Misión 01 - PUPUSAt

High Altitude Ballooning (Globos de Gran Altitud)

High Altitude Ballooning es un hobby que involucra enviar un globo meteorológico (también conocido como globo sonda) al borde del espacio. Dependiendo del tamaño del globo y de la cantidad de helio, puede llegar a aproximadamente 30,000 metros. Para tener tener un punto de referencia, los aviones comerciales vuelan a más o menos 10,700 mts (~35,000 pies). Es increíble que por un costo relativamente bajo se pueda mandar un globo y equipo fotográfico a esas alturas de nuestra atmósfera, y lograr tomar fotos de la curvatura de la tierra.

En qué consiste un vuelo de un globo de gran altitud?

Los globos de gran altitud tienen cuatro componentes principales:

  • Globo: Se utiliza un globo de látex normalmente conocido como globo meteorológico (o globo sonda). Existen varias compañías que producen estos globos de diferentes tamaños. Los globos utilizados para este hobby tienen en promedio un diámetro de 1 metro a nivel del mar, pero estos se expanden hasta llegar a más de 5 veces su diámetro normal al elevarse, ya que la presión atmosférica disminuye a medida que el globo sube. Llega un punto en el que el globo explota ya que el látex no puede soportar la tensión.
  • Paracaídas: Es necesario un paracaídas para que disminuya la velocidad de caída del equipo.
  • Reflector de radar: Es un reflector para que aeronaves puedan ver el globo en su radar durante la elevación y caída para evitar cualquier posible accidente.
  • Capsula: La capsula contiene sistemas de rastreo GPS y cámaras, entre otras cosas.
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Como se empieza...

Como se podrán imaginar, ejecutar un vuelo de un globo de gran altitud requiere mucha investigación y trabajo. Es muy importante hacer bien la investigación y planeación ya que cualquier error podría arruinar el vuelo o causar peligro a otras personas. Por esto era muy importante mantener un canal de comunicación abierto con la Autoridad de Aviación Civil de El Salvador. Era muy importante seguir los lineamientos necesarios y pedir los permisos requeridos antes de lanzar el globo.

Hay muchas personas que han lanzado globos meteorológicos alrededor del mundo. Uno de los mejores recursos que utilizamos en nuestra investigación es una página web manejada por un Inglés llamado Dave Akerman. Este artículo es solo un ejemplo del buen contenido que ha podido contribuir a la comunidad HAB alrededor del mundo. En este artículo escribe sobre High Altitude Ballooning con mucho detalle: http://www.daveakerman.com/?p=1732

Luego de la investigación sobre los componentes que utilizaremos, era importante evaluar dónde se podría lanzar el globo en El Salvador. Es una pregunta muy difícil ya que no se tiene control sobre la ubicación del aterrizaje. Existen varios recursos en internet para hacer proyecciones de vuelo, pero estas proyecciones cambian mucho día a día y en el caso que el globo no esté inflado bien o explote antes de lo esperado, podría haber mucha variación en el resultado. Por estas y otras razones, decidimos intentar un aterrizaje a mar abierto. La idea era que se podría poder visualizar el globo fácilmente, y ya que no hay calles ni montañas, era más fácil poder navegar al punto exacto de llegada.

Después de mucha investigación, no encontrábamos ningún ejemplo de un vuelo que aterrizara en agua, y nos preocupamos que podría ser muy difícil. Nos unimos a varios foros en internet relacionadas al hobby, y en una de ellas, un equipo de Malasia nos contestó que ellos han lanzado 7 globos, todos aterrizando sobre agua, y habían logrado recuperar 5 de los 7. A pesar que no lograron recuperar todos, si nos dió confianza que era un plan viable.

COMPONENTES

LA CAPSULA

La cápsula de vuelo es la parte más importante! Contiene los rastreadores GPS, sensores, y equipo fotográfico. Ya que habíamos planeado un aterrizaje en agua, necesitábamos que la cápsula fuera muy liviana y que flote sobre agua, además de que fuera a prueba de agua.

En este caso decidimos utilizar una caja de poliestireno (durapax). En realidad la caja era una hielera de Paleta Pop en San Salvador, y nos costó solamente $3.50 – nada mal para una caja que aguanto cambios drásticos de temperatura (de 30 ºC a -50 ºC ) y presión drásticos y aguantó casi 20 horas flotando a medio mar.

La aerodinámica es otra parte muy importante que considerar relacionada con el diseño de la cápsula. Desafortunadamente ninguno de nosotros tiene mucho conocimiento de esta disciplina, y por ellos seguimos algunos lineamientos generales que encontramos por internet (relacionados con la longitud de la línea de nylon utilizada), pero no agregamos ningún tipo de velas ni otros elementos para intentar reducir la rotación durante el vuelo.

