Spaceballoon

Info

Berechnungen

Wasserstoff oder Helium

  • H² ~8% mehr Tragkraft
  • H² niedrigere Leckrate (1). Wegen seiner kleineren Molekülgröße „schlupft“ Helium leichter durch die Hülle (2). Das wäre bei sehr langer Flugdauer sicher ein Thema.
  • Jeder Gastransport auf der Straße fällt unter ADR. Wasserstoff hat aufgrund seiner Gefahrenklasse eine wesentlich niedrigere Freigrenze als Helium. Für das das von uns beabsichtigte Volumen würde es aber wohl immer noch reichen. Zahlreiche Vorschriften sind zu beachten.
  • Helium: 0,14 kg/m³ ⇒ ~1.15 kg Auftrieb pro m³
    Ballongas: 0,167 kg/m³ :!: ⇒ ~1.12 kg Auftrieb pro m³
    Wasserstoff: 0,09 kg/m³ ⇒ ~1.2 kg Auftrieb pro m³
    (Zu bedenken: Für 80 g zusätzlichen Auftrieb pro m³ das mit Wasserstoff zusammenhängende Risiko eingehen?)

Startdurchmesser

minimal
Der minimale Startdurchmesser wird stark beeinflusst durch das Startgewicht. Des weiteren:

  • Reinheitsgrad von Helium
  • angestrebte Aufstiegsgeschwindigkeit
  • Temperatur
  • Luftdruck
  • Starthöhe (über NN)

Das Gewicht des Latexballons ist 800 g (gewogen :!:)
Für die Nutzlast veranschlage ich vorerst nochmal 600g :?:.

Luft: 1,293 kg/m³
Helium: 0,14 kg/m³ ⇒ ~1.15 kg Auftrieb pro m³
Ballongas: 0,167 kg/m³ :!: ⇒ ~1.12 kg Auftrieb pro m³

⇒ für 1.4 kg benötigt man

  • ~1.22 m³ an Helium
  • ~1.25 m³ an Ballongas

(Kugelvolumen V, Kugeldurchmesser d, Kubikwurzelfunktion CUBEROOT)
Volumen V = pi . d³ / 6 aufgelöst nach Durchmesser: d = CUBEROOT( V . 6 / pi ) ⇒

  • ~1,33 m mit Helium
  • ~1,34 m mit Ballongas

Bei angenommenen 2m Startdurchmesser (für 9m bei 100k ft ← woher kommt das Wissen?) sind bis 4kg Traglast denkbar.

Für höhere Aufstiegsgeschwindigkeiten sollten wir so weit möglich von ^^diesen Grenze wegbleiben.

maximal

  • pi*Daumen 2m → Grenzdurchmesser 9m bei 100k ft
  • Aufstiegsgeschwindigkeit (30ft/s?)
  • Landegebiet abschätzen (aktuelle Wetterdaten), Demo mit Start in Stuttgart lieferte beim Test ~120km, netter kml-Generator (Abschätzungsvisualisierung → später mit den Aufzeichnungen vergleichen)

Landegeschwindigkeit

bei freiem Fall über Energieerhaltungssatz:
(Masse m, Erdbeschleunigung g = 9,81 m/s2, Höhe h, Geschwindigkeit v, Quadratwurzel SQRT)
Höhenenergie E h = E k kinetische Energie
E h = m . g . h
E k = 1/2 m . v2
Obige Gleichung E h = E k aufgelöst nach v ⇒ v = SQRT (2 . g . h)
Welche Geschwindigkeit hätte das Teil, wenn es vom Tisch herunter fiele? (aus 1 Meter Höhe - da geht normalerweise nicht viel kaputt)
v = 3,13 m/s
Schneller soll das nicht auf den Boden fallen. Mit dieser Zielgeschwindigkeit und dem Gewicht lässt sich die Größe des Fallschirms bestimmen.

