Projektas „GLORY II“: naujas lietuvio į stratosferą paleisto zondo skrydis (Foto, Video)

Istorija ir tikslas

Tačiau viskas nėra taip paprasta, kaip gali pasirodyti iš pirmo žvilgsnio. Reikia sekimo sistemos, kad galėtume fotoaparatą surasti. Ji turi veikti idealiai – viena klaida gaminant, ir įranga bus prarasta. Fotoaparatas pats nefotografuoja – reikia padaryti specialią sistemą, kuri pati tą fotoaparatą valdytų. Kadangi jau 10 km aukštyje temperatūra siekia –60 °C (balionas kyla į daugiau negu 30 km aukštį), visa įranga turi būti gerai apšildyta. Baterijos turi būti parinktos atsižvelgiant į jas veikiančią temperatūrą. Taip pat reikia apgalvoti saugaus nusileidimo sistemą, visos įrangos atsparumą vandeniui, smūgiams ir kratymui. O be to, reikia nepamiršti, kad visas zondas turi būti kuo lengvesnis – balionas nepakeltų daugiau nei 2 kg sveriančios įrangos. Visos detalės ir sudedamosios dalys gana specifinės ir sunkiai Lietuvoje gaunamos, pavyzdžiui, tik nedaug visų GPS imtuvų veikia 30 km aukštyje, ne visos detalės pritaikytos atlaikyti –60 °C temperatūrą ir t. t.

Vietoje vieno fotoaparato panaudoti du. Nors iš jų vienas buvo daug prastesnės kokybės, tačiau tai gerokai padidino tikimybę gauti skrydžio nuotraukas net dėl pagrindinio fotoaparato gedimo. Taip pat dėl įdomumo buvo įmontuota pigi vaizdo kamera, kuri nufilmavo paleidimo momentą. Vienas pagrindinių „GLORY II“ zondo konstrukcinių privalumų buvo tas, kad elektroninė dalis buvo sudaryta iš atskirų savos gamybos modulių, kurie atliko skirtingas funkcijas. „GLORY I“ įrangą sudarė viena pagrindinė plokštė, kurioje buvo sumontuoti mikrovaldikliai, įtampos stabilizatoriai, baterijos ir sekimo sistemos. Tuo tarpu naujame zonde pritaikyta modulinė konstrukcija (jungiant atskirus modulius prie centrinės plokštės), įmontuota daugiau jutiklių. Realiu laiku buvo galima stebėti atskirų įrangos dalių įtampą, vidinę ir lauko temperatūrą, tikslų aukštį, buvimo koordinates, ryšio kokybę.

Visai įrangai pakelti į didesnį nei 30 km aukštį panaudotas toks pats iš latekso pagamintas ir 1,2 kg sveriantis „Totex TX1200" balionas. Šie balionai gaminami meteorologiniams tikslams – vėjo greičiui, temperatūrai skirtinguose aukščiuose stebėti. Jie pritaikyti kelti maždaug iki 1 kg sveriančią įrangą. „GLORY II" zondas svėrė beveik 2 kg, todėl balioną teko pripildyti daugiau dujų. Dėl šios priežasties pakilimo aukštis truputį sumažėjo. Paleidimo metu baliono skersmuo būna apie 2 metrus. Jis, kildamas į viršų, dėl mažėjančio atmosferos slėgio pučiasi, kol, pasiekęs 30–33 km aukštį, sprogsta – pasiekia didžiausią plėtimosi ribą. Labiausiai neįtikėtina yra tai, kad tokiame aukštyje jis jau būna daugiau negu 9 metrų skersmens.

