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Alicats in the Wild: Massendurchflussmesser für Ballons in großer Höhe, Teil 1

Vor etwas mehr als einem Jahr spendeten wir einen tragbaren Massendurchflussmesser mit Totalisator für ein STEM-fokussiertes Hochballonprojekt namens FAST: Flying Apple Space Technologies. In diesem ersten Blog unserer “Alicats in the Wild“ -Reihe verfolgen wir das FAST-Team weiter, um einen Ballon über den Atlantik zu schicken. 

Vor zwei Jahren hat eine junge Frau ein YouTube-Video von einem Vater-Sohn-Team gesehen, das einen Höhenballon (HAB) in die Luft schoss und dies hat ihr Leben für immer verändert. Dr. Amanda Maxham hat mit einem Doktortitel der Astrophysik an der Universität von Nevada, Las Vegas, bald Flying Apple Space Technologies (FAST) ins Leben gerufen, ein Programm, das Studenten und Laien dazu inspiriert, sich in der Wissenschaft, Technik, Technologie und Mathematik (STEM) zu engagieren. FAST verwendet Latex-Wetterballons, die mit wissenschaftlichen Paketen ausgestattet sind, um Tracking, Bildgebung und Experimente in ihren Zielhöhen durchzuführen. Was den “fliegenden Apfel“ betrifft, erklärte sie: “Newtons Apfel ist gefallen. Unsere Äpfel fliegen.“ Cool!

Nevada from 100,000 feet

Südliches Nevada von ungefähr 100.000 Fuß während des Fluges von FAST-4

Als Empfänger des NASA Space Grant von Newada erhielt FAST in den letzten zwei Jahren 17 Starts. Ihr erster, am 24. September 2011, war ein epischer Fehlschlag mit ihrem wissenschaftlichen Projekt, das auf der Seite eines Berges abstürzt. Es dauerte zwei Tage, bis das Team die Nutzlast gefunden und wiederhergestellt hatte. Bei einem anderen Start hob der Ballon mit einem nicht funktionierenden Tracking Beacon ab. Dennoch sieht Dr. Maxham Misserfolge wie diese als Gelegenheiten für ihre Schüler, wissenschaftliche Hindernisse zu erkennen und kreativ zu überwinden. Es war eines dieser Hindernisse, die uns auf das FAST-Team aufmerksam machte.

Massendurchflussmesser für Ballons in großer Höhe

Ein häufiges Hindernis bei HAB ist die Bestimmung der korrekten Menge an Gas, das leichter als Luft ist, um es dem Ballon hinzuzufügen. Die Menge an Gas ist kritisch, um genug Auftrieb zu erzeugen, um eine Zielhöhe zu erreichen, bevor der Ballon platzt. Da Gase komprimierbar sind, ist das Volumen eine Funktion des atmosphärischen Drucks (und daher der Höhe) und der Temperatur. Ballonvolumina verdoppeln sich im Allgemeinen mit jeder 15.000 Fuß Höhe, so dass das Volumen eines Ballons bei 100.000 Fuß ungefähr das 128-fache seines Volumens ist, wenn es auf dem Boden gefüllt wurde. Das Füllen des Ballons mit zu wenig Gas erzeugt keinen ausreichenden Auftrieb; zu viel Gas kann dazu führen, dass der Ballon platzt, bevor er die Zielhöhe erreicht oder dass er vor dem Bersten nicht neutral schwimmt.

Mass flow meter for high-altitude ballooning

Massendurchflussmesser, der den Gasfluss vor dem Start in den Höhenballon summiert

The FAST team fills a balloon prior to launch.

Das FAST-Team füllt den Ballon vor dem Start von Fast-6.

