Die Idee zu diesem Projekt ist schon ein wenig älter. Noch vor Baumgartner’s Sprung aus der Stratosphäre gab es die Idee, ein Video eines Falls aus sehr großer Höhe hinunter zur Erdoberfläche zu filmen. Nach einiger Recherche war klar, dass das Projekt machbar ist und die Dinge, die man benötigt, zu kaufen sind bzw. gebaut werden können. Es konnte also losgehen.
Im Detail sollte ein Wetterballon eine Kapsel auf über 30km bringen, nach Platzen des Ballons sollte die Kapsel frei fallen und erst in Höhe von 2-3km den Fallschirm auslösen und sicher landen.
Die Position sollte über SMS an ein Handy gemeldet werden, so dass die Kapsel und das Bildmaterial geborgen werden konnte.
Bau
Als erstes haben wir einen Fallschirm genäht und getestet, was technisch kein größeres Problem darstellt – ca. 1,20m im Durchmesser und groß genug, um eine Masse bis ca. 1,5kg im Fall abzubremsen.
Die Bilder sollten über ein Smartphone gemacht werden, dass auch die Steuerlogik ausführen sollte. Zur Anwendung kam ein Samsung S2 mit seiner recht guten 8MP Kamera. Schnell stellte sich heraus, dass die Sensorik ergänzt werden musste, sowie die Ansteuerung des Auslösemechanismus etwas mehr Elektronik erforderte. Dazu wurde ein Arduino hinzugefügt, der den Luftdruck, Temperatur und Beschleunigung messen und über eine Motorsteuerung Relais zum Auslösen des Fallschirms ansteuern sollte. Die Kommunikation sollte über Bluetooth erfolgen erfolgen. 2 Shields haben wir dazu designed und später zusammengelötet.
Das Konzept wurde auch so umgesetzt. Die Software kann man sich hier ansehen.
Schwierig erwies sich, eine möglichst lange Batterielaufzeit zu erzielen. Beim Smartphone konsumiert der Bildschirm die meiste Energie. Das Programm wurde so geschrieben, dass es immer nur bei der Foto- und Videoaufnahme den Bildschirm anschaltet, was alles in allem zu Laufzeiten bis zu 12h ohne zusätzliche externe Energieversorgung führte.
Die Bluetooth-Kommunikation war ebenfalls nicht ganz trivial, da das verwendete, übliche Chinesische HC-05 oder HC-06 Modul, wie man es z.B. bei ebay hier bekommen kann, in verschiedenen Firmware-Versionen existiert und die Einstellung der Baudraten etc. doch erhebliches Rätselraten und viel Testzeit beansprucht hat. Die gefundene Konfiguration und Kommunikation erwiesen sich dann jedoch als außerordentlich stabil.
2 Relais sollten den Deckel für den Fallschirm öffnen, dazu wurde eine Motorsteuerung TB6612FNG eingebaut. Es stellte sich heraus, dass die Relais eine recht hohe Stromaufnahme haben, was nach mehrstündigen Flug in sehr kalter Umgebung ein Problem für die Batterien darstellen kann. Nur gut ist, dass wir diesen Teil des Experiments doch in letzter Minute noch herausgenommen und vereinfacht haben.
Die Software ist im wesentlichen eine Zustandsmaschine, bei der die Zustände, z.B. Aufstieg, Fall, Fallschirmflug durch diverse Änderungen, wie etwa bestimmte Luftdruckwerte, große Beschleunigung oder Zeitschranken ausgelöst werden.
Als Wetterballon haben wir einen Pawan CPR 1200 bei ebay gekauft, der nach Herstellerangaben bis zu 1kg auf über 30km bringen kann. Der Ballon wurde mit Helium gefüllt, dass wir in einer Stahlflasche bei der Peter Lindner GmbH in Pankow erworben haben. Vielen Dank insbesondere für das Ausleihen der Füllventile.
Kurz vor Start ergab sich durch den Sponsor HERE noch die Möglichkeit, eine GoPro als zweite Kamera einzubauen.
Als Redundanz-Ortungssystem wurde noch ein zusätzlicher GSM/GPS-Tracker eingebaut, wie man ihn z.B. hier bei ebay kaufen kann.
Die ganze Teile wurden in einen Styroporblock eingebaut.
Zusätzlich kamen noch Zehenwärmer aus dem Outdoor-Laden hinein, um für ein wenig Wärme bei -50°C Außentemperatur zu sorgen.
Vorbereitung
Die Deutsche Flugsicherung benötigt für einen Starterlaubnis eine Haftpflichtversicherung, die wir von der Allianz bekommen haben, eine Experimentbeschreibung und eine Bestätigung für den Startplatz. Den Startplatz wählten wir möglichst weit entfernt von großen Wasserflächen, dass der Ballon bis zu 150km abdriften kann. Berlin und Brandenburg kamen dann doch nicht in Frage. Das Stettiner Haff und die Mecklenburger Gewässer sind so weit nicht entfernt und einen Totalverlust wollten wir auf die Art nicht riskieren. Wir haben dann bei der Familie Brodauf in Lichtenberg im Erzgebirge eine Wiese als perfekten Startplatz bekommen, wofür ich mich an dieser Stelle noch einmal herzlich bedanken möchte.
Die Flugsicherung München gab dann auch für den 21.12.2013 10:00 Uhr bis 14:00 Uhr eine Warnung für den Aufstieg unseres Wetterballons heraus.
