IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Стратосат ( Stratosat от англ. stratosphere и satellite) - летательный аппарат, использующий для полёта подъёмную силу заключённого в оболочке газа. Предназначен для полётов в стратосферу, то есть на высоту от 10 до 50 км.

Идея поднятия полезной нагрузки в стратосате схожа с системой в стратостате, отличие заключается в том, что в качестве нагрузки мы используем прототип спутника формата СubeSat. То есть модель спутника размером 100 х 100 х 100 мм (1-U).

Назначение

Данный ЛА (летательный аппарат) разрабатывается в научно- исследовательских целях. Областью применения изделия является получение научно-практической информации о характеристиках стратосферы и произведения аэросъёмки.

Условия эксплуатации:

Стратосат рассчитан для выполнения работ в условиях стратосферы:

Высота: от 11 до 50 км Давление: от 100 до 1 кПа. Температура: −56,5 °C до +0,8 °С . Плотность: от 1,2 до 0,01 кг/м³_.

Состав стратосата

В состав проектируемого стратосата входят: бортовой компьютер (БК), контрольно-измерительные приборы (КИП), аккумуляторные батареи (АКБ)

датчик, выполняющий функции передачи информации по радиоканалу (GSM),

система навигации (GPS).

Бортовой компьютер и электроника

В качестве бортового компьютера стратосата была использована модульная конструкция, основой которой стала отладочная плата Arduino Pro Mini (Рис. 1) на базе микроконтроллера ATMega-328P. БК работает на частоте 16 МГц, этого вполне достаточно для выполнения исследовательских целей.

Рис. 1. Arduino Pro Mini

Языком программирования является C++ с некоторыми упрощениями для простоты понимания и обучения языку. Благодаря своим малым габаритам микроконтроллер и датчики можно скомпоновать в компактную и легкую конструкцию.

Командой было решено использовать готовые датчики, стабилизатор питания и микроконтроллер в пользу экономии времени, которое заняла бы разработка плат и покупка деталей (многие из них пришлось бы заказывать). Купить готовый модуль дешевле, чем отдельные радиодетали и расходные материалы.

Для стабилизации напряжения питания используется регулируемый стабилизатор питания XL6009E1(Рис.2), который позволяет повышать напряжение 3,7 В с Li-Po (Литий-полимерных) аккумуляторов до необходимых микроконтроллеру и датчикам 5В.

Рис.2 XL6009E1

Датчики

Одним из основных предназначений стратосата является измерение атмосферных параметров давления и температуры в стратосфере, для этих целей в данной схеме использовались два датчика BMP180 (Рис.3) и Мpu9250 (Рис.4).

Рис.3. BMP180	Рис.4. Мpu9250

BMP180 представляет собой датчик давления и температуры т.е. барометр и термометр в одном корпусе. Он управляется микропроцессором посредством последовательного порта I2с

Mpu9250 предназначен для получения информации о положении нашего стратосата в пространстве. Он представляет из себя 9 датчиков в одном корпусе а именно 3 акселерометра, 3 гироскопа и 3 магнитометра, расположенных ортогонально. Он так же сообщен с процессором посредством последовательного порта I2c.

Система радиосвязи

Связь между ЛА и наземным приемным устройством осуществляется с помощью GPS и GSM датчиков. GSM датчик (Global System for Mobile Communications) – датчик, выполняющий функции передачи информации по радиоканалу. (Использует частоты 890 - 960 МГц)

GPS (Global Positioning System) – спутниковая система навигации. Используется для определения местоположения летательного аппарата. Система радиосвязи работает следующим образом. С GPS данные о местоположении передаются в формате текстового сообщения с помощью встроенного в бортовой компьютер микроконтроллера, через GSM-датчик по каналу мобильной связи. Приемником в данном случае выступает мобильный телефон или компьютер, при наличии подключенной ранее функции «Виртуальный номер».

Камера

В качестве устройства для проведения аэросъемки используется фотоаппарат Samsung st30. Данная модель фотоаппарата была выбрана благодаря малым габаритам и весу, а также неплохому качеству фотографий. Управление фотоаппаратом производится микрокомпьютером Arduino в автоматическом режиме.

