ВВЕРХ!(2011)

Проект "Вверх!"

Этот проект осуществлен для проведения летно-конструкторских испытаний прототипа летательного аппарата для получения метео информации и фотоснимков местности с большой высоты.

Увидев видео о iPhone 4 в космосе мы решили попробовать сделать нечто подобное, но в масштабах помельче. Идея заключается в том, чтобы сделать фотографию нашего города с N-ой высоты. Однако прежде чем рисковать камерой нам хотелось провести летно-конструкторские испытания аппарата. Этот "облегченный" проект получил название "ВВЕРХ!".

В ходе работ над проектом мы хотим:

1)Отработать систему управления на основе бортовой вычислительной машины(в качестве ВМ используется микроконтроллер)
2)Отработать систему отстрела и возвращение контейнера на землю
3)Отработка системы поиска на основе радио маяка
4)Отработка системы радио-телеметрии
5)Проверка расчетных данных

Мы подсчитали, что при скорости ветра 5м/с аппарат отклонится от места запуска за 5 минут полета на 1.5 километра и поднимется на высоту около 300 метров

Список проведённых эксперементов

1) Проверка дальности передатчика
При питаниии 6 вольт дальность ненапраленной антенны составила 500метров, с направленной-600.

2) Проверка работы на морозе
При использовании 4-ех соляных батарей формата ААА длительность работы в режиме маяка(при температуре -25) составила 9 часов. При использовании 12 вольтовой алкалиновой батареи она замерзла и передатчик отказал в течении 17 минут.

3) Эксперименты по отстрелу
Доказано, что при температуре -25 отстрел происходит при питании от 3-х вольт и выше.

4) Подъемная сила
Из таблицы, любезно предоставленной нам конторой "Mr.Шарикофф", была взята информация о том, что шар объемом 0,54 куб. метра, наполненный гелием, может поднять приблизительно 10 грамм чистого веса.

5) Вес аппарата
Общий вес аппарата(без камеры) составил 65 грамм. Из них
Батареии ААА(3 шт.)-20гр.
Плата бортового компьютера-12гр.
Плата передатчика 15 гр
Плата датчиков и индикации 15гр.
Корпус~2гр
Система отстрела-3 гр
Камера-17гр
Вывод:
Для запуска аппарата без камеры нужно 8 шаров(а если с камерой, то 9-10)

По результатам отработочного стенда была изготовлена другая конструкция.
Самая критичная и тяжелая часть аппарата - система питания. Мы перепробовали кучу разных вариантов. С одной стороны передатчик нужно питать напряжением от 2 до 12в. Тоесть работать он работает, однако например 4 батареи 1.5 вольта почти в 4 раза снижают мощность. А для отстрела достаточно одной батареи (хотя лучше 2). С кроны можно снять 9в а со специальных батареек от сигнализации можно и 12(но они замерзают).
Дружественный кружок радиоэлектроники посоветовал нам малогабаритный преобразователь, который позволяет из 1.5-3в получать стабилизированные 12в. Ну а из стабильного 12 получить 5 для питания датчиков и микроконтроллера уже достаточно просто.

Предполагалось, что для отстрела будет взято 2е из 3х батарей, и не смотря на то, что при отстреле напряжение резко упадет, (2е батареи будут практически закорочены) оставшаяся батарея даже с 1.5 в не даст отключиться ни передатчику ни БЦВМ.
На деле преобразователь на таком напряжении работал неустойчиво, что приводило к сбросу микроконтроллера и отказу. В результате на отстрел была отведена одна батарея (что вроде хватало). Но как оказалось дальше это в конечном итоге и привело к отказу в полете системы отстрела (видимо из-за низкой температуры энергии не хватило). Для увеличения надежности отстрела была применена схема дублирования, т.е. 2 силовых транзистора и 2 нихромовые проволочки для пережигания крепежной нити. То что получилось можно посмотреть на картинках:

Блок схема получившегося аппарата представлена ниже.
на схеме черным цветом отмечены линии питания, красным - линии управления а зеленым - измерительные линии.

Здесь:
ПР-1 - Преобразователь из 3-4.5в в стабилизированные 12в(питание передатчика)
ПР-2 - Преобразователь 12в в стабилизированные 5в(питание БЦВМ и датчиков)
ПРД - Передатчик
БЦВМ - бортовая, цифровая вычислительная машина (МК)
ДД - Датчик давления
ДТ - Датчик температуры
ОТС-1 - Основная система отстрела
ОТС-2 - Резервная система отстрела
ИН - два светодиода для индикации текущего режима

При работе аппарат генерирует кадр телеметрии следующего вида:

Это реальный кадр принятый через радиоканал. В начале кадра видны шумы, которые исчезают за счет работы системы АРУ. Далее идет информация. Широкий импульс - "1" узкий - "0".
Для приема мы спаяли два приемника вот такого вида:

Первая попытка запуска состоялась 02.03.11. К сожалению, ветер оказался очень сильный. Грузогабаритный макет (уменьшенный в 8 раз) был запущен. При запуске с Лениградского (район церкви) за пять минут (минимальное полетное время) макет долетел до слаломной горы. Соответственно если бы мы запустили реальный аппарат, то отстрелившись в районе слаломной горы, аппарат упал-бы в тайге за колючкой. Увы, запуск пришлось отложить. Администрация выражает благодарность всем участникам, и надеется на более успешную попытку.
.