Fallschirm

* Fallschirmgröße wird im wesentlichen abgeleitet aus angestrebter maximaler Landegeschwindigkeit und dem Gewicht.
Dazu gibt es ein geniales Programm namens Chutool.
Eingesetzt m = 1400 g und v=3,13 m/s errechnet das die Größen für verschiedene Fallschirmtypen:

Durchmesser Rundkappe: 183 -194 cm (Luftwiderstandsbeiwert 0,9 - 0,8)
Kantenlänge Quadrat: 172 - 177 cm (Luftwiderstandsbeiwert 0,8 - 0,75)
Kantenlänge Kreuzschirm: 75 - 89 cm (Luftwiderstandsbeiwert 0,85 - 0,6)

Die Luftwiderstandsbeiwerte sind als Beispiele im Programm angegeben.
Außerdem gibt es noch die Luftdichte als Faktor, in obigen Berechnungen mit 1,18 kg/m3 angenommen.

Bemerkung zur Kantenlänge des Kreuzschirms:
Wie der Name schon sagt, handelt es sich dabei um die Form eines Kreuzes. Man kann sich das auch als zwei als X übereinander geklebte Pflaster vorstellen. Es gibt also ein quadratisches Mittelteil (da wo sich die beiden Pflaster überdecken und nicht kleben) und vier darüber hinaus ragende Enden (da wo die Pflaster die Klebeschicht haben). Diese vier Enden sollen genauso quadratisch sein, wie das Mittelteil. Das X oder Kreuz besteht also insgesamt aus 5 gleich großen Quadraten. Die obige Kantenlänge bezieht sich auf die Kantenlänge EINES solchen Quadrates. Das Pflaster hätte bei Kantenlänge 75 cm also eine Spannweite von 225 cm.

Der Vollständigkeit halber:
Es gibt auch noch Rundkappe mit Loch in der Mitte. Dieser Typ soll ebenfalls relativ ruhig fliegen. Für das Loch habe ich eine Größenangabe von 10% der Gesamtfläche gefunden, jedoch keine Formeln um Weiteres zu berechnen. Bei Chutool ist dieser Typ ebenfalls nicht dabei. Deshalb flog er aus der Auswahl raus.

* Fallschirmtype
Angeblich soll der Kreuzfallschirm schön stabil in der Luft schweben. Ist auch zum Selberbasteln nicht zu schwer (zwei übereinander geklebte Pflaster).

* Leinen unter dem Fallschirm
Hier fand ich mehr Formeln, als ich eigentlich suchte. Aber es gibt da ein schönes Diagramm über das Verhältnis von Leinenlänge zu Spannweite. 1:1 liegt da in der Mitte. Das wäre dann ein gleichschenkliges Dreieck. Und die Gesamtlänge des zusammengeklappten Fallschirms plus Leine unter dem Ballon wäre dann 1,5 mal Spannweite (vorausgesetzt, der Ballon zieht an der Fallschirmspitze/mitte nach oben. Aufgrund des Gewichtsverhältnis von Ballonhülle zu Nutzlast bin ich mir aber nicht sicher, ob das sinnvoll ist. s.u.).

Daten

Umwelteinflüsse

Konstruktion

  • :!: Gehäuse - Styropor: der Transportbehälter des Stelltrafos: gewogen 117 g (da kann man innen aber noch Material entfernen).
  • :!: Wärmedämmung - zusätzliche goldene Rettungsfolie (wie sehr behindert die den Funk?)
    • :?: Wärmepads (wie lange halten die? 120 Minuten? Diese Wärmepads halten nur 30 Minuten)
    • :?: Blinklichter (vereinfachen das Finden)
    • :?: Pieper (vereinfacht auch das Finden)
    • :?: Schockabsorber (Schaumstoff?)
  • :?: Kamerahalterung
  • :!: Fallschirm ist in Arbeit … s.u.

