Versione 3D a più piani del contatore Geiger HADARP 3.0

Matteo Negri ha progettato e realizzato HADARP 3.0 (High Altitude Data Acquisition Radioactivity Probe), una nuova versione del suo contatore Geiger HADARP che ha volato in versioni diverse in missioni precedenti di StratoSpera. Gli cedo di seguito la parola per farci raccontare come ha migliorato HADARP 3.0, non prima di avervi fatto notare la sua attenzione e capacità di analisi ingegneristica tipica dei progetti spaziali.

- Paolo

Ok sembra che nelle ultime ore sia riuscito a far combaciare tutte le estremità della “delicata” faccenda HADARP! Spero di non aver dimenticato nulla. Ovviamente, come sempre prima del volo (per me è una tradizione come lo è per i russi far pipì sul razzo prima del liftoff) ho ripreso in mano il progetto, l’ho semplificato ulteriormente, raggiungendo così la configurazione finale di volo.

In soldoni ho ridisegnato HADARP completamente, ottenendo dalla media dei circuiti realizzati e testati negli ultimi mesi, quello che nell’insieme sembra aver soddisfatto tutte le esigenze di volo maturate nelle esperienze precedenti.

Sottosistemi di HADARP 3.0

Come potrete notare dalle foto allegate, dopo la versione di HADARP 3.0 in 2D, è nata quella in 3D, anche se sarebbe stato meglio chiamarla “at two floors”!

A parte gli scherzi! Ho disegnato questa nuova configurazione per cercare di limitare il più possibile i guai che abbiamo avuto con l’alta tensione nei voli precedenti. Il vuoto, il freddo, l’ozono o qualche altra diavoleria fisica presente in quota, infatti, ha determinato un’instabilità non trascurabile, che oltre ad aver compromesso il buon esito dell’esperimento, ha quasi messo a repentaglio la vita delle batterie di bordo, cosa assolutamente insostenibile per il progetto StratoSpera!

Quindi, per evitare d’intercorrere ancora una volta in questa pericolosa situazione, ho partorito il meglio che la mia mente malata potesse sfornare…

Appunto per questo, nel contesto di una notte insonne, ho deciso di separare il circuito in due parti:

• la sezione alta tensione al piano terra
• la sezione di rilevamento e controllo logico al primo piano.

Tra le due schede (piano ammezzato) ho inserito una piastra in vetronite per fornire un ulteriore piano d’isolamento. Come potrete notare le schede sono separate tra loro da quattro sostegni in teflon al fine d’aumentarne ancor di più il potere isolante.

Versione intermedia 2D di HADARP 3.0 su un'unica scheda

Le connessioni elettriche tra le due schede sono state eseguite tramite:

• un bus dati di tipo flat in configurazione segnale-massa-segnale-massa, onde ridurre al minimo eventuali disturbi sui segnali di controllo
• un solo cavetto isolato per portare al primo piano i 400 V necessari al tubo Geiger.

Il tutto funziona a 5 Vcc con un assorbimento massimo di 28,3 mA, corrente che scende a 23,2 mA se si tolgono i jumper non necessari nella configurazione “ready for fly”.

Le modifiche sostanziali rispetto ad HADARP 2.0 sono state le seguenti:

• un nuovo stadio ad alta tensione retroreazionato con circuiteria di stabilizzazione a ciclo chiuso dell’alta tensione generata (onde prevenirne eventuali instabilità o derive)
• un nuovo tubo Geiger di tipo SBM20 (Beta-Gamma) atto a sostituire il precedente LND712 (Alpha-Beta-Gamma) a mio parere eccessivamente sensibile in quota
• un fusibile da 200 mA sulla linea di alimentazione (BSM-2/HADARP) per sospendere l’esperimento al manifestarsi di uno dei problemi visti in passato.

Versione preliminare del prototipo di Polifemo, una piattaforma con una minifotocamera grandangolare

“La sapienza è figliola dell’esperienza” – Leonardo da Vinci

Lo scopo principale di StratoSpera 4, che lanceremo il 26 maggio 2012, sarà sperimentare una nuova configurazione di volo. Invece che a un solo pallone aerostatico come nelle missioni precedenti, la gondola sarà collegata a un cluster di tre palloni Hwoyee da 1.000 g. Ci aspettiamo che questa configurazione offra una maggiore stabilità al payload e in particolare ai sistemi fotografici, che dovrebbero consentire riprese migliori in alcune condizioni come quelle di bassa illuminazione.

