Sputnik 3B – auf „dunklen Wegen“ in die Stratosphäre

In den Medien ausführlich dargestellte Berichte über erfolgreiche Weltraummissionen der Vergangenheit des Raumfahrtzeitalters zogen im Vorfeld immer sogenannte „Dark Missions“ (Dunkle Missionen) nach sich. Hier konnten die Wissenschaftler und Ingenieure ohne den Druck der Öffentlichkeit auch Dinge ausprobieren, sowie Fehlschläge prüfen und verarbeiten.

Abb.1 Sputnik 3B mit GSM-Tracker

Den Lesern dürfte der spektakuläre Flug der Sputnik 3 Mission der AG Amateurfunk und Elektronik aus dem Jahr 2015 noch in Erinnerung sein. Die traumhaften Bilder aus 34 Kilometer Höhe und die erfolgreiche Bergung der Nutzlast nach fast sechs Stunden Flugzeit konnte jedoch über den großen Misserfolg der Mission, den Totalausfall der Telemetrie ab einer Höhe von 13 Kilometern, nicht hinwegtäuschen. So wurde die Zeit der Arbeitsgemeinschaft im zurückliegenden Schuljahr 2015/2016 für eine intensive Fehlersuche und Analyse genutzt.

Die erfahrenen Mitglieder der Arbeitsgemeinschaft der Klassenstufen 11 und 12 konnten unter Laborbedingungen (Messungen der Nutzlast unter einer Vakuumglocke) die Ausfallursache erfolgreich verifizieren. Der Fehler des Speicherüberlaufs aufgrund einer zu klein angelegten Stringvariablen der Höhenangabe erwies sich als immer wahrscheinlicher. Schnell wurde die Software modifiziert und konnte im Dauerbetrieb unter der Vakuumglocke erfolgreich bis auf eine Höhe von 34 Kilometer getestet werden. Als weitere Sicherheitsmaßnahme wurde ein sogenannter „Watchdog“ (Wachhund) in den Quellcode implementiert. Spätestens nach acht Sekunden muss in der Hauptschleife der Firmware von Sputnik der Watchdog-Timer zurückgesetzt werden. Sollte aufgrund von Speicherproblemen oder anderen Hardwareereignissen dieses Zurücksetzen ausbleiben, führt der Sputnik-Controller einen Hardwarereset aus und kann mit bereinigten Speicher hoffentlich wieder seine Arbeit aufnehmen.

Aber was taugt eine Theorie, die unter realen Bedingungen noch nicht überprüft wurde? Wird Sputnik 3 mit veränderter Firmware den Anforderungen eines Extremfluges in die eisigen Umweltbedingungen der Stratosphäre gerecht? Schnell stellten die AG-Mitglieder einen Anforderungskatalog an einen möglichen Testflug zusammen. Hauptpunkte dieses Kataloges waren:

- ein Aufstieg in mindestens 20 Kilometer Höhe,

- die Mitführung eines Backupsystems in Form eines GSM-Trackers (D1-Netz)

- eine leichte Nutzlast zwecks Kosteneinsparung (max. 400 Gramm)

- gleiche Voraussetzungen der Nutzlast hinsichtlich Sensoren und Energieversorgung wie 2015.

Abb.2 Spuntik 3B mit neuem Kreuzdipol

Damit stand fest, dass diese Mission auf alle Videoaktivitäten und zusätzliche Messungen wie sie für eine Folgemission geplant sind, verzichten musste. Mit einer Gesamtmasse der viel kleineren Nutzlastbox von 320 Gramm, konnte ein wesentlich kleinerer Ballon der Marke TOTEX/300g zum Einsatz kommen.

Erfreulicherweise trat mit Mirko ein erfahrener „Balloner“ in unseren Ortsverband (W28, Ortsverband Wolfen des Deutschen Amateurradioclubs) ein. Mit teilweise spektakulären Ballonmissionen im Rahmen seines Skyriderprojektes verfügt er über wertvolle Erfahrungen rund um die Probleme einer Ballonmission. So erklärte sich Mirko spontan bereit, uns mit seinen Erfahrungen und einer Flasche Helium in Reinstform zu unterstützen. Der Countdown für das Abenteuer „Sputnik 3B“ konnte also starten.

Von Anfang an war klar, Sputnik 3B soll eine „Dark Mission“ werden. Der Starttermin und der Ablauf der Mission wurde unter strenger Geheimhaltung nur von den an der Mission beteiligten Entwicklern und Helfern geplant. Keine Presse, keine Zuschauer sollten den hochkonzentrierten Ablauf von Sputnik 3B stören. Der Startort wurde auf den Anhalter Platz in unmittelbare Nähe der Clubstation DL0HWO der Funkamateure in Wolfen gelegt.

