|
Amatööriradio ilmapallossa - Ilmari 2003 Pallo |
|
Ilmari Projekti ei varsinaisesti ole Viestikallion projekti, web-sivut on vain hostattu täällä...
Ilmari pallo
Laskuvarjo:Laskuvarjon rakentamisesta ja kaksoisredundantista kuormairroittimisesta:
Varjon leikkauskaavion arviointia Kokonaisuuden vajoamisnopeutta voi arvioida samoilla ilmanvastuksen laskukaavoilla, kuin alempana käytetään pallon nousunopeudelle. "Cd" ollee isompi - luokkaa 1.3 ? Lentosuunnitelmaa:Kaksi vaihtoehtoa:
|
Saimme palloja:
Saimme 5 Totex TX1200 palloa:
Saimme Japanista dataa TA1200 palloista. Tehtaan myyntiedustajan mukaan TX1200 pallojen spesifikaatio on muuten identtinen, mutta lämpötilaspeksi on hieman löyhempi. (-70 vs. -80) totex-data-1, totex-data-2, totex-data-3.
Saman nimisiä palloja on: Kaymont:lla
Pallon "Burst pressure" on sen sisä vs. ulkopuolinen paine-ero, jonka saavuttaessaan pallo on laajentunut maksimiinsa ja ratkeaa.
Nousunopeus
Ref: [W0RPK].
Ref: Geocities, CapeCanaveral: Ideal Gas Equations
(Ilman tiheyden laskennassa on virhe: sekä hapen, että typen moolimassat on laskettu atomaarisena, ei molekulaarisena.)
Hieman algebrallista pyörittelyä ja saamme:
/--------------------
/ LIFT - WEIGHT
AscentRate = / ---------------------
/ 0.5 Cd pi r² ρ(Air)
v
Missä:| r | = | Pallon noususuuntaisen poikkileikkauksen säde (metrejä); 0.90m TX1200:lle. |
|---|---|---|
| Cd | = | Pallon ilmanvastuskerroin, noin 0.35 [Ilmanvastuskertoimia] |
| LIFT | = | Pallon kokonaisnoste (Newtonia) |
| WEIGHT | = | Systeemin kokonaispaino (Newtonia) |
| ρ(Air) | = | 1.225 kg/m³ @ h = 0 km, 0°C |
| AscendRate | Nousunopeus metriä sekunnissa. |
On olemassa keskinäiset seuraussuhteet, joilla pallon tilavuus, sen poikkipinta-ala ja korkeudella vallitseva ilmantiheys käytännössä kumoavat toistensa muutokset, joten pallo nousee vakiovauhtia. Pallon sisäisen kaasun lämpötila ei heti täsmää ulkopuoliseen lämpötilaan, joten hetkittäin esiintyy siitä johtuvia poikkeamia. Pallon kuori puristaa sisäistä kaasua tiiviimpään, mutta sen voima ei koskaan ylitä "puhkeamispainetta" ja ollen noin puolet tuosta raja-arvosta suurimman osan aikaa.
Kaasutiheysdatalla alempaa tällä sivulla:
Nostevoima per m³ korkeudella 0m, 0°C lämpötilassa:
He ~ 10.3 Newtons H ~ 11.1 Newtons
Kaymont KCI TX1200 palloille:
He ~ 30.8 Newtons H ~ 33.4 Newtons
Siispä Vety tarjoaa suunnilleen 8% parempaa nostetta, toisaalta tuo 0.8 Newtonin ero kuutiometriltä saattaa olla tärkeä... (Kaymont KCI TX1200 palloille tuo tarkoittaa luokkaa 2.6 Newtonia, tai 0.265 kilon massan painoa.)
Kaymont:n speksi sanoo bruttonosteeksi: 33.7 Newtonia.