(:!: bedeutet vorhanden, :?: noch zu klären )

Aufgaben (make it happen)

Timelapsefunktion für Dimage Xt

  • Kabel sind angelötet. pull down.
  • Optokoppler, Mikrocontroller besorgen
  • zusammenlöten
  • testen

Nikon S5100

  • Kabel an record button anlöten wegen 20min Aufnahmelimit
  • Alternativ: Firmware hacken
  • benötigt für 20min 720p ca 3.5GB

Spaceballoon System Board

  • Layouten
  • Software schreiben push to github - insert link here
  • zusammenlöten
  • Daten
    • 3 Optokoppler (Timelapse XT, Recording S5100)
    • Attiny
    • Mosfet für Blinklicht ← mosfet sourcen

Blitzer (Stroboskop)

  • benötigte Teile herausfinden
  • zusammenlöten
  • testen

Satellit

  • :!: Kameralöcher, Befestigung der Kameras, erledigt
  • :?: Akku wo, wärmen?
    Auf jeden Fall ganz unten im Satellit, damit die schweren Teile beim Bodenaufprall nicht die gesamte Elektronik durchschlagen. Die nach unten schauende Kamera ist etwas in Richtung Rand versetzt eingebaut → Akkus können auf der gegenüberliegenden Seite im Innern des Satellits eingebaut werden - werden bei der Landung also die Kamera nicht beschädigen. Die Wärmepads halten nicht die gesamte Flugdauer durch, die wahrscheinlich um die 2 Stunden dauern wird.
  • :!: Solarpanels auf geeignete (leichte) Konstruktion erledigt
  • :!: an die Styrobox anbringen erledigt
  • :!: Goldfolie - erst mal nur als „Strumpf“, Aufkleben kommt ganz zum Schluss kurz vor dem Start (es muss ja noch alles eingeschaltet werden)
  • :?: Außenantenne für Handy / Peilsender ?
  • :?: Raumteiler und Polsterung im Innenraum (aktuell ist der Inhalt bzw. dessen Verteilung noch nicht festgelegt)

Genehmigung einholen (Luftverkehrsordnung)

  • Mit dem Ballon geht es auf jeden Fall über den unkontrollierten Luftraum hinaus (außer er platzt schon unterhalb 800 m).
  • Wir brauchen eine Genehmigung, weil Satellit plus Ballonhülle über 500 g wiegen (Luftverkehrsordnung §16a (1) 4.). Der Starter des Ballons ist verantwortlich dafür, diese Genehmigung einzuholen (LuftVO §16a (2) 4.).
    Einzuholen bei der „zuständigen Flugverkehrskontrollstelle“.
  • Termin(e)
    Zunächst einmal eine eMail-Anfrage an DFS Deutsche Flugsicherung senden, mit Beschreibung des Projekts. Von Interesse sind vor allem diese Punkte: Gewicht, Größe/Höhe/Aufbau des Gespanns, voraussichtliche Steiggeschwindigkeit, Startort, voraussichtliche Flughöhe/-dauer. 2 Wochen Vorlauf sollten wir hierfür mindestens einplanen (keine Vorgabe seitens DFS). Früher wäre besser, um für Rückfragen und die Beseitigung von Unklarheiten ausreichend Zeitpuffer zu haben. Zu dieser ersten Anfrage gibt es auf jeden Fall auch eine erste Antwort, in der steht, wie (ob) es weiter geht.
    Eine endgültige Bitte um Freigabe sollte dann 1-2 Tage vor dem Start erfolgen. (Die DFS nimmt das als Grundlage für offizielle NOTAMs).
  • Ort
    Startpunkt-Koordinaten braucht's für die Genehmigung auf jeden Fall. Gugel mal Bilder zu „ICAO Karte Stuttgart“; ein paar Bilder vor Seite 2 gibt es eine Karte auf der eine rosa 31 zu erkennen ist. Man sieht da nicht viel, aber Stuttgart ist drauf und man erkennt, dass der Stuttgarter Flughafen ziemlich weit „ausstrahlt“. DFS sagt: rosa Zone geht gar nicht. Aber über Leonberg oder Kirchheim/Teck könnte man sich unterhalten.

Release & Catch party?

