Балон 1 (08.09.2017)

Резюме

За около 9 месеца подготвихме и пуснахме първия стратосферен балон на C.lab за изследване на горните слоеве на атмосферата. Балонът се издигна на височина 32852 метра н.в., времето на полета бе 3 часа, общо разстояние (по хоризонтала) 128.5 км, разстояние между стартовата (с. Голям Чардак) и крайната точка (близо до Твърдишкия проход) е 117 км. Измерени бяха височинни профили на температура, влажност, налягане, гама радиация и др.

Автори

Стоян Тенев (проектиране и разработка на хардуер и софтуер), Атанас Терзийски (атмосферна химия) и Николай Кочев (компютърна химия) от катедрата по Аналитична химия и компютърна химия към Химическия факултет на ПУ, подкрепени от Ведрин Желязков (картография и навигация) и Лъчезар Илиев (навигация и пилотиране). Участие взеха и алпиниста Петко Попов, Нина Желязкова (снимки и видео), Георги Димитров (навигация, снимки и видео) и Исая Терзийски (вдъхновител).

Как започна всичко

Идеята за експериментално изследване на атмосферата се зароди съвсем спонтанно в началото на 2017 г. в разговор между Атанас Терзийски (Наско) и Николай Кочев (Ники), а след това и от Ведрин Желязков (Ведри) и Лъчезар Илиев (Лъчо). Първата дискусия по темата е в тази нишка, където съвсем, съвсем общо говорихме:

Подготовката

След няколко дни, още на първата среща, идеята прегърна и Стоян Тенев (Стоянчо), който се ангажира с основна и ключова роля в проекта. Започнахме конкретни обсъждания без да имаме задълбочени познания в тази конкретна област. Дълбоко мотивирани, водени от интерес за опознаване на природата и прилагайки опита, който имаме в различни области, с четене и дискусия започнахме да конкретизираме идеите си.

Стоян Тенев и Исая Терзийски

Стоянчо има голям опит със сензори, архитектура на платки и програмиране на Асемблер. Бързо, накупи (с лични средства) голям брой сензори и започнахме обсъждане и формализиране на логиката и работния цикъл на електрониката.

Чисто нови сензори, антени и друго оборудване

 

GPS (в ляво) и други сензори

 

Обсъждане на идеите в барчето на ПУ

 

На по-късен етап решихме да кандидатстваме за финансиране. Сформирахме работна група, в рамките на вътрешен проект на Химическия факултет и спечелихме за първия етап 1971 лв. по ФП17-ХФ-013 (с благодарност).

Купихме три балона и парашут. С хелий разполагаме от ПУ (с благодарност към Минчо Христов). Окомплектовахме полезния товар, изолиран чрез стиропор по дизайн на Стоянчо и изрязани от Манол Георгиев профили (с благодарност).

Направихме успешни тестове на радиовръзката между Пловдив и междинната станция на лифта над Сопот.

Яги – насочена антена, която по-късно ни помогна да определим по независим от GPS начин точното местоположение на балона след приземяването

 

Мобилните приемници в процес на разработка и тестване

 

Над междинната станция на лифта осъществяваме връзка със Стоянчо до Пловдив (65 км). Експеримента успешен!

 

Направихме и първите краш тестове по идея на Ники – засилване на полезния товар от 20 метрова сграда към паваж. Резултата беше впечатляващ – стиропора (обвит с мрежа гаца по идея на Веселин Кметов) беше запазил цялостта си без пукнатини.

Готови сме да планираме следващите стъпки.

Преди старта

Разрешение за пускане на балона поискахме от държавното предприятие „Ръководство на въздушното движение“, по-специално посредством този документ. Заявихме прозорец от десет дена, в които да подберем най-удобния за нас. Служителите бяха любезни и ни ориентираха много точно, така че да се възползваме максимално от правата си (с благодарност).

Балона пуснахме на площадка в село Голям Чардак, обл. Пловдив, на около 30 км. северно от Пловдив в 12:24

Предлагаме ви пълен запис на приготовленията около пускането на балона, заснети от Ведри.

Проследяването и търсенето

Скоро след като пуснахме балона, започнахме преследването му с три коли, следите на които се виждат на картата:

Светло синята следа е траекторията на балона, червена – автомобил Наско, Стоянчо, Исая, зелена – автомобил Лъчо, Ники и Георги Димитров (Жоро), студент 2 курс спец. Компютърна химия и лилава – автомобил Ведри и Нина.

Тази част беше много приятна. Имахме непрекъсната връзка с балона по време на целия полет (от 3 часа) до момента на падането му в 15:23. Получавахме неговите координати и височина, а помежду си поддържахме връзка по телефон. Направихме си стратегия на следене и се придвижвахме към очакваната точка на приземяване.

Проследяване на полезния товар

 

Изглед към хоризонта (червената окръжност) от най-високата точка на полета

 

Анимирана визуализация траекторията на балона с увеличение на скоростта 100 пъти

 

След като установихме, че се спука и започна бързо да пада заснехме последните му координати. Исая засне най-актуална информация за координатите на балона преди да загубим обхват:

Знаехме точните координати, за наше щастие балона беше паднал на 200 м от пътя Твърдица – Елена в приятна стара букова гора.

Бързо намерихме мястото, търсихме, гледахме, но за съжаление не го видяхме. Балона най-вероятно се беше скрил високо в короните на дърветата и не се виждаше. Тук отново имахме радиовръзка, но тя не ни подаде повече информация.

Точното местоположение на балона определихме и чрез триангулация с Яги антената, но и това не ни помогна да го видим. Наложи се да се приберем в Пловдив и да мислим как бихме могли да си приберем оборудването с всичките данни.

Сега накъде?

Откриването и вземането на балона са следващите две задачи от изключителна важност. Хардуера в балона оценихме за около 700 лв., но по-важното са данните от всички сензори, записвани всяка секунда. Без тези данни с висока резолюция експеримента би бил доста неуспешен, въпреки наличието на данни приемани по време на полета по радио връзката.

След кратко обсъждане на закуска в хотела в Пловдив, където бяха отседнали Ведри, Нина и Лъчо, се появи идея да купим дрон и да облетим на следващия ден отново мястото на приземяването. При огледа харесахме Дрон DJI Phantom 4, който и закупихме заедно с допълнителна батерия и зарядно за кола.

В рамките на оставащия половин ден трябваше спешно да се запознаем с новата придобивка, инсталираме нужните мобилни приложения и най-вече да се научим да летим. Предстоят обучителни полети и тренировки на подходящо място в Пловдив

и безсънна нощ за Лъчо, основния пилот на дрона за следващия ден.

Търсене и намиране

На следващия ден, неделя, 10.09.2017 г. уговорката ни е да се срещнем в 10:30 на същото място (билото на Стара Планина, между Твърдица и Елена). Този път сме оборудвани с дрон, с приятел алпинист (Петко Попов, с благодарност) и много храна за изпът. На мястото пристигаме първо ние – Стоянчо, Исая, Наско и Петко и се придвижваме с оборудването до точните координати. Стоянчо пръв съзира балона в клоните, обгрян от сутрешното слънце.

Сега вече основната задача е на Петко. Докато той обаче се подготвя се дочува дрона, долитайки от пътя, пилотиран от Лъчо. При следващ полет от място, полезния товар на балона се вижда и отгоре, над клоните:

Сега вече можем да си отдъхнем и да се насладим на уменията на Петко докато се катери по дървото.

Прибирането

Предлагаме ви снимков и видео материал от прибирането на балона.

Петко подготвя инвентара

 

По ствола на бука

 

Заснемане на цялата операция по прибиране на балона от Нина и Ведри (1/2)

 

Заснемане на цялата операция по прибиране на балона от Нина и Ведри (2/2)

 

Кадри от свалянето, заснети от Лъчо с дрона

 

Най-после всичко изглежда ще приключи успешно.

Бързичко събрахме инвентара и се запътихме към хижа Буковец, където се почерпихме за добре свършената работа.

Отварянето на полезния товар от Стоянчо, Ники и Наско

Резултати и дискусия

Електрониката, носена в полезния товар на балона, отчита и записва показанията на датчиците всяка секунда. След обработка данните са визуализирани и представени като функция на надморската височина (Altitude) в метри.

Пада на атмосферното налягане с нарастване на височината е експоненциален, като общия ход корелира добре с литературните данни (вж. стр. 9 оттук). Нашите измервания (в черно) са сравнение с тези на НИМХ на БАН към същата дата и час (в червено). При следващия балон е необходимо да подобрим експерименталната постановка. (временен резултат, предстои по-прецизна калибрация на сензора)

 

На горната фигура е показана зависимостта на външната температура (черна тънка линия) и на вътрешната (в полезния товар, по-плътна черна линия) като функция от надморската височина. Добре се виждат изолационните свойства на полезния товар (стиропор). Ясно е отчетена и температурната инверсия породена от тропопаузата на височина около 12-13 км и последващо покачване около 20 км височина. Референтната температура (в червено) са данните на НИМХ на БАН към същата дата и час. Измерените от нас температури са завишени поради монтирането на датчиците в малка черна кутйка, с недостатъчно обдухване. Необходимо е подобрение на опитната постановка за следващия балон.

 

Измерена е относителната влажност на въздуха (черна линия) и данните са сравнени с измерванията проведени от НИМХ на БАН към същата дата и час. Измерванията значително се различават, предстои подобрение на установката.

На горната графика е представен обобщен профил на изкачването, спукването и падането на балона по надморска височина като функция от астрономическото време на деня (GMT +3).

 

Графиката демонстрира оценената скорост по двете компоненти – хоризонтала (червена линия) и вертикала (черна линия).

 

Отчетени са и броя сателити, прихванати от GPS сензора. Броят им варира между 9 и 11.

 

Отчетена е и гама радиацията, демонстрирана на картинката по-горе. Графиката има максиум около 20000 м височина, което добре корелира с измерванията на други автори. Максимума е още известен с името Regener–Pfotzer, като се обяснява с факта на сблъскване със силно енергетичните космически лъчи в по-плътните слоеве на атмосферата и вторичното излъчване на атмосферните газове (повече тук).

 

Отчетена е и силата на магнитното поле в пространството по време на целия полет, като на графиката по-горе е посочена силата му по време на изкачване. Най-вероятно в следствие от силна турболенция в по-ниските слоеве на стратосферата (над 21000 м) полезният товар се е въртял хаотично по двете оси (червено и синьо).

Блокова схема на електрониката

Използвани сензори

MCP9800 – цифров за температура
LTM84 – аналогов за температура
SX1272 – LoRa радиовръзка
MS5607 – цифров за температура
NPP301A-100A – аналогов за налягане
HIH5031 – за влажност
L80 – за GPS
RD2014 – гама радиация

Допълнителни ресурси

Описание и дискусия в Планинарския форум: http://planina.e-psylon.net/viewtopic.php?p=120928
Снимите на Ведри и Нина: https://photo.uni-plovdiv.net/vedina/Balloon/Balloon-2017-09/
Снимките на Наско и Исая: https://photo.uni-plovdiv.net/ksx/2017/balloon-1/
Кратък видеоразказ, подготвен от Георги Димитров: https://youtu.be/SRQuX39axpA