Erilaisilla Nettonosteen ( = LIFT - WEIGHT ) arvoilla ja vakiolla r=0.90m:
Nettonoste Nousunopeus Nousunopeus
1 N 1.35 m/s 81 m/min
2 N 1.91 m/s 115 m/min
3 N 2.35 m/s 141 m/min
5 N 3.03 m/s 182 m/min
8 N 3.83 m/s 230 m/min
11 N 4.50 m/s 270 m/min
15 N 5.24 m/s 314 m/min
20 N 6.06 m/s 363 m/min
30 N 7.42 m/s 445 m/min
Näemme viimeisestä taulukosta, että pallon nousunopeutta ei saa pienennettyä helposti noin 100 m/min nopeuden alle. Samoin nopeuden nostaminen on vaikea.
Nousunopeus 150 m/min antaa 20-35 km nousulle aikaa 100 minuuttia.
Miten päästä 20 km korkeudelle nopeammin ? Ylimääräinen standardi luotauspallo voisi tarjota noin 10N lisänosteen → 15 N nosteella nousunopeus 20 km:iin olisi 300-320 m/min → noin 60 minuuttia.
Kaikkein pisin lentoaika saavutetaan toki nousemalla koko ajan vakionopeudella 100-150 m/min: 3.9 - 5.8 tuntia.
Vajoamisnopeus
Samoista yhtälöistä kuin yllä, hieman eri tavalla laskien:
Fmass = m * g Fmass = FDrag
Hieman algebrallista pyörittelyä ja saamme:
DragAreaSum = Cd_1 Ax_1 + Cd_2 Ax_2 + ...
/---------------------
/ 2 m g
DescendRate = / ----------------------
/ ρ(Air) DragAreaSumm
v
Missä:| m | = | Vajoavan systeemin kokonaismassa |
|---|---|---|
| g | = | Painovoimakiihtyvyys: 9.81 m/s² |
| Cd_* | = | Vajoavien osakomponenttien (laatikko, varjo) yksittäiset ilmanvastuskertoimet [Ilmanvastuskertoimia] |
| Ax_* | = | Vajoavien osakomponenttien (laatikko, varjo) yksittäiset projisoidut poikkipinta-alat |
| ρ(Air) | = | 1.225 kg/m³ @ h = 0 km, 0°C |
| DescendRate | Vajoamisnopeus metriä sekunnissa. | |
| DragAreaSum | Summa osakomponenttien tuloista: Cd_* * Ax_* |
Muuta pientä: Korkeuspaineen kaava:
Likiarvo:
p(h) = 0.5(h/5.5)Jossa: "p" = paine bareina, "h" korkeus kilometrejä.
Tiheys, paine ja lämpötila:
pV = nRT
Jossa:
| p | Paine |
|---|---|
| V | Tilavuus |
| n | moolimäärä |
| R | Rydberg vakio (8.31451 J/mol/kg) |
| T | Lämpötila (K) |
Kaasutiheyksiä:
Paineessa 1 Bar, lämpötilassa 273 K:
| Ilma | 1.29 kg/m³ |
|---|---|
| Vety | 0.09 kg/m³ |
| Helium | 0.18 kg/m³ |
AGA dataa: Paineessa 0.98 Bar, lämpötilassa 288 K:
| Ilma | 1.19 kg/m³ |
|---|---|
| Vety | 0.083 kg/m³ |
| Helium | 0.164 kg/m³ |
Nosteesta
Noste eri korkeuksilla riippuu ideaalikaasuyhtälön mukaan:
- Tilavuus (V) vakiona
- Rydberg vakio (R)
- Paine (p(h)) likiarvokaavasta yllä
- Lämpötila (T) pinnassa 273+0 K, korkealla 273-60 K.
- moolimäärä (n) tuntematon
Jätetään korkeusriippumattomat vakiot huomiotta ja tutkitaan vain eräänlaisten "moolimäärää tilavuusyksikössä" lukujen suhteita eri korkeuksilla:
n(h) = V p(h) R T(h)
n(h) lukujen suhde eri korkeuksilla skaalaa suoraan nostetta maan pinnan tasolla.
