Auswertung der Ballonmission von Q21 und Schülern der Erweiterten Realschule Weiskirchen:



Am 13.11.2004 starteten 40 Schüler der Erweiterten Realschule Weiskichen einen Stratosphärenballon. Mit an Bord dieses Ballons waren eine Telemetrieeinheit zur Übermittlung von Messwerten und GPS-Daten und eine Kameraeinheit zur TV-Übertragung von Bildern in Echtzeit.

Der Start des Ballons erfolgte um 11.25 MEZ. Um 13.59 MEZ platzte der Ballon in großer Höhe, was sowohl von den Telemetriedaten wie auch der TV-Kamera dokumentiert wurde.

Der Ballon landete nach 3 Stunden und 15 Minuten um 14.40 MEZ bei Breisach am Rhein, am Fuße des Kaiserstuhls und schon kurz danach wurde die Nutzlast geborgen.

Aus dem Start- und dem Landeort ergibt sich eine Entfernung von ca. 175 km Luftlinie und eine mittlere Fahrgeschwindigkeit von 54 km/h.

Leider fiel die GPS-Einheit während des ganzen Experimentes aus, so dass für diese Auswertung keine Navigationsdaten zu Verfügung standen. Aus Peilungen vom Startplatz ist zu schließen, dass der Ballon die Distanz in einem leichten westlichen Bogen zurück legte und somit gegenüber der Luftlinie eine geringfügig größere Strecke und höhere mittlere Geschwindigkeit erzielte.

Die dieser Auswertung zu Grunde liegenden, gefilterten Telemetrie- daten befinden sich in den Dateien ERS.MON (für die Messdaten) und ERS.GPS (für die GPS-Daten).

Es hat nur wenige GPS-Zeilen - sie stammen vom Finder der Nutzlast und von einem Zeitpunkt nach der Landung, als die GPS-Aussendungen der am Boden liegenden Ballonbox wieder einsetzten.

Die Datensammlung der Telemetrieeinheit umfasst insgesamt 1492 Zeilen aus der Flugphase. Bei einer Gesamteinsatzzeit von 12600 Sekunden und einem mittleren Sendeintervall von 8 Sekunden (durch wenige Sprachansagen unterbrochen), ergeben sich maximal 1538 Zeilen, die ausgesendet wurden. Somit wurden 97 Prozent aller möglichen Telemetriezeilen durch die Leitstation in Weiskirchen und andere Beobachter aufgezeichnet - das ist ein sehr guter Wert.

Die Telemetriezeilen enthalten Rohdatenwerte zu den Messegebern Batteriespannung, Batteriestrom, Temperatur und relative Feuchte. Die Rohdaten sind mit folgenden Formeln in physikalische Werte umzurechnen:

Batteriespannung: Ubat = 0,02 * x [V]
Batteriestrom: Ibat = 0,5 * x [mA]
Temperatur: Taussen = -40 + 0,01 * x [Grad C]
relative Feuchte: rFaussen = -4 + 0,0405 * x + 0,0000028 * x^2 [Prozent]

Für die grafische Auswertung der Daten wird die Software PRBALLON benutzt. Das Programm berechnet die physikalischen Werte an Hand der Formeln und zeigt sie als Grafik an.


Spurkarte und Landeort:










Zeigt die Batteriespannung über den Verlauf des Ballonfluges an. Die Nennspannung der Batterien betrug 15 Volt; es wurden fünf Stück Lithium-Batterien mit jeweils 3 Volt Spannung eingesetzt. Diese Batterien sind nur für geringe Stromentnahme optimal ausgelegt und weisen bei höherer Stromentnahme einen Spannungseinbruch wegen ihres Innenwiderstandes auf. In Folge der Erwärmung der Zellen durch chemische Prozesse sinkt der Innenwiderstand mit der Zeit, so dass die Spannung zunächst wieder ansteigt. Im weiteren Verlaufe überlagert sich die Entladung der Zellen mit der abnehmenden Temperatur, was zu einem erneuten Rückgang der Spannung führt. Aus diesem Grunde verläuft die Grafik mal ab- und mal auf- steigend. Bei Alkali-Mangan-Batterien verläuft die Entladekurve von der Nenn- spannung geradelinig abwärts. Die Lithium-Batterien wurden wegen ihres geringeren Gewichts gewählt, damit beide Nutzlasten (Telemetrie- und TV-Box) nicht wesentlich über 1 kg Masse haben.





