В последнее время можно всё чаще встретить запуски любительских латексных метеозондов, которые имеют в качестве своего полезного груза утепленный бокс с камерой, GPS маяком и источником питания. Полет таких аппаратов как правило ограничивается 2-3 часами, за которые аппарат достигает стратосферы и совершает посадку в 80-100 километрах от места запуска.

Подготовка к запуску нашего дрейфующего стратостата

Может ли стратостат летать дольше, дальше и стабильнее? Да, может. На помощь приходят стратостаты категорий Zero-Pressure и Super-Pressure. Мы в качестве первого опыта выбрали Zero-Pressure, т.к. эта технология испытана временем и довольно проста.

Технология полёта

Суть этой технологии в поддержании «нулевого» давления внутри газ.оболочки, в то время как Super-Pressure оболочки дрейфуют засчет переизбытка давления газа. При наборе высоты газ расширяется. Метеозонд при достижении пикового давления разрывается, а Zero-Pressure оболочка стравливает излишки давления и остается дрейфовать в струйных течениях до захода солнца. Когда солнце заходит, воздух начинает остужаться и аппарат снижается. Для полетов длительностью более 1-2х дней нужен запас балласта, он компенсирует потерю подъёмной силы газа(гелия, водорода).

Изображение профилей полетов Zero-Pressure и Super-Pressure стратостатов

Оболочка

Для первого запуска мы сделали оболочку в форме тыквы объёмом 170м3, высотой 5 метров и диаметром 8 метров. Форма тыквенная, т.к. она наиболее оптимально распределяет давление внутри оболочки. Большой грузоподъёмности и высоты от первого полета мы не требовали, задача стояла в получении информации о моменте достижения нейтральной плавучести и дрейфе аппарата, чтобы в дальнейшем наращивать длительность полётов и объёмы оболочек(летают Zero-Pressure от 2-х до 55дней).

Модель тыквенной оболочки из восьми сегментов

Техническая часть

Задачи стратостата были распределены на две ступени:

• Первая ступень (возвращаемая) – модульная платформа с парашютом
• Вторая ступень (дрейфующая) – Zero-Pressure оболочка с радиозондом

Модульная платформа с принимающим телеметрию планшетом

Первая ступень, модульная платформа
Платформа первой ступени представляет из себя алюминиевую раму, которая помимо своей основой функции(фиксация модулей) является частью антенной системы и радиатором для видеопередатчика Lawmate 1.2ГГц и LoRa-модема 433МГц усилителя мощностями 1 и 2 ватта.

Обладает следующими каналами связи:

• LoRa 433МГц, передача телеметрии
• Lawmate 1.2ГГц, видеотрансляция с OSD
• GlobalStar, сведения о местоположении
• GSM, телеметрия
• поисковые маяки 433/868МГц, поиск аппарата в районе приземления по уровню сигнала

Полетный контроллер, выполняющий сбор данных и управление силовыми реле и транзисторами основан на AtMega2560. В помощь полетному контроллеру сделан LoRa-GSM модем на AtMega328p, который собирает от ПК телеметрию и передает её на землю.
Видео записывают на 2 экранированных GoPro Hero 4 Black с видом на горизонт и Yi 2k с видом на газ.оболочку.
Источником питания служат 2 батареи NiMH 12v 4500mah и LiPo 11.1v 2000mah.

Вторая ступень, радиозонд
Радиозонд второй ступени выполняет очень важную функцию – расстыковка ступеней. Без расстыковки полезный груз улетит в Китай, Монголию или Северную Корею, что нам конечно не нужно.

Для выполнения это задачи радиозонд определяет момент достижения нейтральной плавучести(дрейфа), после чего ждет 30 минут и производит расстыковку.

Помимо этой задачи, если повезет с покрытием сотовой связи, радиозонд связывается по GSM и передаёт записанные в памяти данные в виде траектории полета, профилей изменения температуры и заряда аккумулятора.

Источником питания служит LiPo 11.1v аккумулятор емкостью 3800mah.

Полезный груз

Так как это испытания мы не могли запустить полезный груз коммерческого назначения, но и оставить запуск без полезного груза было бы тоже неправильно. Программа запусков АДА министерством обороны России закончилась в 2013 году, и, т.к. это был единственный клиент на АДА в ДКБА, с того момента запусков АДА в России и СНГ не было. Нашей, хоть и косвенной задачей стояло привлечение внимания к АДА. Через опрос в одном из космических сообществ соц.сети "Вконтакте" мы определили желаемую полезную нагрузку, ею стала семёрка с Рогозиным.

Рогозин в качестве полезного груза первой ступени

Запуск

За 4 дня до запуска мы подали план полёта в Росавиацию, после чего 2 июня получили разрешение на 06:00 утра (разрешение дают в день запуска).

Подготовка к запуску началась с места развертки-наполнения оболочки и установки ретранслирующей станции на крыше, кейса с принимающим оборудованием на земле.

Наполнение газовой оболочки стратостата

Ретранслирующая станция (LoRa, Lawmate)

Кейс с приёмным оборудованием

На наполнение оболочки ушло почти четыре 60-ти литровых баллона гелия, которые обеспечили подъёмную силу оболочки в 13 килограмм, чего достаточно для запуска 9 килограмм груза со скоростью подъёма 2,5м/с.

Дозаправка оболочки гелием

После наполнения оболочки мы начали запуск оборудования и ступенчатую сборку аппарата, собрали первую и вторую ступени стратостата. Высота оболочки на старте составила 10 метров, полная высота аппарата 20 метров.

Стратостат за 10 секунд до запуска

Хорошая безветренная погода(за исключением небольшого дождя) позволила почти беспрепятственно запустить стратостат.

Стратостат поднимался со скоростью 2,5м/с, через 1 час 10 минут он стравил излишки гелия продрейфовал 40 минут, после чего отстыковал первую ступень. Первая ступень начала приземление на парашюте со скоростью 4-5м/с (что заняло 45 минут), в это время вторая ступень продолжила набор высоты, после чего продрейфовала на высотах 18-20км в течение 10 часов и начала ускоряющееся снижение из-за захода солнца.

Инфографика полёта стратостата

Профиль высоты первой ступени

Несмотря на пасмурную погоду LoRa очень хорошо себя показала передавая данные на расстоянии в 120 километров. Видеотрансляция на оборудовании Lawmate 1.2ГГц была доступна на расстоянии до 60 километров, что в подобную погоду тоже неплохо. GlobalStar маяк стабильно работал, передавая каждые 2.5 минуты сведения о местоположении.

Видеоролик запуска аппарата

Второй ступени немного не повезло с покрытием сотовой связи, в течении своего полёта ей пять раз было доступно GSM соединение. Получены сведения о преодолении высоты в 18 километров и приземлении через 16 часов после запуска.

Приземлившаяся первая ступень

В общем, миссия прошла успешно. Отрасль автоматических стратостатов в России начала свое возрождение путём частных усилий. Постепенно длительность полётов будет наращиваться, полторы-две недели пребывания в струйных течениях стратосферы достаточно для того, чтобы облететь планету.

Планируется полёт длительностью 2-3 дня с тестированием AirMax, iridium каналов связи. Опробуем стратостат, как средство организации WISP-сетей с покрытием более 150 километров(проверим модели project Loon и AirBus).