Ylipaineettoman kaasupallon noste (kiloja/m³) korkeuden suhteen:
| ILMARI 2003: 0-paine-ero pallon nostokyky | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Korkeus (km) | Paine (bar) | Lämpötila (K) | "mol/V" (n) | n(0) / n(h) | Noste H kg/m³ | Noste He kg/m³ | |
| n = p/T | |||||||
| 0 | 1.0000 | 273 | 0.0036630 | 1.00 | 1.281 | 1.272 | |
| 5 | 0.5325 | 263 | 0.0020248 | 1.81 | 0.708 | 0.703 | |
| 10 | 0.2836 | 213 | 0.0013314 | 2.75 | 0.466 | 0.462 | |
| 15 | 0.1510 | 213 | 0.0007090 | 5.17 | 0.248 | 0.246 | |
| 20 | 0.0804 | 213 | 0.0003775 | 9.70 | 0.132 | 0.131 | |
| 25 | 0.0428 | 213 | 0.0002010 | 18.22 | 0.070 | 0.070 | |
| 30 | 0.0228 | 213 | 0.0001071 | 34.21 | 0.037 | 0.037 | |
| 35 | 0.0121 | 213 | 0.0000570 | 64.25 | 0.020 | 0.020 | |
| 40 | 0.0065 | 213 | 0.0000304 | 120.65 | 0.011 | 0.011 | |
| 45 | 0.0034 | 213 | 0.0000162 | 226.56 | 0.006 | 0.006 | |
| 50 | 0.0018 | 213 | 0.0000086 | 425.45 | 0.003 | 0.003 | |
Yllä olevasta taulukosta näkee, että yli 20 kilometrin korkeuksilla vety ei tuota havaittavaa noste-etua suhteessa heliumiin.
Maksimi nousukorkeus riippuu sitten pallon ja kuorman massasta, sekä pallon tilavuudesta.
Ohessa on laskettu rullalla saatavan muovikalvoputken nostokykyä per metri:
| ILMARI 2003: Makkarailmapallo | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 20 µm polyesteri tai polyeteenikalvo "makkaraputkena" | 15 km | 20 km | 25 km | 30 km | |||
| Noste kg/m³: | 0.248 | 0.132 | 0.070 | 0.037 | |||
| Litteä leveys (m) | Massa/m² (g) | Pituus- tilavuus (m³) | Pituus- massa (g/m) | Netto- noste kg/m | Netto- noste kg/m | Netto- noste kg/m | Netto- noste kg/m |
| 0.5 | 26.0 | 0.080 | 26 | -0.006 | -0.015 | -0.020 | -0.023 |
| 1.0 | 26.0 | 0.318 | 52 | 0.027 | -0.010 | -0.030 | -0.040 |
| 1.5 | 26.0 | 0.716 | 78 | 0.100 | 0.017 | -0.028 | -0.052 |
| 2.0 | 26.0 | 1.273 | 104 | 0.212 | 0.064 | -0.015 | -0.057 |
| 3.0 | 26.0 | 2.865 | 156 | 0.554 | 0.222 | 0.045 | -0.050 |
| 4.0 | 26.0 | 5.093 | 208 | 1.055 | 0.464 | 0.149 | -0.020 |
| 5.0 | 26.0 | 7.958 | 260 | 1.714 | 0.790 | 0.297 | 0.034 |
| 10.0 | 26.0 | 31.831 | 520.0 | 7.374 | 3.682 | 1.708 | 0.658 |
| 15.0 | 26.0 | 71.620 | 780.0 | 16.982 | 8.674 | 4.233 | 1.870 |
| 20.0 | 26.0 | 127.324 | 1040.0 | 30.536 | 15.767 | 7.873 | 3.671 |
Mitään 5m leveää kalvoputkea tuskin löytyy, sellaista voi toki tehdä kuumasaumaamalla.
SAUPLAST Oy tekee std "makkaraputkea" ("letkua") 30µm paksu x 1000mm leveä, 25kg rullina (noin 410m per rulla). Tuo on heidän suurin mallinsa. Rullan hinta noin EUR 50. Neliömetrimassa noin 35 g/m².
