Испытания дрейфующего стратостата. Запуск Рогозина и LoRa в стратосферу

в 16:51, , рубрики: GlobalStar, lora, космонавтика, космос, метеозонд, полёт, рогозин, стратостат, стратосфера

В последнее время можно всё чаще встретить запуски любительских латексных метеозондов, которые имеют в качестве своего полезного груза утепленный бокс с камерой, GPS маяком и источником питания. Полет таких аппаратов как правило ограничивается 2-3 часами, за которые аппарат достигает стратосферы и совершает посадку в 80-100 километрах от места запуска.

Испытания дрейфующего стратостата. Запуск Рогозина и LoRa в стратосферу - 1
Подготовка к запуску нашего дрейфующего стратостата

Может ли стратостат летать дольше, дальше и стабильнее? Да, может. На помощь приходят стратостаты категорий Zero-Pressure и Super-Pressure. Мы в качестве первого опыта выбрали Zero-Pressure, т.к. эта технология испытана временем и довольно проста.

Технология полёта

Суть этой технологии в поддержании «нулевого» давления внутри газ.оболочки, в то время как Super-Pressure оболочки дрейфуют засчет переизбытка давления газа. При наборе высоты газ расширяется. Метеозонд при достижении пикового давления разрывается, а Zero-Pressure оболочка стравливает излишки давления и остается дрейфовать в струйных течениях до захода солнца. Когда солнце заходит, воздух начинает остужаться и аппарат снижается. Для полетов длительностью более 1-2х дней нужен запас балласта, он компенсирует потерю подъёмной силы газа(гелия, водорода).

Испытания дрейфующего стратостата. Запуск Рогозина и LoRa в стратосферу - 2
Изображение профилей полетов Zero-Pressure и Super-Pressure стратостатов

Оболочка

Для первого запуска мы сделали оболочку в форме тыквы объёмом 170м3, высотой 5 метров и диаметром 8 метров. Форма тыквенная, т.к. она наиболее оптимально распределяет давление внутри оболочки. Большой грузоподъёмности и высоты от первого полета мы не требовали, задача стояла в получении информации о моменте достижения нейтральной плавучести и дрейфе аппарата, чтобы в дальнейшем наращивать длительность полётов и объёмы оболочек(летают Zero-Pressure от 2-х до 55дней).

Испытания дрейфующего стратостата. Запуск Рогозина и LoRa в стратосферу - 3
Модель тыквенной оболочки из восьми сегментов

Техническая часть

Задачи стратостата были распределены на две ступени:

  • Первая ступень (возвращаемая) – модульная платформа с парашютом
  • Вторая ступень (дрейфующая) – Zero-Pressure оболочка с радиозондом

Испытания дрейфующего стратостата. Запуск Рогозина и LoRa в стратосферу - 4
Модульная платформа с принимающим телеметрию планшетом

Первая ступень, модульная платформа
Платформа первой ступени представляет из себя алюминиевую раму, которая помимо своей основой функции(фиксация модулей) является частью антенной системы и радиатором для видеопередатчика Lawmate 1.2ГГц и LoRa-модема 433МГц усилителя мощностями 1 и 2 вата.

Обладает следующими каналами связи:

  • LoRa 433МГц, передача телеметрии
  • Lawmate 1.2ГГц, видеотрансляция с OSD
  • GlobalStar, сведения о местоположении
  • GSM, телеметрия
  • поисковые маяки 433/868МГц, поиск аппарата в районе приземления по уровню сигнала

Полетный контроллер, выполняющий сбор данных и управление силовыми реле и транзисторами основан на AtMega2560. В помощь полетному контроллеру сделан LoRa-GSM модем на AtMega328p, который собирает от ПК телеметрию и передает её на землю.
Видео записывают на 2 экранированных GoPro Hero 4 Black с видом на горизонт и Yi 2k с видом на газ.оболочку.
Источником питания служат 2 батареи NiMH 12v 4500mah и LiPo 11.1v 2000mah.

Вторая ступень, радиозонд
Радиозонд второй ступени выполняет очень важную функцию – расстыковка ступеней. Без расстыковки полезный груз улетит в Китай, Монголию или Северную Корею, что нам конечно не нужно.

Для выполнения это задачи радиозонд определяет момент достижения нейтральной плавучести(дрейфа), после чего ждет 30 минут и производит расстыковку.

Помимо этой задачи, если повезет с покрытием сотовой связи, радиозонд связывается по GSM и передаёт записанные в памяти данные в виде траектории полета, профилей изменения температуры и заряда аккумулятора.

