Jak vlastně dopadl let Apolla1?

Děkuji všem, kteří se podíleli na realizaci letu Apolla1 také těm, kteří jej sledovali a pomohli nám zmapovat dění na palubě. 

Tak jak, to během přípravy vypadalo dobře (Apollo mělo před startem nalétáno několik týdnů, z toho 48 h v mrazáku), těsně před startem se začalo vše hroutit. Nejdříve jsme zjistili, že ve svém QTH nenatáhneme antény, tím bylo ohroženo i vysílání aktuálních předstartovních informací. Narychlo jsme požádali Vaška OK1DCS o vysílání, ale než uvedl do provozu maják, tak to chvíli trvalo a mezi lovci se začala šířit nejistota, jak to vlastně s tím startem dopadne. 

Pepík OK1USP připravuje závěs, který zajistí aby GPS anténa měla během letu výhled na družice

Práce na "Mysu Canaveral" na Kvildě začaly dle plánu ale objevily se neočekávané závady, které start ohrozily. Nejdříve si Milan OK1IF všiml, že meteorologický balón Pawan CPR-100 (hlavní motor) jeví na obalu známky poškození. Byla oparativně svolána porada a bylo rozhodnuto motor vyměnit. Vzhledem k sehranosti realizačního týmu, výměna motoru proběhla v rekordním čase několika minut. Mezi tím, 2. skupina připravila samotné Apollo, připojila anténu 80m a fixovala polohu GPS antény aby během letu byl stále výhled na družice. Po zapálení motorů Apollo1 odstartovalo ale jak už to tak bývá nevydržel nejslabší článek řetězu a po několika vteřinách vesmírný koráb dopadl asi 10 m od místa startu a samotný motor pokračoval v cestě do kosmu. Nevydržel závěs, kterým byla anténa 80 m připoutána k hlavnímu motoru. Samotné Apollo i anténa naštěstí pád přezily bez poškození. Pepík OK1BJH byl prozíravý a zajistil dostatečné množství paliva, takže jsme se mohli pokusit o další start. Ten se již zdařil a tak jsme mohli sledovat, jak Apollo1 majestátně stoupá. 

OK1FII (vlevo) a OK1DDQ (vpravo) pří čerpání paliva. V pozadí Pepík OK1BJH pří zajišťování poškozeného balónu

Záhy se ale začaly tvořit vrásky na na tvářích hlavních letových inženýrů OK1IF a OK1USP. Po 1. korekci výšky, bylo zjištěno, že balón stoupá příliš rychle cca 2.5m/s a tudíž bude překročena plánovaná letová hladina 4000 - 5000 m. Dále byla opravena predikce doby života Apolla1 na několik hodin. Původně jsme předpokládali, že Apollo ukončí svoji činnost po vyčerpání zdroje energie, což mělo trvat déle než 24 h. Nyní ale nastala jiná situace. Dalo se předpokládat, že balón poletí ve výšce nad 10 km a vnitřní tlak nosného plynu jej roztrhne nebo vlivem nízké teploty < -50°C selže nějaká klíčová část elektroniky. 

OK1DDQ v pozadí odpočítává poslední vteřiny před startem

Že se tragický osud Apolla1 naplňuje bylo potvrzeno asi po hodině letu. Vysadil GPS přijímač.  Po 18:06 UTC se přestala obnovovat poloha. Jen pro vysvětlení: Z důvodu úspory energie se GPS RX zapíná po 15 minutách klidu, časový údaj v relaci indikuje čas poslední fixace (dobu zjištění polohy). Pak se GPS vypne a celých 15 minut se vysílá čas a poloha zjištěná při poslední fixaci. Ostatní údaje, tj. napětí baterek a teplota se měří na začátku každé relace. Poslední platná poloha byla tedy zjištěna v 18:06 UTC a nadmořská výška v té době činila 10414 m. V GPS byla ponechána implicitní předkonfigurace "Portable", která zajišťuje měření polohy do maximální nadmořské výšky 12000 m. Předpokládám, že po 18:06 UTC překonal balón výšku 12000 m a GPS RX přestal pracovat.

