Amatööriradio ilmapallossa - Ilmari 2003 Pallo
 

Tue toimintaamme!

 
Ilmari-2003-structure
SuperIlmari 2003

Ilmari Projekti ei varsinaisesti ole Viestikallion projekti, web-sivut on vain hostattu täällä...

Ilmari pallo

Laskuvarjo:

Laskuvarjon rakentamisesta ja kaksoisredundantista kuormairroittimisesta:

Parachute Cutoff-3

Varjon leikkauskaavion arviointia

Kokonaisuuden vajoamisnopeutta voi arvioida samoilla ilmanvastuksen laskukaavoilla, kuin alempana käytetään pallon nousunopeudelle. "Cd" ollee isompi - luokkaa 1.3 ?

Lentosuunnitelmaa:

Kaksi vaihtoehtoa:

  • Yhdellä pallolla hillittyä (tai nominaalia) vauhtia ylös → räkspoks → alas
  • Palloryhmällä ylös:
    • ylimmäisenä yksinäisyydessään on iso pallo antamassa pienen positiivisen nosteen (2-3 Newtonia, tms.)
    • sen alapuolella yksi tai useampia standardeja luotainpalloja tuottamassa apunostetta joka nostaa yhdistelmää nopeammin ylös.
    Lopputuloksena nopeutettu nousu, kunnes apunostepallot ratkeavat ja pääpallon yksinäinen vaellus ylöspäin alkaa.

Flight-Plan-1


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:
= 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:
= Vajoavan systeemin kokonaismassa
= 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:

pPaine
VTilavuus
nmoolimäärä
RRydberg vakio (8.31451 J/mol/kg)
TLämpötila (K)

Kaasutiheyksiä:

Paineessa 1 Bar, lämpötilassa 273 K:

Ilma1.29 kg/m³
Vety0.09 kg/m³
Helium0.18 kg/m³

AGA dataa: Paineessa 0.98 Bar, lämpötilassa 288 K:

Ilma1.19 kg/m³
Vety0.083 kg/m³
Helium0.164 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:

Cluster-Balloon

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.

Cluster-Balloon-2

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

 

Valid HTML 4.01!   Z Elisa Communications
This page is Links enhanced for additional browsing pleasure.