  • Geocaching Event planen?
  • Marketing Posts vorbereiten
    • Erwähnung von: Shackspace, HGG, Cooperative Project

Einkaufs-/Bastelliste

  • :!: 900g Ballon (VN6660-12-130-6445 Angabe: 800gr)
  • :!: 4x 22 g LiPo 570mAh (gemessen)(2 pro Cam?)
  • :!: 3x 66 g LiPo >1500mAh (noch fertig ausmessen) (zentrale Spannungsversorgung? Heizung über TS7805 Abwärme)
  • :!: 12 g System Board (Zentralsteuereinheit)
  • :!: HD Camcorder? Digitalkamera mit Auslösung alle x Sekunden
    • :!:einbaufertig:!: Dimage Xt
      • Gehäuse ist weg, Timelapsefunktion muss per externer (zu bauender) Elektronik realisiert werden (Andi hilft da wohl bei ;-) )
      • 109 g stripped, mit Batterie (taugt nicht)(150 g brutto)
      • zusätzliche Spannungsversorgung per 5V (getestet)
      • Stromverbrauch für xxx min Timelapse?
      • Speicher für xxx min?
      • Blitzlicht auslöten und für das Stroboskop (noch zu bauen) verwendennope. keine Lust (und gefährlich)
    • :!:einbaufertig:!: Nikon COOLPIX S5100 (HD Video 720p)
      • 99g stripped, mit Akku (132 g brutto)
      • Stromverbrauch für xxx min 720p Aufnahme?
      • 3.5GB für ~23 min → 16GB reicht für ~ 100min
      • 2. Spannungsversorgung per USB Ladefunktion nicht möglich
  • :!: 6g 3x1W Led mit Alu Kühlkörper (Mosfet und Wärmeleitkleber fehlt noch)
  • :!: Fallschirm - papatiga hat fertig gebastelt: Kreuzfallschirm mit Kantenlänge 90 cm
    • Material ist Malerfolie - die wiegt fast nix und ist dennoch sehr reißfest (biologisch abbaubar).
    • Gewicht samt Schnüren: 30 g
    • Es handelt sich um PE-Folie. Auf der Tube des Klebstoffes (deutscher Markenhersteller) stand nix davon, dass er ungeeignet dafür sei (auf einer anderen Klebstoffsorte des gleichen Herstellers stand das explizit). Nun, obwohl es nicht drauf stand, musste ich feststellen: Auch diese Sorte ist ungeeignet - die Verklebung lässt sich nach dem Trocknen ganz leicht wieder abziehen (während des Klebens war das leider nicht so!). Jetzt habe ich mal nachgelesen: Für PE-Folie gibt es fast keinen Kleber. Lösung: zusätzliche Klebebandstreifen und Heftklammern.
    • Malerfolie ist „widerspenstig“: über große Fläche praktisch nie 100% glatt zu legen (legen und NICHT ziehen - weil das Material sonst die Länge ändert). Obendrein lädt sich die Folie auch noch statisch auf - ein Alptraum beim Vermessen, Markieren, Schneiden und Kleben. Hilfsmittel sind Bücher (Gewicht), Pappe (Fläche), eine Holzlatte (Lineal) und PostIts (Zwischenmarkierung).
    • Noch keine endgültige Lösung habe ich für die Befestigung des Ballons. Logischer erster Gedanke: Alles in einer Reihe - Oben der Ballon, daran hängt die Fallschirmspitze, unten an den Leinen des Fallschirms dann der Satellit. JEDOCH: die Ballonhülle wiegt 800 g und unser Satellit nur 600 g. Wenn nach dem Platzen der Hülle deren 800 g wieder nach unten ziehen, zieht es den Fallschirm dann nicht in verkehrter Richtung zum Erdboden? Auch wenn das sehr „flabberige“ 800 g Ballonhülle und die 600 g Satellit eher kompakt sind - und wie verhalten sich die Leinen? Wurschtelt sich der Ballon vielleicht in den Fallschirm hinein?
      Vorschläge sind willkommen.