Pak po necelých 2 hodinách letu vypadl signál Apolla úplně. My na Kvildě jsme ho již slyšeli hodně špatně, tak jsme si ještě chvíli dělali naději, že Apollo uletělo pouze z našeho doslechu. Když ale začaly chodit reporty, zjistili jsme, že to byla asi skutečně doba jeho zániku.

Vašek OK1DCS naštěstí natočil celý záznam letu. Ze záznamu je zajímavý především konec letu Apolla. 1:32 min záznamu - výborný signál napětí baterky 5.8 V, Teplota -31.5°C, 1:36 min záznamu - výborný signál napětí 5.9 V, teplota -31°C,  1:38 minuta záznamu napětí výborný signál, napětí 5.9 V, teplota -32°C 1:41 minuta záznamu - skokové zhoršení kvality signálu, signál téměř nečitelný, přečetl jsem bez záruky pouze teplotu -33°C. 

Nechci nikomu dávat návod, jak s uvedenými fakty pracovat. Ostatně budu rád, pokud se mnou podělíte o názory. Audio záznam není černá skříňka abychom mohli vyvozovat nějaké jednoznačné závěry. Nicméně z toho vyplývá několik zajímavých faktů. 

1. nekorespondují data GPS a teploty. Pokud přijmeme názor, že výška balónu byla > 12000 m, měla by být teplota  < -60°C

2. Balón se pohyboval přibližně SV směrem, tomu odpovídá i audio záznam, ze začátku je signál horší a postupně se kvalita zlepšuje, jak se Apollo přibližovalo k Vaškovu QTH (NR Český Krumlov).

3. Napětí baterek dávalo dle mého názoru pravdivou informaci a vypadá to, že v době smrti Apolla byly baterky v dobré kondici.

4. V době smrti minimálně pracoval MCU  a oscilátor. Nezaznamenal jsem zhoršenou kvalitu klíčování ani frekvenční drifty oscilátoru. Silně poklesla úroveň signálu. 

Jaký z toho vyvodit závěr?

No jak jsem psal, zrovna mám rozbitou křišťálovou kouli, takže přesnou analýzu nečekejte. Přikláním se k názoru že balón letěl ve výšce > 12000 m. V té době nefungoval správně teploměr, možná i z toho důvodu, že okolní teplota byla mimo měřící rozsah. Měřící rozsah DS18B20 je -55°C - +125°C. V 1:41 minutě záznamu byl již balón v pádu na zem. Pro skokovou změnu přijímaného signálu se mě nejvíce zamlouvá odůvodnění Pepika OK1USP, který tvrdí, že se v pádu obě ramena dipólu do sebe zamotají a anténa prakticky nezáří.

Na sdíleném disku Apollo jsou datové soubory ze kterých jsem vycházel. Je zde také mapa s vyznačením zjištěných pozic.  Pomocí extrapolace bylo zjištěno přibližné místo dopadu. Podle mého odhadu Apollo spadlo v okolí Albrechtic nad Vltavou viz. mapka.

Jak jsem se nakazil balonománií II.

Jak se blíží termín vypuštění Apolla, tak práce v Kenedyho vesmírném středisku na Kvildě nabírají stále vyšších obrátek. Bohužel se ale nepovedlo realizovat všechny vytýčené úkoly. Jedním z nich bylo zprovoznění interaktivní aplikace, do které by mohl kterýkoli posluchač zapisovat polohu Apolla a která by byla sdílena se všemi zájemci. Bohužel ve stávajícím QTH nemáme ani možnost instalace slušných antén, takže předpokládám, že my ztratíme kontakt po několika málo hodinách. Z tohoto důvodu budeme přijímat reporty a hlášení emailem na adrese ok1ddq@gmail.com a ok1if@volny.cz. Budeme vytvářet soubor Apollo1.kmz, který je možno otevřít například v programu Google Earth http://www.google.cz/intl/cs/earth/download/thanks.html#os=win#updater=yes. Datový soubor bude na sdíleném WEB disku https://drive.google.com/open?id=0B6Gi_xGjj_Z5YUhiMlpxeXJzN3M. Kdo bude mít zájem, může si zkopírovat soubor do vlastního počítače a sledovat dráhu Apolla.

Jak jsem se nakazil balónománií

Na rádiu je pěkné, to že dá dohromady lidi, kteří se nikdy před tím neviděli a třeba se v životě ani neuvidí. Už ani nevím, jak jsem se seznámil s libereckou partou. No "libereckou" je silně zavádějící. Vlastně jsme roztroušeni tak nějak proporcionálně od severu Čech až k jihu. Liberecká parta říkám, protože ministr všech ptákovin Milan OK1IF bydlí v Liberci a je to hlavní organizátor našich společných akcí. Na našich společných dovolených, které mají zkratku SRH (Summer Radio Hiking) se věnujeme sotování a nebo jen výletům po okolí, no a když nás to zmůže, tak je potřeba se posilnit dobrým mokem. Když je mok doopravdy kvalitní, tak má blahodárný vliv i na mozkovou aktivitu a světlo světa spatřují ty nejlepší nápady. No a kdysi před lety vznikla debata  typu, jak daleko je možné se dovolat s kvalitní anténou a minimálním výkonem. Tehdy musel být mok skutečně špičkový, protože vznikl projekt ideální antény, pracovně pojmenovaný "Sputnik". Je to anténa (půlvlnný dipól) vytažený do výšky několika km balónem. Pokud mě paměť neklame, sputniky s různě kvalitními motory (od pouťových balónků až po meteorologický balón) vyletěly celkem 4. Nad výsledky měření jsme vědecky i nevědecky mudrovali ale pro solidní posouzení stále chyběly základní údaje, a to jak daleko a jak vysoko je asi vysílací anténa. Proto vznikl projekt Apollo, kdy balón ponese radiomaják vybavený teploměrem a GPS přijímačem.

Duchovním otcem Sputniků je Jarda OK1MKX. Vyvinul a vyrobil veškerý HW. Já většinou zajišťoval pomocné práce jako kotvení Sputnika, čerpání paliva  a podobně. Při plánování projektu Apollo mě již byla svěřena důvěra a byl jsem jmenován hlavním konstruktérem. Takový profesní skok mé kariéry jsem ani nečekal. S vývojem elektroniky jsem totiž skončil před cca 30 lety. 

Ona ta myšlenka vlastně ani tak novátorská není. Radiomajáků vybavených mnohem lépe, je na trhu několik. Jenomže já si říkám, když už jsem sakra ten radioamatér a telegrafista, tak nebudu přece kupovat hotový tracker, i když má zabudovaný 70 cm modul s připojením na APRS a spoustu dalších vymožeností. Takže bylo rozhodnuto, že naše Apollo bude mít výstup CW v pásmu 80 m. Pásmo 80 m bylo vybráno z několika prozaických důvodů. Jsou běžně k dostání krystaly s kmitočtem 3579.65 kHz, V době slunečního minima toto pásmo zajistí slušné podmínky šíření a jsou k dispozici liškové přijímače, pomocí kterých je možno potom maják dohledat. Zadání naštěstí příliš svazující nebylo.

HF Výkon max 100 mW

Životnost alespoň 24 h

Výstup CW v pásmu 80 m

Hmotnost do 100 g

Nakonec se ukázalo, že to úplně triviální úloha není a vztah mezi životností baterek, výkonem a hmotností je docela kritický. VF část je řešena klasicky. Základem je Colpitsův oscilátor, řízený krystalem na kmitočtu 3.57965 MHz. Za ním následuje koncový stupeň s Mosfet tranzistorem PMBF170 (BS170) . Anténa je přizpůsobena L článkem na 75 Ohm. Napájení VF části je přímo z baterek, takže výkon je závislý na vybití baterek. Pro rozsah napětí 5V - 7.2V kolísá výkon od 50 mW do 100 mW. Původně plánované baterky 2x Li.SOCl2 (3.6V) se neosvědčily, nesnášejí tak vysoké vybíjecí proudy. Nejlepší výsledky dávají baterky Li-FeS2 (1.5V). Ty ale díky nižšímu napětí musejí být 4, takže jsme zase o pár gramů těžší.

Číslicová část je založena na řídícím procesoru Atmel typ ATTiny 1634, 16 kb Flash, 1 kb Ram. Obsahuje i 2 UARTy, jeden je využit pro komunikaci GPS přijímačem U-Blox M8-Q a druhý je určen pro připojení PC. SW MCU zajišťuje transparentní propojení obou portů, takže je možno monitorovat komunikaci mezi MCU a GPS a konfigurovat GPS. Vedlejším produktem tohoto řešení je vlastně takový zjednodušený vývojový systém pro GPS. Stav GPS je indikován tříbarevnou LED. Červená LED indikuje zapnutí GPS, Zelená LED indikuje aktivitu na kom. portu GPS a modrá indikuje stav fixace GPS. Po zafixování bliká s 10 s přestávkou. Počet bliknutí indikuje počet zachycených satelitů pro výpočet polohy. Z důvodu úspory energie funguje indikace led pouze hodinu po zapnutí a pro nadmořskou výšku (ASL) < 1000 m. Jelikož jsem neměl s konstrukcí GPS přijímačů zkušenosti, nechal jsem si otevřená zadní vrátka a přípojil k MCU řídící signály EXTINT a TIMEPULSE. Nakonec jsem je nevyužil ale naštěstí ATTiny 1634 má dost I/O, tak jsem šetřit nemusel. Z důvodu úspory energie je nutno rovněž vypínat GPS RX. To dělám rovněž HW pomocí tranzistoru Q1 (BC807). Interní paměť GPS, kde jsou uložena data pro výpočet polohy je trvale napájena. Jako GPS anténa slouží keramická Path anténa 13x13 mm. Je to nejslabší článek Apolla. Úroveň signálů ze satelitů je nízká a je třeba šetřit každým dB. Standard, který je nejrozšířenější 25x25 mm jsem zavrhl z důvodu rozměrů a hmotnosti. Nakonec, když jsem zvětšil zemní plochu kolem antény a oddělil napájení GPS tlumivkou se zafixuje i v podkroví. Venku s výhledem na oblohu 1. fixace trvá několik minut, v podkroví třeba i 30 minut. Napájení číslicové části dělá měnič MCP16301. Pracuje v základní katalogovém zapojení.

Relace je ve tvaru:

V V V de OK1DDQ/AM  UTC HHMM - LAT XX.XXX - LON XX.XXX - ASL XXX M - SUP XX.X V - TMP XX.X C

UTC - Čas UTC, kdy byla zjištěna poloha. Udávají se hodiny a minuty

LAT - zeměpisná šířka ve stupních. znaménko - indikuje jižní šířku, například 49.9542° SŠ

LON - zeměpisná délka ve stupních, znaménko - indikuje západní délku například -14.2568° ZD

ASL - Nadmořská výška v metrech

SUP - Aktuální hodnota napájecího napětí ve voltech

TMP - Aktuální teplota ve °C

Po relaci následuje z důvodu úspory energie asi minutová přestávka, ve které se vysílají pouze tečky. V době zjišťování polohy přechází TX rovněž do tohoto úsporného režimu. Teplota a napětí se měří před každou relací.

Výše popsaný SW je verze 1.0. Do letošní SRH 2016 od 11.6. do 18.6. doufám dospěji do vyšší verze. V plánu je především zrychlit fixaci GPS, aktivovat před vyčerpáním baterek dohledávací režim, aktivovat režim snížené spotřeby MCU mezi relacemi a několik dalších vylepšení.

Budeme rádi, pokud budete sledovat 1. let Apolla a pokud a pokud se aktivně zapojíte. Nápadem se můžete zapojit již nyní. Rádi bychom aby let Apolla nebyl pouze záležitostí účastníků SRH 2016 ale aby se dokázali zapojit i ostatní u vlastních rádií. Proto hledám nějakou aplikaci, nejlépe mapovou, do které by mohli zapisovat aktuální data z Apolla i ostatní. Pokud se záměr zdaří, Apollo bude pracovat minimálně 24 hodin a nám na Šumavě zmizí z radarů po několika hodinách. Bylo by pěkné, kdyby ostatní, kteří jej uslyší mohli převzít štafetu a udržovat aktuální data a po přistání jej případně pomohli dohledat.

Digitální VFO pro TCVR K1

Asi tak před 2 roky jsem si pořídil stavebnici TCVR K1 od firmy Elecraft. Mě totiž jejich konstrukce připadají takové promyšlené, vyladěné, zkrátka cesta, jak z minima dostat maximum. Také v tom byl kousek nostalgie, protože K1 je na rozdíl od svých následníků čistě analogové rádio. CPU tam obsluhuje pouze displej, přepíná pásma a pod. Signál je zpracováván analogově. Stavba se zdařila, pro drobném ladění a doletování zapomenutých součástek, rádio hraje a já mám novou hračku na SOTU. Jenomže po prvotní eufórii, jsem začínal lehce střízlivět. Přece jen mě všechny možné digitální technologie nějak poznamenaly a mě začalo vadit VFO. K1 má klasický LC Colpitsův oscilátor laděný varicapy. Nějak jsem si nemohl zvyknout na to courání. Doma to ještě šlo, když se neměnila okolní teplota, tak se oscilátor po nějakých 10 minutách usadil a změny frekvence byly téměř neznatelné. Pouze takoví operátoři, s rentgenovýma ušima, jako například Milan OK1IF, mě neustále během spojení informovali, jak daleko jsem se s aktuální frekvencí odchýlil.
Konečné rozhodnutí s tím něco udělat padlo na jedné krásné podzimní SOTĚ, kdy už bylo docela chladno, tak jsem se usadil na takové příjemmné pasece, kochal se okolní krajinou a nechal se rozmazlovat posledními slunečními paprsky. Tenkrát to dokonce i chodilo, pileup byl výborný celkově nějakých 40 QSO. Mělo to jej jednu chybu, kterou jsem zaregistroval až, když jsem balil. Když jsem skončil a vypínal rádio, byl jsem asi o 1 kHz vedle než když jsem začínal. Prostě jsem propadl provozu a zapomněl korigovat frekvenci, VFO se vydalo na cestu a ostatní stanice v mém okolí jsem nemilosrdně převálcoval. Tedy ne já se svými 5 W ale ten chumel volajících s těmi 100 a více Watty, které jsem za sebou táhnul.Tímto se tedy postiženým dodatečně omlouvám. Nebyla to arogance ale pouze mladická nezkušenost. Hi.
Začal jsem nad tím přemýšlet, projíždět Internet a nakonec padlo rozhodnutí, nahradit původní LC oscilátor DDS. Inspiroval jsem se především na stránkách Petra OK1XGL http://www.mlab.cz/Designs/HAM%20Constructions/HF_TRAMP/DOC/HF_TRAMP.cs.pdf
a Steven KD1JV http://www.qrpkits.com/files/PFR-3A%20manual.pdf
Rozhodl jsem se použít DDS od Analog Devices AD9834, především kvůli nízké spotřebě a ceně. Mnozí by jistě namítli, že se jedná o prehistorii v DDS obvodech, že jsou rychlejší, s kvalitnějším převodníkem a pod. Vzhledem k tomu, že nahrazuje VFO s rozsahem přeladění 2.99 - 3.08 MHz, tak je až moc dobrý. Horší je to s kvalitou výstupního signálu. Ten obsahuje velké množství harmonických frekvencí, které je potřeba odfiltrovat pí-článkem na výstupu z DDS. Jestli bude verze 2, tak asi ještě jeden čánek přidám.
Vlastní zapojení nebudu podrobně komentovat. V případě AD9834 jedná o základní katalogové zapojení. Pro řízení je použit MCU Atmel ATMEGA 8 (88). Za zmínku snad stojí pouze ovládání. Původně jsem myslel, že využiji pro ladění 10-otáčkový potenciometr pro Varicap. Když jsem to ale přepočítal, tak jsem zjistil že při požadovaném rozladění 80 kHz by teoretický ladící krok s 10-bitovým AD převodníkem byl cca 80 Hz a vzhledem k jeho nestabilitě spíše 160 Hz. Přemýšlel jsem i nad 12-bitovým AD převodníkem ale to dost zesložiťovalo a prodražovalo konstrukci. Zanedbatelná nebyla ani spotřeba. Rozhodl jsem se tedy nahradit potenciometr encoderem, u kterého bude možno ladící krok měnit. A jelikož jsem maximalista, vybral jsem encoder s barevně prosvetlenou hřídelkou aby bylo možno indikovat aktuálně navolený ladící krok.
Další problém na sebe nenechal dlouho čekat.  Když jsem DDS rozchodil na bastldesce, začal jsem přemýšlet, jak to zabuduji do K1. Normálně bych to vysadil vedle desky filtrů na distanční sloupky nad základní desku. Jenomže já jsem do tohoto prostoru umístil interní akumulátor. A toho jsem se vzdát nechtěl. Nakonec jsem se rozhodl pro trochu odvážné řešení. Desku DDS jsem umístil pod zkákladní desku TCVR. Mezi spodním krytem a základní deskou je prostor asi 5 mm, pečlivě jsem oštípal zaletované vývody na základní desce, DDS je celá osazena SMD, tak tam alespoň nebylo nic na štípání. Hi. A do tohoto prostoru jsem na 2 mm distační sloupky umístil desku digitálního VFO. Na základní desce K1 jsem dokonce našel 2 díry pro přišroubování, takže v podstatě nic nebránilo v pokračování.
Nyní jsem mohl přistoupit k řešení posledního problému, do jakého místa injektovat signál z DDS. Ačkoli to tak ze začátku nevypadalo, nakonec jsem se drobet zapotil i s tímto. Originální VFO mělo poměrně velkou amplitudu cca 2.5 Všš. Z DDS vycházel signál asi 0,3 Všš. Na příjem by to stačilo, i když dost klesla citlivost RX. K1 má v zesílení velkou rezevu. Jenomže signál z DDS nevybudil koncový stupeň, čímž jsem z K1 udělal QRPPP rádio. Takže jsem stejně musel řešit, jak dostat signál z DDS alespoň na úroveň 2 Všš. Nechtěl jsem základní desku K1 úplně vybílit, kdybych náhodou musel hodit zpátečku a uvést ji do původního stavu, aby s tím nebylo tolik práce. Nakonec to dopadlo tak, že jsem z desky vyletoval C11, C12, D17, L1. C5 jsem na straně L1 vytáhl ze základní desky a zaletoval do DDS. Q8 (J309), ze kterého se stal emitorový sledovač, jsem nahradil PNP tranzistorem v zapojení se společným emitorem a nastavil mu zesílení 8. Tím jsem do R5 i Q9 dosáhl stejné úrovně signálu jako v případě původního VFO a výkon šel opět při plném napájení nastavit na 7 W. A já jsem opět nucen používat atenuátor. Hi.

No a jaké jsou první dojmy? Vesměs převažují pozitivní pocity, i když na nějaké zásadní hodnocení je ještě příliš brzy. Mohu ovšem konstatovat, že základní cíl byl splněn. VFO je stabilní, sluchem, se kmitočtová nestabilita nezjistí. Obavy jsem měl především, že dojde ke zhoršení kvality signálu vlivem vyšší úrovně intermodulačních produktů, které tam zanese digitální VFO. Na spektrálním analyzátoru by se to jistě projevilo, poslechem jsem to ale nezjistil. Projevila se jedna nepříjemná věc. Při ladění pravděpodobně dochází ke krátkodobému výpadku signálu. To nesnáší digitální stupnice K1 a během ladění se na displeji objevují nesmyslné hodnoty frekvence. Když se encoder zastaví, hodnota je opět v pořádku. Během ladění je ve sluchátkách slyšet slabé lupnutí při každé změně frekvence. Na SW řídícího MCU ještě pracuji, uvidím jestli se to povede potlačit. 
Na závěr ještě informaci. Jestliže někdo bude mít zájem upgradovat svoji K1, na disku na google budu mit kompletní dokumentaci, napište, zařídím přístup. Nechci to totiž nechat úplně otevřené. Zbyly mě profesionálně vyrobené plošné spoje a další materiál. Vážným zájemcům to odprodám, případně desku osadím a oživím, pokud se nebudete cítit na SMD.