Abb.3 Neue Verfolgerstation auf Raspberry-Basis

Aus den Erfahrungen der Vorgängermission heraus begann in Wolfen auch eine fieberhafte Arbeit an der Verbesserung der Ausrüstung der Verfolgerteams. Günter (DG3HWO) und Dietmar (DL4HWO) entwickelten und rechneten einen Kreuzdipol, der unter Einbeziehung der Kapazität des Autodaches Rundstrahleigenschaften über den gesamten Himmelsbereich aufweist. Wie erfolgreich diese Antennen arbeiteten, wird sich später im Bericht noch zeigen. Die Bordcomputer im Auto wurden auf den neuen Raspberry Pi 3 umgestellt. Durch Verwendung des neuen Pi-Touchscreens konnte der gesamte Aufbau in einem tabletartigen Gehäuse integriert werden. Somit gehen nur noch zwei Verbindungen nach außen, die Energieversorgung über USB und die serielle Anbindung an das Funkgerät. Ein GPS-Modul, direkt mit der GPIO des Raspberry Pi verbunden, liefert zuverlässig Positionsdaten für die genaue Lokalisierung des Verfolgerfahrzeuges. Das Betriebssystem auf Linuxbasis wurde speziell für den Einsatzzweck angepasst. Mittels der APRS-Software Xastir stand für die Mission ein internetunabhängiges Verfolgersystem mit Kartendarstellung zur Verfügung.

Abb.4 Startplatzvorbereitung

Vom Landesverwaltungsamt Sachsen-Anhalt erhielten wir für den 18.06.2016 in der Zeit von 9 Uhr bis 10.30 Uhr die Aufstiegserlaubnis, eine Luftverkehrsfreigabe durch die DFS war aufgrund der Gesamtmasse der Mission von 620 Gramm nicht nötig. Einige Tage vor dem Start zeigten die Vorhersagen am CUSF Landing Predictor, dass die Reise ins nördlich gelegene Nuthe-Landschaftsschutzgebiet gehen sollte. Die Kalkulation von Sputnik 3B orientierte sich am Missionsziel, Bursthöhe etwa 23000 Meter, Aufstiegsrate 5 m/s, Sinkrate 5 m/s. Interessant an dieser Stelle war der Vergleich der Kalkulation mit der von Mirko entwickelten Kalkulation für die größeren Skyrider-Missionen. Die klassische HAB-Burst-Kalkulation lieferte eine Gasmenge von etwa 1,2 m³ bei 910 Gramm Necklift (590 Gramm reinen Auftrieb), Mirkos Kalkulation ergab unter Berücksichtigung des veränderlichen Reibungskoeffizienten des Ballons eine Gasmenge von mindestens 2 m³. Um die Tauglichkeit der Berechnung für kleinere Ballons zu testen, wurde die klassisch berechnete Gasmenge angestrebt.

Abb. 5 Befüllung von Sputnik 3B

Am Starttag trafen sich alle Beteiligten pünktlich 7 Uhr zu einem stärkenden Frühstück in der Clubstation.Trotz der Aufregung über das bevorstehende Ereignis genossen alle das liebevoll vorbereitete Frühstück, letzte Details wurden in lockerer Atmosphäre abgesprochen. Pünktlich acht Uhr begannen wir mit den Vorbereitungen des Startplatzes. Das Wetter war optimal, leichter Wind und blauer Himmel. Günter (DG3HWO) und Herbert (DL3HWO) fuhren bereits mit dem Verfolgerfahrzeug Nummer 3 ins erwartete Zielgebiet.

Abb.6 Ballonromantik

Kurz vor dem Befüllen sorgte Mirko noch für eine kleine Schreckensnachricht. Die bei der Übergabe zugesicherte Gasmenge von etwa 2,5 m³ Helium schien sich auf 0,9 m³ verringert zu haben. Diese Menge würde nach klassischer Rechnung nicht einmal für die angestrebte Steigrate ausreichen. War das Missionsziel gefährdet? Musste der Start abgebrochen werden? Gott sei Dank erwies sich der abgelesene Wert als fehlerhaft, die Manometereinteilung am Druckminderer war irreführend.

Erleichtert begann das gesamte Team gegen 8.30 Uhr mit der Befüllung von Sputnik 3B. Hier zeigte sich wieder der große Teamgeist aller Beteiligten. Jeder packte mit an, die Nutzlast wurde in Betrieb genommen, der Fallschirm vorbereitet und mit der Nutzlast verbunden. Die Sputnik-Bake begann mit ihren planmäßigen Aussenden. Pünktlich 8.45 Uhr war das gesamte Gespann von Sputnik 3B bereit und wartete auf den Start. Aufgrund aufkommender Winde wurde in einer ruhigen Phase entschieden, die Nutzlast 6.50 Uhr UTC (8.50 MESZ) auf ihre bevorstehende Reise zu schicken. Unter tosendem Applaus verschwand Sputnik 3B in den blauen Himmel. Die Steigrate nach dem Start stellte sich mit zügigen 5,2 m/s ein, verringerte sich aber später auf Werte zwischen 3,3 bis 4 m/s. Die Verfolgerfahrzeuge 1 (Andreas DG0HAB, Mirko, Markus), 2 (Kathrin, Heidi, Franz-Alwin DD3FA und Jens DM4JH) und 4 (Hansi DG1HVL und Andreas) traten ihre Fahrt in das Zielgebiet auf der A9 an. Steffen (DO2AS), Dietmar (DL4HWO) und Gerhard (DO4GDE) besetzten Mission Control auf der Clubstation. Die Kommunikation sollte zunächst über das Wolfen-Relais DB0WOF und später über DB0BEL (Belzig) mit den Verfolgern zwecks Koordination aufrechterhalten werden. Sputnik 3B bewegte sich zügig auf der vorausberechneten Route über Gräfenhainichen und Kemberg Richtung Wittenberg. Etwa auf Höhe Kemberg überschritt die Nutzlast die mit Spannung erwartete Höhe von 10 Kilometern. Mit großem Jubel wurde registriert, dass alle Systeme von Sputnik 3B normal arbeiteten. Der verhängnisvolle Fehler, der zum Ausfall der Mission Sputnik 3 führte schien erfolgreich behoben zu sein. Mit Überflug der Elbe bei einer Höhe von 15315 Metern erreichten die Verfolger 1, 2 und 4 ihren Zwischenstandort in einem Gewerbegebiet an der B2 bei Treuenbrietzen. Alle waren gut gelaunt und Hansi (DG1HVL) spendierte aus dem hiesigen Dorfgeschäft eine Runde „Warteeis“.