    • Der vorhandene Militärlastenfallschirm hat Kantenlänge 2 m (Definition Kantenlänge s.o.) und Spannweite 6 m (gewogen: rund 2 kg) - top Material, sonst super Deko. Wenn man daraus einen Schirm mit 90 cm Kantenlänge herausschneiden würde, dann wären das auch noch mal fast 1 kg → doch erst mal die Version mit Malerfolie.
  • :!: GPS für die Ortung (kommt Christian's HTC Magic rein, falls es bis dahin wieder tut)
    • :?: Magic tut noch nicht macht aber gute Fortschritte (evtl. trotzdem nicht zeitnah realisierbar … we will see)
      • Gewicht?
      • 2. Stromversorgung per USB Ladefunktion
    • :!: Momos Huawei Uxyz
      • funktioniert (außer die 2 wichtigsten Tasten für Android … macht aber nix)
      • Tool finden zur Ortung, so konfigurieren dass es auch nach Reboot sofort macht was es soll (autostart)
      • :?: Sim Karte … zur Not auch vorhanden
      • muss noch gestrippt werden (kein Display, kein Gehäuse) und evtl. zentrale Energieversorgung?
        • LiPo? Temperatur problematisch?
  • :?: Stromversorgung: statt Akkus, mit Temperaturbereich bis -55°C ! Lithium-Batterien ?
    horn hat abgeraten: Die Dinger seien teuer und hielten nicht unbedingt, was sie versprechen.
    • Gewicht: 19 g für eine Zelle mit 3,6 V und 2400 mAh
  • :!: Helium (sponsored by papatiga) - bzw. Ballongas (UN 1046), relative Dichte 0,138 (Luft=1)
  • :?: Handschuhe für den Ballon (empfindlich - soll man nicht mit bloßen Händen anfassen)
  • :?: Schlauch zum Befüllen des Ballons mit Gas
  • :!: Sonnensegel - als Leichtkonstruktion aus Papier gebastelt. Auf 2 Seiten je 2 Module (3 Module hätten besser ausgesehen, aber das Papier macht die Belastung auf diese Länge nicht mit - jedenfalls nicht bei filigraner Bauweise). Nun steckt außerdem noch ein Holzstab mit 3 mm Durchmesser und 1 m Länge im Innern der Papierröhrchen. Die Sonnensegel sind nicht befestigt, sondern nur aufgelegt. Sie werden vor dem Start dann doch abgenommen (Wir wollen ja nicht, dass durch deren Oberfläche der Wind den Satelliten zu zusätzlichem Schaukeln oder Drehen animiert).
  • :!: Die Kameras sind jetzt im/am Styroporgehäuse eingebaut Sie lassen sich (noch) herausnehmen. Gesamtgewicht von Umhüllung aus Rettungsdecke, Styropor-Gehäuse und Kameras ist 380 g (inkl. den in den Kameras enthaltenen Akkus).
    Eine Frage ist mir noch gekommen: Benötigen die Kameras vielleicht noch weitere Gucklöcher zur Messung der Helligkeit (Weißabgleich …), oder reicht das Guckfenster für das Objektiv? → Probeaufnahmen machen :?:

Tests

  • :?: Fallschirm - stimmt die errechnete Geschwindigkeit?
  • :?: Kameras mit Elektronik - funktioniert das so, wie es soll?
  • :?: Peilung/Fuchsjagd - Equipment Sender und Empfänger testen
  • :?: Dämpfungssystem - brauchen wir das, hilft uns das zu besseren Aufnahmen?

Sonstiges

  • Radarreflektor → brauchen wir nicht, sagt DFS.
  • Sichtbedingungen → sind nicht ausschlaggebend für Startfreigabe, sagt DFS.
  • Weitere Hardware?
    • Temperatursensor
    • Drucksensor
  • Jemand der bergsteigermäßig auf wirklich hohe Bäume klettern kann - falls das der Landeplatz wird
  • Peilsender? Vielleicht so etwas? Darf ohne Funklizenz benutzt werden!

Sponsors

  • Christian
  • papatiga
  • Fundraising?
project/spaceballoon.txt · Zuletzt geändert: 2012/06/24 02:40 von 84.130.160.230