En esta imágen podemos ver la cápsula ya con el receptor GPS del Raspberry Pi pegada a la tapadera, y la cámara del Raspberry Pi en un estante, posicionada para tomar las fotografías de la pupusa. En el lado de la cápsula podemos observar una cinta reflectiva, para ayudar a encontrar la cápsula.

NOTAM del vuelo.

PERMISOS

Es muy importante tener el permiso de la Autoridad de Aviación Civil antes de completar uno de estos vuelos. Explicamos a la autoridad las intenciones del proyecto, y llenamos una NOTAM (Notice to Airmen) para que aeronaves volando en el área puedan estar pendientes. Este proceso tomó tiempo, pero un importante y necesario paso para poder progresar.

EL GLOBO

Los globos meteorológicos están hechos de látex, y hay varios fabricantes diferentes. Decidimos por un globo distribuido por la compañía Kaymont Balloons (la marca de los globos es Totex), de 800 gramos. El peso es la medida estándar usada para definir el tamaño de un globo. Son muy delicados y es importante mantener el globo en un ambiente fresco y fuera del sol para garantizar buen desempeño. También al momento de inflar el globo es muy importante utilizar guantes para que las grasas de nuestro cuerpo no causen ningún daño al látex.

Nuestra meta era que el peso total del cargamento del globo fuera aproximadamente 1000 gramos. De esta forma, con un globo de 800 gramos lograríamos llegar a un altura de 30,000 metros. Utilizamos la calculadora de globos de Habhub para esto (http://habhub.org/calc/).

Al final decidimos comprar dos globos, para no detener el lanzamiento en el caso que tuviéramos un problema en la preparación del globo, o que uno de los globos viniera defectuoso de fábrica.

EL HELIO

Los globos meteorológicos se pueden inflar ya sea con helio o con hidrógeno. El hidrógeno tiene varias ventajas, incluyendo el hecho de que tiene una mayor potencia de elevación y es más barato, pero al mismo tiempo es altamente inflamable (como pudimos ver en el desastre del Hindenburg).Por esta razón, decidimos para este primer vuelo utilizar helio.

Ahora el problema era ver cómo inflar un globo de látex con un tanque de helio. Era necesario un regulador para disminuir la presión del tanque, y luego unas conecciones para poder llegar a un tubo de PVC que podíamos conectar al globo

Utilizamos la siguiente página web para armar nuestro propio componente para inflar el globo: https://ukhas.org.uk/guides:fill_tube. Aunque no tenemos una buena imágen del componente solo, en la siguiente imágen podemos ver el tanque conectado a una regulador, luego una manguera, y luego un tubo de PVC, el que luego iba conectado al globo de látex para comenzar a inflarlo.

REFLECTOR

Es necesario un reflector de radar para que la cápsula y globo sean visible a aeronaves en las alturas y prevenir cualquier tipo de accidente. Utilizamos un reflector de radar construido por Davis Instruments. El reflector va conectado entre el paracaídas y la cápsula.

Davis instruments: https://www.davisnet.com/product/emergency-radar-reflector/

PARACAIDAS

Utilizamos un paracaídas de la compañía rocketman con un diámetro de 4 pies. Para decidir qué tamaño de paracaídas íbamos a necesitar, ocupamos varias herramientas disponibles por internet.

Rocketman Parachutes: http://www.the-rocketman.com/chutes.html

Herramienta: https://spaceraceblog.wordpress.com/2016/02/17/parachute-size-estimator-for-high-altitude-balloons/

RASTREO

Claramente uno de los problemas de un globo es que no se puede controlar su trayectoria de vuelo, y depende totalmente de los vientos a diferentes alturas de la atmósfera. Por esto, es muy importante tener buen equipo de rastreo dentro de la cápsula. Después de mucha investigación, decidimos ocupar dos diferentes sistemas de rastreo, cada uno con sus respectivas ventajas y desventajas. Es muy importante tener redundancia en los sistemas de localización, ya que si falla uno de los sistemas por alguna razón, no queremos correr el riesgo de perder todo el resto del equipo.

El SPOT es un tracker disponible para consumidores que utiliza el sistema de satélites Iridium (estos satélites también son utilizados para un sistema telefónico satelital). Ofrece un sistema de rastreo donde manda su ubicación en intervalos de “x” minutos (el intervalo es ajustable, e.g. cada 5 min, cada 10 min, etc.)