Per verificare le prestazioni del cluster useremo Polifemo, un sistema con una minifotocamera grandangolare realizzato da Marco Zambianchi e Gianpietro Ferrario. L’”occhio” di Polifemo sarà sistemato nella parte superiore della gondola e puntato verso l’alto in modo da esaminare il comportamento e la dinamica dei palloni durante il volo.

Polifemo è una piattaforma sperimentale (Marco e Gianpietro preferiscono definirla “altamente sperimentale”) ispirata alle missioni amatoriali inglesi HADIE (Hadie High Altitude Balloon Project). E` basata su una scheda Arduino Ethernet con lettore microSD e una minifotocamera seriale TTL capace di riprendere foto a colori e in bianco e nero. La camera di Polifemo, di dimensioni e peso contenuti, ha un obiettivo con un campo di 120° e può riprendere immagini fino alla risoluzione 640×480. Le foto saranno periodicamente salvate sulla schedina di memoria microSD alla massima risoluzione.

Polifemo è il primo step nello sviluppo di strumenti e schede satellite che si collegano e lavorano in simbiosi con la scheda principale BSM-2, prodotta e offerta dal nostro sponsor Develer srl. Nei prossimi mesi, grazie anche all’esperienza che stiamo maturando, perfezioneremo l’interfaccia hardware e software tra BSM-2 e schede “satellite”, per lanciare poi un’iniziativa che vedrà il coinvolgimento di scuole e istituti tecnici nelle nostre campagne di lancio.

Il contatore Geiger HADARP 3.0

Siamo lieti di annunciare che il 26 maggio 2012 tenteremo di lanciare il quarto pallone del progetto StratoSpera, denominato StratoSpera 4, mantanendo un’altra opportunità per il 2 giugno. Il lancio avverrà come nelle missioni precedenti dal KSC – Kianti Stratosphere Center. Per chi non seguisse il mondo dei palloni gonfiati ricordiamo che si tratta della zona di Greve in Chianti (FI).

Come di consueto il payload includerà una serie di sensori e attrezzature. I componenti di bordo e le molte ore di lavoro richieste per realizzarli sono stati donati dagli sponsor e dai volenterosi membri del Team StratoSpera:

• la scheda elettronica principale BSM-2 donata da Develer srl grazie al lavoro di Francesco Sacchi e dei suoi collaboratori e colleghi
• la fotocamera digitale e il firmware modificato, nonchè l’infrastruttura software per la previsione delle traiettorie di volo ci arrivano da Francesco Bonomi
• il contatore Geiger HADARP realizzato da Matteo Negri con il contributo di Davide Andreani, che su StratoSpera 4 volerà nella nuova versione HADARP 3.0

La novità del payload di StratoSpera 4 è però un esperimento curato da Marco Zambianchi di cui per il momento vi sveliamo solo il nome in codice: Polifemo. Continuate a seguirci per saperne di più su Polifemo e il nuovo lancio.

Ripresa da una quota di 39,591 m, è probabilmente la foto più alta mai scattata da un pallone amatoriale. StratoSpera 3 si è alzato fino a 39.614 nella stratosfera stabilendo alcuni record.

Il prestigioso EPOD aveva già pubblicato il 29 giugno 2011 una nostra foto dei resti del pallone di StratoSpera 1, che ricordano un’immaginaria creatura stratosferica.

Come il più conosciuto APOD per l’astronomia, EPOD pubblica ogni giorno una suggestiva immagine commentata riguardante le scienze della Terra. EPOD è un servizio curato dalla Earth Science Division della NASA e dall’EOS Project Science Office presso il Goddard Space Flight Center, in collaborazione con il consorzio Universities Space Research Association (USRA).

Dati dei sensori di bordo di StratoSpera 3

Anzitutto, anche dal punto di vista della della scheda di bordo, il volo è stato un successo.

La scheda BSM-2, al suo secondo volo, non ha riportato problemi degni di nota. Ci sono alcune cose da migliorare, ma la maggior parte del carico pagante elettronico ha funzionato a dovere. Sulla scheda SD di bordo sono stati registrati tutti i parametri configurati per la durata del volo:

• ora UTC
• posizione GPS
• altitudine
• 3 temperature: due esterne e una interna
• pressione
• umidità relativa
• accelerazione sui 3 assi
• misure dal contatore Geiger HADARP
• parametri tecnici della scheda (tensioni varie e corrente assorbita)

Il log continua anche dopo, quando il pallone è rimasto per 2 ore a terra in attesa del recupero.