Balionui sprogus didesniame nei 30 km aukštyje, visa įranga krenta žemyn laisvuoju kritimu. Norint apsaugoti zondą nuo sudužimo, reikia naudoti parašiutą, sumažinantį leidimosi greitį. Čia iškyla keletas problemų. Jei parašiuto skersmuo bus per didelis, zondo leidimosi greitis bus per mažas, todėl vėjas įrangą gali nunešti toli nuo paleidimo vietos. Jei parašiuto skersmuo per mažas – smūgio į žemę metu gali išsijungti sekimo sistemos, sudužti fotoaparatai. Reikia rasti tarpinį variantą – „GLORY II" atveju parašiuto skersmuo buvo 1,2 m. Su tokiu parašiutu leidimosi greitį prie žemės pavyko sumažinti iki 20 km/h. Parašiuto išskleidimo sistema labai paprasta, tačiau puikiai veikianti. Parašiuto apačia (vieta, į kurią sueina stropos) rišama prie virvės, einančios link zondo. Parašiuto kupolo viršutinis taškas rišamas prie virvės, einančios link baliono. Parašiutas tarnauja kaip tarpinė grandis tarp baliono ir zondo. Balionui sprogus ir įrangai pradėjus kristi, susidaręs vėjo srautas automatiškai išskleidžia parašiutą. Norint išspręsti galimą susipainiojimo tikimybę, tam tikrose virvės dalyse buvo įrišti tvirti žvejybiniai suktukai bei buvo paliktas nemažas atstumas tarp baliono ir parašiuto.

Zondas skrydžio metu turi atlaikyti ekstremalias sąlygas. Jis turi būti atsparus smūgiui nusileidimo metu, kratymui dėl atmosferos turbulencijos skrendant, šalčiui 30 km aukštyje. Yra tikimybė, kad įranga nusileis į ežerą, todėl zondas turi plūduriuoti, būti nepralaidus vandeniui. Nuo viso šito įrangą ir fotoaparatus saugojo korpusas, pagamintas iš specialaus kieto putplasčio. Ši dėžutė buvo apjuosta diržais ir pririšta prie virvė, einančios parašiuto ir baliono link. Norint pagaminti kuo tvirtesnį ir tikslesnį korpusą, visos dalys buvo išpjautos įkaitusia nichromine viela savos gamybos pjaunančiu prietaisu ir suklijuotos tam skirtais putplasčio klijais. Taip pagaminta labai sandari, nuo vandens, šalčio ir smūgių apsauganti dėžutė. Korpusas buvo sudarytas iš trijų atskirų ertmių. Dvi šoninės ertmės buvo panaudotos fotoaparatams, vidurinė (vienintelė visiškai atspari vandeniui bei geriausiai apšiltinta) – visai likusiai, svarbiausiai įrangai montuoti. Kadangi fotoaparatų objektyvams turi būti išpjautos skylės, šoninės ertmės, nusileidimo į ežerą metu, būtų užlietos. Nuostolis būtų gan nedidelis, nuotraukas iš atminties kortelių vis tiek galima būtų nuskaityti, nors fotoaparatai būtų buvę sugadinti. Svarbiausia, zondo valdymo ir sekimo sistemos vis tiek išliktų sveikos. Stiklo šioms angoms uždengti negalima naudoti dėl paprastos priežasties – dėl zondo viduje esančios drėgmės bei vidaus ir lauko temperatūrų skirtumo stiklas pradeda rasoti, taip visiškai sugadindamas nuotraukas.