    • Ventajas: Es muy fácil de utilizar, y no requiere mucho conocimiento técnico; es a prueba de agua el aparato, la batería dura varios días (con baterías de litio). Se puede rastrear en internet y en una aplicación móvil.
    • Desventajas: Se tiene que pagar un servicio de suscripción para poder utilizar el rastreo, solamente funciona hasta una altura de aproximadamente 10,000 pies (~3000 metros). Por esto, no es posible solamente utilizar un sistema SPOT, ya que no podríamos saber dónde está el globo durante la mayor parte del vuelo. Otra desventaja es que el SPOT tiene que estar orientado viendo hacia arriba (con el logo del SPOT viendo hacia el cielo) para que pudiera recibir y transmitir señal apropiadamente. Por esta razón intentamos diseñar un mecanismo “gimbal” en el que podríamos rotar la caja pero el SPOT se mantenía orientado hacia arriba. Después de varios intentos, decidimos no utilizar el gimbal ya que agrega mucho peso y no cabía bien dentro de la caja sin obstruir otros instrumentos.

Pagina web: https://www.findmespot.com/en

Nuestro rastreador principal fue Raspberry Pi (una computadora para hobbies que cuesta menos de $25) conectada en un tablero de expansión creado por Dave Akerman (http://www.pi-in-the-sky.com/). Existen varias versiones del Raspberry Pi. En esta ocasión utilizamos la versión A+, ya que requiere menos energía que el Pi B / B+. Con el Raspberry Pi A+, las baterias (4 baterias AA de litio) nos durarán aproximadamente 20 horas, más que suficiente para un vuelo que estimamos duraría aproximadamente 2.5 horas.

El tablero Pi in the Sky incluye varios componentes diseñados específicamente para vuelos de globos. Ya que tenemos limitados conocimientos técnicos, preferimos empezar con un tablero de expansión para el Raspberry Pi ya existente, en vez de diseñar uno nosotros, que tardaría mucho tiempo. La página web de Pi in the Sky explica en más detalle en qué consiste el sistema, pero a alto nivel, incluye los siguientes componentes:

 

  • GPS: Un sensor GPS Ublox aprobado para alturas de hasta 50 kilómetros
  • Regulador de energía: Un regulador eficiente que nos provee con 20 horas de uso con solamente 4 baterías AA de litio.
  • Sensor de temperatura: Incluye un sensor de temperatura en el tablero (al final decidimos también agregar un sensor externo para poder medir la temperatura afuera de la caja.
  • Transmisor de radio: Incluye un transmisor de radio para poder ir transmitiendo los datos de coordenadas, altura, temperatura, etc. durante todo el vuelo.

 

Pagina Web: http://www.pi-in-the-sky.com/

Existe una cámara básica para el Raspberry Pi que agregamos, ya que el Pi in the Sky tiene la capacidad de mandar fotos en línea por radio. La cámara no es muy sofisticada, pero sí es bastante liviana que es una gran ventaja. Utiliza un sensor Sony IMX219 de 8 megapíxeles.

Moneda para comparar tamaño.

Queríamos poder medir la temperatura del aire afuera de la caja, yas que sabíamos que se iba a poner muy frío. Para ello, necesitábamos un sensor adicional. Utilizamos un sensor DS18B20. Es un sensor muy básico pero se consigue a costo bajo (~$4), y provee todo lo que necesitamos. El Raspberry Pi soporta este sensor sin cambios al software, que es una gran ventaja.

RECEPCION DE TELEMETRIA

Ahora que decidimos que equipo íbamos a utilizar para rastrear el vuelo, era muy importante tener claro cómo se iba a recibir la señal desde la cápsula para que en todo momento podríamos saber donde estaba el globo y poder recuperarlo al caer.

El SPOT es muy fácil de utilizar. El sistema automáticamente recibe señal de varios satélites, manda sus coordenadas a otro satélite que luego sube los datos a la página de SPOT. Se puede conectar desde un móvil y las coordenadas se pueden visualizar como en la siguiente imágen.

Recibir telemetría del Raspberry Pi es un poco más complicado. La computadora (Raspberry Pi) transmite datos a través del canal 434 Mhz, y por esto necesitamos las antenas apropiadas para recibir esta señal, y luego subir los datos a una página web para poder visualizar los datos en un mapa. La otra complicación es que el transmisor del Raspberry Pi no es muy potente, y por esto necesitamos antenas muy sensibles.