Обработка данных с теодолита. Высота (Н) указана в пикселах, и отложена на рисунке в виде красных линий.

В ходе пробного запуска был проведен эксперимент по приему телеметрии на нетбук - успешно! А дальность приема около 1.5км.
Была измерена реальная подьемная сила шарика с гелием. Сила равна 17 грамм.

Вторая попытка 03.03.11. На этот раз мешал дождь. Во время дождя падает подьемная сила шаров (за счет налипания воды) но самое главное - не будет работать система отстрела из-за охлаждения водой. Пуск был отменен, но пробный шар все-таки был запущен (все равно он сдуется). Ветер слабый (прямо такой как нам нужно :-) ). Шар был потерян из виду через 4м 15сек по причине входа в облака.

ПУСК АППАРАТА!(20мБ)
Пуск частично не удался (не сработала система отстрела). Центр управления полетом ведет обработку полученной информации.
Обработка данных с теодолита. Высота (Н) указана в километрах, и отложена на рисунке в виде вертикальных, красных линий.

Телеметрия принималась устойчиво во время всего полета и даже после того, как аппарат визуально был потерян из виду. И это главная удача проекта. Расшифровка телеметрии займет около недели. По результатам обработки телеметрии будут уточнены данные полета и сделаны выводы о причинах потери аппарата. Мы сделаем выводы из этого проекта и сконструируем новый аппарат, пригодный для размещения на нем фотокамеры. Новый проект будет называться "ИКАР"

В связи с тяжелым летным происшествием, повлекшем потерю аппарата, организуется аварийная комиссия, которая должна установить причины аварии и выдать рекомендации по недопушению подобных происшествий в будущем.
В задачи комиссии входит:
1) Анализ всей полученной телеметрии, составление отчета о полете.
2) Отрисовка графиков изменения параметров.
3) Анализ схемы аппарата составление отчета.
4) Анализ программного обеспечения и составление отчета.
5) Публикация выводов комиссии.

ВЫПИСКА из инструкции:
Авиационная авария - летное происшествие, не повлекшее за собой человеческих жертв или пропажи без вести кого-либо из пассажиров или членов экипажа, вследствие которого воздушное судно было утрачено.

Для проведения расследования комиссии были представлены следующие материалы:
1) Схема аппарата
2) Исходный код бортового программного обеспечения
3) Запись телеметрии от места старта
4) Запись телеметрии с поста наблюдения
5) фото и видео материалы о ходе подготовки полета и самого полета

Ход полета:

T=0
Пуск произведен. Все системы работают нормально напряжение бортового питания 4.78 вольт. Давление 745.6 мм ртутного столба( что хорошо стыкуется с данными метеостанции ), температура 6,86 Телеметрия устойчиво принимается.
T =0-102
Режим взлетный, Давление устойчиво падает в соответствии с изменением высоты. Наблюдаются странные скачки бортового напряжения в Т=37 и Т=91. Причем скачки видны на телеметрии принятой с 2-х независимых источников. и возможно связаны с биениями преобразователей? Кроме того в Т=32 наблюдался разовый скачек температуры. На этом участке температура слегка повысилась (на 2-а градуса (это одно деление датчика)). Температура внутри контейнера повысилась от нагрева солнцем или в следствии работающих батарей.
T=104.1
Пропал прием телеметрии по причине ошибок в наземной программе приема в ноутбуках.
T=284.9
Неполадки на земле устранены, возобновился прием телеметрии. Высота уже больше 395м температура 8.8с Напряжение питания плавно уменьшается до 4.73в режим - взлетный.
T=297.3
Аппарат закончил взлет и перешел в режим "ОТСТРЕЛ-1". Через 1сек был включен отстрел, а через 100 мСек из-за ошибки в условии аппарат решил что отстрел успешно произведен!(контакт отделения =1). Питание отстрела было отключено,
T=298.8
Выдан кадр ТМ N=57, и аппарат перешел в режим "Поисковый маяк". Видно, что напряжение питание слегка подсело (результат неудачного отстрела)
T=299.1
Первый кадр режима "Поисковый маяк". Далее кадры в этом режиме будут выдаваться приблизительно раз в 30 сек.
T=483-1360
прием телеметрии в режиме маяка. К сожалению на этом участке наблюдались значительные помехи в эфире. В сочетании с редкой выдачей кадров это привело к нерегулярному приему телеметрии.
T=1360 (22м6сек)
Принят последний кадр с борта аппарата. Высота, расчитанная по бараметрической формуле была 1979.8 метров (давление 582.2мм ртутного столба). Температура 0.98 градусов, Напряжение бортового питания 4.529в.
Далее после прослушивания сигнала в течении 1мин не было принято ни одного сигнала маяка или кадра ТМ. На основании этого было принято решение о прекращении приема. Возможно, решение было принято преждевременно, так как детальный анализ последнего кадра показывает, что уровень сигнала с борта был нормальный. Возможно, аппарат просто повернулся таким образом, что диаграмма направленности антенны оказалось не направленной на точку приема. Кроме того приему очень мешали помехи в эфире от автомобильных сигнализаций. Вероятно следовало продолжить прием еще в течении некоторого времени.

