uncje pakiet ładunku według powierzchni w centymetrach kwadratowych jego najmniejszej powierzchni. ”

Nie jesteśmy ekspertami prawnymi. Strona internetowa zawierająca regulamin znajduje się tutaj (https://www.ecfr.gov/cgi-bin/text-idx?rgn=div5&node=14:2.0.1.3.15). Skontaktowaliśmy się ze stacją FAA FSDO odpowiedzialną za naszą strefę uruchomienia za pośrednictwem poczty elektronicznej i telefonu, a także z kilkoma innymi stacjami FAA FSDO w Teksasie na kilka tygodni przed uruchomieniem. Nikt nie rozmawiał z tym, co robimy. Kontynuowaliśmy komunikację, aż do uruchomienia.

Dzień premiery

6:00 2 maja 2020, Trickham Texas. Skończyliśmy projektowanie, planowanie, testowanie i ponowne testowanie, zbudowaliśmy procedurę uruchamiania – czas. Nasza trójka jest chłodna, spokojna i opanowana, powstrzymuje nasze nerwy i podekscytowanie i wykonuje procedurę prawie do perfekcji. Kamera i Arduino są podłączone, pudełko jest zamknięte, węzły są związane, a balon jest wypełniony. Uwalniamy się z pozór nadziei i podniecenia, gdy obserwujemy, jak szybko unosi się z pola widzenia. Obserwujemy GPS przez pierwsze 30 minut lotu i wszystko wydaje się działać zgodnie z oczekiwaniami. Wysokość wznosi się do 30 000 stóp, a następny odczyt podaje wysokość 1500 stóp – naszą wysokość. Wykonujemy obliczenia, aby zobaczyć, jaka prędkość musiałaby nawet być, aby spadła tak szybko. Prędkość wyszła dokładnie z prędkością końcową. Katastrofalna awaria. A potem ping. 4000 stóp, co? Pamiętaj, że wysokość jest nierówna. Wszystko jest dobrze i jesteśmy na dobrej drodze do kosmosu! GPS wkrótce po tym wychodzi poza zasięg i przechodzimy w 2 godziny ciszy radiowej. Zaczynamy zmierzać do przewidywanego miejsca lądowania, a gdy zbliżamy się do GPS, wraca do służby. Przez pewien czas jeździmy po tylnych drogach, próbując przewidzieć, dokąd zmierza i spotkać go po zejściu. Ambitny cel szybko odkryliśmy. 30 minut później ładunek jest rozładowany i ostatecznie znajdujemy go wzdłuż drogi. Sprawdzamy instrumenty i wszystko jest wyłączone. Wszystko. Przyjrzeliśmy się nagraniom i danym i wszystko wyłączyło się na 10 minut przed lotem. Jak to w ogóle jest możliwe? Nie mogło być ekstremalnie zimno, ponieważ do tego czasu nie osiągnął maksymalnej wysokości. Czy jakoś zabrakło im baterii? Nie, były w pełni naładowane. Co z naszymi pozycjami do podgrzewania rąk? Umieściliśmy je okropnie blisko akumulatorów, może się przegrzaliśmy? To zmienne piękno, które jest nauką. Pozornie możesz zrobić wszystko dobrze, a wszystko może pójść źle. Prawo Murphy'ego. Więc co robisz? To jest nasze marzenie. Poddajemy się? Nie, opracowujemy hipotezę, dostosowujemy ją i analizujemy. Nie zrozumcie mnie źle, po odkryciu niepowodzenia minęła prawie godzina absolutnej ciszy, ale z tego powodu kupiliśmy dwa balony i dość helu. Pospieszyliśmy z powrotem do strony uruchamiania, wprowadzając poprawki po drodze, ponownie naładowaliśmy urządzenia i przygotowaliśmy się na drugie uruchomienie. Tym razem postanowiliśmy zeskrobać Arduinos i czujniki i dodać kolejny aparat, aby zwiększyć nasze szanse na zrobienie tego jednego zdjęcia.

