Hygrosond-1

Sven Grahn

Projektets bakgrund

Fördelningen av vattenånga är en viktig parameter i studiet av kemin och dynamiken i mesosfären. Projektet Hygrosond syftade till att mäta vattenångehalten in situ med hälp av en raket. Den metod som användes kan kallas aktiv optisk sondering och fungerar bara nattetid när mätningen inte störs av sol, måne och norrsken. Som vi skall se var friheten från norrsken det uppskjutningsvillkor som bestämde raketkampanjens längd.

Meteorologiska Institutionen vid Stockholms Universitet (MISU) var den forskningsinstitution som stod bakom Hygrosond.Vetenskaplig ledare för projektet var professor Georg Witt, MISU. Övriga deltagande forskare var Jörg Gumbel (MISU), Mikhail Khaplanov från Centrala Aerologiska Institutet i Moskva och Jörgen Olsson från Flygtekniska försöksanstalten. Den rakettyp som användes var en enstegs "Improved Orion". Hygrosond var det första sondraketprojekt i Rymdbolagets regi i vilket man använde en enstegsraket baserad på Orionmotorn, i detta fall versionen M112, motorn till luftvärnsroboten I-Hawk, Improved Hawk.

Rymdbolaget utvecklade raketsonden och hela raketekipaget. Nyttolastmodulerna utvecklades i nära samarbete mellan Rymdbolaget och MISU. Instrumenten var naturligtvis helt och hållet forskargruppernas ansvar.

Året innan hade Saab byggt sin sista raketsond för det svenska rymdforskningsprogrammet. Det blev nu glesare och glesare mellan sondraketerna. Orsakerna kan spåras till kostnaderna för satellitprojekt som Freja, Astrid och Odin samt ballonggondolen Pirog.

Dessutom var Rymdstyrelsens forskningsbudget pressad under Carl Thams period som forskningsminister 1994-1998. Forskningen skulle till del finansieras genom de s.k. forskningsfonderna och de direkta anslagen till forskningsfinansiärer som Rymdstyrelsen minskade därför. Dessutom satte Carl Tham forskningsstiftelserna under politisk kontroll. Det var en besvärlig tid. Men ett innovativt projekt som Hygrosond kunde ändå genomföras.

Projektledare för Hygrosond på Rymdbolaget var Kaj Lundahl, systemingenjör var Staffan Persson. I projektteamet ingick också Malte Sjökvist. Mikael Björklund, Sven Wallin, Sven Söderdahl och Peter Erichsen. Koordinator för Esranges insatser i projektet var Tomas Hedqvist.

Tidplan och utvecklingsarbete

Hygrosond-projektet började med kick-off-möte den 28 september 1993. Ytterligare arbetsmöten hölls den 11 november 1993, 21 december 1993. Konstruktiosngenomgång (Design Review) hölls den 18 mars 1994. Vid detta möte väcktes tanken att ta med FFA:s aerodynamiksensorer i nyttolasten. Ytterligare projektmöten hölls 29 april 1994.

Sammansättningen av sonden inleddes med en teknisk genomgång (Integration Readiness Review) den 9 september 1994 och provningfasen inleddes med en genomgång den 10 oktober 1994 och själva provningsarbetet genomfördes vid provningsanläggningen PackForsk (numera Innventia) i Kista utanför Stockholm under perioden 24 oktober och den 3 november 1994. Därefter transporterades all utrustning till Esrange och uppskjutningskampanjen inleddes den 20 november 1994.


Den optiska hygrometern.

Experiment och delsystem

Huvudinstrumentet på Hygrosnd var den optiska hygroemtern som utvecklades av Meteorologiska Institutionen vid Stockholms Universitet (MISU) och Centrala Aerologiska Institutet i Moskva. MISU levererade också ett absorbtionsexperiment och en sensor för att mäta temperaturen vid stagnationspunkten i bogchocken vid nosen. Flygtekniska försöksanstalten (FFA) levererade en anfallsvinkelsensor.

Den mekanism som användes för att mäta vattenångehalten kallas OH-fotofragmentfluorescens, som är en aktiv optisk teknik som gör det möjligt att mäta vattenångehalten i en ostörd volym framför raketens bogchock (se figur till höger).  En Lyman-alfalampa fotolysrera vattenånga så att exciterade hydroxylradikaler bildas.

Dessa radikalers återgång till grundtillståndet producerar fluorescens vid våglängden 310 nanometer. Detta ljus fångas upp av ett linssystem tillverkat av kvarts. Ljusets intensitet är direkt relaterat till vattenångehalten.

Lyman-alphalampans  ljus sönderdelar alltså vattenångan:

      H2O + hv --> OH* + H (121.6 nm)

OH* skapas i det exciterade tillståndet (A2S+). Den följande återgången till grundtillståndet ger upphov till ett ljus med ett brett rotationsspektrum i det "nära ultravioletta"-området:

      OH* --> OH + hv' (280-320 nm)

På höjder under 60 km påverkas emissionsspektrum för OH* av kollisionsprocesser med luften. Hänsyn till denna efffekt togs genom experiment och teoreytisak överläggningar. 

