El siguiente paso del Proyecto SONDA, es conseguir que la cápsula realice varias tareas en su vuelo: Que sea capaz de comunicarse con el centro de control móvil en tierra enviando su posición y ser capaces de obtener fotografías. En proyectos espaciales se utilizan equipos tecnológicamente avanzados, pero en nuestro proyecto casero utilizaremos elementos más cotidianos y asequibles.

Sistemas de control de la sonda

Hay que tener en cuenta que el principal objetivo de la misión consiste en que la sonda llegue lo más alto posible, tome fotos de la estratosfera, y pueda ser recuperada.

Como veremos en futuros posts, tendremos en cuenta el lugar, fecha y hora de lanzamiento y las condiciones meteorológicas, ya que haremos previamente varias simulaciones de vuelo utilizando varios servicios disponibles en Internet y Google Maps / Google Earth. Con estos análisis previos tendremos una idea del área en la que es probable que aterrice la sonda (ya que casi todo lo que sube vuelve a caer), pero no sabremos con 100% de precisión las coordenadas (latitud/longitud) en las que podremos recuperar la sonda (y con la sonda, la tarjeta / memoria con las fotografías obtenidas a 30 Km de altitud).

Es por ello que necesitaremos un dispositivo controlador que sea capaz de varias tareas:

• Obtener y almacenar en una tarjeta de memoria fotografías de forma periódica, e incluso vídeo.
• Obtener la posición de la sonda en cada momento (latitud / longitud… y altitud)
• Ser capaces de enviar a tierra (al centro de control móvil) los datos de geolocalización y vuelo.

Hay varias formas de obtener estos dispositivos de forma sencilla:

• Microcontroladores electrónicos y placas electrónicas creados para tal efecto: Se pueden encontrar en tiendas de electrónica, como la famosa RadioShack estadounidense. Problema: Hay que conocer la arquitectura de los elementos, lenguajes de programación que desconozco o que tengo oxidados (desde ensamblador a C) y bastante de electrónica. Por el tiempo que tengo yo disponible, no es opción.
• Microcontroladores opensource: Como puede ser Arduino y sus clones. Es más sencillo que lo expuesto en el paso anterior (no deja de ser unir componentes y programar en lenguajes como C), pero aún así me supondría más tiempo del que dispongo.
• Microcomputadoras opensource: Como es el caso de Raspberry Pi o sus clones. Raspberry Pi es una plataforma opensource que prácticamente con enchufarla a un cargador podemos disfrutar de un mini-ordenador con muy buenas características (1GB de RAM, procesador de doble núcleo ARM, …). Es mi opción preferida.

Es decir, en el proyecto SONDA vamos a utilizar una Raspberry Pi (modelo B+), ya que:

• En pocos minutos puedes instalar en su tarjeta de memoria una variante del sistema operativo Debian llamada Raspbian.
• En dicho sistema operativo se puede instalar con suma facilidad aquellos servicios que necesito para el proyecto SONDA: Apache, PHP, MySQL… es decir, todo el stack básico de LAMP.
• A la Raspberry Pi se le puede poner muy fácilmente una cámara de 5 Mpx, y placas GPS y 3G / GPRS (o bien utilizar un pincho USB 3G/GPRS). También se le pueden poner sensores de temperatura y humedad gracias a los pines de entrada / salida GPIO.
• En la tarjeta de memoria (de 8, 16, 32GB…) podré almacenar todas las fotografías del vuelo. Suponiendo que cada fotografía ocupe unos 5MB, que el vuelo dure unas 3.5 horas y que vaya a tomar 4 fotos por minuto, en total necesitaré para imágenes unos 4.25 GB de espacio… por tanto, más que de sobra…
• Existen complementos de la Raspberry Pi, como son las carcasas de 6 baterías AA, capaces de dar energía suficiente durante 16 horas con esas 6 pilas… y es que el dispositivo Raspberry Pi es un dispositivo de bajísimo consumo. Esto es bueno, porque así las baterías (que habrá que testearlas y acordarse de cargarlas para el día D) durarán todo el vuelo hasta ser recuperada la sonda.
• Y lo mejor de todo: Es muy fácilmente programable, con lenguajes que conozco y que prácticamente tenemos todo desarrollado.