Pagrindinės sekimo sistemos veikimo principas išliko toks pats, kaip ir zonde „GLORY I“. Užprogramuotas mikrovaldiklis paima informaciją iš GPS imtuvo (koordinates, greitį, aukštį, ryšio kokybę ir t. t.), temperatūrą iš išorinių ir vidinių temperatūros jutiklių, tam tikrų įrangos taškų įtampą (tarp jų ir baterijų sistemos įtampą), visus šiuos duomenis užkoduoja ir perduoda 144,800 MHz dažnio ir 300 mW galios siųstuvui. Informacija iš skrendančio zondo radijo bangomis išspinduliuojama vos sekundės dalį trunkančiais duomenų paketais į automobilyje sumontuotą priėmimo stotį. Ji sudaryta iš radijo imtuvo, prijungto prie nešiojamo kompiuterio. Pagal šiuos duomenis galima numatyti tolimesnį zondo judėjimą ir taip, naudojantis žemėlapiais ir navigacijos įranga, sekti jį iš paskos viso skrydžio metu. Šios sekimo sistemos gamybai teko skirti daugiausiai laiko. Visas funkcijas (temperatūros jutiklių, GPS imtuvo informacijos apdorojimo, įrangos dalių įtampos fiksavimo) atliko užprogramuotas mikrovaldiklis. Sekimo sistemos modulio montažinę plokštę sudarė du takelių sluoksniai. Radijo siųstuvas ir antena buvo sumontuoti ant tos pačios plokštės. Taip pavyko pagaminti mažų gabaritų ir svorio sekimo ir telemetrijos sistemą. Kadangi nusileidęs zondas gali nuvirsti ant bet kurio šono, reikalinga į visas puses vienodai spinduliuojanti antena. Šiam tikslui panaudota nedidelę, 2 metrų bangų diapazono antena, kurios stiprinimo koeficientas buvo 0 dBi. Tai nebuvo pati efektyviausia antena, tačiau kitos netiko dėl per didelių gabaritų. Vis dėlto, naudota antena veikė pakankamai gerai.

Sekimui naudotame automobilyje buvo sumontuota kokybiška „Yaesu VX-170“ racija, kuri buvo prijungta prie 2 dBi stiprinimo koeficiento antenos, esančios ant automobilio stogo, zondo siunčiamų paketų priėmimui. Garso signalas per izoliacinį transformatorių buvo perduodamas į nešiojamąjį kompiuterį ir ten atkoduojamas. Prie pagrindinės sekimo sistemos buvo prijungtas „Garmin" firmos „GPS 35 HVS" imtuvas, galintis veikti net keliasdešimties kilometrų aukštyje. Nors šio „Garmin" imtuvo jautris nėra labai didelis, lyginant su naujausios kartos imtuvais, tačiau to pakako. Daugelis laisvai parduodamų GPS imtuvų 30 km aukštyje neveikia: jų programinėje įrangoje būna įdiegti aukščio ir greičio apribojimai, kad imtuvai nebūtų panaudoti balistinėse raketose. Minėtame prietaise tokių apribojimų nebuvo.

Kaip atsarginį variantą, į zondą Ernestas įmontavo pigią, lengvą, kinų gamybos GSM sekimo sistemą, kuri gautas zondo buvimo koordinates GSM ryšiu siunčia į mobilųjį telefoną. Ją naudoti kaip pagrindinę yra labai rizikinga dėl keleto priežasčių. Pirmiausia, GSM ryšys dingsta vos kelių kilometrų aukštyje, todėl beveik viso skrydžio metu nebūtų įmanoma palaikyti ryšio su zondu. Taip pat negalima būti visiškai tikram, kad įranga nusileis GSM ryšio zonoje, dėl to zondas negalėtų atsiųsti buvimo koordinačių ir būtų pamestas. Tačiau kaip atsarginis variantas pagrindinei sekimo sistemai šis prietaisas visai tinka.

Atsarginė sekimo sistema

Fotoaparatai

Skrydžio metu energiją įrangai teikė nuosekliai sujungtų baterijų sistema. Kadangi temperatūra zonde gali nukristi iki –60 °C, įprastos baterijos ar akumuliatoriai šiam tikslui netinka. Todėl kainos, svorio ir energijos talpos atžvilgiais vienos iš tinkamiausių yra „Energizer L91" nekraunamos AA Li-FeS2 baterijos. Lyginant su paprastomis baterijomis, šios vos ne dešimtį kartų brangesnės, tačiau yra labai lengvos, gali atlaikyti iki –40 °C temperatūrą bei yra pakankamai didelės talpos. Trijų sekimo sistemų, dviejų GPS imtuvų ir fotoaparatų maitinimui viso skrydžio metu energiją teikė 16 tokių baterijų, sumontuotų į specialią, savos gamybos baterijų plokštę. Taip sukonstruotas patikimas, apie 24 V įtampos maitinimo šaltinis, turintis pakankamai energijos maitinti sekimo sistemas gana ilgą laiką net po nusileidimo.