Abb.7 Eispause in Treuenbrietzen

Nördlich von Wittenberg schwenkte Sputnik 3B in die erwartete S-Kurve ein als in einer Höhe von 17 Kilometern das unglaubliche passierte. Zunächst schienen die GPS-Höhenwerte abzuweichen um schließlich auf unmögliche 1800 Meter zu springen. Die barometrische Höhe folgte aber den durch die Aufstiegsrate vorgegebenen Verlauf. Um 10.16 Uhr „fror“ die Position der Nutzlast auf Höhe von Thießen auf den Karten der Verfolgerstationen ein. Auch die Kontrollstation in Wolfen konnte nichts Gutes berichten. Alle Telemetriedaten inklusive der barometrischen Höhe wurden absolut plausibel empfangen. Die GPS-Position der Sonde veränderte sich jedoch nicht mehr. Eine schreckliche Erkenntnis machte sich breit. Das GPS-Modul von Sputnik 3B ist Opfer des COCOM-Limits für zivile GPS-Nutzung geworden. Ab einer Geschwindigkeit von 1000 Knoten (1900 km/h) oder einer Höhe von über 60000 Fuß (18000 Meter) deaktiviert das Modul die Auswertung der Satellitensignale. Leider hatte das verwendete Adafruit Modul nicht die etwas „mildere“ UND – Verknüpfung von Geschwindigkeits- und Höhenlimit, sondern die „schärfere“ ODER-Verknüpfung. Die Stimmung der Verfolger sank sofort. Musste wieder auf die letzte Sicherheit, den GSM-Tracker, gesetzt werden? Wird sich das Modul bei Unterschreitung des Höhenlimits wieder melden? Quälende Minuten des Wartens vergingen, bis nach Unterschreitung der GPS-Höhe von 10000 Metern Sputnik 3B gegen 10.56 Uhr seine Position zirka vier Kilometer südwestlich von Niemegk mitteilte. Dieses Ereignis wurde mit lautem Jubel bei den Verfolgern begleitet. Schnell kam von Mission Control die Empfehlung, der Bahn auf der B2 nach Beelitz und dann auf der B246 Richtung Trebbin bis Zossen zu folgen. Jetzt machten sich die hervorragenden Antennen der Verfolgerstationen bezahlt. Trotz der noch beträchtlichen Entfernung von Sputnik 3B und den teilweise undurchdringlichen Wäldern des Flämings konnten alle Baken mit Vollausschlag empfangen werden.

Abb.8 Sichtung von Sputnik 3B vor Zossen

Beim Warten an einer geschlossenen Bahnschranke in Zossen geschah dann das absolute Highlight der Verfolgungsjagd. Sputnik 3B überflog in einer Entfernung von einem Kilometer in einer Höhe von einem Kilometer nördlich die Verfolgerautos. Eine kurze Abschätzung von Mirko, ein scharfer Blick von Andreas (DG0HAB) und der rote Fallschirm mit Sputnik 3 hinter einer dunklen Regenwolke konnte von allen gesichtet werden. Lauter Jubel und eine kurze Erklärung an die fragenden Gesichter der wartenden Autofahrer lockerten die Situation auf. Glücklicherweise erweist sich die Wartezeit an geschlossenen Schranken in Brandenburg deutlich länger als in Sachsen Anhalt, so dass alle den herrlichen Anblick genießen konnten. Nach Überschlagen der Telemetriedaten wurde uns aber auch bewusst, warum Sputnik 3B so friedlich durch die Luft „segelte“. Die Sinkrate lag mit 2 m/s doch deutlich unter dem vorausberechneten Wert. Der von Sputnik 3 wiederverwendete Fallschirm erwies sich mit einem Durchmesser von über einem Meter als zu groß.

Abb. 9 Finderteam

Nach Öffnung der Schranke mussten alle Verfolger aufgrund von Bauarbeiten leider einen Umweg auf der B96 fahren und konnten dem Ballon nicht mehr direkt folgen. Aufgrund der hervorragenden Antennen konnten die 500mW Signale jedoch bis zum Bodenkontakt sicher empfangen werden. Westlich der kleinen Ortschaft Telz bargen Mirko, Andreas (DG0HAB), Kathrin und Franz-Alwin (DD3FA) die Nutzlast unweit eines Feldweges im Mais. Alle Komponenten von Sputnik 3B hatten die Reise unversehrt überstanden.