Programación del dispositivo Raspberry Pi B+

Como ya hemos comentado, la Raspberry Pi B+ va a contar con el stack LAMP básico: Sistema operativo Linux / Servicio web Apache / Base de datos MySQL / Motor de aplicaciones PHP.

Para obtener fotografías, la temperatura y humedad del sensor correspondiente, lectura de los pines de entrada y salida GPIO, etcétera, el firmware del dispositivo cuenta con varias aplicaciones de línea de comandos escritas en Python. Realizar llamadas a dichas aplicaciones desde código PHP es muy sencillo, por lo que ese es el plan: Utilizar los diferentes módulos de los que dispone el sistema SmartRoads de Gestión de Infraestructuras de ITERNOVA que desarrollamos en mi empresa a diario para obtener datos de los diferentes sensores, almacenarlos en la base de datos MySQL del dispositivo y utilizar clientes de API JSON Rest para enviar dichos datos a un sistema web.

En dicho sistema, a través de un navegador web, podré consultar en tiempo real en dónde se encuentra el dispositivo (su geolocalización, tanto de latitud / longitud como de altitud), visualizando en mapas (Google Maps) el recorrido de la sonda. Al llegar a tierra, podremos encontrar fácilmente dónde ha aterrizado (en principio), y así recuperar las fotografías y el dispositivo (esperemos que en perfectas condiciones tras la caída).

La idea es crear una tarea periódica que obtenga los datos y que los vaya enviando a tierra (a la vez que, como ya he dicho, los vaya almacenando en la base de datos MySQL, y las imágenes en la tarjeta de memoria). También podremos comunicarnos con el dispositivo de forma bidireccional gracias al servicio de API JSON Rest que irá instalado en el dispositivo (por ejemplo, para pedir que envíe datos cada 15 segundos en lugar de cada 30, o solicitarle una imagen en baja resolución de forma manual, o solicitar un informe de estado del dispositivo (como carga de batería, temperatura, carga de la CPU, espacio disponible en memoria, etcétera)).

A tener en cuenta: Posición con GPS y comunicaciones con GPRS

Los dispositivos GPS suelen estar capados. Es decir, que cuando sobrepasan una altitud (10.000 metros generalmente) y/o una velocidad máxima (más de 300 - 400 Km/hora), dejan de funcionar. Esto es así debido a que si no podrían ser utilizados para construir misiles intercontinentales. Hay ciertos modelos que sí que permiten sobrepasar la limitación de la altitud, pero suelen ser más caros o difíciles de conseguir.

Por tanto, si no se dispone de este tipo de GPS más avanzados, va a haber una ventana temporal en la que no tengamos información de latitud / longitud (y altitud, a no ser que introduzcamos un sensor de altitud en la Raspberry Pi). Es decir: En la subida iremos recibiendo datos de posición y haremos seguimiento de la sonda, luego llegará un momento de oscuridad, y tras unas horas, si los dispositivos / baterías no han fallado, volveremos a recibir señal de posición. Esperemos que no sea demasiado tarde…

Por otra parte, también hay que tener en cuenta que en las comunicaciones las sondas espaciales profesionales cuentan con antenas parabólicas, sistemas radio avanzados, sistemas de seguimiento por láser… cosas de las que no disponemos en este proyecto casero. La idea es utilizar un dispositivo 3G / GPRS, pero aquí tenemos más limitaciones:

• Por supuesto que no vamos a tener cobertura 3G. No estaremos cerca de ciudades, con lo que nos quedará únicamente GPRS. El envío de alguna fotografía queda prácticamente descartado (si bien es posible que haga algún script para reducir alguna imagen y tratar de enviar dicha imagen de baja resolución)
• Igualmente, GPRS está pensado para ser utilizado desde el suelo, que es donde la mayoría de los humanos nos encontramos a diario. Hacia donde nos encontramos la mayor parte de los humanos es hacia donde están las antenas de telefonía móvil apuntando, para aprovechar mejor la energía emitida…
• Por eso, conforme aumenta la altitud sobre el suelo, tendremos menos cobertura: A unos 600 metros sobre el nivel del suelo se reduce entorno al 10%, a unos 2500 metros se ve reducida un 80%, y a unos 10000 metros se reduce a más de un 99%… Estos datos son para conseguir tener una conversación telefónica, para GPRS no es tan limitante, pero da una idea de cómo se van a ver afectadas las transmisiones de datos de posición de la sonda…
• Es decir, es probable que a partir de los 2000 - 3000 metros de altitud ya no tengamos comunicación en condiciones con la sonda.

