Moja práca sa zaoberá návrhom a vývojom stratosférického tzv. „near-space“ balóna. Jedná sa o návrh funkčnej platformy, ktorá je schopná vynášať vedecký ako aj komerčný náklad do výšky približne 30 km s následným návratom na zem a jeho lokalizáciou. Ďalšie informácie spojené s projektom nájdete na stránka http://www.kozmonautika.sk/ pripadne na http://sosa.sk/.

1. Úvod

Problematikou výskumu vesmíru sa zaoberajú organizácie z celého sveta. V poslednej dobe Slovensko začalo zaostávať, preto vznikol tímový projekt skBALLOON, ktorý mal vzbudiť záujem o vesmírne vedy medzi širokou verejnosťou a pripomenúť dôležitosť kozmického výskumu.

Hlavnou úlohou v tomto projekte bolo vytvorenie letuschopnej platformy s návratovým modulom (gondolou), do ktorej bude možné pridať rôzne vedecké zariadenia a senzory, akým je v tomto prípade detektor kozmického žiarenia. Ďalej ma zabezpečiť komunikáciu s pozemnou stanicou, vysielanie telemetrie a súradníc s polohou a výškou, aby bolo následne možné gondolu balóna lokalizovať a spracovať namerané dáta.

Ďalšou problematikou bolo samotné vynesenie zariadenie do čo najväčšej možnej výšky. S tým sa spája výber vhodného materiálu balóna, výber plynu, ktorým bude balón napustený a minimalizovanie hmotnosti zostavy.

2. Schéma zostavy

Obrázok objasňuje umiestnenie jednotlivých častí zostavy balóna. Pre pohon sme sa rozhodli použiť latexový meteorologický balón naplnený héliom. Ďalším variantom bolo použitie vodíka, ktorý je ľahší ako hélium ale zároveň aj výbušný preto sme použitie tohto plynu zavrhli. Na Obr. 1. sú znázornené dve časti letu – vzostup a) a návrat b). Návrat gondoly začne buď prasknutím balóna po dosiahnutí maximálnej výšky, alebo úmyselným odpojením terminátora rádiovým príkazom zo zeme, prípadne uplynutím vopred zvoleného času.

Terminátor sa samočinne odpojí aj po detekovaní prasknutia balóna (viď odsek 3.8. Detektor prasknutého balóna). Priebeh letu pokračuje II. fázou. Po odpojení balóna sa padák vstupom samočinne otvorí a začne brzdiť pád. Otvárací krúžok slúži na správne otvorenie padáka. Bez neho by sa jednotlivé laná mohli do seba zamotať a tým znížiť brzdnú účinnosť padáku.

Obr. 1. Orientačná schéma zostavy

3. Gondola

Gondola je návratový modul zostavy. Je vytvorená z extrudoveného polystyrénu kvôli tepelnej izolácii a tlmeniu nárazu pri pristátí. V nej je uložená elektronika,ako je znázornené na Obr. 2. a Obr. 3.

Obr. 2. Rozloženie jednotlivých modulov v gondole.

Obr. 3. Rozloženie jednotlivých modulov v gondole.

Tab. 1. Zoznam modulov.

č.	Názov modulu	Farba ozn. (Obr.2. a Obr.3.)
1	Palubný počítač	Šedá
2	Doska senzorov	Tmavá žltá
3	Detektor kozmického žiarenia	Žltá
4	Doska akcelerometrov	Fialová
5	GPS modul	Čierna
6	GSM modul	Červená
7	UHF TRX modul (Vysielačka)	Zelená
8	Anténa	Ružová
9	USB kamera	Čierna
10	Zdroj	Modrá
11	Detektor prasknutého balóna	Biela
12	Batérie	Oranžová

3.1. Bloková schéma

Na blokovej schéme je vidieť zapojenie jednotlivých modulov ako aj komunikačné zbernice. Keďže doska palubného počítača mala k dispozícii len jeden sériový a jeden USB port, zvolili sme nasledovné zapojenie. K USB portu sa prostredníctvom rozbočovača pripájajú pamäťové disky, GPS modul a kamera. Prostredníctvom sériového portu je pripojený modul senzorov. Tento komunikuje po jednovodičovej zbernici s GSM modulom, ktorý je bezdrôtovo pripojený k modulu terminátora.

Obr. 4. Bloková schéma zostavy.

