[졸프2]우주풍선 telemetry - 전체구성부터 결과

※ 외국의 이카루스 프로젝트와 유사하게 우주풍선을 성층권까지 발사하며, 가시광선 사진과 영상을 찍는 기존 사례와 다르게 우주환경의 전자기파 실험을 수반하는 차이점을 두고 진행 함. 타 팀의 성층권 적외선 스펙트럼 분광 실험 장비의 운반체를 제작 함.

1. 목적

 - 우주풍선 프로젝트는 헬륨가스 풍선과 하단 운반체(페이로드)를 이용하여 우주권(성층권)에 실험환경을 갖추는 것을 목적으로 함.

 - 성층권 상부는 지표와 다른 전자기파 특성을 가질 것으로 예상 됨.

 - 2.4Ghz ISM band로 통신, 추적하고 페이로드를 지상에서 안전 수거를 위한 방안을 고려.

※ 실험 수행기간 : '14. 3월 중순 ~ 6월 초

<전체 시스템 개요>

2. 구성

 - 우주풍선 및 낙하산, 페이로드, 지상수신부로 구성

 - 페이로드 내부에 온도,기압센서, GPS모듈, 광량측정센서, Telemetry를 탑재

 - 경량화와 단열을 위해 내부에 뾱뾱이 이용

 - 지상수신부는 야기-우다 안테나를 이용하고, 지상 수신과 데이터 저장을 위해 X9D taranis RC컨트롤러를 이용함.

 - 우주풍선의 상승고도와 속도는 헬륨량을 이용하여 조절.

  

<우주풍션, 낙하산 페이로드 구상(좌), 페이로드 내부구성(우)>

3. 이론 및 제작

 3.1 풍선체와 낙하산

 - 우주풍선은 고도가 상승하면서 부피가 커지게 되고 한계지점에서 폭발하게 된다. 이때 상승속도와 최대고도는 헬륨의 부피와 관계.

 - 목표고도를 27 km로 이상기체 상태방정식과, 부피와 부력에 관계된 식, 끌림계수와 종단속도를 바탕으로 계산함.

 - 종단속도의 경우 낙하산 형태의 끌림계수를 0.3으로 근사하여 이루어진 0.55 m반지름의 낙하산, 무게 2 kg의 모의 실험에서 반복된 값으로 종단속도를 7 m/s로 예상함.

 - 전체 무게 1986 g 기준 초기 풍선직경을 1.9 m, 초기부피 4.19 cu m, 일때 부력 3.38 kg/cu m, 도달높이 27 km, 폭발시간 70.54 min, 상승속도 6.43 m/s, 낙하속도 7.0 m/s로 계산

 - 계산은 전체무게와 알짜부력을 기준으로 초기부피를 역계산 하였고, 데이터시트에 표기된 풍선의 탄성한계를 바탕으로 목표도달 높이가 나오도록 조정함.

항 목	규 격		항 목	규 격
풍선무게	800 g		알짜부력	3.48 kg/cu m
풍선초기부피	4.18 cu m		페이로드 무게	1123 g
초기 풍선 직경	1.9 m		최대상승고도	27219 m
폭발 직경	7 m		끌림계수	0.3
폭발 부피	179.6 cu m		상승속도	6.43 m/sec
폭발까지 시간	70.54 min		하강속도	7.00 m/sec

 3.2 안테나

 - 야기-우다 안테나의 지향성을 높이기 위해서 소자를 13개 까지 확장 함.

 - 2.4 Ghz의 반파장인 6.25 cm를 기준으로 설계 프로그램을 이용하여 배치.

 - 상용 안테나를 분해하여 구조를 참고하여 수정 함.

 - 제작한 안테나와 x9d taranis 컨트롤러의 안테나모듈을 교체하여 거리별 수신감도를 체크함.

 - 사용하는 frsky 송수신기 모델을 기준으로 최대 6~8 km까지 통신이 될 것으로 계산 됨.

<안테나 고정을 위한 외부형태와 모습>

<야기안테나 radiator 부분>

<13소자 야기 안테나 2 세트>

 3.3 센서

 - frsky의 RC모듈을 이용하여 페이로드 실내 실외 온도, 고도, GPS, 아날로그 포트에 솔라셀과 저항을 이용하여 전압으로 광량을 측정하는 센서를 제작함.

 - 적외선 스펙트럼 분광기로 들어가는 광섬유와 송수신기 모노폴 안테나, 광량센서, 실외온도계를 페이로드 외부로 노출함.

<페이로드 내부 구성>

<페이로드 상, 하부 노출 상태>

 3.4 기상, 이동경로

 - http://www.stormsurfing.com/ 에서 제트기류 상황을 모니터링

 - http://Predict.habhub.org/ 에서 예상경로를 모니터링

 - 추적기능과 통신을 위해 samsung galaxy s2를 탑재하였고 http://greenalp.com/ 어플을 이용하여 경로 추적.

<제트기류 기상도>

<손실구간포함한 비행경로(추정)>

4. 실험 수행 및 결과

 - 준비물 : 페이로드, 노끈, 낙하산, 케이블 타이, 추, 헬륨 및 봄배, 레귤레이터, 호스, 어댑터, 테플론테이프, 공구 등

 - 발사 준비 수행순서 : 페이로드 내부 구성점검, 페이로드 장비 동작, 결합 및 봉인, 낙하산 결합, 헬륨기체 주입, 풍선과 페이로드 낙하산 연결 순으로 진행.

<전북 진안초등학교 2학년생들의 발사 참가 (모자이크)>

<발사 후 수초 이후>

 - 실험 일지 ( '14. 6. 20 금)

시각	내용	비고		시각	내용	비고
06:50	발사 조 출발			13:33	휴대폰 (3G)통신 재개
09:20	발사지 도착 (전라북도 진안군 진안초등학교)	발사 장소협조		15:18	예상낙하지 도착 (경북 칠곡군 왜관읍 금남리)	GPS 추적 위치
11:00	Sensor용 6V 리튬건전지 방전시작			15:43	페이로드 발견	안테나 수신감도 이용
11:05	풍선에 헬륨주입			16:00	리튬건전지 방전
11:26	우주풍선 발사	진안초교 2학년 참가		16:22	Payload 회수 완료
11:36	휴대폰 (3G)통신 두절			17:30	학교로 출발
11:58	야기 안테나통신 두절			17:41	휴대폰 전지 방전
12:24	발사 현장 철수			18:50	학교 도착

 - 발사지 : 전북 진안군 진안초등학교

 - 수거지 : 대구광역시 칠곡군 왜관읍

 - 비행거리 : 101.8 km

 - 비행시간 : 2 h 12 min

 - 지상안테나 통신고도 : 10731 m 상공

 - 수거방법 : GPS정보를 이용해 표기된 근처에서 안테나 수신감도 이용 방향을 따라 수색함.

<수색 후 발견시 페이로드 사진>

<수거한 pay load>

5. 문제점 및 미비점

 - 휴대폰 GPS가 통신불능 권역에서 위성-스마트폰 통신을 통해 LOG가 남지 않음. (중간 경로 데이터 손실, 외국 사례 대비 휴대폰 기종 문제로 추정됨)

 - 낙하 위치의 제2 안테나로 추적실패 (광대역 안테나를 보조적으로 구비해야 될 필요성)

※ 중간 경로 데이터와 좌표값, 온도, 광량 등의 데이터는 생략..

※ 사람이 포함 된 사진 미포함..

덧글

[공돌공돌]

혹시 그당시 키트의 무게가 어는정도였죠?

[tabletki folisin tab]

잘 전달된 지식, 좋은 직업