Por tanto, habrá que idear la forma para detectar cuándo tenemos cobertura y aprovechar para enviar la posición dentro de esas ventanas de tiempo (antes del impacto).

Dónde adquirir la Raspberry Pi y otros accesorios

He adquirido la Raspberry Pi B+ y la carcasa a través del portal chupiganga.com (aunque ahora ya no está en servicio y puede encontrarse en otras webs), ya que dispone de un apartado de estos dispositivos con accesorios seleccionados.

Índice del Proyecto SONDA

• Proyecto SONDA - Introducción
• La cápsula (payload)
• Sistemas de recuperación (parachute)
• Sistemas de propulsión (globo de helio)
• Sistemas de control

¡Feliz año! Continuando con el Proyecto SONDA, hoy voy a comentar los mecanismos de propulsión de la cápsula. Es decir, el globo que llenaremos con helio y que arrastrará todo el peso del lastre (cápsula y paracaídas) hacia el espacio cercano.

Globos científicos y para experimentos meteorológicos

En primer lugar, tendremos que conseguir un globo meteorológico (globos científicos), ya que no nos van a servir los globos de latex convencionales. Requerimos un globo lo suficientemente grande como para que sea capaz de arrastrar la cápsula y todo el peso del conjunto.

Para calcular volumen cúbico de helio requerido (y por tanto, adquirir un globo que lo soporte), tendremos que hacer los siguientes cálculos:

Peso del conjunto (cápsula + paracaídas + cables...) [Kg] + Peso del globo [Kg] = Volumen cúbico de helio requerido [m3] + Volumen de Helio adicional [m3]

Es decir, si ponemos el siguiente ejemplo:

• Peso del conjunto (cápsula, paracaídas, cables…) = 1.5 Kg
• Peso del globo = 0.5 Kg

Requeriremos, por tanto, 2 m³ de Helio, más una cantidad adicional (para que el volumen total de Helio sea mayor y el globo tienda a subir, en lugar de quedarse flotando a la misma altura). En este ejemplo, añadiremos unos 0.25 m³ de Helio adicional, de manera que el globo pueda alcanzar unos 35 Km de altitud en unas dos horas, teniendo así un total de 2.25 m³ de Helio.

Nuestro globo, por tanto, tendrá que ser un globo de 500 gramos con una capacidad de al menos 2.25 m³ de volumen.

Eso sí… ¿Cuál es la cantidad óptima de Helio adicional?. Cuanto más se infle el globo más rápido subirá, pero también explotará antes, por lo que alcanzará una altitud menor… si bien al subir más rápido el vuelo durará menos tiempo y la sonda aterrizará más cerca de nuestra posición de origen (ya que será arrastrada menos tiempo por el viento). Si la cantidad de Helio adicional es muy pequeña, el globo ascenderá mucho más lentamente pero tardará mucho más en explotar, por lo que podrá alcanzar casi los 40 Km de altitud, pero caerá muy lejos del punto de partida (probablemente a más de 100 Km de distancia). Por ello será importante, como veremos en futuros posts, elegir correctamente el área de lanzamiento.

