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Projet Ballon |
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Conception détailléeSynoptique du ballon
La figure suivante est la définition de la
charge utile du ballon.
Les fonctions principales de la charge utiles
Les fréquences
Composition détaillée de la charge utileBatteries (F4BQO)Energie charge utile principaleType : Lithium Capacité : Permet d'assurer au moins 4H de fonctionnement de la charge utile dans les conditions de température et de pression les plus défavorables. Nous allons utiliser 2 piles Lithium-thionyl Chloride (Li-SOCL2) de référence LSH-20 (10Ah, 3.6V, 1800mA, 100g) de SAFT récupérées dans une pile de PR4G de référence PS 53 B. Les caractéristiques de ces piles de qualité professionnelle sont disponibles dans ce document. Batterie de secoursType : Lithium 3.7V Cette batterie va permettre de secourir l'alimentation de l'émetteur 144MHz dans le cas d'un disfonctionnement de l'alimentation principale ou de l'épuisement de l'alimentation principale. Dans ce cas l'émetteur continuera à fonctionner permettant le repérage par radiogoniométrie pour la recherche. Il ne sera plus modulé mais en régime de porteuse pure. Nous comptons utiliser une pile LS-17500 de SAFT. SécuritéUn aspect très important est celui de la sécurité vis à vis de l'emploi de piles Lithium. Nous n'utiliserons que des piles de qualité professionnelles éprouvées. SAFT a rédigé un document sur le sujet qu'il est utile de lire. En général les piles de qualité grand public supportent mal la dépressurisation, ce qui les rend dangereuses. Elles peuvent alors prendre feu une fois que le ballon ait atterrit. Leur mauvaise manipulation (court-circuit) est aussi dangereuse. Capteurs (F4BUC)De base les capteurs suivants seront utilisés: - Humidité : Philips H1 Ce capteur électronique permet la mesure de l’humidité relative au degré d’hygrométrie.
- Pression : MPX2200AP 0 à 200 kPa 0.2mV/kPa - Température : LM335Z
Paramètres critiques : Précision, dynamique de mesure Une carte d'interface sert de lien entre les capteurs et la carte de télémétrie. Cette carte comporte des amplis à gain et offset variables permettant la calibration des capteurs et fournissant les dynamiques de tension adéquates aux CAN de la carte de télémétrie (0-5V). Voir le schéma de l'ampli télémétrie des capteurs de température. Voir le schéma du capteurs d'humidité. Voir le schéma des amplis télémétrie des capteurs d'humidité et de pression.
Télémétrie (F4BUC, F4BJH)Au moins 8 canaux de télémétrie seront disponibles.
GPS (F4BJH)Nous utilisons un GPS pour déterminer le positionnement du ballon. Le GPS est un module de marque TRIMBLE: Lassen SKII. Il faut ensuite générer des trames APRS à partir des trames envoyées par le GPS à l'aide de la carte télémétrie (voir descriptif carte télémétrie ou "COTT").
Carte télémétrie à microcontrôleur (F4BUC, Xtophe Mercier, F6FAO)Cette carte permet de générer les trames de télémétrie en AFSK 1200Bds concernant: - les mesures des différents capteurs - les informations de positions en latitude et longitude ainsi que l'altitude fournis par le GPS embarqué Le format commun est le format des trames APRS. Le microcontrôleur utilisé sera le 16F877. Un MAX232 servira à dialoguer avec un port RS232 pour la configuration du programme. Le modulateur audio est réalisé sur la carte par un CNA à poids résistifs très simple. Cette carte est en faite inspirée de la carte Tinytrack en reprenant ces fonctionnalités mais en y incorporant en plus la gestion de l'altitude et l'envoie de télémétries analogiques. D'ou son nom "COTT" pour "Cousin Of Tinty Track". Le développement est en open source et est le travail des élèves de Christophe Mercier. Les autres contributeurs sont également F6FAO et F4BUC pour la mise au point et l'expertise sur le schéma et le routage de la carte. Le but étant de produire une carte évolutive et complète pour pouvoir être utilisée sur tous les projets de ballons futurs. Ce développement est aussi effectué en collaboration avec l'AMSAT-France. Christophe F1MOJ s'ai chargé de la réalisation du PCB. Les entrées de la carte:
Les sorties de la carte:
Les interfaces:
Les LED d'activité:
Modulateur FM et Émetteur 144MHz pour la TLM (F4BJH)Fréquence 144MHz Puissance : environ 100mW Le design du TX 144MHz du projet Av'Elec est réutilisé. Il se compose d'un synthétiseur de fréquence (MC12181) d'ou la modulation FM est obtenue en modifiant la fréquence d'oscillation du quartz de référence. Voir le schéma de l'émetteur 144MHz. Émetteur 144MHz pour la transmission d'images numériquesFréquence 144MHz Puissance : environ 100mW Il s'agit d'un simple étage d'amplification. Émetteur ATV sur la bande 13cm (2350MHz) (F1OCM, F4BUC)Une petite camera PAL couleur (F1OCM) permet de filmer le moment de décollage et d'atterrissage du ballon. L'intérêt est d'avoir une vision en temps réel en comparaison à l'envoi des images JPEG. Cela peut permettre de mieux identifier le mouvement de la nacelle et le lieu d'atterrissage du ballon. Il faut 40dB de rapport signal à bruit pour obtenir une image couleur de qualité, le calcul de bilan de liaison impose alors une puissance de 1W environ lorsque le ballon est à une altitude de 30 000 m (hypothèse). Au vu de la technologie dont nous disposons, nous tablerons sur une puissance entre 500mW et 1W. la modulation est en FM. L'oscillateur et le driver ont été fournis par F1OCM. Il sera complété par un étage de puissance qui est un kit de GIGATECH utilisant un RF2126.
Antennes (F4BUC)144 MHz
Charge utile principaleLa solution retenue est une association de deux dipôles en configuration croisée. Cette configuration permet d'obtenir: - un diagramme de rayonnement quasi sphérique sans trou évitant le QSB lié à la directivité de l'antennes - une polarisation circulaire sur une bonne partie du diagramme de rayonnement de l'antenne évitant le QSB lié à la polarisation - une solution pour coupler deux émetteurs sur une même antenne Ainsi l'avantage principal de cette configuration est de réduire le QSB en réception lié à l'orientation aléatoire des antennes du ballon par rapport aux antennes de réception au sol.
Chaque dipôle est réalisé avec du mètre ruban. La raison qui rend cette solution intéressante est la légèreté et la propriété intéressante du mètre ruban: son élasticité lui permet de reprendre une forme droite après avoir été plié. Ainsi au cours du vol les éléments resteront droits mais ne risqueront pas d'être endommagés lors de l'atterrissage. CoupleursLes deux dipôles sont alimentés à 90 degrés de déphasage l'un par rapport à l'autre afin de pouvoir générer une polarisation circulaire. Deux émetteurs 144MHz vont venir ce coupler sur cette même antenne. Il faut donc imaginer un coupleur adapté. La meilleure solution est le coupleur hybride 90°. Il permet de: - isoler les deux sorties des deux amplis - générer pour chaque ampli deux sorties déphasées de 90° Ainsi chaque émetteur de la CU se voit isolé de l'autre, limitant les problèmes d'intermodulation, et se voit couplé à une antenne polarisée circulairement.
L'étude détaillée du coupleur et de son utilisation est disponible dans ce document.2350 MHzAntenne Patch de F1OCM placée sous la nacelle accordée sur 2350 MHz. Comme pour l'antenne turnstile cette antenne très simple offre un diagramme de rayonnement quasi hémisphérique.
GPSIl s'agit de l'antenne fournie avec le module GPS. C'est un module étanche qui renferme une antenne patch et un préamplificateur faible bruit. Cette antenne est placée au sommet de la nacelle.
Schéma de la nacelle avec les antennes
Expérience de transmission d'images numériques (Alexandre Vialle)Cette expérience consiste à transmettre des images prises depuis une WebCam grace une modulation numérique de type FSK. L'intérêt est donc de pouvoir expérimenter ce type de transmission qui peut, par la suite, revêtir un intérêt général pour la transmission de données numériques de tout type. Le synoptique général est le suivant:
Une webcam (320*240 environ, 24bits) est interfacée avec un micro contrôleur. Ce microcontrôleur se charge de compresser l’image sous format JPEG. L'oscillateur pilote est piloté par l’intermédiaire d’un CNA. La modulation devrait être une FSK à 4 états de fréquence, voir une 8 FSK suivant les différents essais. La forme du signal pourrait être une PWM, ou un code RZ, pour des raisons de facilité de démodulation. Le débit sera de 9600bps, ce qui devrait permettre de transférer une image toutes les 10 à 20s environ. Pour la réception, on se placera en sortie du discriminateur FM du récepteur. Cette sortie est numérisée par une carte son d’un PC qui décode les trames. Un codage de canal sera utilisé pour corriger les erreurs jusqu’à 10^-3 ou 10^-4 de TEB (Taux d'Erreur Binaire).