Il lancio è avvenuto intorno alle 10:06:20 UTC, che corrispondono alle 12 ora locale del Kianti StratoSphere Center.

Iniziamo ad analizzare i dati raccolti partendo da quello che ci ha fatto raggiungere il record: l’altitudine.

Altitudine

Altitudine in funzione del tempo (dati di StratoSpera 3)

La salita è avvenuta come sempre a velocità costante, con un rateo medio di circa 5 m/s che era esattamente l’obbiettivo che ci eravamo dati. Stavolta Francesco Bonomi ha pesato con cura il payload prima del lancio e le operazioni di gonfiaggio si sono svolte con la massima precisione e senza intoppi.

Appena subito dopo lo scoppio del pallone, a quasi 40 km, si nota un picco negativo a 0 metri di altitudine sul grafico. Questo è dovuto al fatto che il GPS, in quel momento, ha perso il FIX. Non abbiamo prove certe, ma gli indizi portano a dire che la perdita del FIX sia stata causata da una eccessiva velocità di discesa. Nei primi momenti, infatti, la velocità di discesa in caduta libera, praticamente in assenza di atmosfera, ha superato i 350 km/h! Nel tratto finale si è invece stabilizzata sui consueti ~20 km/h.

Il circuito di cut-off ha fatto il suo dovere come da parametri di lancio e ha rilevato lo scoppio e tagliato il cavo con i resti del pallone per evitare attorcigliamenti. Questa volta avevamo messo dei limiti molto più ampi onde evitare che, come nello scorso lancio, il cavo fosse tagliato per superamento della distanza massima impostata.

Temperatura

Temperatura in funzione del tempo (dati di StratoSpera 3)

Sullo stesso grafico abbiamo 3 sonde: due esterne e una interna. La seconda sonda esterna era stata pensata per misurare la temperatura di altri esperimenti a bordo del payload, ma dato che stavolta non ce n’erano,  le due sonde erano poste una molto vicina al payload (T2) e una un po’ più distante (T1) in modo da valutare se ci fossero differenze. Questo è stato fatto per verificare se, soprattutto in quota, la vicinanza al payload possa influenzare in qualche modo la misura di temperatura. Direi che dal grafico la risposta è stata negativa: non ci sono differenze apprezzabili.

All’aumentare dell’altitudine, la temperatura è prima scesa verso circa -55° C, lì è rimasta per un po’ relativamente stabile e poi ha ripreso a salire con l’altitudine fino a toccare i -9° C a 39..000 metri. La pausa di stabilità a -55° C è avvenuta tra circa 13.000 e 18.000 metri di quota, dove si trova la troposausa: essa segna il confine tra la troposfera (lo strato in cui viviamo) e la stratosfera. Proseguendo nella stratosfera gli strati di ozono che schermano le radiazioni ultraviolette rilasciano l’energia assorbita in calore, ed è per questo che continuando a salire la temperatura è invece aumentata.

Il minimo registrato è stato di circa -60° C toccati intorno ai 17.000 metri di quota, durante il rientro.

Dalla temperatura interna vediamo che in questo lancio, grazie ad un miglior isolamento, non siamo mai scesi sotto i +6° C, garantendo quindi una buona coibentazione nonostante la maggiore durata della missione e la maggiore velocità di discesa.

Pressione

Pressione in funzione del tempo (dati di StratoSpera 3)

Finalmente, con questa missione, abbiamo potuto provare il fondo scala del sensore di pressione utilizzato (che ricordo essere un Freescale MPX2100AP).

La pressione è scesa seguendo un andamento esponenziale raggiungendo 1 mBar intorno a 30.000 m di quota. A quel punto la misura non è scesa ulteriormente. C’è da dire che come ogni strumento di misura anche il nostro è soggetto ad errori, quindi soprattutto a fondoscala i dati vanno presi con la giusta approssimazione, ma ci riteniamo molto soddisfatti. I valori misurati sono infatti perfettamente in linea con quanto previsto dai modelli dell’atmosfera a meno di appena qualche mBar.