También hay que tener en cuenta el peso del globo. A mayor peso, será más resistente, por lo que estallará más tarde (podrá expandir su volumen en mayor grado). En www.weatherballoons.asia se pueden encontrar tablas de diámetros (nada más inflado y en el momento de la explosión o burst) y pesos de globos, así como a qué altura se estima que puedan llegar. A modo de resumen:

• Globo de 500g - Altitud aproximada: 25000m - Diámetro inicial máximo aproximado: 380 cm - Diámetro de burst: Más de 500cm - Payload máximo: 900g
• Globo de 750g - Altitud aproximada: 28000m - Diámetro inicial máximo aproximado: 450 cm - Diámetro de burst: Más de 650cm - Payload máximo: 1200g
• Globo de 1000g - Altitud aproximada: 31000m - Diámetro inicial máximo aproximado: 500 cm - Diámetro de burst: Más de 750cm - Payload máximo: 1300g
• Globo de 1500g - Altitud aproximada: 33000m - Diámetro inicial máximo aproximado: 600 cm - Diámetro de burst: Más de 950cm - Payload máximo: 2250g
• Globo de 2000g - Altitud aproximada: 38000m - Diámetro inicial máximo aproximado: 600 cm - Diámetro de burst: Más de 1100cm - Payload máximo: 2500g

Estos valores son aproximados (habría que calcularlos según peso de la cápsula, paracaídas, etcétera… el payload), pero sirven de ejemplo para ver que si queremos que llegue más o menos alto requeriremos unos tamaños y calidades del globo específicos.

Hay más información sobre como anudar el globo en High altitude science

Helio

El Helio se vende en bombonas:

• Desechables, suelen utilizarse en fiestas de cumpleaños. Una vez agotada, la bombona va al contenedor amarillo para su reciclaje.
• Retornables, se suelen alquilar (además de tener que dar una fianza que podría llegar a 200 Euros) y devolver tras un período de tiempo estipulado. Son de un tamaño mucho mayor (de hasta varios m³ de Helio).

En nuestro ejemplo, requerimos un globo de 2.25 m³. Teniendo en cuenta que los globos van a tener una forma casi esférica (en principio), la fórmula del volumen será:

Volumen [m3] = 4/3 pi * r3 [m3]

Luego el radio del globo de 500 gramos (condición del punto anterior para nuestro ejemplo) requerido tiene que ser de al menos unos 0.82 metros de radio (1.65 metros de diámetro). Habrá que buscar un globo que para un peso reducido tenga las dimensiones válidas (conviene hacer una hoja de cálculo para ir probando con varios modelos de forma más eficiente).

Hay que tener en cuenta que el diámetro inicial del globo (a nivel de tierra) será mucho menor que el diámetro que vaya adquiriendo a gran altitud (ya que hay menos presión atmosférica, y el gas helio tenderá a expanderse aún más). De ahí que los diámetros de burst (de explosión) sean mucho mayores.

Si nos fijamos, hay botellas desechables para inflado de globos de fiesta que indican que da para llenar 50 globos de 20 cm de diámetro. Cada uno de estos globos representa aproximadamente 0.004 m³ de volumen, por lo que una de estas botellas desechables son aproximadamente 0.2 m³ de volumen… Por tanto, requeriremos alquilar una botella retornable de mayor capacidad para minimizar los costes.

Como curiosidad adicional. El globo podría ser llenado con hidrógeno en lugar de con helio, ya que es más ligero… pero al ser combustible (el helio es un gas inerte) es mucho más peligroso, y por tanto no es nada recomendable su uso para esta actividad lúdica. Eso sí, aquí dejo un vídeo de cómo fabricar vuestro propio hidrógeno…

Enlaces de interés

Se pueden encontrar globos en diferentes tiendas, así como helio (en botellas desechables o reciclables). Por ejemplo:

• Scientific Sales - Página con globos meteorológicos y científicos de diferentes tamaños, y otros accesorios.
• High altitude science - Web informativa en el que podemos encontrar información sobre globos / helio, así como realizar pedidos en su tienda. También explican como anudar el globo o cómo calcular el helio necesario
• Don Globo - Alquiler de bombonas y venta de helio

Índice del Proyecto SONDA

• Proyecto SONDA - Introducción
• La cápsula (payload)
• Sistemas de recuperación (parachute)
• Sistemas de propulsión (globo de helio)

Hoy comentaremos los elementos de recuperación de la cápsula en el Proyecto SONDA. Los elementos de recuperación son aquellos mecanismos o artilugios que permitirán recuperar la cápsula (ya que dentro irán las cámaras de fotografía / vídeo, cuyos datos tendrán que ser recuperados en su mayor parte de forma manual). Por tanto, los elementos de recuperación deberán permitir recuperar la cápsula lo más entera posible… es decir, necesitamos… un paracaídas.

Sistemas de recuperación: Paracaídas

La idea es obtener un paracaídas lo más barato posible, y que sea de suficiente calidad como para que no acabe destrozado debido a las condiciones atmosféricas. Hay empresas que se dedican a confeccionar estos tipos de paracaídas (para hobbies directos, ya que hay gente que se dedica a crear cohetes y otros artilugios que los requieren).

Algunos comentarios sobre paracaídas:

• Hay que utilizar materiales como nylon (que soporta rayos UV) y a ser posibles de colores vistosos (por ejemplo, naranja fosforito), para poder ser visto sin ser confundido con los árboles o la tierra… y si es fosforito probablemente pueda ser visto incluso en la fase de descenso / caída…
• No debe estar construido con materiales porosos o que no soporten bajas temperaturas (ya comentamos que llegará a zonas de -60ºC).
• Debe atarse a unos 10 metros del globo de helio, y a otros 10 metros de la cápsula, de manera que nos aseguremos que no vaya a enredarse ni con el cable que unirá el globo con la cápsula ni con ella misma.
• Nada más abrirse el paracaídas, al no existir prácticamente atmósfera, no habrá fricción, y la cápsula podrá descender a 150Km/h. Al llegar a la atmósfera, la velocidad se irá reduciendo hasta llegar a la velocidad adecuada.

Cálculo de tamaño de paracaídas

Ahora bien… ¿Qué tamaño tiene que tener el paracaídas?. El cálculo del diámetro del paracaídas puede realizarse de forma completa o abreviada. Hay que tener en cuenta que la velocidad de descenso de la cápsula deberá estar entre 3.35 y 4.25 m/s para ser considerado descenso seguro

Cálculo completo

Ap (área) = 2*g*m / ( gamma* Cd * V2 )
g = Aceleración debido a la gravedad (9.81 m/s2 a nivel del mar) 
m = masa de la cápsula
gamma = Densidad del aire a nivel del mar (1225 g/m3)
Cd = Coeficiente de frenado del paracaídas (aproximadamente 0.75 )
V = Velocidad de descenso de la cápsula, normalmente entre 3.35 y 4.25 m/s para ser considerado descenso seguro
Diámetro = 2 * sqr ( (2*Ap) / n * sin(360/n) )
n = Número de lados del paracaídas (p.e. n=6 para paracaídas hexagonal, n=8 para octogonal)

Cálculo abreviado

Diámetro (inches) = sqr (peso (pounds) * 0.454 ) * 39.6
1 inch = 2.54 cm
1 pound = 0.453 Kg

Es decir, tras crear la cápsula e introducirle todos los dispositivos (lo veremos en otros posts más adelante), la pesaremos y calcularemos el diámetro requerido del paracaídas para un descenso seguro.

Hay tiendas en las que venden paracaídas ya preparados (pongo enlaces más adelante)

Tests de paracaídas

Antes de enviar a la estratosfera nuestra sonda, habrá que testear todos los componentes que la forman. Para realizar los tests del paracaídas, aquí dejo algunos consejos:

• Utilizar un puente, lanzando la cápsula atada al paracaídas con el peso similar al que va a ser lanzado. Un edificio no funciona.
• Correr con el paracaídas atado, para ver que está equilibrado y no va de un lado a otro. Consejo: No hacerlo delante de los vecinos.
• Otra opción (más costosa al requerir helio): Usar un globo de helio, y atar a él una cuerda con un nudo al final (además de otras cuerdas para tenerlo controlado y que no se vaya). Usando otra cuerda, atar al final de ella una tope cilíndrico (como los utilizadas para unir varios tablones en los muebles del IKEA). Pondremos el cilindro de madera en el nudo de la cuerda que irá atada al globo, de manera que al estirar de la cuerda con el cilindro de madera se libere y caiga la cápsula…

Anillo de sujección

El anillo de sujección es un anillo circular (de diámetro similar al de la cápsula / payload), para atar a él de forma centrada el paracaídas (y el globo), y la cápsula. De esta manera, todos los tirones se los lleva el anillo circular y no la cápsula: Tirones al abrirse el paracaídas en el descenso, y al ir tirando el globo en el ascenso.

• La anilla, que tendrá forma circular, puede ser un aro de los que se utilizan para coser y hacer bordados con dibujos (es decir, se vende en cualquier mercería o tienda de manualidades).
• La anilla deberá tener agujeros de forma simétrica y equidistante, que serán los agujeros en los que se atarán por un lado el paracaídas y el globo, y por otro la cápsula. Así servirá, a su vez, de sistema de estabilización.

Hay otra opción, que es la de usar una anilla de tamaño reducido, en la que encajarán el cordaje del paracaídas y del globo. Os dejo una imagen (obtenida del blog Rowland Space Balloon)

Otras ideas para este anclaje de elementos a la cápsula y al anillo de sujección:

• Para atar el globo y el paracaídas a la cápsula (y si se quiere una segunda cápsula, una debajo de otra), se pueden coser / anclar arandelas (8 arandelas) en las 8 esquinas de la cápsula (que como comentamos, será una bolsa / nevera portátil), y atar allí todo lo demás.
• Además se pueden hacer “latiguillos” con mosquetones de tamaño pequeño (cierres de “escalada”), que permiten anclar / soltar rápidamente los diferentes elementos, a la vez que quedan mejor sujetos que con un nudo simple realizado rápidamente. Estos mosquetones pueden comprarse en tiendas de deportes / escalada, o bien en tiendas de cometas (en donde también suelen tener paracaídas). Por ejemplo, IntoTheWind - Tienda de cometas tienen una gran variedad.
• También necesitaremos cuerdas para paracaídas (parachute cords), que resistan los rayos UV. Se pueden buscar en ‘‘Ebay’’ o ‘‘Amazon’’, también hay en tiendas especializadas (los pongo en el siguiente apartado)

Enlaces de interés

Se pueden encontrar paracaídas y todo el material necesario en muchas tiendas de hobbies (en las que buscando rockets, parachutes, kites… encontraremos todo lo necesario, desde paracaídas hasta el cordaje necesario). En algunos casos, nos puede servir incluso paracaídas de los que venden en tiendas de deportes o atletismo para realizar entrenamientos con lastre (pero vale más la pena buscar uno en tiendas de hobbies, que serán de más calidad o adaptados).

Recordad que tienen que ser de nylon para resistir los rayos UV…

Por ejemplo:

• High Altitude Science - Página informativa y con tienda sobre la exploración espacial casera. Tienen prácticamente de todo (desde globos de helio, que veremos en los próximos posts, hasta sistemas de recuperación y paracaídas)
• Apogee Rockets - Tienda muy especializada en hobbies de lanzamiento y creación de cohetes (rockets). Tienen una gran variedad de paracaídas de nylon, así como otros complementos que pueden ser de utilidad.
• Model Rockets Parachutes - Tienda especializada en hobbies de lanzamiento y creación de cohetes (rockets). Tienen una gran variedad de paracaídas de nylon, así como otros complementos que pueden ser de utilidad.
• GreatHobbies.com - Tienda de hobbies (rockets, radio control, planes). Varios paracaídas de todo tipo (de pĺástico y nylon) desde unos pocos dólares.
• HobbyLinc.com - Tienda de hobbies (rockets). Tienen una sección muy extensa de paracaídas para cohetes, que nos servirían (buscar parachutes, hay que asegurarse que sean de nylon)
• Amain.com - Tienda de hobbies, con varios paracaídas de todo tipo (de pĺástico y nylon)
• IntoTheWind.com - Tienda de cometas, tienen anclajes, cuerdas…
• Parachute-Cord.com - Cuerdas de paracaídas profesionales

Índice del Proyecto SONDA

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• La cápsula (payload)
• Sistemas de recuperación (parachute)