Denna mätprincip provades i vindtunnelexperiment hos Flygtekniska Försöksanstalten (FFA). Matematiska modellsimuleringar av förhållandena i den ytterst förtunnade atmosfären på hög höjd genomfördes också.

Dessutom medförde Hygrosond-1 ett s.k. absorbtionsexperiment i en särskild modul. Sensorerna och vatteninhejktions utrustningen var monterad bakom avkastbara längsgående kåpor på absorbtionsmodulen i vilken gyroplattformen MIDAS också fanns. Typiskt för atmosfärforskningsnyttolasterna är förekomsten av gyroplattformen MIDAS från Space Vector Corporation. Eftersom dessa nyttolaster nästan alltid médförde fotometrar av olika slag var det extremt viktigt att veta observationsgeometrin.

Magnetometer och solsensor kan i princip ge denna information, men det kräver en solbelyst sond och man får i allmänhet mångtydiga matematiska lösningar på raketens inriktning. Gyrot ger desutom attityddata i realtid.

Delsystemen på Hygrosond-1 var i vanlig ordning de som användes på alla liknande sondraketer vid den här perioden. Det var en av grundidéerna bakom sondraketprogrammet - standardlösningar som kunde modifieras efter behov. Rymdbolaget ansvarade för telemetrienkodern, en fundamental del av gränssnittet mot forskarnas experiment. Rymdbolaget utvecklade också speciella gränsnittskretsar för vissa instrument och för gyrot. 

Man kan notera att nedlänksfrekvensen för telemetri nu låg i det s.k. S-bandet, d.v,s. 2200-2300 MHz. Sista gången svenska raketsonder använde det gamla P-bandet (215-260 MHz) var 1990.  Den svenska firmans ACR elektroniska tiddon användes i st.f. de mekaniska från Raymond, som annars varit brukligt.

Data för några av Hygrosonds delsystem

Batteripaket Batteri 1: +28 V, 24 st Ni-Cd-celler
Batteri 2: +28 V, 24 st Ni-Cd-celler 
Batteri 3: +28 V, 24 st Ni-Cd-celler
Telemetri
  • 2251,5 MHz, 2 Watt, PCM/FM 512 kbit/s
    “Slot-wraparound”-antenn. Linjär polarisation
Baninmätning
  • Radartransponder, Vega 207C: 5612 MHz upp, 5662 MHz ned.
    Signaldelare Vega 853-2C
    2 s    t antenner Vega 801-C4
  • Stabil oscillator i nyttolasten för envägs avståndsmätning. 
  • Radiofyr: 240.8 MHz, 100 mW 
    Tre quadraloopantenner.          
Attitydmätning
  • Gyroplattform MIDAS (Space Vector)
Tiddon
  • 2 st ACR 5526 med 8 händelser vardera.
Bärgningssystem Det av Rymdbolaget modifierade NASA-systemet. Användes i
NLC-91 och NLC-93.

Händelser under raketfärden

Händelse

Tid (s)

Höjd (km)

  Nominell Verklig Nominell

Verklig

Raketen lyfte

0

0

0

0

Brinnslut

25

25

21

19,0

Vatten sprutades ut, nr 1

28

28

25

22,2

Hygrometern stängdes av

46

46

43

39,3

Noskonen kastades av

47

47

45

40,1

Absorbtionexperimentets kåpor kastades av

47

47

45

40,1

Hygrometern slogs på

49

49

47

41,8

Vatten sprutades ut, nr 2

97

97

82

70,1

Vatten sprutades ut, nr 3

119

119

91

75,7

Raketmotorn avskiljdes

144

144

96

Nedväg 76,7

Topphöjd

150

135

96

77,1

Vatten sprutades ut, nr 4

150

150

96

Nedväg 75,8

Vatten sprutades ut, nr 5

181

181

92

66,1

Vatten sprutades ut, nr 6

204

204

82

53,8

Hygrometern drogs tillbaka

248

247

48

Inga data

Experimenten stängdes av

250

250

46

Inga data

Fallskärmen fälldes ut

-

376

3

Inga data

Kampanjförlopp

Informationen nedan är hämtad från slutrapporten om Hygrosond och (1)  kampanjrapporten för Hygrosond (2):

Datum          Händelse
21 nov 1994 Personalen anlände. Nyttolastprovning inleddes.
23 nov 1994 Prov med radiofyrarna och iordningsställande av kablaget till startrampen.
24 nov 1994 Prov med nyttolastmodulerna på laboratoriebänken.
25 nov 1994 Sammansättning nyttolasten.
26 nov 1994 Tändarinstallation, installation av bärgningsmodulen på Orion, radiooprov med Esr TM-station, feninställning.
28 nov 1994 Nyttolasten installerades på raketmotorn.
29 nov 1994 Raketen sattes upp på startrampen. Slutligt prov med nyttolasten.
30 nov 1994

Möte före första nedräkningen.

Testnedräkning startade kl 2100 UT och övergick till en riktig nedräkning när allt gick normalt. På grund av för mycket norrskensaktivitet inställdes dock uppskjutningen. 

