[논문 리뷰] Measurements of gondola motion on a stratospheric balloon flight

Margarita Safonova, K. Nirmal외 10명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 21.

Aerospace Engineering and Energy Systems인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 4.5시간 동안의 비행 동안 기류의 영향을 받는 고도 31.2km에서의 기구의 3축 운동을 관성 측정 단위(IMU)를 사용하여 측정하였다. 그 결과, 기구의 운동이 고도 31.2km에서 상당히 안정화됨을 확인하였으며, 자이로스코프의 루트 평균 제곱(RMS) 각속도는 애지마이저 방향에서 0.5865°/s, 고도 방향에서 0.0104°/s, 기울기 방향에서 0.01°/s였다. 이 데이터는 향후 고고도 기구 천문 관측 임무에서 안정된 조준 시스템 설계를 위한 핵심 기초 특성 정보를 제공한다.

ABSTRACT

Balloon experiments are an economically feasible method of conducting observations in astronomy that are not possible from the ground. The astronomical payload may include a telescope, a detector, and a pointing/stabilization system. Determining the attitude of the payload is of primary importance in such applications, to accurately point the detector/telescope to the desired direction. This is especially important in generally unstable lightweight balloon flights. However, the conditions at float altitudes, which can be reached by zero pressure balloons, could be more stable, enabling accurate pointings. We have used the Inertial Measurement Unit (IMU), placed on a stratospheric zero pressure balloon, to observe 3-axis motion of a balloon payload over a fight time of 4.5 hours, from launch to the float altitude of 31.2 km. The balloon was launched under nominal atmospheric conditions on May 8th 2016, from a Tata Institute of Fundamental Research Balloon Facility, Hyderabad.

연구 동기 및 목표

• 고도 기구 비행 중 자연적인 기구 운동을 특성화하여 천체 관측을 위한 안정된 조준 시스템 설계에 기여하기 위해.
• 경량 기구가 상승 및 정상 비행 단계 동안 경험하는 진동, 특히 애지마이저, 피치, 롤 방향의 영향을 정량화하기 위해.
• 정상 대기 조건에서 기구가 고도 31.2km에서 얼마나 안정적인지 평가하기 위해.
• 향후 고고도 기구 임무에서 피드백 제어 조준 시스템 개발을 위한 각운동 및 가속도 데이터를 실측으로 제공하기 위해.

제안 방법

• 3축 가속도계, 자이로스코프, 자석계를 내장한 x-IMU 센서를 기구에 장착하여 비행 全 과정 동안 운동 및 환경 데이터를 기록하였다.
• 내부 4GB SD 카드와 1000mAh 리튬 폴리머 배터리를 사용하여 데이터를 지속 기록하였으며, 12시간 이상의 작동을 보장하였다.
• 비행 데이터는 TIFR 기구 시설의 GPS 및 텔레메트리와 동기화되어 기구 운동이 바람 방향 및 고도와 어떻게 연관되어 있는지 분석하였다.
• IMU 데이터에서 각속도 및 가속도를 추출하여 상승 및 정상 비행 단계에 대해 시간 영역에서 분석하였다.
• 기상학적 관례에 따라 10초 간격의 GPS 위치 데이터를 기반으로 바람 방향을 계산하였다.
• 운동에 대한 통계 분석을 수행하였으며, RMS 각속도 및 X, Y, Z 축의 평균 가속도 성분을 포함하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고도 기구 비행의 상승 및 정상 비행 단계에서 롤, 피치, 요 운동의 크기와 시간적 변화 양상은 어떠한가?
• RQ2 정상 고도에서 기구의 애지마이저 운동과 바람 방향 변화 사이의 상관관계는 어떠한가?
• RQ3 하부 고도 대비 기구가 정상 고도(31.2km)에서 얼마나 안정화되는가?
• RQ4 정상 비행 단계 동안 기구가 경험하는 평균 가속도 성분(X, Y, Z)은 각각 얼마인가?
• RQ5 기구 내부의 열 조건은 외부 고고도 대기 환경과 비교하여 어떠한가?

주요 결과

• 기구는 이륙 후 약 2시간 만인 오전 08:35 IST에 최고 정상 고도 31.2km에 도달하였다.
• 정상 비행 중 기구의 RMS 각속도는 애지마이저 방향에서 0.5865°/s, 고도 방향에서 0.0104°/s, 기울기 방향에서 0.01°/s였으며, 이는 정상 고도에서 상당한 안정화가 이루어졌음을 시사한다.
• Z축(수직)의 평균 가속도는 1.026g로, 정상 비행 중 수직 방향에서 순 가속도가 거의 0에 가까운 것으로 일관된다.
• X축의 평균 가속도는 0.176g, Y축의 평균 가속도는 0.0036g로, 정상 비행 중 횡방향 힘이 극히 미미함을 나타낸다.
• 기구 내부 기구 온도 평균은 34.35°C였고, 정상 고도에서 외부 온도는 -32°C였으며, 이는 효과적인 열 절연 성능을 확인한다.
• 상승 단계 동안 바람 방향 변화는 빠르게 발생하였지만, 정상 고도에서 안정화되었으며, 이는 기구의 애지마이저 운동 감소와 관련이 있었다.