3.2. Palubný počítač

Ako palubný počítač bol vybraný MikroTik Routerboard RBU441U 300MHz s RISC procesorom. K dispozícii má jeden sériový port a USB port, ku ktorému je pripojený USB HUB (rozbočovač). Ako operačný systém na palubnom počítači je použitý Openwrt Linux verzie 10.03. Jeho úlohou bol zber a ukladanie dát z okolitých modulov, dekódovanie NMEA viet z GPS modulu, vytváranie reťazcov ktoré sa následne odosielali prostredníctvom vysielačky, fotenie a ukladanie fotografií do pamäte flash (USB kľúč). Pri poklese napájacieho napätia a pri iných nepredpokladaných udalostiach ako aj pri zlyhaniach jednotlivých zariadení reštartoval všetky moduly vrátane seba.

3.3. GPS modul

Náš GPS modul nesie označenie USB GPS Receiver, SiRF Star III, NL-302U s procesorom StarIII. Pracuje na frekvencií 1575,42 MHz. Citlivosť aktívnej antény je -159 dBm. Využíva protokol NMEA-0183.[2] Takisto ako všetky civilné GPS ma obmedzenia na zrýchlenie, rýchlosť a výšku. Maximálne zrýchlenie 4G, max. rýchlosť 515 m.s^-1, max. výška 18 km.

3.4. UHF TRX modul

Jedná sa o modifikovanú ručnú vysielaciu stanicu pracujúcu v pásme UHF na voľnej frekvencii 446.09375MHz FM (kanál PMR 8). Modul je zostavený z vysielačky SENCOR SMR500 a riadiaceho obvodu. Tento slúži na zapnutie stanice, následné zvolenie kanálu a kontrolu chodu. Na pripojenie antény sme použili koaxiálny F konektor. Anténa je tvorená medeným vodičom s dĺžkou λ/4 a protiváhou. Uvažovali sme aj o anténe typu HELIX, ale toto riešenie by neprimerane zvýšilo hmotnosť zostavy.

Keďže tento modul vysielača je určený na prenos signálu v akustickom pásme, bolo potrebné vytvoriť modulátor, respektíve demodulátor signálu. Na zakódovanie dát sme použili frekvenciu 900Hz pre log.0 a 1400 Hz pre log.1, na čo bol použitý frekvenčný modulátor XR2206. Podobne na demoduláciu prijímaného signálu sme využili frekvenčný komparátor XR2211. Tieto obvody používajú ladený RC rezonančný obvod, takže je jednoduché nastaviť zvolené frekvencie. Ich nevýhodou, kvôli takémuto rezonančnému obvodu, je teplotná nestabilita. Vysielaný balík dát mal formát:

• Výstraha – začiatok vysielania
• Dĺžka balíka
• Dáta – vnútorná teplota, vonkajšia teplota, napätie batérie, GPS súradnice vrátane výšky, tlak
• CRC8 – kontrolný súčet

3.5. GSM modul

Toto zariadenie bolo pridane ako záložný modul v prípade zlyhania vysielačky, alebo iného prerušenia komunikácie. Používa priemyselný modul SIM300C, ktorý po sériovej linke s rýchlosťou 38400 baudov riadi mikrokontrolér ATmega8 prostredníctvom AT príkazov. Tento mikrokontrolér zostavuje SMS správu zloženú s GPS súradníc a počtu odoslaných balíkov cez UHF TRX modul. Program kontroluje registráciu modulu k sieti a periodicky odosiela SMS správy. Odoslanie nastane buď raz za hodinu, alebo pri registrácii k sieti, prípadne po zavolaní zo známeho čísla. Program udržuje GSM modul zapnutý a v prípade potreby ho reštartuje.

3.6. USB kamera

V tomto projekte bola použitá USB webkamera Canyon CNR-WCAM813. S možnosťou streamu, prípadne periodickým zasielaním fotiek. Kamera obsahuje CMOS snímač s rozlíšením 1,3Mpx (640×480) Webkamera bola zbavená klipu a pripojená k USB rozbočovaču. Do systému (OpenWrt) bolo nutné dodatočne pridať ovládače pre prácu s kamerou. Ako jediná utilita, ktorá sa ukázala schopná spolupráce s webkamerou, bola utilita „motion“, ktorá je bežne používaná pri bezpečnostných systémoch. Obrázky boli periodicky ukladané ( raz za 15 sekúnd ) na pamäťové flash karty. Ostrenie kamery bolo nastavené na veľké vzdialenosti a programovo bola znížená svetlosť fotografií.

