Как мы запускали метеозонд на Урале. Часть 1

Запуск метеозонда в небо — есть старинная забава ученых и энтузиастов, со времен инцидента в Розуэлле (штат Нью-Мексико). Метеорологи запускают зонды для наблюдения за процессами в верхних слоях атмосферы. Кто-то запускает зонды в торнадо, чтобы узнать его структуру. Энтузиасты же, в основном, делают это для красивой картинки нашей родной планеты с высоты полета Фрэнсиса Гэри Пауэрса.

Наш хакспейс полон энтузиастов, и был лишь вопрос времени, когда мы проведем такое грандиозное мероприятие. Это время настало весной текущего года. Прохладным утром 11 апреля 2015-го, хакспейс MakeItLab вместе с сетью магазинов оптики «Четыре глаза» и несколькими другими организациями запустили метеозонд в «уральскую» стратосферу!

Надо сказать, мы решили сделать из запуска хорошее шоу, и организовали прямой видеолинк с зонда на большой телевизор. Куча школьников смогли наблюдать за собой сверху, с высоты полета быстро удаляющегося воздушного аппарата. Было очень круто! Разумеется, на борту была и обычная action-камера, которая запечатлела красоты почти-космоса. Наконец, мы отсняли наш марш бросок на 200 км за упавшим зондом. Обо всем этом читайте/смотрите под катом.

С чего все начиналось

Почти год назад наш хакспейс посетил Александр Изгагин, глава местного планетария, и предложил вместе запустить метеозонд. Принес кучу уже купленного оборудования, включая два баллона. Осталось только собрать все вместе, определиться с полезной нагрузкой, добыть гелий, и запустить аппарат в небо.

Тогда же была и сформулирована главная цель запуска — популяризация науки. Для этого предполагалось собрать много школьников на сам запуск. Устроить среди ребят конкурс на лучшее исследование, которое можно провести на борту зонда. Отправить в стратосферу что-нибудь памятное.

Но, к сожалению, пока мы неторопливо готовились к запуску, незаметно подкрались холода и снег. Так что мероприятие было решено перенести на весну 2015-го. К тому же, весной есть еще и замечательный праздник — день космонавтики. Именно к этой дате мы и запланировали торжественный запуск. Осталось только закончить начатое!

Из чего состоит метеозонд

Перед тем как приступить к конструированию, мы тщательно изучили «интернеты», и в частности опыт наших коллег из Санкт-Петербурга. Узнали, как и из чего создать метеозонд, что называется, своими руками. Так мы выяснили, что классическая схема любительского метеозонда состоит из трех основных частей:

• баллон с гелием;
• парашют;
• полезная нагрузка.

Все эти части соединяются фалом — канатом из легкого, но прочного материала. Отрезок от груза до парашюта мы сделали длиной около 10 метров. Отрезок от парашюта до шара — 5 метров.

Баллон и обвязка

Метеозонды поднимаются в воздух за счет архимедовой силы, выталкивающей шар с легким газом в верхние разряженные слои атмосферы. В качестве легкого газа обычно используют водород или гелий. Первый дает большую тягу, но в смеси с воздухом очень взрывоопасен (помним Гинденбург). Второй является инертным газом, посему не горит, но и тягу дает меньшую. Раз уж мы собрались запускать зонд среди кучи детей, выбор пал на гелий.

Мы использовали хлоропреновый шар, широко используемый в рекламных целях. Собственно и покупали мы его в соответствующей организации. Судя по спецификации, максимальный объем 8-футового шара составил 7.5 куб. метров. Максимальный рекомендуемый вес груза — 4.5 кг. Вот так он выглядел в исходном состоянии. Как гигантский надувной шарик.

Парашют

Есть две распространенные схемы крепления парашюта. В первой, фал от нагрузки до шара непрерывен, а парашют с балансировочным кольцом как бы ответвляется от фала, и свободно болтается. Во второй, фал делится на два отрезка, первый из которых цепляется за центр балансировочного кольца, а второй за верхушку парашюта. Мы выбрали второй вариант.

Балансировочное кольцо нарисовали в SketchUp, и распечатали PLA пластиком на 3D-принтере. Парашют вырезали из куска брезента 1х1м. Пришили к нему восемь строп, и проделали в центре отверстие. Все края, разумеется, обработали. Вот так выглядит сложенный парашют и кольцо:



Идея работы такой схемы проста. Пока аппарат взлетает, парашют находится в натянутом состоянии, и служит частью фала. Как только шар лопается, парашют теряет натяжение и начинает расправляться.