Конструкция корпуса

За основу для изготовления конструкции корпуса стратосата были взяты ранее имеющиеся чертежи лабораторной модели корпуса формата кубсат 1U (one unit) (рис.5). Преимущества конструкции заключаются в том, что она монолитная и практичная. Проведенные ранее статический (оценка прочности разработанной конструкции по допускаемым напряжениям) и частотный (проверка наличия резонансных частот в рабочем частотном диапазоне изделия) анализы доказывают то, что рассматриваемая модель соответствует стандартам изделий космического назначения. Следовательно, конструкция пригодна для планируемых нами исследований.

Рис.5. Спутник формата Cubesat 1U

Помимо ранее имеющейся конструкции нами был спроектирован в программной среде трехмерного моделирования T-Flex второй вариант модели корпуса. Предполагается печать полученной модели на 3D принтере из углепластика. Преимущества: малый вес, высокая прочность, отличная работа на растяжение и изгиб при дополнительном армировании каучуком.

Система подъема

Для подъема стратосат планируется использовать метеорологический шар наполненный гелием. Причина выбора данного метода обоснована большой подъемной силой метеорологического шара и высокой надежностью. Грузоподъемность шара определяется пределом в 2000 граммов.

Система парашютирования

Существует три распространенные схемы крепления парашюта. В первой, парашют обтягивает шар. Вторая система предусматривает крепление парашюта в открытом состоянии на коротких стропах между нагрузкой и шаром. И третий способ - это использовать парашют как связующее звено между шаром и нагрузкой. Составляющие парашюта: купол, выполняется в виде многогранника из легкой синтетической ткани с небольшим отверстием посередине; стропы из капроновой нити.

Скорость спуска предпочтительно выбирать в пределах от 5-7 м/с. После того как мы определились с массой летательного аппарата и скоростью спуска, необходимо определить размер требуемого купола.

Это можно сделать по формуле S=2mg/(CxrV2). При расчете потребуется ввести коэффициент сопротивления Сх. Он примерно равен 1,1-1,2. Плотность воздуха r = 1,23 кг/м3 (при 15 ^oС). Можно рассчитать по вышеприведенной формуле площадь круга. Так же необходимо выполнить центральное отверстие в куполе, чтобы парашют был более стабилизирован при спуске и не разбалтывался.

Рис.6. Расчет площади парашюта

Диаметр отверстия должен быть примерно равен 1/20-1/40 диаметра купола.

Длина строп равна 1.5-2 диаметра купола.

Дальнейшие модификации стратосата

В дальнейшем планируется добавить ряд новых датчиков:

• Датчик газа, построенный на базе газоанализатора MQ-2, который позволяет обнаруживать наличие в окружающем воздухе углеводородных газов (пропан, метан, н-бутан), дыма (взвешенные частицы, являющиеся результатом горения), водорода.

• Датчик ультрафиолетового излучения ML8511.

• Пироэлектрический датчик.

• Датчик ионизирующего излучения (для измерения радиационного фона в условиях стратосферы было предложено использовать дозиметр МКС-85Б "Школьник".)

Так же планируется: уменьшить энергопотребление и установить солнечную батарею для анализа разностей солнечного потока.

Список литературы

1. Политехники запустили учебный студенческий спутник накануне Дня космонавтики URL http://news.tpu.ru/news/2016/04/04/25035/ (дата обращения 22.02.2017).

2. Студенты Томского политеха в День космонавтики запустят в стратосферу собственный спутник. URL: http://news.tpu.ru/news/2015/11/11/24156/ (дата обращения 22.02.2017).

3. О полёте первого российского наноспутника формата CUBESAT3U. URL:http://www.ssau.ru/news/12680/(дата обращения 22.02.2017).

4. Людмила Огородова: "Вы делаете нужное дело! "URL: http://www.ssau.ru/news/13636-Lyudmila-Ogorodova-Vy-delaete-nuzhnoe-delo/

5. Разработка летательного аппарата "Стратосат" для проведения научно-исследовательских работ стратосфере.URL:http://earchive.tpu.ru/handle/11683/23763 (дата обращения 22.02.2017).

6. Виртуальное конструкторское бюро ТПУ. URL: http://vdb.tpu.ru/news/na-mks-gotovyatsya-k-yubileyu-tpu.html (дата обращения 22.02.2017).

Код для цитирования: Скопировать