3.7. Doska senzorov

Tento modul obsahoval senzory teploty, tlaku a vlhkosti.
Ako senzor vnútornej teploty bol použitý 10k NTC termistor zapojený do odporového deliča. Napätie z deliča bolo privádzané na vnútorný analógovo-číslicový prevodník (ďalej len ADC) v Atmega16. Tento senzor bol umiestnený vo vzdialenosti minimálne 5 cm od okolitej elektroniky, aby nedochádzalo k ohrevu od okolitých zariadení a tým k skresleniu merania.

Na meranie vonkajšej teploty sme použili senzor PT100. PT 100 je citlivý teplotne závislý senzor. Pri zmene teploty mení vnútorný odpor. Aby bolo možné previesť zmenu odporu na zmenu napätia (ktorú dokážeme merať), je potrebné napájať tento obvod konštantným prúdom. To zabezpečuje obvod prúdového zdroja. Tento obvod je tvorený rezistormi R1 a R2 . Keďže tieto rezistory sú teplotne závislé a spôsobovali by chybu merania, bolo nutné do obvodu vložiť korekčný člen tvorený tranzistorom Q1 typu JFET a odpormi R3 a R4. Pri vzraste prúdu sa na rezistore R4 vytvorí úbytok napätia a tranzistor zvýši svoj odpor. Pri poklese prúdu je to naopak, tým je zabezpečené napájanie ďalšieho obvodu konštantným prúdom.

Obr. 5. Zapojenie senzora PT100.

Obvod nevyváženého Wheatstonovho mostíka kompenzuje tepelnú závislosť (aj keď iba malú) prúdového zdroja. Senzor PT100 je vo svojej podstate rezistor ako každý iný. Pri prechode veľkého prúdu by sa mohol nadmerne zahrievať a tým ovplyvniť meranie, preto je ho potrebné napájať malým prúdom (rádovo stovky μA). Pri prechode tak malého prúdu na ňom vzniká aj malý úbytok napätia, ktorý nie je možné jednoducho merať. Kvôli tomu je potrebné vložiť do obvodu nízkošumový operačný zosilňovač. Keďže chceme merať napätie na Wheatstonovom mostíku je nevyhnutné toto napätie snímať diferenčne. Je viacero známych obvodov zapojenia diferenčných zosilňovačov, ale nami použitý sa zdal byť najoptimálnejší čo sa týka citlivosti a náročnosti zapojenia. Senzor bol umiestnený vo vzdialenosti 20cm od okraja gondoly.

Na meranie tlaku bol použitý senzor MPX4115A s analógovým výstupom. Výstupné napätie bolo prevádzané do digitálnej formy vnútorným ADC mikrokontroléra ATmega16 a následne ukladané na pamäťové médiá. Vyhladený priebeh tlaku v závislosti od dĺžky letu je na Obr. 6. Zlom na 15kPa spôsobil limit senzora a nie stabilný tlak.

Obr. 6. Priebeh tlaku v závislosti od dĺžky letu.

Pre meranie vlhkosti bol vybratý senzor SHT71 od firmy SENSIRION. SHT71 je kalibrovaný senzor absolútnej vlhkosti a teploty. Popis snímača:

• rozsah merania rel. vlhkosti: 0 – 100 %RH
• rozlíšenie: 0.05 %RH
• tolerancia: +-3 %RH

Komunikácia so senzorom je po 2-vodičovej zbernici, hardvérovo kompatibilnej so zbernicou i2c.

Obr. 7. Pripojenie senzora k riadiacemu procesoru [3].

