用氦气球释放并回收一个飞上“太空”的摄像机
标签:太空 气球 探空气球 氦气
飞鱼BH1JSS 发布于 2015-04-14 13:21
Step 1: 准备气球和气体
你可能会说,这有什么难的?不就是放飞一个氢气球,挂上一个摄像机在高空拍摄嘛?实际上并非像你想得这么简单。为了将探空气球携带的设备舱收回(高清摄像机的视频需要收回才能取出),整个过程和发射一颗返回式卫星差不多。我们来看看“玩”这个气球,需要涉及哪些科学。
首先是气球使用的是气象探空气球,这是一种使用天然乳胶为主要原料,再配合适量配合剂加工而成。和普通的橡胶气球相比,除了体积大以外,最大的特点是膨胀率更高。例如我们使用气球,地面释放时的水平直径大约1.5米,垂直高度约2米,在高空中的爆破直径达到8-9米。越高的高空,大气压力越小,气球就会越膨胀,如果气球膨胀率低,爆炸的高度就会偏低,达不到“太空”的效果。
气体选择需要使用的是高纯度工业氦气。氦气是一种惰性气体,它会不爆炸。虽然它不是最轻的气体(密度0.1786g/L,0°C、1atm),与空气的比重是 0.14,1立方米净升力约1.115千克,氦气比氢气安全多了,一个工业氦气钢瓶的释放体积约6立方米,气球充气4立方多,剩下的氦气还可以玩玩“变声”的把戏。不过氦气的缺点就是一个字:贵!
Step 2: 准备好“眼睛”—摄像机
Step 3: 轨迹预测-感谢共享精神
剑桥大学太空飞行实验室探空气球预测工具:
http://predict.habhub.org/
Step 4: 跟踪/定位装置
跟踪定位设备是保证放飞气球能够回收的关键。我们尝试了多种方案对气球路径进行跟踪。首先是无线电定位。我们使用了一种叫做APRS的无线电定位系统。APRS(Automatic Position Reporting System)是一种自动位置报告系统,通过GPS或其他方式获得当前坐标,然后调制成音频编码,使用144.64MHz的业余无线电频率进行广播发射。接收设备再通过解调,将音频编码中的坐标信息还原,就可以得到跟踪设备的位置和轨迹。在前期的试验中,我们还使用航模玩家常用的OSD(On Screen Display)设备和图像传输设备,OSD设备会在摄像机图像中叠加各种姿态、位置信息,然后通过图像传输设备发回地面,我们在观看实时视频的通知,也可以得知它的位置。除此以外,我们借鉴了国内外气球项目的经验,使用了“GPS跟踪器”这种成熟的产品。GPS跟踪器的原理是利用GSM手机通信网络,将跟踪器中的GPS坐标通过短信的形式发回到指定手机。这种设备已经商品化了,比较可靠,但是要祈祷中国移动、中国联通、中国电信的网络覆盖啦!
Step 5: 准备一个降落伞
在最上端是一个气球,气球的单根引线直接栓到一个降落伞的顶端,降落伞引线直接拴在载荷舱上。至于降落伞的大小,并不是凭空得出的,可以根据以上公式计算得出,我们如果希望下降速度是每秒4米的话,需要面积是0.75平方米,直径不到1米。实际我们在降落伞上顶端还开了一个孔,让下降率更高一些。资料显示,伞兵的降落伞下降最大速度是小于7米/秒,无人机伞降回收的速度也差不多是这样的,因此只要下降速度小于7米/秒,就能够保证设备的安全。下降速度快,意味着飘落的会近一点儿!
Step 6: 必须要做的一些试验
实际上,在成功之前,我们第一次放飞完全失败了。失败的重要原因就是多个系统虽然分别作了很多实验,但是由于整个团队分散在北京各处,业余时间很少有机会一起测试整个系统,放飞时准备不足,多种跟踪设备恰好同时“中奖”失灵。我们的越野车在沙地中的行驶速度远远跟不上气球飘飞的速度,最后只跟踪到了13公里就完全丢失信号了……在第二次试验中,我们尽量精简了跟踪设备,而有些可靠性高的设备,比如GPS跟踪器,做了双系统备份,保证更高的可靠性。第二次地面放飞流程和寻找的路线也事先做了优化,气球一升空,我们立刻派一辆越野车按照事先规划的路线以最快的速度前往预计降落地点。
我们曾经将所有设备放入载荷舱里,内部使用铝箔胶带屏蔽,密封好后放入冰箱-30度的冷冻室中冰冻,测试它的极限低温情况。在对流层上端,温度最低甚至达到-60度,不过到平流层以后温度就会上升了。
除了设备的低温测试,最好测试一下降落伞的下降速度,因为计算结果和实际速度还是有差距的。下降速度是预测气球漂亮轨迹的重要参数,最好实际测试一下结果。我们是使用一台多轴飞行器,把降落伞和载荷舱吊到高空释放进行测试的。
Step 7: 后记
Step 8: 未来的改进计划
Step 9: 几个与安全有关的问题:选择地点、避开航线
另外要注意避开附近的机场与航线。尽量远离大型机场和有民用航线经过的地方。
最后,需要提示大家的是,根据《中华人民共和国飞行基本规则》第二十七条:升放无人驾驶航空自由气球或者可能影响飞行安全的系留气球,须经有关飞行管制部门批准。具体管理办法由国务院、中央军事委员会空中交通管制委员会会同国务院民用航空主管部门、中国人民解放军空军拟定,报国务院、中央军事委员会批准实施。
具体的气球放飞规定,可以参看《通用航空飞行管制条例》第五章:升放和系留气球的规定。
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