Приборный отсек

Опираясь на мировой опыт и наши хотелки, мы решили разместить в летающем кубе следующее оборудование:

1) GPS GSM трекер отечественной фирмы X-Keeper. GPS-трекер — это устройство, которое каждые N минут отправляет через GSM сеть GPS координаты своего местоположения. В этом конкретном устройстве стояли симки двух наших крупнейших операторов. Чтобы трекер помог, ясень пень, спускаемый аппарат должен упасть в зоне действия сети одного из операторов.

2) Светозвуковой маяк с автономным питанием. Спустя несколько часов после старта это устройство начинает тревожно выть и мигать яркими светодиодами. Это должно было немного упростить поиск, особенно в темное время. По сути, простая платка на энергоэффективном микроконтроллере MSP430.

3) HD камере SJ4000 на боку модуля было суждено снимать красоты нашей планеты с заоблачной высоты.

4) Камера в полу модуля и радиопередатчик 500мВт 1.2ГГц предназначались для онлайн-трансляции при взлете.

5) Блок сбора показаний датчиков — этакий логгер — мы установили для измерения высоты полета, температуры, влажности. Кроме этого, на борт аппарата приклеили небольшую солнечную батарею, которую также подключили к логгеру.

6) LiPO аккумулятор емкостью 2200 мАч и напряжением 3S (11.1В) — для питания всего этого безобразия.

7) Особый груз — 12 юбилейных монет с изображением Юрия Гагарина, и горстку всяких важных вещей, включая детскую игрушку и ириску.

Более подробно про оборудование зонда напишем в следующей статье, а пока вот такая схема того, что с чем связано.



Сам модуль собрали из теплоизоляционного материала толщиной 30 мм. Экструдированный пенополистирол, который продается в каждом строительном магазине. Короб тщательно склеили Uhu Por клеем и обернули армированным скотчем. Получилась вот такая коробка:



Вес метеозонда, включая сам шар, фал, парашют и приборный отсек составил около 2 кг. Учитывая, что шар мы планировали наполнить 5 кубами гелия, зонд должен был взлететь с приличной скоростью 5 м/с.

Фото оборудования зонда

GPS-трекер:



FPV Камера:



Передатчик для камеры:



HD камера SJ4000:



Светозвуковой маяк собран на скорую руку:



Нижняя онлайн-камера была помещена в напечатанный на 3D-принтере корпус. Бронестекло не стали ставить, дабы не провоцировать появление росы.

Наземное оборудование

Для обеспечения трансляции видео с борта зонда использовали вот такой приемник и направленную антенну к нему. Кстати, благодаря этой антенне удалось снимать видео с расстояния в несколько километров.





Баллон гелия приобрели у местного поставщика технических газов. В подобной же конторе, добыли и редуктор для баллона. Надо сказать, без редуктора накачать шар будет непросто. При откручивании вентиля на баллоне газ попрет очень бодро, и можно будет легко порвать шар. Все наблюдатели при этом зальются веселым гномьим смехом.

Разрешение на запуск

Конечно, можно попробовать запустить метеозонд где-нибудь за городом без всякого на то разрешения. Но стоит только задуматься о том, что может натворить этот зонд в напряженном воздушном пространстве над современными городами, сразу становится не по себе. Чтобы сделать все правильно, мы заранее обеспокоились получением разрешения от компетентных служб. Началось все не очень. Полиция, ФСБ, МЧС, администрация — все открещивались от нашей просьбы, и перенаправляли друг на друга.

Как оказалось позже, вопросами запуска метеозондов занимается служба с длинным названием: зональный центр единой службы по организации воздушного движения (сокращенно ЗЦ ЕС ОрВД). Там нас попросили написать официальный запрос на запуск метеозонда, с указанием летных характеристик, а также точной даты и времени запуска. Далее, в день X, мы должны были уведомить службу о нашей готовности, и сообщить расчетные координаты падения зонда. Что мы и сделали, воспользовавшись сервисом прогноза predict.habhub.org. Наконец, после падения аппарата, следовало еще раз позвонить, и сообщить о завершении миссии.

За 1 час до старта

Итак, все готово к запуску метеозонда. Вытаскиваем оборудование на площадку запуска, и начинаем подготовку.



Включаем бортовое питание, и тем самым запускаем HD-камеру на запись, а онлайн-камеру на трансляцию. Александр Кормильцев дорезает поролон, которым мы забили пустое пространство приборного отсека.



На телевизоре появляется картинка с онлайн-камеры. Так что метеозонд теперь «видит».



Запускаем гелий в шар. Редуктор у нас был слабенький, пришлось выкрутить его на всю катушку.



Даже на максимуме пропускной способности редуктора, пришлось ждать около получаса пока шар не наполнится до желаемого объема. После того как шар приобрел угрожающие размеры, мы перемотали горловину лейкопластырем, и привязали к нему кольцо с фалом.