Pagrindinė plokštė
Šiame zonde visos pagrindinės dalys buvo sudarytos iš atskirų modulių. Norint jas patikimai tarpusavyje sujungti, buvo pagaminta pagrindinė plokštė, ant kurios buvo montuojama visa likusi įranga. Atskiri moduliai, fotoaparatai, tarpusavyje jungėsi būtent per šią plokštę. Fotoaparatų mikrovaldiklis buvo įlituotas plokštės viršuje. Taip pagaminta tvirta, atspari smūgiams elektroninės įrangos konstrukcija. Ernestas sako, jog buvo užtikrintas, kad net smūgio į žemę metu nei vienas laidas nenulūš ir niekas neatsijungs. Paleidimas
Kelios savaitės prieš GLORY II paleidimą buvo pačios neramiausios. Laiko labai trūko, kadangi vasara ėjo į pabaigą. Prieš paleidimą daug kartų teko tikrinti, ar viskas veikia taip, kaip turėtų, teko nuolat stebėti orus, skaičiuoti galimą zondo nusileidimo vietą. Viską reikėjo derinti su kitais žmonėmis, be to, paleidimą norėta legalizuoti. Po daugybės pakartotinių tikrinimų ir meteorologinių sąlygų vertinimo, nuspręsta, jog „GLORY II" kils 2011-ųjų rugpjūčio 15 dieną. Paleidimo dieną, sulaukus naujausių meteorologinių prognozių, perskaičiuota ir patikslinta numatoma skrydžio trajektorija ir nusileidimo vieta – balionas turėjo leistis netoli Utenos. Balionas pripildytas truputį daugiau nei 4 kubiniais metrais vandenilio dujų, sudėta visa reikiama įranga. Zondas startavo 09:23 laiku ryte.

Paieškos
Iš pradžių viskas sekėsi puikiai. Baliono skrydžio trajektorija beveik visiškai atitiko apskaičiuotą, temperatūra zondo viduje laikėsi tokia pati kaip ir ant žemės, maitinimo įtampa buvo ideali. Tačiau praėjus 40 minučių nuo paleidimo momento, teko truputį sunerimti. Ryšys tarp baliono ir automobilyje sumontuotos priėmimo stoties ėmė po truputį silpnėti. Kartais ne visi koordinačių paketai būdavo atkoduojami. Autorius po kurio laiko suprato, kad dėl visko kaltas ne koks nors gedimas savarankiškai gamintoje sekimo sistemoje, o tai, kad automobilis tuo metu įvažiavo į mišką. Kadangi siųstuvo galingumas labai nedidelis (vos 300 mW), reikia būtinai palaikyti tiesioginį matomumą su balionu. Aplinkui esantys medžiai labai blogino ryšio kokybę. Teko paskubėti greičiau išlėkti iš miško ir atsidurti atviresnėje vietovėje. Ir iš tiesų, viskas pasikeitė vos išvažiavus iš miško – ryšio kokybė pastebimai pagerėjo.

Skrydžio trajektorija ir toliau buvo labai panaši į numatytą, todėl žinota, jog po 20 minučių zondas kabos tiesiai virš sekimo komandos, būdamas beveik 30 km aukštyje. Sprogus balionui, įrangai nusileisti iš 30 km aukščio reikia vos pusvalandžio. Dėl ypač mažo oro tankio parašiutas nėra labai veiksmingas, todėl pradžioje kritimo greitis siekė 180 km/h. Įrangai artėjant link žemės, kritimo greitis po truputį pradėjo panašėti į apskaičiuotą. Buvo aišku, kad parašiutas visiškai išsiskleidęs ir nusileidimas turėtų būti sėkmingas. Nuolatos pagal naujausias koordinates planuotas tolimesnis maršrutas. Sekimas buvo sklandus – besileidžiantį parašiutą buvo galima stebėti plika akimi, kai jis dar buvo kelių kilometrų aukštyje. Likus keletui minučių iki nusileidimo, parašiutas iš akių dingo, po minutės labai susilpnėjo siųstuvo signalas. Buvo aišku, kad 11:33 val. (po lygiai 2 val. 10 min. skrydžio) „GLORY II“ nusileido. Radijo imtuve galima buvo girdėti sekimo sistemos siunčiamus koordinačių paketus, tačiau dėl prasto ryšio jų atkoduoti nepavykdavo. Kad ir kaip bebūtų, šis garsas rodė, kad pagrindinė sekimo sistema vis dar veikia, nes smūgio į žemę metu yra didžiausia tikimybė sugesti arba išsijungti „GLORY II“ įrangai.