Un comportamento che ancora non siamo riusciti a spiegare è la gobba tipo “schiena di cammello” presente nel grafico al momento dell’atterraggio. La pressione sembra stabilizzarsi intorno 910 mBar, poi sale verso 925 mBar, scende a 917, risale a 925 e infine si stabilizza a 910 mBar. Il fenomeno non può essere un’interferenza elettromagnetica come quelle dell’altro lancio perché è stabile e dura per quasi 20 minuti. L’unica spiegazione che ci siamo dati è che ciò sia dovuto alla formazione di condensa sulla scheda elettronica. I segnali elettrici provenienti dal sensore sono infatti molto deboli e il circuito di rilevamento quindi molto sensibile. L’ipotesi è che se tra i contatti del sensore si fosse formato un leggero strato di condensa, questo avrebbe potuto modificare leggermente la misura. Con il tempo la condensa è evaporata e la misura è ritornata al suo valore nominale.

Da suggerimento di Michael Sacchi. Dal grafico della pressione è apprezzabile, come ovviamente in quello dell’altitudine, che l’atterraggio è avvenuto ad una quota superiore di quella del decollo. Eravamo infatti a quasi 1.000 m di altitudine, e questo ha richiesto un bel po’ di fatica ed impegno soprattutto da parte del nostro Francesco “Rambo” Bonomi

Umidità relativa

Umidità relativa in funzione del tempo (dati di StratoSpera 3)

Come prima cosa vorrei dire che il sensore che abbiamo a bordo, a causa delle condizioni ambientali in cui si trova, non è molto accurato.

Infatti il sensore usato (Honeywell HIH-5031) non è progettato per operare alle temperature così basse tipiche della stratosfera, nonché in quasi totale assenza di pressione. Direi che quindi i dati di umidità relativa registrati sono soggetti ad un elevato errore di misura, che stimiamo conservativamente in un +-10%.

In ogni caso, possiamo notare come le condizioni alle varie altitudini siano abbastanza ripetibili: l’ umidità relativa misurata in salita è praticamente la stessa trovata in discesa, solo che i vari strati vengono percorsi più velocemente in discesa.

Da notare il picco molto elevato (~80% RH) che StratoSpera ha incontrato a circa 1.000 metri di altitudine, sia in salita che durante la discesa.

Per le prossime missioni stiamo valutando di utilizzare sistemi di misura dell’umidità relativa più accurati.

Accelerazione

Accelerazione in funzione del tempo (dati di StratoSpera 3)

C”è un qualche tipo di errore sistematico nella misura, infatti ho riprovato e anche lasciando la scheda in piano, ferma, misura un’accelerazione di 9,5 m/s² invece di 9,8. Non ho indagato ulteriormente.

Come breve commento qualitativo al grafico: nella prima parte, durante la salita le misure sono molto frastagliate, a causa del movimento continuo del payload. Via via che il pallone sale la variabilità diminuisce a significare che il volo è più tranquillo. Ad un certo punto c’è uno stacco netto: è il momento dello scoppio. Segue una fase molto agitata dovuta alle turbolenze incontrate nella discesa per poi tornare tutto relativamente tranquillo una volta toccato terra. L’asse Y ha sempre una componente negativa perché il payload era inclinato di circa 23° rispetto all’orizzonte. Negli ultimi istanti del grafico si vedono dei picchi abbastanza marcati: era Francesco Bonomi che tentava di far “gentilmente” scendere il payload dall’albero

Radiazione

Radiazione in funzione del tempo (dati di StratoSpera 3)

Anzitutto dobbiamo dire che stavolta lo strumento HADARP si è comportato in modo nettamente migliore rispetto alla precedente missione. Ha infatti funzionato correttamente fino a una altitudine di circa 28.000 metri. Poi, improvvisamente, le misure sono schizzate fuori scala. Dopo poco il log ha risegnalato misure in scala, ma poco plausibili (conteggi di ~220 cpm, quando pochi istanti prima eravamo di media a circa 400), per poi spegnersi del tutto.

Nello scorso lancio, avevamo individuato il problema delle false misure nella creazione di un arco elettrico tra due piste dell’alta tensione necessaria ad alimentare il tubo Geiger. In questo lancio avevamo ricoperto il circuito di HADARP di vernice isolante in modo da eliminare il problema. Da una analisi effettuata dopo il rientro sembra che l’isolamento abbia retto, quindi mi sentirei di escludere la stessa causa.

Stavolta, a differenza della volta scorsa, le misure però non sono più tornate nella norma, segno che qualcosa si è rotto definitivamente. Da un test fatto in laboratorio il circuito sembra a posto, quindi per esclusione il guasto dovrebbe essere dovuto al solo tubo Geiger, che probabilmente non ha retto al vuoto stratosferico. Un tubo Geiger è infatti costituito da un tubo di vetro con all’interno un gas a bassa pressione. Sono anche presenti due elettrodi. Al passaggio di una particella radioattiva, essa eccita il gas contenuto all’interno creando per un istante un impulso di corrente tra i due elettrodi. Il circuito di HADARP rileva e conta questi impulsi per fornire una misura. E’ quindi probabile che l’esposizione prolungata a basse pressioni, magari unita alle basse temperature, abbia sollecitato eccessivamente il fragile tubo di vetro, danneggiandolo irreparabilmente.