Der mittlere Stromverbrauch der Telemetrieeinheit lag bei ca. 45 mA. Bei Sendung steigt der Stromverbrauch deutlich an; auch das GPS-Modul schwankt im Verbrauch deutlich.





Diese Grafik zeigt beide Komponenten der Energieversorgung - Spannung und Strom. Beide Kurven sind wegen der besseren Darstellung mit gleitendem Mittel über jeweils 10 Messwerte berechnet.





Diese Grafik zeigt den Temperaturverlauf außerhalb der Telemetriebox, gemessen mit einem Sensor SHT71. Am Startplatz herrschten 12 Grad Celsius - nach dem Start nahm die Temperatur schnell ab. Die Nullgradgrenze wurde nach 42 Minuten erreicht. Die üblicher Weise bei 10 bis 11 km Höhe befindliche Tropopause wurde nach 55 Minuten erreicht. Die Tropopause markiert die Höhe, wo das Wettergeschehen endet - oberhalb der Tropopause kommt es zu keiner Wolkenbildung mehr; nur sehr kräftige Gewitterwolken reichen in seltenen Fällen knapp darüber hinaus. Bei Wettersonden des Deutschen Wetterdienstes wird nur der Messabschnitt bis zur Tropopause ausgewertet. Die Tropopause ist typisch an der abrupten Temperaturumkehr zu erkennen. Oberhalb der Tropopause nimmt die Temperatur in Schüben wieder zu. Die tiefste Temperatur in der Troposphäre wird mit -20 Grad Celsius gemessen. Dies ist gegenüber der Literatur ein viel zu hoher Wert; normal wären Temperaturen um -60 Grad Celsius. Es ist daher zu vermuten, dass der Sensor trotz Schutzmassnahmen dem direkten Sonnenlicht ausgesetzt war (UVKomponente?). Bis zur Tropopause lässt sich eine mittlere Steigrate des Ballons von 182 m/min ablesen. 154 Minuten nach dem Start platzte der Ballon in ca. 30 km Höhe.Dieses Ballonplatzen konnte mit der Kamera direkt beobachtet werden, ist aber auch auf der Temperaturgrafik eindeutig zu erkennen. Es ist der Zeitpunkt, wo die Temperatur schlagartig zurück geht und im Verlaufe des Abstieges bis zu -40 Grad gemessen werden. Der Sensor kann minimal -40 Grad Celsius messen. Die deutlich niedrigere Temperatur rührt von der vorbei streichenden Luft her; es ist nicht die wirkliche Lufttemperatur, sondern die "gefühlte" Temperatur. Bei Wettersonden des Deutschen Wetterdienstes wird die Datenauswertung mit dem Ballonplatzen abgeschaltet. Erst bei niedrigerer Höhe und geringerer Fallgeschwindigkeit steigen die Temperaturen wieder an, um in Bodennähe den 12 Grad am Startplatz zu entsprechen. Für den Abstieg benötigte die Nutzlast am Fallschirm ca. 41 Minuten, was einer mittleren Sinkrate von 730 m/min oder 44 km/h entspricht. Dabei fällt die Nutzlast in den dünneren Luftschichten oberhalb 10 km Höhe wesentlich schneller als im Durchschnitt.





Diese Grafik zeigt den Verlauf der relativen Feuchte zwischen 0 und 100 Prozent, gemessen außerhalb der Telemetriebox mit dem Sensor SHT71. Die relative Feuchte nimmt mit zunehmende Höhe ab und verbleibt bis zum Abstieg auf sehr niedrigem Niveau. Dies ist ein sehr typischer Verlauf für Wettersonden. An Hand der relativen Feuchte lassen sich Wolkendurchgänge erkennen - so auch bei unserem Start, nach ca. 50 Minuten. Hier käme eine vergleichende Beobachtung an Hand der Videoaufzeichnungen in Betracht. Die Temperatur steigt zum gleichen Zeitpunkt ebenfalls leicht an - auch ein Indikator für einen Wolkendurchgang. Eine gegenläufige deutliche Abnahme der relativen Feuchte wäre ein Indikator für eine Inversions- schicht, was aber bei der Wetterlage am Starttag nicht gegeben war.





Temperatur und relative Feuchte in einer Grafik.





Temperatur und relative Feuchte innerhalb der Troposphäre.


(C) by Rebecca Barth, Jens Hero, Devid Hero