Zondą rasti pavyko pagal paskutines gautas koordinates, judant numanoma nusileidimo kryptimi. Ryšys su įranga ėmė stiprėti, kol galiausiai pavyko atkoduoti galutines koordinates. Paaiškėjo, kad įranga guli pievoje, beveik už 50 km nuo paleidimo vietos. Apžiūrėjus gulinčią įrangą, pasidarė aišku, kad „GLORY II“ misija turėtų būti sėkminga. Zondas visiškai be pažeidimų, ant dugno nuo smūgio buvo matomas nežymus žolės atspaudas. Parašiutas nesusipainiojęs, šalia jo gulėjo sprogusio baliono liekanos. Tereikėjo įsitikinti, ar šis įrenginys padarė skrydžio nuotraukas. Įdėmiau apžiūrėjus zondą, paaiškėjo, jog pagrindinio fotoaparato objektyvas aprasojęs, tačiau rasos lašeliai galėjo atsirasti, zondui gulint ant žemės. Abu „GLORY II" fotoaparatai vis dar fotografavo.

Rezultatai
Duomenys iš fotoaparatų buvo nedelsiant perkelti į kompiuterį. Pagrindinis fotoaparatas buvo padaręs 2092 nuotraukas, atsarginis fotoaparatas – 1023. Kamera nufilmavo 23 minutes vaizdo. Viskas kaip ir planuota, įskaitant net ir tai, jog paaiškėjo, kad pagrindinio fotoaparato objektyvo aprasojimas nesugadino nuotraukų. Peržiūrėjus nuotraukas, buvo matyti, kad objektyvas aprasojo leidžiantis, likus vos keliems šimtams metrų iki žemės. Kaip pasakoja pats Ernestas, „pamačius nuotraukas, apėmė neapsakomas džiaugsmas. Supratau, kad mano vaikystės svajonė – gauti Lietuvos nuotraukas iš kosmoso – išsipildė. Jausmas nepakartojamas, kai suvoki, kad kadrai, kuriuose matomas kosmoso juodumas, žemės išlinkimas ir mėlynas atmosferos sluoksnis, padaryti mano sukurtos įrangos, o ne kokio nors NASA erdvėlaivio“.

Be nuotraukų gauta daug kitos naudingos informacijos apie baterijų įtampą įvairiuose aukščiuose bei duomenis iš išorinių ir vidinių temperatūros jutiklių. Ši informacija bus naudinga ateityje, kuriant naujus prietaisus. Nepaisant pirmojo zondo nesėkmės 2009-ųjų rudenį, GLORY projektas – visiškai sėkmingas. Negana to, pasaulis į lietuvį entuziastą taip pat atkreipė dėmesį – Ernestas buvo pakviestas į SEMWO (Space Economy in the Multipolar World) 2011 metų kosmoso konferenciją, lapkričio 16–18 dienomis vykusią Vilniuje. Čia jis turėjo galimybę susitikti su kosmonautu Igoriu Volku (Igor Volk), astronautu Karoliu J. Bobko (Karol Joseph Bobko) bei spausti ranką „NASA Ames“ tyrimų centro vadovui Saimonui P. Wordenui (Simon P. Worden). Be to, po kurio laiko Vilniaus universiteto planetariume vykusioje parodoje GLORY II nuotraukos laimėjo specialias nominacijas.