14:00 2 maja 2020, Trickham Texas. Tym razem sprawy wyglądają inaczej. To już nie jest spokojny, piękny poranek. To jest ponury, gorący dzień. Warunki mniej niż idealne, zdecydowaliśmy się przepchnąć. Zaczynamy wypełniać drugi balon Helem, a zadanie szybko staje się zniechęcające. Wiatr pcha balon dookoła, a jeśli dotknie ziemi, może pęknąć i gotowe. Potrzebujemy dwóch osób podtrzymujących balon przez cały czas, pozostawiając jedną osobę, aby się obracała i przygotowała cały sprzęt, zawiązała wszystkie węzły i wykonała pomiary. Stres był wysoki, a ramiona płonęły od trzymania tego 6 stóp balonu przez 45 minut, ale tym razem przygotowaliśmy go z nieco mniejszą finezją. Rozproszyliśmy balon w akcie desperacji i gra w oczekiwanie zaczęła się od nowa.

Przewijamy do przodu o 2 godziny i czekamy na tylnej drodze, wpatrując się w niebo i szukając. Dostajemy ping, a balon jest na rzutowanej trajektorii. Poszliśmy za nim tak daleko, jak to możliwe, aż wylądował i znaleźliśmy się w domu miejscowego. Podeszliśmy do drzwi i podzieliliśmy się naszą historią z dżentelmenem, który odpowiedział. Pozwolił nam przejść przez jego posiadłość na tory kolejowe, aby znaleźć ładunek, a nawet bardzo łaskawie zaoferował nam, że zabierzemy jego czterokołowy pojazd, aby pokonać nierówności.
Zdjęcie: Drugi problem z uruchomieniem

Gdy zbliżyliśmy się do torów, w oddali usłyszeliśmy pociąg. Napędzany ekscytacją związaną ze znalezieniem ładunku i nie wiedzeniem, czy znajduje się na samym torze, zmienił się w sprint w kierunku ładunku. Znaleźliśmy go zwisającego z boku drzewa, zaledwie kilka stóp od toru i chwyciliśmy go, gdy pociąg się zbliżał. Trudno było stwierdzić, czy sprzęt nadal działa w świetle z zewnątrz pudełka. Wróciliśmy do domu i podziękowaliśmy rodzinie i byliśmy w drodze. Jechaliśmy kawałek drogi, aby otworzyć skrzynię i zobaczyć, co jest w środku. Dwie kamery były wyłączone, a jedna miała symbol przegrzania. To nie jest dobry znak. Sprawdziłem pierwsze dwa. Oba wyłączyły się wcześnie. Aż do ostatniej przegrzanej kamery. Myślę, że możesz dowiedzieć się, co się stało…


Liczba, która nie wymaga wyjaśnienia

Proces, który podążamy, cykl, w którym jedziemy.

Wniosek

Dlaczego to zrobiliśmy, o co pytasz? Czy to tylko dla tego jednego zdjęcia? Na powierzchni powiedzielibyśmy „tak”, a nawet gdyby tylko o to chodziło, nadal robilibyśmy to od nowa. Mamy wspomnienia o próbach i udrękach, które pozostaną z nami na zawsze. Pamiętamy chwile zmagań i czystego wyczerpania, gdy trzymamy balon w górze, wiedząc, że jeśli go upuszczymy, wszystko zostanie utracone. Wspomnienia te napełniają nas radością i dumą i nic innego nie dorówna temu uczuciu, ale są to tylko wspomnienia. A co z cennym namacalnym pomysłem lub celem, który możemy zabrać ze sobą w przyszłości? Dla trzech ciekawych i ambitnych inżynierów na tym świecie staramy się znaleźć znaczenie dla naszego życia na tej delikatnej planecie, tak jak wszyscy inni. Wszyscy mamy różne środki, aby się tam dostać, i przekonujemy się, że nasza mądrość i odwaga mogą nadać sens życiu. Jak tak elokwentnie ujął to Carl Sagan: „jeśli pragniemy jakiegoś kosmicznego celu, to znajdźmy godny cel”. Celem jest nie tylko wysłanie balonu w kosmos, ale stanowi krok w kierunku czegoś znacznie większego. Kosmos i ewolucja ludzkości poprzez zasoby kosmiczne. Colorado School of Mines otworzyło pierwszy i obecnie jedyny na świecie program dotyczący kosmicznych zasobów, kierowany przez Angel Abbud-Madryt, i planujemy rozpocząć ten program i rozwinąć naszą karierę w nowe, światowe pole zmieniające układ słoneczny .


Matt, Joseph, Justin

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *