野外Alicats:高空气球质量流量计,第1部分

就在一年前,我们捐赠了一个带有累加器的便携式质量流量计,用于一个专注于干细胞研究的高海拔气球飞行项目,该项目名为FAST: Flying Apple Space Technologies。在我们“Alicats In the Wild”系列的第一个博客中,我们跟踪了FAST team,他们正努力将气球送过大西洋。
两年前,一名年轻女子观看了一段YouTube视频,视频中一对父子将一个高空气球(HAB)发射到近地空间。凭借拉斯维加斯内华达大学(University of Nevada)新获得的天体物理学博士学位,阿曼达·马克西姆(Amanda Maxham)博士很快建立了飞行苹果空间技术(Flying Apple Space Technologies,简称FAST),这是一个利用高空气球来激励学生和外行人参与科学、工程、技术和数学(STEM)的项目。FAST使用乳胶气象气球,气球上装有科学仪器,可以在目标高度进行跟踪、成像和实验。至于“会飞的苹果”,他们简单地解释道:“牛顿的苹果掉下来了。”我们的苹果飞。”好了!
Nevada from 100,000 feet

在FAST-4的飞行过程中,从10万英尺的高空坠落到内华达州南部

作为内华达NASA太空拨款的接受者,FAST在过去的两年里已经发射了17次。第一次是在2011年9月24日,他们的科学有效载荷在一座山的一侧紧急着陆,这是一个史诗般的失败。该团队花了两天时间来定位和恢复有效载荷。在另一次发射中,气球带着一个失灵的跟踪信标升空。然而Maxham博士把这些失败看作是她的学生发现科学障碍并创造性地克服它们的机会。正是这些障碍之一引起了我们对FAST团队的注意。

高空气球中的质量流量计

在HAB中一个常见的障碍是确定正确的轻于空气的气体添加到气球的数量。在气球爆炸之前,气量对于产生足够的升力达到目标高度至关重要。因为气体是可压缩的,所以体积是大气压(因此高度)和温度的函数。气球的体积通常是15000英尺高度的两倍,所以一个气球在100000英尺高度的体积大约是它在地面填充时体积的128倍。用过少的气体填充气球不会产生足够的升力;过多的气体会导致气球在到达目标高度之前爆炸,或者在爆炸之前没有中性浮力。

Mass flow meter for high-altitude ballooning

发射前将气体流量累计到高空气球中的质量流量计

The FAST team fills a balloon prior to launch.

快速队伍在快速6号火箭发射前将气球填满。

HAB团队通常使用地面上的砝码来测量气球内气体的升力,但这种方法不方便且不准确。在测量重量时,气球必须停止充气,这必须在室内进行,以避免在发射地点不断变化的风的力量。在重量堆栈上叠加1公斤和0.5公斤的重量,同时观察举重的迹象,使快速队伍的精确度最多为0.5公斤。马克辛博士的团队需要一种更精确的方法来验证发射时的升力是否达到了正确的水平。由于知道计算气球的升力是很简单的,只要能测量出气球中加入的气体的量,研究小组就开始寻找解决方案。去年8月,当FAST的Edward Giandomenico联系到Alicat时,我们很高兴能够为他们提供解决方案:我们向团队捐赠了一个带有累加器的1500-slpmMB系列便携式气体质量流量计

FAST团队只需按下一个按钮,就可以在氦气和氢气之间进行切换,同时保持测量的准确性,并通过现场的电池供电来实现。

Mass flow meter for high-altitude ballooning

Alicat便携式质量流量计,带有用于高空气球的累加器

据Maxham博士所知,FAST是唯一一个使用流量计来监测进入气球的气体总量的HAB小组。质量流量测量和累计允许快速团队在地面上用精确数量的气体分子填充气球,这样气体在高空的升力和体积刚好合适。事实上,该团队测量升力的精度从500克提高到了零点几克!由于气体质量流量是标准化的一个特定的STP,这种测量是完全独立于当地的表面天气条件,包括风,温度和气压。通过这种方式,FAST团队可以确定,在12万英尺的高空,地面上250标准立方英尺的氦气仍然是250标准立方英尺的氦气,前提是气球没有泄漏。

另一个挑战是FAST有时用氦气填充气球,有时用氢气。氦更安全(“还记得兴登堡吗!”),但目前要贵得多。氢是一种廉价的气体,在一定体积内产生更大的升力。每一种气体都有不同的特性,当气球上升高度时,这些特性会影响气球的体积膨胀,以及气球对发射场条件变化的反应。Alicat质量流量计预装了30条气体和气体混合校准曲线,这是件好事。FAST团队只需按下一个按钮,就可以在氦气和氢气的属性数据之间进行切换,同时还可以通过现场电池供电来保持测量的准确性。实时质量流汇总允许团队成员确保气球内的目标质量没有超调。

请继续关注!明天我们继续关注FAST跨越大西洋的雄心壮志。
如果天气允许,FAST的下一次发射将在2013年10月5日。你可以在发射当天跟踪它的飞行,所以一定要订阅FAST的博客来获取更新和发射时间表。

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