Por lo caros que son los radios, terminamos utilizando un receptor de radio USB. Estos se conocen como SDR (Software Defined Radio) dongles, y son mucho menos costosos que un radio. De un lado se conectan a una computadora, y por el otro a la antena. Se utiliza un programa en la computadora (en nuestro caso una aplicación abierta llamada Gqrx) para sintonizar a la frecuencia necesaria, y esta aplicación luego se conecta a otra aplicación llamada dl-fldigi, la cual decodifica la telemetría recibida, y carga los datos en un servidor central para poder visualizar el globo en un mapa.

Las siguientes páginas contienen información detallada del rastreo y de los sistemas de radio SDR:

Decidimos utilizar tres diferentes antenas para rastrear el vuelo, cada una con sus respectivas ventajas:

  • Antena Aérea 144 MHz /  430 MHz
    • Esta es una antena bastante básica, pero muy útil para nuestras pruebas. Es una antena whip como las que encontraríamos en un radio tradicional.
  • Antena Aérea Magmount
    • Esta es una antena aérea, parecida a la anterior, pero en este caso está diseñada para ir localizada sobre un carro. Fue muy importante durante la persecución del vuelo.
    • Antena Yagi
      • Por último, necesitaríamos un antena Yagi. Esta antena es más complicada ya que tiene que ser diseñada específicamente una frecuencia. Además de esto, es mucho más sensible pero también es una antena direccional, y por ello tiene que ir apuntada en la dirección general del globo. Esta antena la utilizamos durante la última parte del globo, ya cuando iba cayendo la cápsula con el paracaídas.

    Nota: Muchas gracias al club de radioaficionados de El Salvador, en especial a los señores Federico Anliker y Jose Arturo Molina por su ayuda con la creación de una antena Yagi para nuestro proyecto.

Programa para recibir señal del Raspbery Pi

Muestra de los datos recibidos de la computadora durante el vuelo real:

$$PUPUSA,6516,02:05:10,13.28306,-89.38227,00002,0,332,12,28.8,6.0,0.142,40.7*2746

PLAN DE VUELO

El plan de vuelo cambió muchas veces durante el proyecto. Fue un caso de prueba y error, donde fuimos cambiando variables hasta lograr conseguir una trayectoria de vuelo ideal. Era importante mantenernos a cierta distancia de los aeropuertos y tampoco alejarnos mucho de tierra.

Proyecciones de Vuelo:

Últimas Proyecciones HABHUB

Últimas Proyecciones ASTRA

En esta primera imágen, podemos ver como estábamos recibiendo la señal del Raspberry Pi por radio, y comparando los datos en ambas pantallas. El trabajo de configuración del Raspberry Pi fue bastante complejo, pero lo logramos con mucha paciencia.

DIA DEL VUELO

Como han visto, antes de poder lanzar un globo como estos es importante tomar en cuenta muchos factores en previos al lanzamiento. Nos aseguramos de llevar todos los materiales que necesitaríamos para el lanzamiento, y cargamos todo al carro.

Después de meter todos los componentes a la cápsula (y por supuesto la pupusa), había que pesar exactamente la cápsula, ya que necesitábamos saber cuánto helio tendría que llevar el globo para elevar el globo a la altura necesaria. Si por equivocación hubiéramos inflado el globo menos de lo necesario, no explotaría en el momento necesario y podría seguir flotando por muchas horas más. Utilizamos un contenedor de un galón de agua con la cantidad específica de agua que necesitábamos para poder medir la fuerza de elevación del globo en lo que lo inflamos para saber cuando parar.

Nos aseguramos de sellar la cápsula y cualquier entrada (especialmente donde salían los lentes de las cámaras) con silicon para prevenir alguna fuga de agua que podría ocurrir al momento de tocar agua.

Nota: Muchas gracias a la familia Wright y los encargados de Puerto Barillas por la posibilidad de lanzar el globo en su propiedad.

Lanzamiento

Las preparaciones para lanzar el globo tomaron varias horas. Solamente inflar el globo es un proceso que hay que llevar con mucho cuidado ya que tiene que llevar una cantidad de helio específica para optimizar la altura y tiempo de vuelo, y la única forma de medir esto es midiendo la fuerza de elevación del globo.

Tuvimos varias dificultades inesperadas: por ejemplo, el rastreador SPOT tomó mucho tiempo en agarrar señal. Pensamos durante las preparaciones que la antena GPS del receptor SPOT podría estar haciendo conflicto con otros equipos dentro de la cápsula, y decidimos mover el SPOT a último momento y localizarlo en la parte de arriba de la tapadera de la cápsula (por dentro).