Последний шаг — закрываем крышку зонда. По сути, заклеиваем все тем же армированным скотчем.

Больше фото подготовки к запуску

Торжественный момент — загрузка монеток:



Начало закачки гелия в баллон:



Видео трансляция работает (левый нижний угол):

Старт

За несколько секунд до старта начинаем потихоньку стравливать фал вверх. Окружающие нас дети хором ведут обратный отсчет, и остановить их уже нельзя. Бортовая HD-камера вовсю работала, так что на ней хорошо запечатлен этот волнительный момент.





Еще чуть-чуть!



Стремительный взлет!



Дети ликуют:

Онлайн-трансляция с борта

А это несколько скриншотов прямой трансляции.







После того, как шар поднялся на километр вверх (на вскидку), антенну видеоприемника пришлось нацеливать вручную:



Целиком видеотрансляция с момента отрыва от земли находится на ютубе: youtu.be/N5ZAYWiAtB0?t=3600

Еще фото

Поиск

Шар улетел, и нам оставалось только ждать первых GPS координат с трекера. В общем-то, вероятность того, что зонд упадет в зоне действия мобильных операторов была весьма невысокая. Всё-таки, мы живем на Урале: лес вокруг.



Но случилось то, что случилось. Спустя один час и 15 минут, на мой телефон пришла долгожданная SMS с координатами! Было ощущение, как будто мы получили первый сигнал с марсохода. С этого момента, все стали морально готовиться к путешествию. Ведь координаты указывали на точку в 200 км от города, ядрен батон!



Мы открыли веб-интерфейс трекера и стали ждать следующих координат. Каждые 10 минут поступала обновленная информация. Зонд неторопливо спускался на парашюте в район города Ирбит. Наконец, координаты перестали меняться, и мы выдвинулись в путь. Всего было три машины и 11 человек.

Десант притворяется. На самом деле всю дорогу пытались нащупать видеосигнал с передающей камеры.



Штурман:



Вообще, уже на карте было видно, что зонд лежит где-то в поле. Почему-то я был уверен, что поле представляет собой просто кучу земли, максимум — вскопанной. Ну все же садили/копали картошку. Но не тут то было! Оказывается, я никогда не видел весеннего удобренного поля. Мир уже не будет таким, как прежде…



Тут мы еще веселые, сразу после выгрузки. Предвкушаем поиски. Угадайте, кто единственный взял с собой резиновые сапоги?



А впереди бодрая пробежка по бескрайнему полю:



Следуя по заветным координатам, мы таки нашли его! В самой-самой жиже, но нашли!



Небольшой видеоролик с места падения:

Коллективное фото:

Еще фото поисков

Разбор полета

Долгая дорога домой заняла еще три часа с лишним. Наконец, достигнув к ночи нашего хакспейса, мы вскрыли приборный отсек.



Достали пакетик с монетками и стратегический контейнер с ириской.



SD-карточка с данными телеметрии. В ней-то как раз и хранится информация о высоте полета! Все очень переживали, как высоко смог подняться наш метеозонд.



Судя по графику, зонд поднялся почти на 19 километров. Конечно, если верить дешевому барометру BMP180.



И, наверное, самая ожидаемая информация — видео с HD камеры.



32-гигабайтная флешка была целиком забита. Причем, первые 2 часа — это видео непосредственно взлета и посадки. Остальное — лежание на поле.

Видео и фото полета

Ребята из «Телепорт» оперативно скомпилировали фильм о наших приключениях:

И записали полную трансляцию с онлайн-камеры: www.youtube.com/watch?t=10&v=N5ZAYWiAtB0

Благодарности

Мероприятие прошло крайне успешно благодаря слаженной работе всех организаторов и помощников. Так что хочется сказать огромное спасибо всем задействованным организациям:

• Сети магазинов оптики «Четыре глаза» и инициатору полета Александру Изгагину;
• Студии телетрансляций «Телепорт»;
• Информационному центру по атомной энергии.

Отдельная благодарность поисковой команде! Получилось замечательное путешествие.

Планы на будущее

Уже в конце мая — начале июня мы планируем очередной запуск. И к этому мероприятию у нас уже есть некоторые идеи модернизации:

1. Запуск будет, скорее всего, ночью. Дабы снять ночной город и рассвет.
2. Будем работать над стабилизацией груза. Поставим вертлюг на фал, и, возможно, стабилизирующий по азимуту пропеллер.
3. Попробуем добыть спутниковый трекер. Также заложим в зонд усовершенствованный GPS-трекер, который нам пообещали ребята из X-Keeper (чтобы вести более точный трек с данными о высоте).
4. Усилим светозвуковую сигнализацию. В частности, продублируем сирены. Добавим больше ярких объектов на зонд.