Nach Sichtung der Telemetriedaten hat unser Sputnik erfolgreich eine Gipfelhöhe von 20234 Metern erreicht. Alle Komponenten bis auf das GPS-Modul haben ihre Funktion wie erwartet erfüllt. Damit kann die jetzige Firmware von Sputnik als fehlerfrei bezeichnet werden.

An dieser Stelle scheint das erfolgreiche Abenteuer Sputnik 3B beendet, wäre da nicht noch die Spargelzeit im hiesigen Landegebiet. Was jetzt folgte war schlimmer als die Verfolgungsjagd der Nutzlast. Die Jagd auf einen kleinen, gemütlichen Landgasthof vor Ort. Leider gab es in der ganzen Region keine Gaststätte, die noch nicht verlassen und aufgegeben wurde. Nachdenklich fuhren dann alle zum in 40 Kilometern liegenden Spargel – Erlebnis – Hof. Dort empfingen uns tausende laute Besucher aus Berlin und Umgebung. Trotz der Hektik vor Ort hat allen das wohlverdiente Spargelgericht geschmeckt.

Vy 73 Jens DM4JH 

Abb.10 Sputnik 3B in der Box

Abb. 11 Öffnung der geborgenen Nutzlast

Abb.12 Sputnik 3B unversehrt

Abb. 13 Flugbahn von Sputnik 3B

 

 

 

Sputnik 3 – eine dramatische Reise nimmt ihren Lauf

Abb. 1 Nutzlastkonzept von Sputnik 3

Als am Morgen des 26. Junis einige Mitglie

der der AG Amateurfunk und Elektronik mit ihren Helfern den Aufbau für die Bodenstation der bevorstehenden Sputnik 3 Mission begannen, ahnte noch keiner die dramatischen Wendungen des Tages. Die Wetterbedingungen morgens 10 Uhr versprachen einen ruhigen Start, Tische und Stühle, Anschauungsmaterial und die Funkstation für die Verfolgung des Ballons wurden schnell aufgebaut. Alexander (DD5DX) und Ralph kamen auch pünktlich gegen 12 Uhr mit zwei vollen 40l Heliumflaschen samt Füllgarnitur. Der Startplatz wurde mit Schutzplane und notwendigen Utensilien hergerichtet. Zur Sicherheit erfolgte eine Abspannung des mittleren Sportfeldes mit Baustellenband.

Nach der Eröffnung des Schulfestes trafen sich alle Beteiligten der Ballonmission zu letzten Absprachen. Der Funkkontakt untereinander wurde noch einmal durch die anwesenden Funkamateure Steffen (DO2AS) und Jens (DM4JH) getestet, bevor die Verfolgerteams Andreas (DG0HAB), Dietmar (DL4HWO), Herbert (DL3HWO) und Günter (DG3HWO) sich in Richtung der erwarteten Flugroute begaben. 

Abb.2 Bodenkontrollstation

Die zweite Bodenkontrollstation in Wolfen wurde von Sören (DL2HQS) und Andreas (DL9HWO) planmäßig in Betrieb genommen. Mit den in 120 Meter Höhe befindlichen Antennen auf dem Schornstein der Wolfener Stadtwerke sollten beide in der Lage sein, unsere Mission über die ganze Dauer zu verfolgen.

Gegen 14.30 MESZ begann die Befüllung des 1000g Wetterballons unter den Augen vieler Schaulustiger. Um das Ereignis für die Anwesenden etwas verständlicher zu machen, kommentierten die anwesenden AG-Mitglieder über eine Lautsprecheranlage die einzelnen Schritte. Kurz vor dem Start traf das MDR-Fernsehen Sachsen Anhalt ein.

Abb. 3 Befüllen des Ballons

Abb. 4 Anbringen der Nutzlast

Abb. 5 Die AG verabschiedet Sputnik 3 in die Stratosphäre

Punkt 15.14 MESZ erhob sich Sputnik 3 unter Anwesenheit vieler hundert Schaulustiger in den Himmel. Die Telemetrie funktionierte hervorragend, der Auftrieb des Ballons hob die Nutzlast zügig über die Dächer der Stadt. Minuten später konnte die Bodenstation anhand der übermittelten Daten Genaueres über die Steigrate sagen. Statt der erwarteten 5 Meter pro Sekunde flog die Nutzlast nur mit etwa 3 Meter pro Sekunde in die Stratosphäre. Ein erster Schreck breitete sich unter den anwesenden Mitgliedern der Bodenstation aus. Welche Konsequenzen sollte die geringere Steigrate für die Flugdauer und Strecke haben? Eilig wurden die Vorhersagen neu berechnet und angepasst. Die Flugdauer musste etwa eine Stunde länger kalkuliert werden. Die Strecke dehnte sich in Richtung Meißen (Sachsen) aus, um dann in oberen Windströmungen zurück in den Bereich Döbeln zu führen. Egal, jetzt war Zeit, einen Beruhigungskaffee zu trinken, nachdem die Verfolgerteams über Funk darüber informiert waren.