Ottamalla 10m pitkä ja 2m leveä "makkaraputki", nolla-paine-ero-pallolla päässee jonnekin 17-20 km korkeuden tietämille. Toisaalta nostetta saa helpohkosti lisää ottamalla rullalta pidemmän makkaran.
Pallolla on pienin pinta-ala tilavuuteensa nähden (ja täten kevein kuori):
| ILMARI 2003: Pallo | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 20 µm polyesteri tai polyeteenikalvo | 20 km | 25 km | 30 km | 40 km | |||
| Noste kg/m³: | 0.132 | 0.070 | 0.037 | 0.011 | |||
| Halkaisija (m) | Massa/m² (g) | Tilavuus (m³) | Massa (kg) | Netto- noste (kg) | Netto- noste (kg) | Netto- noste (kg) | Netto- noste (kg) |
| 1.0 | 30.0 | 0.5 | 0.1 | -0.025 | -0.058 | -0.075 | -0.088 |
| 2.0 | 30.0 | 4.2 | 0.4 | 0.176 | -0.084 | -0.222 | -0.331 |
| 5.0 | 30.0 | 65.4 | 2.4 | 6.283 | 2.225 | 0.065 | -1.636 |
| 8.0 | 30.0 | 268.1 | 6.0 | 29.4 | 12.7 | 3.887 | -3.083 |
| 10.0 | 30.0 | 523.6 | 9.4 | 59.7 | 27.2 | 10.0 | -3.665 |
| 15.0 | 30.0 | 1767.1 | 21.2 | 212.1 | 102.5 | 44.2 | -1.767 |
| 17.0 | 30.0 | 2572.4 | 27.2 | 312.3 | 152.8 | 67.9 | 1.059 |
| 20.0 | 30.0 | 4188.8 | 37.7 | 515.2 | 255.5 | 117.3 | 8.378 |
Vaisala oy: Joitakin luotainpallojen ominaisuuksia.
Ralph Wallio, W0RPK: Daydreaming of Polyethene
Rypäle:
Lentäminen isoilla lateksipalloilla ("EH" tyyppi, 1-2 kg pintanoste), jotka täytetään antamaan lähdössä pienehkön nettonosteen (0.2-0.5 kg, tms) per kappale.
Ryppääseen laitetaan 4-7 palloa.
Tavoitteena nousu korkealle, jossa YKSI pallo ratkeaa, tai irroitetaan. Lopuilla saadaan kelluva tasapaino ratkeamiskorkeuden alapuolella.
Kokonaisuudessan rypäs nostaa pinnassa 1.2-1.5 kertaa enemmän, kuin mitä luotain painaa, mutta pallot ovat paljon pienempiä, kuin mitä normaali yksittäisen pallon lähetys käyttää.
Argentiinalaiset ovat lennättäneet rypäleitä: LW2DTZ Cluster Balloon
Ajatus oman rypäleen rakentamisesta:
Revisioitu versio rypäleen lennättämisestä, jossa primaaripalloa ei hankaa minkään apupallon naru. Ajatus on, että:
- pääpallo riittää nostamaan kuormaa hitaasti ylöspäin
- apupallot ovat pieniä halpoja ylitäytettyjä luotauspalloja, jotka vauhdittavat alkuvaiheen nousua, kunnes ne ratkeavat jossain alempana, esim. 20 km:ssä.
Tarjoukset:
Kyselyihin saatiin kaksi vastausta, tosin vasta kun emailin lähettämisen jälkeen soitin k.o. firmoihin ja keskustelin hetken puhelimessa.
Kaysam #118DU: 1, 2. (ominaisuuksista ja hinnoista.)
RavenInduestries PE pallot: SB Small Curve (PDF), ZP Small Curve (PDF), hinnoista.
Matti Aarnio <matti.aarnio@zmailer.org>; OH2MQK