Otra dificultad que tuvimos se relaciona a cómo se decodifica la telemetría del Raspberry Pi. Por alguna razón, la data no se estaba actualizando como esperábamos en la página de Habhub (https://tracker.habhub.org/). Después de 45 minutos de intentos y mucha discusión con los administradores de la página web, lograron actualizar un documento que ya permitió decodificar y cargar la data y las coordenadas del vuelo de nuestro globo en la página de rastreo de habhub.

LA PERSECUCIÓN

Nos dividimos en dos equipos – uno que se encargaría del lanzamiento, y luego haría el trabajo de rastrear el globo y proveer el equipo en el mar con las coordenadas de la cápsula para poder recuperar el equipo y en especial las fotografías.

En la siguiente imagen podemos ver datos de telemetría que recibimos a medio vuelo junto con una imagen que estábamos recibiendo en tiempo real. Tardaba casi 5 minutos en transmitir una imagen, ya que se estaba transmitiendo por radio solamente, y como se perdía la señal entre los árboles durante el viaje en vehículo, ni siquiera recibimos imágenes completas durante este tramo del vuelo.

En esta imagen podemos ver la trayectoria que llevaba el globo. Interesante ver cómo cruzó el globo, ya que los vientos van en diferentes direcciones a diferentes alturas de la atmósfera. La página de habhub es muy útil ya que muestra los datos que íbamos recibiendo por radio en un mapa y también puede recalcular la trayectoria esperada basada en el vuelo hasta el momento.

Poco a poco se perdía la señal del Raspberry Pi, y teníamos que ir aumentando la ganancia para tener oportunidad de seguir recibiendo datos de la cápsula.

Increíble ver como en este momento, a una altura de 13,651 metros, la temperatura ya había disminuido a -35 grados centígrados

RECUPERACIÓN

Primer Intento

Seguimos rastreando el vuelo hasta el momento que la cápsula cayó al mar, momento en el cual el Raspberry Pi ya no podría transmitir ya que la antena estaría dentro del agua. En este momento estaríamos dependiendo exclusivamente del rastreador SPOT, que durante el vuelo no había funcionado tan bien como esperábamos.

Todavía después que aterrizó la cápsula, logramos seguir rastreando con el sistema SPOT, y le mandamos las coordenadas al equipo dentro de la lancha, pero no lograban encontrar nada. Pasó una hora… pasó otra hora, y a pesar que actualizamos las coordenadas en el sistema, no lo encontraban. Nosotros en tierra frustrados que no podíamos ayudar. En eso, el sistema SPOT dejó de transmitir. Exactamente a las 2:35 PM fue la última transmisión. El equipo en el mar busco durante otra hora, pero ya se hacía tarde y era tiempo de regresar. Ya que el SPOT tiene que estar viendo al cielo para funcionar, nos imaginamos que la cápsula de dio vuelta en el mar.

El equipo estaba decepcionado que no habíamos logrado recuperar la cápsula, la cual era la parte más valiosa del vuelo ya que contenía todas las imágenes de la alta atmósfera. Nos habíamos quedado solamente con menos de 10 imágenes que habíamos recibido por radio, ninguna de las cuales habíamos recibido completamente ya que perdíamos la señal consistentemente (las líneas en la foto que sigue son paquetes de la imagen que no logramos recibir).

Segundo Intento

Esa noche, el sistema SPOT comenzó a transmitir de nuevo. No sabemos si es porque se dio vuelta de nuevo para estar viendo hacia arriba. Decidimos hacer un intento más y salir el día siguiente a buscar la cápsula. Durante el camino intentamos hacer cálculos para ver donde podría estar el globo basados en los pocos datos que habíamos recibido desde la noche anterior.  

De milagro, el sistema SPOT transmitió de nuevo la mañana siguiente justo antes que llegáramos al punto, y después de un tiempo, notamos un error que habíamos cometido el día anterior. Las coordenadas en el sistema SPOT estaban en un formato diferente al sistema que utilizabamos para navegación en el mar, y por esto nos dimos cuenta que estábamos buscando en una área a kilómetros de la ubicación real. Al notar esto, corregimos rumbo hacia la posición correcta y dentro de 20 minutos encontramos la cápsula flotando a medio mar, en muy buenas condiciones.

La cápsula flotando a medio mar, al revés - se perdió la pupusa.

El paracaídas había funcionado para que la cápsula no se moviera tan rápidamente con el viento.

Dentro de todo el equipo terminó en muy buenas condiciones. Mientras la cámara Canon si terminó arruinada, el SPOT y el Raspberry Pi están en perfectas condiciones para volver a utilizar en el futuro cercano para otro vuelo.

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