Abb. 6 Sputnik 3 auf dem Weg

In einer Höhe von etwa 10300 Metern setzte dann um 16:30 MESZ plötzlich der Innentemperatursensor aus. In der Box gab es bis dahin keine Auffälligkeiten. Die Temperatur lag bei etwa 26 °C. Irgendetwas musste mit dem Drucksensor passiert sein, weil die Temperatur von dem hochgenauen Temperaturnormal des Sensors abgeleitet wurde.

Um 16:50 MESZ geschah dann das Unglaubliche, Sputnik 3 verstummte in einer Höhe von 13030 Metern bei einem Luftdruck von 173 hPa. Eine beklemmende Stille machte sich unter den Anwesenden der Bodencrew breit. Was konnte die Nutzlast nach fast zweistündigem erfolgreichen Flug zum Schweigen gebracht haben? Fieberhaft wurde nach Fehlern in der Empfangsanlage gesucht, die Frequenz nach oben und unten korrigiert. Aber es half nichts, auch die Bodenstation 2 in Wolfen und die Verfolgerteams bestätigten den Blackout der Nutzlast um 16.50 Uhr.

Es folgten bange Stunden und Hoffen. Der Drucksensor wurde schnell als möglicher „Übeltäter“ ausgemacht. Sein kompliziertes I2C-Protokoll wurde noch nie unter diesen Bedingungen, wie nahezu Vakuum und tiefsten Temperaturen getestet. Obwohl im Datenblatt beschrieben stand, dass der Sensor bis 10hPa problemlos funktionieren sollte, schlossen wir einen Defekt unter diesen Extrembedingungen nicht aus. Doch die Hoffnung wurde zunächst nicht aufgegeben. Wenn Sputnik 3 nach seinem Burst wieder in untere Schichten der Atmosphäre eindringen sollte, hofften wir auf eine Wiederaufnahme seiner Signale. Das sollte etwa gegen 20 Uhr passieren. Die Bodencrew nutzte die Zwangspause zu einer kleinen Stärkung, Kathrin besorgte uns aus einem nahegelegenen Imbiss etwas Verpflegung zum Trost.

Abb. 7 Bahn von Sputnik 3 bis zum Blackout

Die Zeit der Wiederaufnahme möglicher Signale rückte immer näher, doch auch nach 20 Uhr blieb die Frequenz geisterhaft still. Die Stimmung der Bodencrew am Liborius-Gymnasium sank langsam auf den Tiefpunkt. Der Sensor schien durch den enormen Unterdruck mechanisch zerstört worden zu sein. Alle hofften aber noch auf unser Notfallsystem, Ralph hatte seiner Nutzlast einen sogenannten GSM Tracker beigefügt, der bei Annäherung an die Erdoberfläche über ein Mobilfunknetz seine Position übermitteln würde. Doch um 20.30 Uhr kam noch immer keine Meldung. Der Ballon musste nach unseren Berechnungen längst gelandet sein.

Abb. 8 Ratlosigkeit bei der Bodencrew

 Jetzt wurde der Entschluss gefasst, dass die Bodencrew noch bis 21 Uhr warten wollte, dann sollte die Ballonmission aufgegeben werden. Die Zeit verstrich und kein Signal konnte aufgenommen werden. Niedergeschlagen bauten alle die Antennen und Geräte der Bodenstation ab. Die Verfolgerteams wurden über den Abbruch der Mission informiert. Sie sollten auch den langen Weg von Meißen nach Hause antreten. Keiner sagte ein Wort. Nach diesen Ereignissen blieb nur noch die geringe Hoffnung auf einen ehrlichen Finder.

Ralph und Alexander saßen schon im Auto, um sich auf die Heimreise zu begeben, als beide plötzlich eine Vollbremsung einleiteten. Gegen 21.05 Uhr meldete sich der GSM Tracker, um 21.10 Uhr hatten wir die Gewissheit. Der Ballon war noch in der Luft! 21.15 Uhr- Erleichterung und unglaubliche Freude unter den Anwesenden. Die Landekoordinaten der Nutzlast wurden übertragen.

Abb. 9 Sputnik 3 im Feld bei Altenburg

Nach knapp über sechs Stunden landete die Sonde zwischen Modelwitz und Zschaiga im Altenburger Land, südlich der Stadt Altenburg. Die direkte Entfernung zwischen Start- und Landeplatz beträgt damit etwas mehr als 100 km. Der Ballon legte bis zum Landeort mehr als 200 Kilometer zurück.

Natürlich wurden die Verfolger sofort über Funk informiert. Die Teams beschlossen, die Bergung noch am selben Tag (Nacht) einzuleiten. Wie der Zufall es wollte, lagen die Koordinaten nicht weit vom Wohnort unserer Missionsmitglieder Ralph und Alexander. Alle drei Teams bewegten sich in einer Art Sternfahrt zum Landeort.

Abb.10 Das Bergungsteam vor Ort

Alexander und Ralph trafen nach etwa eineinhalb Stunden als erste am Landeort ein, nur wenige Minuten später kamen auch Dietmar, Günter, Andreas und Herbert dazu. Die Box wurde geöffnet und kontrolliert. Alles war unbeschadet. Der Ballon mit Fallschirm und Nutzlast landete sanft in einem Getreidefeld. Lediglich der Unterdruck hatte den Deckel der Nutzlast gewölbt. Hier mussten extreme Kräfte gewirkt haben. War das der Grund für den Ausfall des Drucksensors?