1 dec 1994 Nedräkningen avblåstes p.g.a för mycket norrsken.
2 dec 1994 Nedräkningen startade kl 2300 UT och fördes fram till T-50 minuter. Klockan 0137 UT avblåstes nedräkningen p.g.a för mycket norrskensaktivitet och för mycket moln.
3 dec 1994 Nedräkningen startade kl 2300 UT och fördes fram till T-17 minuter då den avblåstes p.g.a för mycket norrskensaktivitet.
4 dec 1994 Nedräkningen startade kl 2300 UT. Klockan 2358 UT var alla förberedelser klara och nedräkningen flyttades fram till T-50 minuter p.g.a mycket goda vetenskapliga villkor. Nedräkningen löpte sedan utan upphåll och kl 0048 UT sändes Hygroson upp.
5  dec 1994

Klockan var 0905 UT när helikoptern fann nyttolasten vid 68° 25' 24" N 20° 51' 00" Ö.  Nyttolasten var tillbaka på Esrange kl 1023 UT.

 


T.v.: Hygrosond-teamet anländer till Esrange. T.h.: Hygrosond-1 på
MRL-rampen.


Hygrosond-1 startar från Esrange kl 0048 UT trots
att det nominella "skjutfönstret" var 0100-0200 UT.

Data

Hygrosond-1

Startdatum

5 december 1994

Starttid

0048 UT

Startplats

Esrange

Startramp

MRL-rampen

Rakettyp

Improved Orion (Hawk M112) S/N 00954
Lot ACE-1-005

"Tower tilt effect" 7,7 km/deg
"Unit wind effect" 3,0 km/(m/s)

Nyttolastmassa

122 kg

Nyttolastlängd

3257 mm

Raketens längd

5916 mm

Raketens startvikt

543 kg

Startrampens elevation (nom)

81.6° (81,1°)

Startrampens bäring (nom) 

355° (350°)   

Topphöjd (nom)

77,12 km (96 km)

Bäring till nedslaget för nyttolast (nom)

351,2°  (350°) 

Avstånd till nedslaget för nyttolast (nom)

62,2 km (75 km)

Ballistisk vind 2 m/s från 280°

Spinnvarvtal under mätfasen

3,5 rps

Väder vid starten -8°C, 960 hPa, markvind 1 m/s från 360°

Bärgning

Ja

Data från raketen togs emot av den automatiskt följande antenn som står på huvudbyggnadens tak, en parabol med diametern 2,4 meter tillverkad av EMP. Data togs emot i 14 minuter från starten. Den mottagna nivån låg i allmänhet 20 dB över gränsvärdet.

Efter färden gjordes en utvärdering som jämförde anfallsvinkelgivarens signal med MIDAS-gyrots data. Resultatet var att gyrot visade 1°-3° för lågt tippvärde. Under nedfärden från topphöjden, 235 sekundeer efter starten, uppmätte accelerometern ombord en stöt på 16 g som varade 30 millisekunder, Man hittade ett märke på bärgningsmodulen som inte kunde ha uppstått vid landningen. Det är mycket möjligt att motorn kolliderade med nyttolasten. Hygrometern drogs tillbka in i nyttolasten med hjälp av en särskild mekanism under nedfärden. Trots det gick hygrometerlinsen sönder eftersom nossektionen deformerades så kraftigt vid landningen. Övriga delar av nyttolasten var oskadade. 


Hygrosond-1 återfunnen.


Nosen på Hygrosond blev mycket deformerad.

Resultat

"Vattenångeprofilen som erhölls med Hygrosond visas nedan. Blandningsförhållandet ökar med höjden upp till 45 km höjd, vilket man kan vänta sig av metanoxidation som en källa i stratosfären. Ovanför stratopausen ser man kraftiga variationer över en höjdskala på 2-4 km. De kan förklaras som vertikala variationer i luftens röresler som är ett resultat av ett ett kraftigt skiktade horisontella flöden. 

I samklang med nyligen publicerade modellberäkningar visar data från Hygrosond att omfördelningen av vattenånga i mesosfären under vintern åstadkoms genom horisontella luftrörelser som också kan moduleras av storskaliga effekter på planetär skala. Distinkta lokala avvikelser från genomsnittsförhållanden är av kritisk betydelse för ett antal fenomen i atmosfären [översättning från  (4) ]."


Från Khaplanov et al (3).

Källor

  1. HYGROSOND POST FLIGHT REPORT, Staffan Perrson, editor, Rymdbolagets dokument SSV11, den 23 januari 1995
  2. Report on the campaign Hygrosond at Eseange, December 1994, Tomas Hedqvist, Rymdbolagets dokument EUK106-42, 6 december 1994.
  3. Khaplanov M., J. Gumbel, N. Wilhelm, G. Witt, Hygrosonde - A direct measurement of water vapour in the stratosphere and mesosphere Geophysical Research Letters, Vol. 23, No. 13, p. 1645-1648, June 15, 1996.
  4. From Space Research in Sweden 1994-1995, Report to the COSPAR-meeting in Birmingham, United Kingdom, 14-21 July, 1996.


Tillbaka till svenska rymdprojekt