Полная расшифровка принятых кадров телеметрии:

график основных параметров полета
график изменения температуры в зависимости от высоты
Тарировочная характеристика датчика температуры
Тарировочная характеристика датчика давления
Таблица расшифрованной телеметрии

Причины летного происшествия

Непосредственной причиной летного происшествия явилась ошибка в бортовом программном обеспечении.
В ветке ПО "отстрел-1" не были инвертированы показания датчика контакта отделения (КО). Инверсия датчика КО произошла из-за доработок аппарата, в ходе которых, для надежного срабатывания, в схему был добавлен дополнительный транзистор. Как показал анализ исходного кода программы, данное изменение логики было учтено не во всех ветках ПО(точнее было учтено во всех кроме ветки "ОТСТРЕЛ-1").

Это привело к необоснованному, преждевременному отключению питания системы отстрела, переходу аппарата в режим "поисковый маяк"(минуя аварийные режимы отстрела) и, как следствие, к потере аппарата.

По показаниям телеметрии, режим отстрела длился всего 100 мСек (период опроса датчика КО) что оказалось недостаточно для отстрела в условиях реального полета. Вывод сделан на основе анализа ТМ параметра "РЕЖИМ" из которого видно, что от момента перехода в режим "ОТСТРЕЛ-1" До кадра с докладом о якобы совершившемся отстреле проходит именно 100 мСек. А следующий кадр уже показывает режим "поисковый маяк". Это подтверждается так-же и показаниями датчика бортового питания, которое в случае штатного срабатывания системы отстрела должно было серьезно "просесть" чего не наблюдается.

После перехода в режим "поисковый маяк" в бортовом ПО была предусмотрена еще одна аварийная программа отстрела, которая должна была сработать при продолжении роста высоты. Однако эта ветка оказалось заблокированной из-за дополнительного условия, введенного в ПО. Логика была расчитана на преждевременное срабатывание датчика КО (например из-за болтанки на этапе взлета), однако в этом месте программа была написана верно, и поскольку КО так и остался сброшенным в ходе всего полета, данная ветка тоже не сработала.

Тоесть, если бы во всех ветках была правильная полярность датчика или неправильная, то обязательно сработала или одна, или другая ветка. И только в случае, когда в одном месте оказалось подправлено а в другом нет, возникла ситуация, которая привела к указанному летному происшествию.

Системными причинами летного происшествия явилась спешка при подготовке аппарата к полету.
Аппаратные и программные доработки продолжались вплоть до последнего момента, что не позволило повторить весь цикл наземных испытаний в полном объеме непосредственно перед полетом. Здесь приведено видео предполетного, комплексного испытания аппарата видео предполетного, комплексного испытания аппарата(9мБ)
. Как видим, в комнатных условиях, система отстрела все-таки сработала, однако аварийные ветки при этом не проверялись.

ВЫВОД:

Проект можно признать "в целом успешным". Были проведены все запланированные эксперименты и получены необходимые данные. Полученные данные дают возможность сконструировать более совершенный аппарат, пригодный для получения снимков.Что касается неудачи с отстрелом, то очевидно, что это не конструктивный дефект аппарата, а случайная ошибка.
В целом конструкцию аппарата можно признать удачной. 2-е преобразование позволяет запитать все системы стабилизированным напряжением номинального уровня. Дальность приема телеметрии - удовлетворительная. Датчики работают отлично, точность измерения достаточна для наших нужд.

РЕКОМЕНДАЦИИ

1) Дублирование системы отстрела неоправдано. Это перетяжеляет аппарат, а главное не улучшает надежность, так как самая критичная системы при этом - питание. Рекомендуется оставить одну систему отстрела, а для повышения надежности предусмотреть предполетное тестирование.
2) Датчик температуры лучше вынести за корпус. А еще лучше поставить 2-а датчика (учитывая их малый вес) один внутри корпуса а другой - снаружи.
3) Необходимо отказаться от обычного стеклотекстолита для печатных плат из-за большого веса. Лучше будет сделать из него раму, на которую натянуть тонкий стеклотекстолит для схемы аппарата.
4) Все разьемы вывести на раму, с таким расчетом, чтобы они были доступны без разборки аппарата. Это упростит перепрограммирование аппарата, снизит его вес и повысит удобство тестирования и использования.
5) Доработать бортовое программное обеспечение. Ввести предполетную проверку систем, Перед отстрелом проверить исправность датчика КО. Ввести дополнительную ветку отстрела не только по времени, но и по достижении заданной высоты.
6) Проработать вопрос полного тестирования всех режимов аппарата перед запуском. И категорически запретить доработку Аппарата и ПО без полных проверок после доработки.
. .