Die Teams führten einen Reset des Mikrocontrollers von Sputnik 3 vor Ort aus. Siehe da, Sputnik sendete wieder Signale.

Die Verfolgerteams aus Wolfen machten sich mit Sputnik 3 auf den Weg nach Dessau. Gegen 1.45 Uhr trafen sie gutgelaunt bei Kathrin, Steffen (DO2AS) und Jens (DM4JH) im Garten, mittlerweile zu Hause ein. Dort warteten für alle zum Anstoßen zwei gekühlte Flaschen Sekt. Bevor alle endlich zufrieden mit dem Ergebnis der Sputnikmission ins Bett sanken, wurde natürlich noch ein Blick auf die Ergebnisse der wertvollsten Nutzlast geworfen, der Speicherkarte der Kamera. Mehr als vier Stunden und 48 Minuten HD Videos aus bis zu 34 Kilometer Höhe wurden erfolgreich solange aufgezeichnet, bis die Karte voll war. Alle Stromversorgungen haben unter den Extrembedingungen durchgehalten.

Abb. 11 Atemberaubende Bilder der Kamera vom Start

Abb. 12 Startosphäre in 34 Kilometer Höhe

Eine Analyse der SD-Karte des Flugschreibers am nächsten Tag bestätigte den Ausfall der Nutzlast um 16.50 Uhr. Jetzt geht es an die Auswertung der Daten und an die Ursachenforschung.

Alle sind der Meinung, es sollte vielleicht einen Sputnik 4 geben. Vielleicht? ;-)

Danke an alle Beteiligten

Jens (DM4JH)

Abb. 13 Fertige Nutzlast ein Tag vorm Start

Abb. 14 AG bei Lötarbeiten an der Nutzlast

Abb. 15 Bau der Box für Sputnik 3

Abb.16 Das GPS Modul wird integriert

Abb.16 Fertigstellung der Styroporbox

Sputnik 2, die Fortsetzung eines wissenschaftlichen Abenteuers

 

Abb.1 Bestandteile von Sputnik 2

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Am 24.4 2015 um 13.00UTC (15.00 MESZ) startete Sputnik 2 pünktlich in den strahlend blauen Dessauer Frühlingshimmel. Die Bedingungen waren mehr als günstig, 22°C Außentemperatur, leichter Wind, hervorragende Fernsicht und ein ruhiger Schulhofplatz. Die Nutzlast wurde zuvor in achtwöchiger Fleißarbeit entwickelt und zusammengebaut. Die Konzeption sah den Einsatz einer Mikrocontrollerplattform vor (Arduino Mini Pro) in Verbindung mit einem Digitalsensor BP180 von Bosch zur Ermittlung von Luftdruck, Innentemperatur und daraus berechneter Flughöhe, sowie einem Analogaußentemperatursensor vom Typ LM335. In den AG-Stunden haben wir uns

intensiv mit Problemen des I2C-Busses, der Analog/Digitalwandlung und der Telemetrie mittels Morsetelegraphie auseinandergesetzt. Als Sender kam ein verbesserter 433 Mhz ISM Sender vom Typ RF Link 434 (Quelle:Watterott) zum Einsatz, der deutlich sicherer arbeitete.

Abb.2 Sputnik 2 bereit zum Start

Die daraus entwickelte 11 Gramm Nutzlast mit Eigenbaufallschirm erfüllte gestern die Schülerinnen und Schüler mit Stolz, entsprechend aufgeregt waren alle vor dem Start. Wird der Ballon zügig aus dem bebauten Gebiet unseres Schulstandortes aufsteigen? Ist die Nutzlast auch richtig befestigt. Sind die elektrischen Komponenten ordentlich verlötet? Schwingt der Sender auch bei tiefen Temperaturen sicher an? Zum Gelingen dieser zweiten Mission wurde auch einiges getan. Zunächst unterstützte uns Andreas (DG0HAB) mit Antennentechnik, Funkgerät und tatkräftiger Hilfe vor Ort. Steffen (DO2AS), Sören (DL2HQS), Günther (DG3HWO) und Dietmar (DL4HWO) besetzten die Satellitenanlage an unserer Clubstation und übernahmen die Außenstelle "Mission Control 2" in Wolfen. Alle Stationen waren nicht nur mit Empfangstechnik,  drehbaren Satellitenantennen ausgestattet, die Signale konnten sogar aufgezeichnet werden.

Abb. 3 Befüllen des Ballons

 Ein weiteres Ereignis machte den Start spannend, die Schülerinnen und Schüler der 12. Klassen hatten ihren letzten regulären Schultag, so fehlten die in der AG erfahrenen teils langjährigen AG-Mitglieder der 12. Klasse Stefan, Tom, Tim, Alex, Anna und Vinzenz. Den jüngeren Schülern wurde das bei den Startvorbereitungen bewusst, Daniel brachte dann vor dem Start und beim befestigen der Nutzlast den "entscheidenden Spruch": "Es kann doch eigentlich nichts schief gehen, nur acht Wochen Vorbereitungsarbeit!"! (;-))

Abb.4 Start von Sputnik 2

Viktor übernahm dann die Rolle des Flightdirectors und gab pünktlich um 15 Uhr Ortszeit den Ballon in den Dessauer Himmel frei. Es war ein Bilderbuchstart, alle hatten sorgfältig in der Vorbereitung gearbeitet und unter Jubel und Applaus erhob sich die Radiosonde Sputnik 2 zügig in den Himmel.

