BEXUS – Ballon Experimente für Universitäts-Studenten

7. April 2008

1. Ballon System

 BEXUS Ballon System mit den Komponenten des Flight trains
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Das BEXUS Ballonsystem besteht neben der Experiment Gondel und dem Ballon aus dem sog. Flight Train. Der Flight train besteht aus dem Abtrennmechanismus, dem Fallschirm, dem EBASS (Service System), dem Balastbehälter, einem Blinklicht, GPS Empfänger und einem Radarreflektor. Die Leistungsfähigkeit des Ballons kann den jeweiligen Experimentanforderungen angepasst werden.

a) Ballon

Als Ballon wird ein mit Heliumgas gefüllter ZODIAC 12SF Kunststoffballon genutzt. Er hat ein Fassungsvermögen von 12000 m³ und erreicht damit in einer Flughöhe von bis zu 35 km einen maximalen Durchmesser von 14 m. Die Länge der Ballons liegt zwischen 65 m und 100 m.

Die erreichbare Flughöhe hängt von der Masse der Nutzlast ab. Eine Flughöhe von 35 km kann mit einer Nutzlastmasse von 117 kg inklusive aller Komponenten erreicht werden.

b) EBASS Service System

 Hercules Startfahrzeug mit der Nutzlastgondel
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Das ESRANGE Ballon Service System (EBASS) ist in einer glasfaserverstärkten isolierten Kiste untergebracht. Es stellt neben GPS-Positions- und Housekeepingdaten auch 3 serielle Kanäle für die Übermittlung von Experimentdaten und Funktionen zur Steuerung der Flughöhe und zur Beendigung des Fluges zur Verfügung. Beim Platzen des Ballons wird der Flug automatisch beendet (load cell controlled termination). Der Flight train wird dabei vom Ballon getrennt, sobald die Zugspannung verschwindet, um damit ein Verwickeln des Zugseils zu verhindern.

c) Nutzlastgondel (Bild 2)

Die Studentenexperimente befinden sich in der Regel in der Nutzlastgondel. Sie hat eine Höhe von 1.2 m und eine quadratische Grundfläche von 1.45 m x 1.45 m. Die Masse der Experimente beeinflusst die Flughöhe. Sie kann etwa 40 kg betragen.

 

 

2. Flugprofil und Flugbedingungen

Der BEXUS Ballon wird vom nordschwedischen Startplatz Esrange, ca 45 km östlich von Kiruna, gestartet (Bild 3).

 Startplatz Esrange in Nordschweden mit BEXUS Ground track
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a) Startbedingungen Die beiden wichtigsten Bedingungen für den Ballonstart sind der Wind und die daraus resultierende Flugbahn. Die bodennahe Windgeschwindigkeit muss unter 5 m/s, vorzugsweise bei 2 m/s liegen. Wenn die Windgeschwindigkeit in höheren Atmosphärenschichten zu stark ist, wird die Flugdauer herabgesetzt.

b) Flugprofil (Bild 4)

Nach der Aufstiegsphase kann die Flughöhe des Ballons in der Stratosphäre in einer Höhe zwischen 20 und 35 km geregelt werden. Die Kontrolle der Flughöhe wird dabei über eine Ventil- und Ballastregelung durchgeführt. Diese Regelung ist optional und wird in der Regel nicht mitgeführt. Die Flugdauer liegt in der Regel zwischen 2 und 5 Stunden. Die Nutzlastgondel wird zur Beendigung des Ballonfluges vom Ballon getrennt und fällt dann an einen Fallschirmsystem zur Erde zurück. Die Flugdauer und der Zeitpunkt der Trennung des Ballons von der Nutzlastgondel werden im Wesentlichen durch Berechnungen für eine sichere Landung auf schwedischem Boden bestimmt. Die Gondel und die  Nutzlast werden zur Wiederverwendung und Datenauswertung innerhalb von ein oder zwei Tagen mit einem Hubschauber geborgen und nach Esrange zurückgebracht (Bild 5).

c) Umgebungsbedingungen

 BEXUS Flugprofil
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 BEXUS Bergung
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Die Temperaturen, denen die Nutzlast in der Hochatmosphäre ausgesetzt ist, liegen bei etwa -70°C. Der Atmosphärendruck sinkt bis auf 10 hPa. Beim Transport zur Startplattform kann die Nutzlast für mehrere Stunden und nach der Landung für ein bis 2 Tage Temperaturen bs -20°C ausgesetzt sein. Es wird empfohlen, dass für wärmeempfindliche Experimente entsprechende Kälteschutzmaßnahmen getroffen werden. Aufgrund der Vakuumbedingungen sollte sichergestellt werden, dass die Systeme – besonders die elektrischen – auch ohne konvektive Kühlung problemlos funktionieren.

d) mechanische Belastungen während Start, Flug und Landung

Die Experimente müssen den bei Start, Flug und Landung auftretenden Belastungen standhalten. Die Beschleunigungskräfte liegen in vertikaler Richtung unter 10 g und horizontal unter 5 g. Die Geschwindigkeit bei der Fallschirmlandung beträgt etwa 8 m/s. Dabei hängen die auftretenden Belastungen wesentlich von der Bodenbeschaffenheit ab. In der Regel erfolgt eine sanfte Landung, die zu keinen Beschädigungen bei der Nutzlast führt.

Flug Parameter
Aufstiegsgeschwindigkeit 5 m/s
Beschleunigung bei Fallschirmöffnung 10 g
Flugdauer 2 -5 hours
Flughöhe 20 – 35 km
Landegeschwindigkeit 8 m/s

 

3. Experiment Schnittstellen

 Experimentanordnung in der Nutzlastgondel
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Abhängig von der Masse der Experimente und der geforderten Flughöhe können bis zu 8 Experimente in der Nutzlastgondel untergebrcht werden (Bild 4).

Die elektrischen Schnittstellen umfassen Daten, Kommandos und Stromversorgung. Die Batterien für die Stromversorgung der Experimente müssen durch die Experimentatoren gestellt werden. Die Batterien müssen für die niedrigen Luftdruck- und Temperaturbedingungen zertifiziert sein. In der Regel werden 28 V-Batterien verwendet.

Jedes Experiment wird mit dem EBASS (ESRANGE Balloon Service System) oder dem E-Link (Ethernet) verbunden. EBASS ist ein Steuerungs- und Führungssystem, E-Link ein Telemetriesystem mit einer standard Ethernet Schnittstelle. Die E-Link Kommunikation kann sowohl über TCP/IP als auch über UDP/IP oder eine andere synchrone oder asynchrone Nutzerschnittstelle erfolgen. Details sind im BEXUS Nutzermanual beschrieben.



 

Experiment Daten  
Daten uplink 2 Kanäle 9.6 kbps
Daten downlink 1 Kanal 4.8 kbps
Gesamte Experimentmasse 40 – 100 kg
Nutzlast Volumen 1.45 m x 1.45 m x 1.2 m
Experimentlänge (max) 0.5 m  

 




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