FAST erreicht Ziele für Höhenballonfahrten mit tragbaren Massendurchflussmessern
Südnevada aus etwa 100.000 Fuß während des Fluges von FAST-4
Ein Panorama von Bildern, die der FAST-7-Höhenballon im nahen Weltraum aufgenommen hat
FAST-Teams sind aufgefordert, kreative Lösungen für die Herausforderungen zu finden, die mit dem Start von Wetterballons aus Latex in die Atmosphäre verbunden sind. Jeder Ballon ist mit wissenschaftlichen Paketen zur Verfolgung, Bildgebung und für Experimente in der Zielhöhe ausgestattet, und es ist die Aufgabe des Teams, dafür zu sorgen, dass er dort ankommt, wo er hin soll.
Mit mehr als 17 Markteinführungen innerhalb von zwei Jahren hatte das Team alle möglichen Gelegenheiten, seine wissenschaftliche Kreativität auszuleben - und eines dieser Projekte führte sie zu Alicat!
Newtons Apfel fiel. Unsere Äpfel fliegen! - FAST-Team
Mit einem Ballon über den Atlantik
Das FAST-Team hatte ein ehrgeiziges Ziel: einen Wetterballon über den Atlantischen Ozean zu schicken. Dazu muss der Ballon eine präzise Höhe erreichen und lange genug halten, um mit den stratosphärischen Winden vom Süden Nevadas bis nach Afrika oder Europa zu fahren, eine Entfernung von etwa 6000 Meilen.
Herausforderung: Befüllen von Ballons mit der richtigen Gasmenge im Feld
Ein häufiges Hindernis beim HAB ist die Bestimmung der richtigen Menge an Helium- oder Wasserstoffgas, die dem Ballon hinzugefügt werden muss. Aufgrund der Kompressibilität von Gas kann sich das Volumen des Ballons bei abnehmendem Atmosphärendruck auf etwa das 128-fache seines ursprünglichen Volumens ausdehnen! Daher ist es wichtig, den Ballon mit genau der richtigen Menge Gas zu füllen, so dass er voll genug ist, um Auftrieb zu erzeugen, aber nicht so voll, dass er vor Erreichen der Höhe platzt.
Vorherige Lösung: Gewichtsstapel
Es ist üblich, dass HAB-Teams die Auftriebskraft des Gases im Ballon mit Hilfe von Gewichten messen. Zunächst wird der Ballon mit Gas gefüllt. Dann wird er zur Messung in ein Gebäude gebracht, um die Auswirkungen externer Kräfte wie Wind zu minimieren. Zuvor hatte das FAST-Team Messungen durchgeführt, indem es 0,5- und 1-kg-Gewichte auf einen Gewichtsstapel legte und auf Anzeichen des Abhebens achtete.
Die Messung auf diese Weise war zwar bis zu einem gewissen Grad effektiv, aber das Team kam bestenfalls auf eine Genauigkeit von 0,5 kg. Das war für Dr. Maxham und ihr Team nicht zufriedenstellend, so dass sie einen neuen Ansatz mit höherer Genauigkeit suchten.
Neue und verbesserte Lösung: Tragbarer Massendurchflussmesser mit Totalisator
Edward Giandomenico von FAST wandte sich an Alicat auf der Suche nach einer Möglichkeit, den Helium- und Wasserstofffluss in den Ballon mit hoher Genauigkeit zu messen. Alicat versorgte das Team mit einem 1500 SLPM tragbarer Massendurchflussmesser mit einer Totalisator.
Das FAST-Team füllt den Ballon vor dem Start von FAST-6
Massendurchflussmesser, der den Gasfluss in den Höhenballon misst
Das FAST-Team konnte mit diesem Gerät mehrere seiner Herausforderungen meistern:
- Dank der Tragbarkeit des Geräts und der 18-stündigen Akkulaufzeit konnten sie nun auch vor Ort Messungen durchführen.
- Mehrere vorinstallierte Gaskalibrierungen erleichtern den Wechsel zwischen fließendem Wasserstoff und Helium durch Befehle auf dem Bildschirm.
- Um ein Überfüllen zu verhindern, kann eine Massendurchfluss-Totalisierung eingerichtet werden.
- Die Genauigkeit beim Füllen des Ballons wurde deutlich erhöht.
Das Team konnte die Massendurchflussmessung und Totalisierung nutzen, um ihre Ballons mit einer präzisen Anzahl von Wasserstoff- oder Heliumgasmolekülen zu füllen, und zwar mit über 5000-facher Genauigkeit (von 0,5 kg bis zu einigen Zehntel Gramm). Soweit Dr. Maxham weiß, ist FAST die einzige HAB-Gruppe, die einen Durchflussmesser verwendet, um die Gesamtmenge des Gases, das in den Ballon gelangt, zu überwachen.
Ergebnis: FAST erreicht eine neutrale Auftriebskraft!
Der Start und Flug von FAST-12 am 4. August 2013 war ein Meilenstein für das Team: Es erreichte eine maximale Höhe von 123.463 Fuß und landete auf dem Amateurfunk-Hochgebirgsballonfahrt zum ersten Mal in der Rangliste. Eine der bemerkenswertesten Leistungen des Teams war das Erreichen eines neutralen Auftriebs. Bei schwankenden Winden und großen Entfernungen kann es schwierig sein, sicherzustellen, dass ein Ballon auf der richtigen Höhe bleibt und nicht vorzeitig platzt. Der Ballon konnte seine Höhe 90 Minuten lang konstant halten, bevor er platzte - ein großer Erfolg für das Team.
Ballon in großer Höhe während des Platzens, von einer nach oben gerichteten Kamera aus gesehen
Wie haben sie das gemacht?
Der Schlüssel zum Erreichen eines neutralen Auftriebs in einer bestimmten Höhe besteht darin, den Ballon mit gerade so viel Gas zu füllen, dass er aufsteigt, aber nicht so viel, dass er über das Ziel hinausschießt. Neutraler Auftrieb wird erreicht, wenn die Masse der vom Ballon verdrängten Atmosphäre gleich der Masse des Ballons selbst ist.
Die wichtigste Variable, die den neutralen Auftrieb ermöglicht, ist die Elastizität des Ballons und der daraus resultierende Druckanstieg im Inneren des Ballons im Vergleich zum atmosphärischen Druck. Dieser Druckanstieg ist in großen Höhen deutlicher und ermöglicht es dem Ballon, neutral aufzutragen.
" Der Trick besteht darin, dem Ballon die "Goldlöckchen"-Menge an Gas zu geben: gerade so viel, dass er die gewünschte Höhe erreicht, aber nicht so viel, dass der Ballon das Gas nicht mehr halten kann, wenn er dort ankommt. "- Dr. Maxham
Schlussfolgerung
Durch das Zusammenrechnen der Gasmasse in jedem Ballon konnte das FAST-Team seine Ballons in die Luft bringen und während der Testflüge wiederholbare Daten erzeugen. Das Team nutzte erfolgreich Wissenschaft, Technologie, Ingenieurwesen und Mathematik, um sehr komplizierte Probleme zu lösen - und das alles, während es mit einigen super lustigen und coolen Ballons herumspielte!
Eric nutzt seine App, um Masse- und Auftriebsberechnungen im Feld durchzuführen