Bis zirka 15.46 Uhr konnten wir den Ballon vom Schulhof aus sicher verfolgen und decodieren. Das letzte Signal empfingen wir 15.49 Uhr bei -22.5°C Außentemperatur, 9.1°C Innentemperatur, 409 hPa Druck und einer Flughöhe von 7000 Metern! Das war die Grenze des Möglichen bei der Verfolgung der Nutzlast mit handnachgeführten Antennen vom Schulhof. Jetzt lagen unsere Erwartungen bei Mission Control 2, der Satellitenstation mit Crew in Wolfen. So gelang die Verfolgung dort fast 2,5 Stunden, das letzte Signal riss 17.20 Uhr MESZ ab.

Erfreulicherweise erhielten wir auch Unterstützung aus Thüringen. Peter (DJ2AX) aus Tautenhain und Winfried (DL2AWT) aus Gera konnten die Sputniksignale mit einfachster Technik empfangen und decodieren. Beiden Funkamateuren möchte ich recht herzlich für die zugesandten Empfangsprotokolle danken. Immerhin über 100 Kilometer Entfernung überbrückten die Signale auf ihren Weg zu den beiden Stationen!

Abb. 5 Verfolgung der Signale

Was bleibt nun nach dem erfolgreichen Start der Mission. Wir wissen jetzt schon, dass unsere Nutzlast eine Höhe von mehr als 16000!! Metern erreicht hat. Dabei waren die Außentemperaturen nahezu -50°C, im inneren von Sputnik sank die Temperatur auf bis zu -10°C.

Das ISM Band hat seine Grenzen, stellenweise wurde Musik aus Kopfhörern und Wetterstationen empfangen, ein Wechsel auf ein ruhigeres Amateurfunkband im Sommer wird zusätzlichen Gewinn bringen. Auch sollten wir eine Antenne auf das (Flach) Dach des Liborius-Gymnasiums bringen. Für die AG-Stunden steht jetzt die Auswertung der Aufzeichnungen (2,5 Stunden Audioaufnahme) und der mitgeschriebenen Protokolle von Peter und Winfried an.

Ich möchte den kleinen Bericht mit einem Dank beschließen.Danken möchte ich meinen Schülerinnen und Schülern der AG Elektronik und Amateurfunk, die durch ihre Begeisterung und ihren Wissensdurst diese Mission ermöglicht haben. Danke Tom, für Deine jahrelange zuverlässige Arbeit in der AG. Deine Nutzlast hat prima funktioniert, Du würdest einen super Ingenieur abgeben, viel Erfolg beim Studium ;-) !

Danke an Andreas,Steffen, Sören, Günter und Dietmar für eure Hilfe und Hamspirit, ohne euch würden uns wichtige Daten für die Auswertung fehlen. Danke an Peter und Winfried aus Thüringen, eure Protokolle werden am nächsten Freitag sicher Erstaunen in den Reihen unserer AG hervorrufen.

Einen besonderen Dank auch an Herrn Nitz im Landesverwaltungsamt der Oberen Luftfahrtbehörde in Halle für die schnelle und unkomplizierte Bearbeitung und Genehmigung unseres Vorhabens.

Die Ballonmission hat in allen AG-Mitgliedern die Begeisterung, Aufregung und den Stolz hervorgerufen, den auch die Wissenschaftler und Ingenieure unseres Landes und der Welt empfinden, wenn Raumsonden fremde Himmelskörper erobern oder aufwendige Teichenbeschleunigerexperimente erfolgreich verlaufen. Ich denke, man kann auch mit geringen finanziellen Aufwand solche Erfahrungen den jungen Menschen vermitteln und damit etwas für den notwendigen naturwissenschaftlich technischen Nachwuchs tun!

Dessau, den 25.4.2015

Jens Home (DM4JH)

Abb. 6 Errechnete Steigrate der Nutzlast Sputnik 2

Abb. 6 Empfangene Höhen- Temperaturwerte

Sputnik 1 - Die Nutzlast

Die fertige Platine von Sputnik 1 muss natürlich für die Anforderungen in 15 Kilometer Höhe vorbereitet werden. Um diese Jahreszeit dürften die Temperaturen etwa -60 °C betragen, der äußere Luftdruck liegt bei etwa 200 hPa. 

Als Schutz vor dieser extremen Kälte verwenden wir eine Styroporkugel mit einem Durchmesser von 8 Zentimetern. Leider gibt es solche Kugeln nur noch als Vollmaterial, also muss sie geschickt geteilt und ausgehöhlt werden. Wer Styropor kennt, weiß was das für eine mühsame Arbeit ist.