HAB-Teams verwenden üblicherweise Gewichte auf dem Boden, um die Hubkraft des Gases innerhalb des Ballons zu messen, aber diese Methode ist unbequem und ungenau. Die Ballonfüllung muss während der Gewichtsmessung gestoppt werden, und dies muss in Innenräumen erfolgen, um den ständig wechselnden Kräften der wechselnden Winde am Startplatz zu entkommen. Das Stapeln von 1-kg- und 0,5-kg-Gewichten auf einem Gewichtsstapel, während man nach Anzeichen von Auftrieb Ausschau hielt, ergab für das FAST-Team eine Genauigkeit von höchstens 0,5 kg. Das Team von Dr. Maxham benötigte einen genaueren Weg, um zu überprüfen, ob beim Start die korrekte Höhe des Auftriebs erreicht wurde. Da die Berechnung der Hubhöhe einfach war, wenn die dem Ballon hinzugefügte Gasmenge gemessen werden konnte, suchte das Team nach einer Lösung. Als Edward Giandomenico von FAST im August letzten Jahres Alicat erreichte, waren wir begeistert, ihnen ihre Lösung anbieten zu können: Wir spendeten dem Team einen 1500-Tonnen-Massenflussmesser mit Totalisator.

Das FAST-Team kann auf Knopfdruck zwischen Helium- und Wasserstoffgas umschalten und dabei die Messgenauigkeit über die Batterie im Feld aufrechterhalten.

 

Mass flow meter for high-altitude ballooning

Alicat tragbarer Massendurchflussmesser mit Totalisator für Ballonfahrten in großer Höhe

Nach Dr. Maxhams Kenntnis ist FAST die einzige HAB-Gruppe, die einen Durchflussmesser verwendet, um die Gesamtmenge an Gas zu überwachen, die in den Ballon eintritt. Massenflussmessung und -summierung ermöglichen es dem FAST-Team, seine Ballons mit einer genauen Anzahl von Gasmolekülen am Boden zu füllen, so dass der Auftrieb und das Volumen des Gases in der Höhe genau richtig sind. In der Tat stieg die Genauigkeit des Teams bei der Messung des Auftriebs von 500 Gramm auf nur einige Zehntel Gramm! Da der Gasmassenstrom für einen bestimmten STP standardisiert ist, ist diese Art der Messung völlig unabhängig von lokalen Oberflächenwetterbedingungen, einschließlich Wind, Temperatur und Luftdruck. Auf diese Weise kann das FAST-Team sicher sein, dass 250 Standardkubikfuß Helium auf dem Boden immer noch 250 Standardkubikfuß Helium auf 120.000 Fuß sein werden, unter der Annahme eines leckfreien Ballons.

Eine weitere Herausforderung ist, dass FAST manchmal ihre Ballons mit Helium und manchmal mit Wasserstoff füllt. Helium ist sicherer (“Remember the Hindenberg!“), Aber momentan viel teurer. Wasserstoff ist ein preisgünstiges Gas und erzeugt einen größeren Auftrieb für ein gegebenes Volumen. Jedes Gas hat unterschiedliche Eigenschaften, die seine volumetrische Expansion beeinflussen, wenn der Ballon an Höhe gewinnt, sowie seine Reaktion auf sich verändernde Bedingungen am Startplatz. Es ist eine gute Sache, dass Alicat Massendurchflussmesser mit 30 Gas- und Gasmischungskalibrierungskurven vorbelastet sind. Das FAST-Team kann auf Knopfdruck zwischen den Daten der Helium- und Wasserstoffgaseigenschaften wechseln und dabei die Messgenauigkeit aufrecht erhalten, und zwar über die Batterie im Feld. Live Mass Flow Totalization ermöglicht es einem Teammitglied sicherzustellen, dass die Zielmasse innerhalb des Ballons ohne Überschwingen erreicht wird.

Bleiben Sie am Ball! Wir werden morgen mit einem Blick auf das ehrgeizige Streben von FAST, den Atlantik zu überqueren, fortsetzen.

Der nächste Start von FAST ist am 5. Oktober 2013, sofern das Wetter es zulässt. Sie können den Flug am Starttag verfolgen, also abonnieren Sie den FAST-Blog für Updates und Startpläne.
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