3.8. Detektor prasknutého balóna

Táto súčiastka slúži na zistenie úbytku pnutia nosného lanka, na ktorom je zavesená gondola. Toto zariadenie má význam pri prasknutí balóna – spustí terminátor a odhodí zvyšky balóna aj s nepotrebnou časťou lanka. V takom prípade nehrozí ich zamotanie do padáka a následný tvrdý pád na zem. Ďalej slúži na zistenie v akej výške začal účinkovať padák. Spínač sa vtedy zas vypne z dôvodu opätovného napnutia lanka. Pracuje na jednoduchom mechanickom princípe páka – pružina – vypínač. Základný popis snímača:

• hraničný ťah: 600g
• výstup: logický (spínač)

3.9. Modul akcelerometrov

Modul akcelerometrov je zostavený z trojice senzorov typu MAA7260QFS od FREESCALE SEMICONDUCTOR. Snímače sú tri, aby bolo možné merať zrýchlenie gondoly vo všetkých 6. stupňoch voľnosti. Senzory sú od seba vzdialené 10cm v usporiadaní do tvaru písmena L. Trojosový akcelerometer MAA7260QFS má k dispozícii 4 stupne citlivosti:

• do 1.5 G
• do 2.0 G
• do 4.0 G
• do 6.0 G

Citlivosť akcelerometra sa nastavuje dvomi logickými vstupmi. Tieto ovládal mikrokontrolér podľa potreby (dynamicky mení). Výstupný analógový signál je vzorkovaný vnútorným ADC, s rozlíšením 10bitov, riadiaceho mikrokontroléra s frekvenciou 400Hz (pre každý kanál). Namerané údaje sú ukladané na samostatnú SD kartu, ktorá je pripojená priamo na SPI rozhranie mikrokontroléra Atmega8. Počas doby letu (asi 2,5 hodiny) sa nahromadilo veľké množstvo údajov. Doposiaľ neboli spracované. Na Obr. 8. je zachytená časť priebehu z doby prasknutia balóna. Osi na grafe sú iba orientačné. Na X osi je čas od spustenia modulu akcelerometrov , na Y osi je zrýchlenie v osiach x,y,z v pomere 1/20.

Obr. 8. Ukážka zaznamenaného zrýchlenia.

3.10. Detektor kozmického žiarenia

Detektor typu Cosmic Ray Detector (ďalej už len CRD) využíva na detekovanie vysoko energetických častíc. Geiger-Müellerove (ďalej už len GM) počítadlá (trubice), pripadne fotonásobič so scintilátorom. V druhom prípade je možne detekovať o akú časticu sa jedná. GM trubica obsahuje dve elektródy umiestnené v zmesi plynov.

Elektródy sú napájané vysokým napätím cca 500V. Častica, ktorá vletí cez obal tejto GM trubice, zanechá v plyne ionizačnú stopu, po ktorej sa následne šíri výboj. To spôsobí pokles napätia na trubici. Tento signál je následne spracovaný sériou tvarovacích obvodov. Upravený signál je privádzaný na externé prerušenie mikroprocesora ATmega16, ktorý zaznamenáva počet týchto impulzov za minútu. Na Obr.9. je znázornený nameraný priebeh žiarenia v závislosti od výšky.

Obr. 9. Počet detekovaných častíc za minútu v závislosti od výšky.

Takisto tu zreteľné vidieť výšku v ktorej dochádza k rozpadu týchto častíc. Tento jav bližšie opisuje Obr. 10.

Obr. 10. Rozpad kozmického žiarenia v atmosfére.[4]

3.11. Zdroj napájania

Ako zdroj napájania bola použitá batéria šesnástich lítiových AA článkov, ktoré mali najvýhodnejší pomer kapacita / hmotnosť. Napájacie napätie bolo upravované DC-DC meničmi vlastnej konštrukcie, lebo podobne priemyselné zariadenia nevyhovovali naším požiadavkám na toleranciu vstupného napätia, prípadne účinnosť.

Parametre meničov: Vstupné napätie (7-30) V pri výstupnom napätí 5 V a 3,3 V, (12,8-30) V pri výstupnom napätí 12 V. Maximálny dovolený odoberaný prúd 3 A pre každú vetvu. Účinnosť týchto meničov je cca 83% v závislosti od záťaže. Prúd odoberaný meničom bez záťaže je cca (8-20) mA v závislosti od použitého PWM regulátora.

3.12. Terminátor

Terminátor je autonómne zariadenie (s batériou, rádioprijímačom, servom a mikrokontrolérom). Umožňuje predčasné odpojenie balóna od sústavy (predtým než balón sám praskne), buď príkazom na odpojenie prijatým z gondoly, alebo po uplynutí stanoveného času. V sústave balóna bude umiestnený nad padákom, pričom sa odpojí od padáka a uletí spolu s balónom (viď Obr. 1. schéma letu). Odpojenie nastane aj po prasknutí balóna. Na Obr. 11. vidieť model mechanickej realizácie terminátora.