Für mich, der im Osten Deutschlands mit all den Kontrollen und Reglementierungen aufgewachsen ist, erscheint es immer noch als Wunder, dass man so ohne weiteres die Genehmigung für ein Experiment dieser Art mit Luftbildaufnahmen und Einfluss auf den Luftverkehr erhalten kann.
Durchführung
Wenige Tage vor Start war alles zur Integration fertig. Leider stellte sich heraus, dass mit Handy, GoPro, Arduino, GSM/GPS-Modul, Batterie und Kapsel mit Logo-Print die Kapsel zu schwer war. Wir haben dann Flügel, die ursprünglich große Batterie und die Relais entfernt, was zu einem reduzierten Gesamtgewicht von ca. 1,4kg führte. Immer noch mehr als geplant, aber mit ein wenig mehr Helium im Ballon noch im Bereich der Durchführbarkeit. Die elektronische Auslösung des Fallschirms wurde also in letzter Minute herausgenommen, stattdessen sollte des Fallschirm durch einen kleineren Vorfallschirm bei entsprechender Luftdichte mechanisch ausgelöst werden – KISS-Prinzip, keep it simple, stupid.
Allerdings beschränkte sich durch diese Änderung auch der freie Fall auf die oberen dünnen Luftschichten.
Das Wetter am 21.12. war außerordentlich gut für Ende Dezember. Ein paar Wolken, aber auch sonnige Abschnitte, um die 2° C.
Wir hatten geschätzt, dass der Fülldurchmesser des Ballons mit etwas Übergewicht für die Nutzlast ca. 2,10m betragen sollte. Die Angaben zum Ballon, die wir finden konnten, waren nicht ganz eindeutig, so blieb es bei einer Schätzung zum Füllvolumen. Ein späteres Nachmessen des Gasflaschendrucks hat ergeben, dass der Ballon mit 5qm Helium befüllt wurde.
Die technische Startvorbrereitung und das Befüllen des Ballons verliefen sehr gut. Pünktlich um 10:00 startete der Ballon.
Dann hieß es erstmal abzuwarten.
Nach ca. 1h und 45min meldete sich die Kapsel mit einer SMS mit einer Positionsangabe.
Die Position lag ca. 70km vom Startplatz entfernt in einem Waldgebiet ca. 300m von der nächsten Siedlung entfernt im tschechischen Teil des Erzgebirges, ca. 2h Autofahrt vom Startpunkt entfernt.
Die Position war auf den Meter genau, nur die Bergung gelang am ersten Tag nicht. Die Kapsel lag auf einer ca. 30m hohen Kiefer. Unverrichteter Dinge ging es zurück.
Die Batterien in der Kapsel reichten noch für SMS-Meldungen bis in die Abendstunden für insgesamt mehr als 11 Stunden.
Die Bergung der Kapsel gelang dann an einem der kommenden Tage.
SONY DSC 
Blick aus 20 km Höhe 
Gemessene Positionen der Kapsel
Time,Latitude, Longitude, Altitude
9:38:15AM, 50.838585, 13.382951, 478.90
10:04:52AM, 50.839, 13.395, 964.10
10:06:35AM, 50.842, 13.415, 1526.90
10:06:52AM, 50.845, 13.42, 1612.50
10:08:52AM, 50.846, 13.425, 2237.00
10:10:52AM, 50.847, 13.445, 2784.20
10:11:36AM, 50.848, 13.46, 2980.70
10:12:53AM, 50.849, 13.48, 3392.00
11:16:34AM, 50.801, 14.40, 3891.70
11:16:57AM, 50.802, 14.41, 3412.00
11:17:37AM, 50.803, 14.42, 2616.40
11:18:46AM, 50.804, 14.425, 1279.00
11:21:16AM, 50.805084, 14.429254, 435.30
Luftdruck und Höhe
GPS misst zwar auch die Höhe, jedoch lieferte unser Handy oberhalb von 3991m keine Ergebnisse. Auch wenn dieser Wert unterhalb des US Export Limits von 18.000m liegt, vermute ich, dass die Beschränkung denselben Grund hat. So bleibt nur die Höhenbestimmung über den Luftdruck.
Das folgende Diagramm zeigt den gemessenen Luftdruck und die entsprechende über das ISA-Standard-Atmosphärenmodell (vgl. z.B. hier) berechnete Höhe.
Als weiterer Fehlerwert schleicht sich ein, dass der BMP085 Luftdruck-Sensor entsprechend Datenblatt eigentlich nur im Messbereich >300hPA korrekt arbeitet.
Die per GPS gemessene Starthöhe betrug 478m, die Höhe des Fundorts 435m. Die barometrisch ermittelten Höhen weichen davon um 100m ab, was im Diagramm korrigiert ist.
20.000m Höhe haben wir etwa erreicht. Die angepeilten 30.000m wurde auf Grund des zu hohen Startgewichts und gewählten größeren Ballonstartvolumens verfehlt. Dennoch ein außerordentlich gutes Ergebnis!
Bei nächsten Mal …
… sollte
- die Kapsel leichter sein, ca. 400g, um eine größere Höhe erreichen zu können
- und somit auch der Ballon eine geringeres Startvolumen haben
- der Ballon und der Fallschirm an mehreren Punkten mit der Kapsel verbunden werden, damit die Kapsel sich nicht so leicht dreht
- der Fall der Kapsel über den Luftdruck ermittelt werden, nicht über die Beschleunigungswerte
IG4D 