Luca Di Fino ha analizzato i dati di radiazione di HADARP nel volo StratoSpera 3.

Per le prossime missioni è previsto di riprogettare completamente HADARP in modo da ovviare ai problemi riscontrati. Per questo e per l’analisi puntuale dei dati raccolti, lasceremo la parola a Matteo Negri.

Tensioni e corrente

Tensioni e corrente in funzione del tempo (dati di StratoSpera 3)

E per finire, ecco i dati di housekeeping!

Come ogni bravo veicolo spaziale, anche StratoSpera ha a bordo diversi sistemi di supporto necessari al buon funzionamento di tutti i sensori, sistemi ed esperimenti presenti.

Tutto quanto non fa parte di sensori ed esperimenti, in gergo viene chiamato “housekeeping”, ovvero “gestione domestica”  In particolare, nel nostro caso, la scheda BSM-2 teneva sotto controllo le varie tensioni di alimentazione presenti e la corrente assorbita dalle batterie.

Le misure di tensione (tensione batterie in blu, +5 V in rosso, +3.3 V in giallo) si riferiscono alla scala a sinistra, in Volt, quella di corrente (verde) a destra, in milliAmpere.

Anche stavolta si può notare un grande picco di assorbimento di corrente più o meno a metà grafico. Dai ~150 mA nominali si è saliti a circa 350 mA, più del doppio!

L’assorbimento anomalo coincide con le misure non nominali rilevate da HADARP. In concomitanza con l’assorbimento anomalo, si hanno anche abbassamenti di tensione sulle batterie e sul +5 V stabilizzato, ma non sul 3.3 V. Questo significa che l’assorbimento era dovuto a qualcosa collegato alla linea di alimentazione a 5 V. Ci sono solo 2 dispositivi alimentati da quest’ultima: il GPS di bordo e… HADARP!

Tutti gli indizi fanno quindi pensare che la rottura del tubo abbia causato contemporaneamente anche l’assorbimento non nominale di corrente.

Fortunatamente le batterie di bordo hanno retto egregiamente al sovraccarico.

Forse, per abbassare i rischi nelle missioni future, potrebbe aver senso installare uno switch in modo da tagliare l’alimentazione a apparecchiature non vitali in caso di guasti come questo, in modo da garantire lo stesso il funzionamento di dispositivi vitali quali il GPS.

I laghi Trasimeno, di Bolsena e di Bracciano da 39.565 visti da StratoSpera 3

Dopo lo stupore per la quota di 39.614 m raggiunta da StratoSpera 3, che abbiamo lanciato il 10 settembre 2011, ci siamo documentati per confrontare le prestazioni del volo con quelle ottenute da altri gruppi di appassionati. Il sito ARHAB Records cataloga i record dei lanci di palloni amatoriali in tutto il mondo. Dall’elenco dei record di altitudine nella sezione Records > Altitude > Highest, ci siamo resi conto che StratoSpera 3 si sarebbe classificato al quarto posto. La prima posizione spetta al volo americano PBH-13 del 4 marzo 2011, arrivato a 41.157 m.

Siamo lieti di annunciare che ARHAB Records ha accettato la nostra domanda di registrazione del record. StratoSpera 3 è dunque il quarto volo arrivato più in alto di un pallone amatoriale in tutto il mondo. Stabilisce probabilmente anche il record italiano perché è l’unico del nostro paese nelle posizioni precedenti.

Dalle informazioni sui voli nelle prime tre posizioni della classifica si nota inoltre che i loro payload non includevano sistemi di ripresa fotografica. Sembra quindi che quelle di StratoSpera 3 siano le foto più alte mai scattate da un pallone amatoriale. Vi mostriamo in particolare qui sotto la foto più alta, dalla quota di 39.591 m, mentre il pallone si trovava in una zona sopra Bibbiena (AR), in quel momento il tetto d’Italia. Si riconoscono il lago di Bolsena e la costa tirrenica.

Il lago di Bolsena (a sinistra) e la costa tirrenica da 39.591 m: è la foto più alta ripresa da un pallone amatoriale