In 15 Kilometer Höhe wird die Nutzlast dann nach dem Platzen des Ballons zur Erdoberfläche hin beschleunigt und könnte ungebremst zur Gefahr für Mensch und Material werden. Deshalb wurde von Anfang an ein Fallschirmsystem eingeplant, projektiert und entwickelt. Die Nutzlast soll nicht schneller als etwa mit einer Geschwindigkeit von 3 Metern pro Sekunde landen. Der Fallschirmdurchmesser wurde mit ca. 50 cm maximale Kantenabmessung als Sechsecktyp festgelegt. In Fallversuchen mit Äquivalentmassen stellte sich die erwartete Geschwindigkeit auch ein.

Konstruktion eines Fallschirms

 

Die fertig entwickelte Nutzlast

Sputnik 1 - Die erste Ballonmission

Sputnik 1 ist eine nur 50 Gramm kleine Nutzlast für einen Wetterballon. Über eine Oszillatorschaltung und ein ISM-Funkmodul wird ein Temperaturwert in ein rhythmisch moduliertes Funksignal umgewandelt. Sputnik 1 wurde von 2013 bis 2014 in unserer AG entwickelt und wartet auf seinen erfolgreichen Start am 5.12.2014 um 15.30 MEZ auf unserem Schulhof. Ein Klick auf die Grafiken liefert Interessantes über die "Sputnik 1"- Mission! 
 

Unser Ballongas

 Der Ballon

Um mittels eines Ballons eine Nutzlast in die oberen Schichten der Atmosphäre zu bringen, benötigt
man ein Füllgas, dessen Dichte geringer als die der umgebenden Luft ist. Optimal wäre das
"leichteste" Gas Wasserstoff, dass mit einer Normdichte von 0,09 kg/m³ einen Auftrieb von 1,2 g pro Liter liefern kann. Desweiteren kann man Wasserstoff kostengünstig erzeugen und billig erwerben.
Allerdings geht von einer Wasserstofffüllung eine erhebliche Gefahr aus, die aus der hohen Entzündungs- und Explosionsfreudigkeit resultiert. Die vielen Unglücksfälle der Zeppeline zeigen das hohe Gefahrenpotential von Wasserstoffballonen. 

Für unsere Arbeitsgemeinschaft kam deshalb nur das ungiftige und unbrennbare Helium in Frage. Als zweitleichtester Stoff mit einer Normdichte von 0,14 kg/m³ kann es immer noch zirka 1,15g Auftrieb pro Liter erzeugen. Der Unterschied zum Wasserstoff ist vernachlässigbar, die Handhabung des Gases ist viel einfacher und sicherer. Leider ist Helium auf der Erde ein äußerst seltenes Gas, die Preise schwanken sehr stark. Zur Zeit muss man für einen Liter Helium etwa 10 Cent bezahlen. Deshalb ist eine Bedarfsrechnung sehr wichtig, um die Kosten gering zu halten.
Bedarfsrechnung:

• Masse des Ballons + Fallschirm + Nutzlast = 100g + 5g + 50g = 155g
• Mindestgasmenge (Schwebezustand) V=155l (etwa 1g pro Liter Gas angesetzt)
• Auftriebszuschlag 100g (etwa 1 Newton) für Steigen mit v=3-5m/s etwa V=100l
 

Knapp 80 cm Ballondurchmesser wurde berechnet

Wir benötigen etwa 255 Liter Gas, also 0,255 m³. Im Versandhandel gelang es uns glücklicherweise, für knapp 38€ 0,48m³ Helium in einem Einwegbehälter zu erwerben. Die Menge sollte deutlich ausreichen. Hoffentlich ist die Reinheit des Gases gegeben, da Luftbeimengen den Auftrieb herabsenken können,
sodass eine größere Füllmenge nötig wäre.

Für den anzusetzenden Ballondurchmesser ergibt sich nun aus dem Kugelvolumen etwa
80 cm (V etwa 268 Liter). Zunächst planten wir den Einsatz eines Riesenpartyballons, der
recht kotengünstig zu erwerben ist. Ein glücklicher Umstand ergab sich durch eine Auktion
im Internet. Dort gelang der Kauf dreier Wetterballons der Firma Totex. Die Ballons haben eine Masse von 100g, der empfohlene Startdurchmesser von 80-100cm passt genau in unsere Kalkulation. Vorteil solcher professionellen meteorologischen Ballone ist die Qualität des Latex und damit die garantierte Platz (Burst) - höhe. Unser Ballon in der Farbe Rot wird sehr gut visuell verfolgbar sein und hat eine
Bursthöhe von 10000-15000 Metern. Dabei wird er seinen Durchmesser nahezu verdoppeln!
 

Endkontrolle am Testballon

In der AG nutzten wir einen der drei Ballone zum Training der Ballonfüll-Crew. Was sind 80
Zentimeter Durchmesser, passt die Öffnung auf unser Füllventil? Wie verschliesst man den
Ballon effektiv? Alle diese Fragen mussten beantwortet werden. Mit einer Luftfüllung wurden die Bedingungen und die Handhabung simuliert. Ob unser Gas gut ist und die Auftriebsberechnungen stimmen, können wir aus Kostengründen erst am 5.12.2014 beantworten!
 

Wir wünschen uns für den Start optimales Wetter und hoffentlich die Freigabe des Luftraumes. Ergebnisse der Mission werden später veröffentlicht.