Источниками питания служит LiPo 11.1v аккумулятор емкостью 3800mah.

Полезный груз

Так как это испытания мы не могли запустить полезный груз коммерческого назначения, но и оставить запуск без полезного груза было бы тоже неправильно. Программа запусков АДА министерством обороны России закончилась в 2013году, и, т.к. это был единственный клиент на АДА в ДКБА, с того момента запусков АДА в России и СНГ не было. Нашей, хоть и косвенной задачей стаяло привлечение внимания к АДА. Через опрос в одном из космических сообществ соц.сети "Вконтакте" мы определили желаемую полезную нагрузку, ею стала семёрка с Рогозиным.

Испытания дрейфующего стратостата. Запуск Рогозина и LoRa в стратосферу - 5
Рогозин в качестве полезного груза первой ступени

Запуск

За 4 дня до запуска мы подали план полёта в Росавиацию, после чего 2 июня получили разрешение на 06:00 утра (разрешение дают в день запуска).

Подготовка к запуску началась с места развертки-наполнения оболочки и установки ретранслирующей станции на крыше, кейса с принимающим оборудованием на земле.

Испытания дрейфующего стратостата. Запуск Рогозина и LoRa в стратосферу - 6
Наполнение газовой оболочки стратостата

Испытания дрейфующего стратостата. Запуск Рогозина и LoRa в стратосферу - 7
Ретранслирующая станция (LoRa, Lawmate)

Испытания дрейфующего стратостата. Запуск Рогозина и LoRa в стратосферу - 8
Кейс с приёмным оборудованием

На наполнение оболочки ушло почти четыре 60-ти литровых баллона гелия, которые обеспечили подъёмную силу оболочки в 13 килограмм, чего достаточно для запуска 9 килограмм груза со скоростью подъёма 2,5м/с.

Испытания дрейфующего стратостата. Запуск Рогозина и LoRa в стратосферу - 9
Дозаправка оболочки гелием

После наполнения оболочки мы начали запуск оборудования и ступенчатую сборку аппарата, собрали первую и вторую ступени стратостата. Высота оболочки на старте составила 10 метров, полная высота аппарата 20 метров.

Испытания дрейфующего стратостата. Запуск Рогозина и LoRa в стратосферу - 10
Стратостат за 10 секунд до запуска

Хорошая безветренная погода(за исключением небольшого дождя) позволила почти беспрепятственно запустить стратостат.

Стратостат поднимался со скоростью 2,5м/с, через 1 час 10 минут он стравил излишки и гелия продрейфовал 40 минут, после чего отстыковал первую ступень. Первая ступень начала приземление на парашюте со скоростью 4-5м/с (что заняло 45 минут), в это время вторая ступень продолжила набор высоты, после чего продрейфовала на высотах 18-20км в течении 10 часов и начала ускоряющиеся снижение из-за захода солнца.

Испытания дрейфующего стратостата. Запуск Рогозина и LoRa в стратосферу - 11
Инфографика полёта стратостата

Испытания дрейфующего стратостата. Запуск Рогозина и LoRa в стратосферу - 12
Профиль высоты первой ступени

Несмотря на пасмурную погоду LoRa очень хорошо себя показала передавая данные на расстоянии в 120 километров. Видеотрансляция на оборудовании Lawmate 1.2ГГц была доступна на расстоянии до 60 километров, что в подобную погоду тоже неплохо. GlobalStar маяк стабильно работал, передавая каждые 2.5 минуты сведения о местоположении.

Видеоролик запуска аппарата

Второй ступени немного не повезло с покрытием сотовой связи, в течении своего полёта ей пять раз было доступно GSM соединение. Получены сведения о преодолении высоты в 18 километров и приземлении через 16 часов после запуска.

Испытания дрейфующего стратостата. Запуск Рогозина и LoRa в стратосферу - 13
Приземлившаяся первая ступень

В общем, миссия прошла успешно. Отрасль автоматических стратостатов в России начала свое возрождение путём частных усилий. Постепенно длительность полётов будет наращиваться, полторы-две недели пребывания в струйных течениях стратосферы достаточно для того, чтобы облететь планету.

Планируется полёт длительностью 2-3 дня с тестированием AirMax, iridium каналов связи. Опробуем стратостат, как средство организации WISP-сетей с покрытием более 150 километров(проверим модели project Loon и AirBus).

Автор: ToSky_project

Источник

* - обязательные к заполнению поля