Expérience de retransmission de réception VLF (F4EOB, Association Jeunes Science Bordeau F6KEO)L'objectif de cette expérience est de tester la faisabilité d'une réception VLF à bord d'un ballon. Pour cela un récepteur VLF sensible à la bande 100Hz - 10kHz a été fabriqué par F4EOB (Thierry Alves). Un tel récepteur n'est en fait ni plus ni moins qu'un amplificateur audio à fort gain et faible bruit. La sortie BF est ensuite appliquée à un modulateur AUREL émettant sur 433.800 MHz en WBFM (FM large bande) avec une puissance de 10mW. Si les résultats sont encourageants, d'autres expériences de réception VLF de la sorte seront entreprises sur ballon et, si possible la nuit car c'est le moment le plus propice pour la réception VLF.
Alimentations (F4BUC)Les tensions à fournir aux différents modules sont les suivants: Rail 5V : régulateur linéaire low drop Rail 6V : régulateur linéaire low drop Rail 8V : à découpage step up Rail 12V : à découpage step up La tension d'entrée est celle fournie par les deux piles Lithium LSH-20. La conception de l'alimentation tient compte de la variation de la tension des piles Lithium en fonction de la température et de leur décharge dans le temps. Voir le schéma de l'alimentation. Dispositif de séparationCe dispositif est très important car il va permettre de limiter la durée du vol. Dans le cas contraire le ballon viendrait à se déplacer trop loin de son lieu de lancement, ce qui compliquerait sa récupération. Un temporisateur mis en route dès le lancement du ballon va permettre de déclancher le dispositif de séparation permettant la descente de la nacelle. Typiquement la durée de la temporisation sera réglée entre 3 et 4 heures. En fait il s'agit de séparer physiquement la nacelle de l'enveloppe et d'utiliser un parachute pour la faire redescendre.
Constitution de la nacelle et de l'enveloppeNacelle (Laurent Boireau)Le polystyrène expansé (le blanc) est à proscrire car il ne supporte pas la baisse de pression en altitude. Nous utilisons du polystyrène extrudé de 20mm pour l'assemblage. De la colle blanche à bois suffie pour l'assemblage. La nacelle doit être suffisamment
hermétique afin d'éviter la baisse de température. Normalement la température à
l'intérieur d'une nacelle ne dois gère descendre en dessous de -10°C pour des
températures extérieures pouvant descendre jusqu'à -60°C. Il est inutile de
rajouter une feuille de métal (alu, couverture de survie)
autour de la nacelle car l'isolation thermique apportée par le polystyrène
extrudé est suffisante. Le capteur de température extérieur doit être protégé du soleil avec un cache de couleur blanche (pot de yaourt vide). Enveloppe (Laurent Boireau, Mathieu Hirtzig)Premier dimensionnement fournit par Laurent Boireau: En prenant pour hypothèse un poids total ballon + nacelle de 3.5Kg, l'enveloppe aura les caractéristiques suivantes: - 6m de diamètre, volume 120m3 env. - 5Kg d'eau sont nécessaire pour l'effet bulle d'orage Il faut prévoir 2 à 3 m de corde entre la nacelle et l'enveloppe pour limiter le balancement de la nacelle avec le vent. Une bonne ficelle de boucher doit être utilisée pour la liaison avec l'enveloppe et autre liaison. Elle doit casser à 24Kg de force de traction. Pour étudier l’effet « bulle d’orage » un capteur de température sera disposé dans l'enveloppe. On peut alors mesurer la différence de température entre l’extérieur et l’intérieur du ballon pour mettre en évidence l’effet de la condensation de l’eau. DiversLe coude (minimum) de la variation en température permet de détecter le passage du ballon dans la tropopause. De la condensation d'eau se formera sur les optiques lors de la descente du
ballon. Lors de l'ascension pas de pb.
Estimation de consommation et de poidsCharge utile principaleLe tableau suivant donne la consommation et le poids de la charge utile principale.
Enveloppe + Nacelle + antenne 144MHz
Nous voyons bien d'après les prévisions que le poids de la charge utile sera largement inférieur aux 3.5Kg pris pour hypothèse afin de dimensionner l'enveloppe. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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