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Alicats en estado salvaje: medidores de flujo másico para globo a gran altitud, parte 1

Hace poco más de un año, donamos un medidor de flujo de masa portátil con totalizador a un proyecto de globo aerostático enfocado en STEM llamado FAST: Flying Apple Space Technologies. En este primer blog de nuestra serie «Alicats in the Wild», seguimos al equipo FAST mientras se esfuerzan por enviar un globo a través del Atlántico.
 

Hace dos años, una joven vio un video de YouTube de un equipo de padre e hijo que lanzaba un globo de gran altitud (HAB) hacia el espacio cercano y cambió para siempre. Con un doctorado de astrofísica recientemente impartido en la Universidad de Nevada, Las Vegas, la Dra. Amanda Maxham pronto estableció Flying Apple Space Technologies (FAST), un programa que usa globos de gran altitud para inspirar a estudiantes y laicos a involucrarse en la ciencia , ingeniería, tecnología y matemáticas (STEM). FAST usa globos de látex para el clima equipados con paquetes científicos para rastrear, generar imágenes y experimentar en sus altitudes objetivo. En cuanto a la «manzana voladora», simplemente explican: «La manzana de Newton cayó. Nuestras manzanas vuelan». ¡Bonito!

Nevada from 100,000 feet

El sur de Nevada desde aproximadamente 100,000 pies durante el vuelo de FAST-4

Un receptor de Nevada NASA Space Grant, FAST ha tenido 17 lanzamientos en los últimos dos años. El primero, el 24 de septiembre de 2011, fue una falla épica con su carga científica de aterrizaje forzoso en el lado de una montaña. El equipo tardó dos días en localizar y recuperar la carga útil. Durante otro lanzamiento, el globo se despegó con una baliza de seguimiento que no funcionaba. Sin embargo, el Dr. Maxham ve fracasos como estos como oportunidades para que sus alumnos identifiquen obstáculos científicos y los superen creativamente. Fue uno de estos obstáculos que atrajo la atención del equipo FAST.

Medidores de flujo másico en globo a gran altitud

Un obstáculo común en HAB es determinar la cantidad correcta de gas más ligero que el aire para agregar al globo. La cantidad de gas es crítica para generar suficiente sustentación para alcanzar una altitud objetivo antes de que el globo explote. Debido a que los gases son compresibles, el volumen es una función de la presión atmosférica (y por lo tanto de la altitud) y la temperatura. Los volúmenes en globo generalmente se duplican con cada 15,000 pies de altura, por lo que el volumen de un globo a 100,000 pies es aproximadamente 128 veces mayor que su volumen cuando se llenó en el suelo. Llenar el globo con muy poco gas no genera suficiente elevación; Demasiado gas puede hacer que el globo explote antes de alcanzar la altitud objetivo, o que deje de flotar neutralmente antes de estallar.

Mass flow meter for high-altitude ballooning

Medidor de flujo másico que totaliza el flujo de gas en el globo de gran altitud antes del lanzamiento

The FAST team fills a balloon prior to launch.

El equipo FAST llena el globo antes del lanzamiento de FAST-6.

Los equipos de HAB comúnmente usan pesos en el suelo para medir la fuerza de levantamiento del gas dentro del globo, pero este método es inconveniente e inexacto. El llenado del globo debe detenerse mientras toma medidas de peso, y esto debe hacerse en el interior para escapar de las fuerzas constantemente cambiantes de los vientos cambiantes en el sitio de lanzamiento. Apilando pesas de 1 kg y 0.5 kg en una pila de pesas mientras se observan los signos de levantamiento, el equipo FAST obtiene una precisión de 0,5 kg en el mejor de los casos. El equipo del Dr. Maxham necesitaba una forma más precisa de verificar que se alcanzara la cantidad correcta de levantamiento en el lanzamiento. Sabiendo que calcular la cantidad de sustentación era simple si se podía medir la cantidad de gas agregado al globo, el equipo comenzó a buscar una solución. Cuando Edward Giandomenico de FAST se acercó a Alicat en agosto del año pasado, estábamos emocionados de poder brindarles su solución: donamos al equipo un medidor de flujo másico portátil de 1500 slpm con totalizador.

El equipo FAST puede cambiar entre el helio y el gas hidrógeno con solo presionar un botón, al tiempo que mantiene la precisión de la medición y lo hace a través de la energía de la batería en el campo.

 

Mass flow meter for high-altitude ballooning

Medidor de flujo másico portátil Alicat con totalizador para vuelo en gran altitud

Para conocimiento del Dr. Maxham, FAST es el único grupo HAB que usa un medidor de flujo para monitorear la cantidad total de gas que ingresa al globo. La medición y totalización del flujo de masa le permite al equipo FAST llenar sus globos con una cantidad precisa de moléculas de gas en el suelo para que la elevación y el volumen del gas a la altitud sean los adecuados. De hecho, la precisión del equipo en la medición de la elevación aumentó de 500 gramos a solo unas décimas de gramo. Debido a que el flujo de masa gaseosa está estandarizado para un STP particular, este tipo de medición es completamente independiente de las condiciones climáticas de la superficie local, incluido el viento, la temperatura y la presión barométrica. De esta forma, el equipo de FAST puede estar seguro de que 250 pies cúbicos estándar de helio en el suelo seguirán siendo 250 pies cúbicos estándar de helio a 120,000 pies, suponiendo un globo sin fugas.

Otro desafío es que FAST a veces llena sus globos con helio, y algunas veces con hidrógeno. El helio es más seguro («¡Recuerda el Hindenberg!») Pero actualmente es mucho más caro. El hidrógeno es un gas económico y produce una mayor sustentación para un volumen dado. Cada gas tiene diferentes propiedades que afectan su expansión volumétrica a medida que el globo gana altitud, así como su reacción a las condiciones cambiantes en el sitio de lanzamiento. Es bueno que los medidores de flujo másico de Alicat estén precargados con 30 curvas de calibración de mezcla de gas y gas. El equipo FAST puede alternar entre los datos de propiedades de gas helio e hidrógeno con solo presionar un botón, mientras mantiene la precisión de la medición y lo hace a través de la energía de la batería en el campo. La totalización del flujo total en vivo permite que un miembro del equipo se asegure de que la masa objetivo dentro del globo se logre sin sobrepasarse.

¡Manténganse al tanto! Continuamos mañana con una mirada a la ambiciosa búsqueda de FAST para cruzar el Atlántico.

El próximo lanzamiento de FAST es el 5 de octubre de 2013, si el clima lo permite. Puede seguir su vuelo el día del lanzamiento, así que asegúrese de suscribirse al blog de FAST para obtener actualizaciones y calendarios de inicio.

 

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