Obr. 11. Model konštrukcie terminátora.

Rádiový signál na ovládanie terminátora sa vysiela z gondoly, teda na prenosovú vzdialenosť cca 2m. Na tento účel boli použité RF moduly MHF-01 a MHF-02. Moduly pracujú vo voľnom pásme 433MHz, s FSK moduláciou. V module je použitý mikroprocesor ATmega8, RF prijímač: MHF-01, RF vysielač: MHF-02 a Servopohon : HS55 11 N/cm modelárske. Napájanie je z batérie 3xAAA lítiových článkov.

Servo bolo upravené odstránením pôvodného el. regulátora. Boli vyvedené priamo vývody z elektromotora. Spínanie je realizované MOSFET tranzistorom. Toto riešenie je opodstatnené z hľadiska jeho jednoduchosti a spoľahlivosti pri nízkych teplotách. Terminátor je obalený v polystyréne z dôvodu pracovných teplôt mikroprocesora, RF prijímača, batérie a serva. Ďalším dôvodom na obalenie je nebezpečie, ktoré predstavuje terminátor voľne padajúci z veľkej výšky.

Z dôvodu obmedzenej pracovnej teploty použitých súčiastok do -40 stupňov Celzia bol implementovaný „vykurovací“ rezistor tepelne prepojený s mikrokontrolérom a RF vysielačom pomocou AL plechu a teplovodivej pasty.

4. Analýza letu

Let trval približne 2,5 hodiny. Za ten čas balón vystúpil do výšky cca 26 km. Presnú výšku nepoznáme nakoľko GPS mala obmedzenie na 18 km (v praxi o niečo vyššie) a tlakový senzor na 15 kPa. Priebeh stúpania ako aj klesania je zobrazený na Obr. 12.

Obr. 12. Výška v závislosti od doby letu (aproximácia).

Počas celého letu sme mali s gondolou nadviazané rádiové spojenie. Výpadok spojenia nastal až vo výške 500m pri návrate. Balón bol vypustený z Hvezdárne v Partizánske preletel cca 72 km a pristíál v oblasti pri Nových Zámkoch.

5. Záver

V tomto projekte sa nám podarilo dosiahnuť takmer všetky zvolené ciele. Počas letu nenastala žiadna nepredpokladaná situácia a gondolu sme po krátkom čase našli. Priebehy nameraných veličín sú uvedené vyššie. Pri pristátí sa zničilo jedno pamäťové médium, preto nemáme zaznamenaný priebeh teploty, vlhkosti a ani žiadnu fotografiu.

6. Pokračovanie v projekte

V blízkej budúcnosti plánujeme vypustiť 2. verziu balóna. V nej by mali byť kritické systémy ako sú GPS a pamäťové média zdvojené. Takisto chceme prejsť na plne modulárny systém. Pripravujeme sa na vypustenie mikrosatelitu typu CUBESAT, preto sa snažíme toto zariadenie postaviť podľa tohto vzoru. Pracovný model tejto verzie je na Obr. 13., kde vidieť jednotlivé moduly.

Obr. 13. Model projektu verzia 2.

Odkazy na literatúru

1. Projekt skBalloon
   http://kozmonautika.sk/obsah/projekt-skballoon
2. NAVILOCK NL-302U, GPS modul, 20 kanálů, Sirf Star III, USB
   http://www.eod.cz/pocitace-a-komponenty/notebooky/prislusenstvi/navilock-nl-302u-gps-modul-20-kanalu-sirf-star-iii-usb
3. Datasheet SHT7x
   http://techwiki.kozmonautika.sk/lib/exe/fetch.php?media=datasheet-humidity-sensor-sht7x.pdf
4. Ullmann, V., KOSMICKÁ JADERNÁ ALCHYMIE aneb O PŮVODU PRVKŮ
   http://astronuklfyzika.sweb.cz/KosmickaAlchymie.htm

---

Spoluautormi článku sú Chrenko B., Kapus J., Kocka M., Krovina A., Krpalek L., Kutka A, Slosiar R., Zatko M.

---

Práca bola prezentovaná na Študentskej vedeckej a odbornej činnosti (ŠVOČ 2011) v sekcii Meracia technika, ISBN 978-80-227-3508-7

---

Tento projekt vznikol vďaka