Sven Grahn
Forskningsrådens
rymdnämnd, det brittiska forskningsrådet (Science Research Council,
SRC)
och NASA beslöt
i juni 1968 att genomföra en gemensam sondraketkampanj. Det
vetenskapliga ändamålet var att studera temperatur och vindar på hög höjd under
en plötslig uppvärmning av stratosfären (sudden stratospheric warming). Under
en sådan händelse bryter den vintertida cirkulationen i nordpolsregionen samman under
några dagar och övergår i en cirkulation typisk för sommarförhållanden.
Detta fenomen åtföljs av en plötslig ökning av temperaturen i den
övre atmosfären.
Måttskiss för de Nike-Cajunraketer som
användes under
K69-kampanjen
Tre forskargrupper samverkade i detta forskningsprojekt:
Det var Wendell Smith som var den drivande kraften hos NASA. Det var han som också var den inom NASA som vr intresserad av nattlysande moln och drev igenom raketkampanjerna i Kronogård 1962-1964 då temperaturen i den övre atmosfären mättes med ljudgranatmetoden under sommaren. Men nu var syftet att utforska de totalt annorlunda förhållandena på vintern.
Projektet innefattade att fyra Nike-Cajun-raketer sändes upp från Esrange utrustade med granater för mätnng av temperaturen i atmofären. Raketerna skulle sändas upp under perioden 10-28 januari 1969 och koordinerades med andra liknande mätningar från flera platser på norra halvklotet. Totalt sexton raketer sändes upp från Esrange, Wallops Island (NASA:s raketbas vid Atlantkusten i Virginia), Fort Churchill i Kanada,Point Barrow i Alaska och Hebdriderna (South Uist, Skottland ).
För att verkligen upptäcka "sudden warming" beslöt britterna att skjuta fyra Skua-raketer per vecka under 16 veckor mellan mitten på november och mitten på mars från South Uist på Hebriderna. Data från dessa raketer som var utrustade med termistorsensorer gick ut på telex via FN:s meteorologiska orgnaisations (WMO, World Meteorological Organization) varningsnät.
Rymdtekniska Gruppen i Solna [7] ledde hela kampanjen på Esrange. NASA svarade för raketer och flygburen baninmätningsutrustning, University College London för granatlaster och RTG för hela marksystemet. I två av granatnyttolasterna tänkte man sig att försöksvis medföra en nyutvecklad fallskärmsburen temperatursond som släpptes ut 65 km:s höjd på vägen upp.Men av någon anledning sändes bara en sådan sond upp - på den andra av de fyra raketerna.
Det föll på RTG:s lott att göra den engelska instrumenteringen på raketerna "väderoberoende" genom att tillfoga en skarvsektion som innehöll explosionsdetektorer och elektronisk baninmätningsutrustning. Annars hade man varit helt beroende av de markbaserade "explosionsdetektorer" som placerades vid "downrange station" vid Sekkujärvi.
Tabellen nedan visar på vilka dagar raketerna i sudden warming"-försket sändes upp. Fler detaljer finns här.
Raketuppskjutningarna i "sudden
warming"-försöket Datum i Wallops Fort Point 4 2 2 3 5
januariESRANGE
Island
Churchill
BarrowHebriderna
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
Totalt antal
raketer
Per Zetterquist
Funktion
Person
Organisation
Projekt- & kampanjledare
Johan Martin-Löf
RTG
Ledningsstöd
Lennart Lübeck
Klas
Änggård RTG
RTG
Vetenskaplig ledning
Andrew
Scott
Ingemar UdinUCL
MISU
Nyttolastklargöring
T
Storr
E
Potter
S-O Söderdahl
UCL
UCL
RTG
Raketklargöring
Erik Söderdahl
Sonny Lundin
Anders
Söderdahl
H
Schröter
K Janssen RTG
RTG
RTG
RTG/DFVLR
RTG/DFVLR
Markinstrumentering
Olle Nilsson
Anders Björkman
Lars
Stenmark
M Kvarntorp
RTG
RTG
RTG
RTG
RTG
Down-range-observationer
P Hyson
C Ashman UCL
UCL
Viktigaste data för K69-raketerna och deras nyttolaster | |
Rakettyp |
Nike-Cajun, 4-fenors variant tillverkad av Hercules, USA
|
Startramp | RTG:s Nikestartramp. |
Uppskjutningar |
17
jan. 1969 kl
18:34 UT, Raket SNC 2A/1, sond typ G, NASA 10.313 IM |
Nyttolast typ G |
Vägde 32,5 kg och var utrustad med sju stycken 355 g
tunga granater |
Nyttolast typ GS |
Vägde 50,7 kg och var kg utrustad med sju stycken 1065 g
tunga granater som sköts ut framåt samt 18 sttycken 45 g tunga granater av typen BA. I denna nyttolast ingick också en utkastbar temperaturmätningssond av typen Arcasonde som sköts ut på 65 km höjd på uppvägen och kom ned i fallskärm.Raketerna med denna typ av sond hade beteckningen 2B. |
Nyttolastlängd typ G | 1,57 m |
Nyttolastlängd typ GS | 2,11 m |
Nyttolastdiameter | 190,5 mm |
Telemetri & transponder | 36,8 MHz upplänk, nedlänk 73,6 MHz, 2 Watt sändareffekt. |
Arcasonde telemetri | 27,06 MHz, 27,02 MHz eller 27,63 MHz (beroende på exemplar). |
|
|
|
Adaptrarna mellan Cajunraket och granatsektion innehåller den s.k. dopplertranspondern som tillverkats av ART Products Inc. Den tog emot en bärvåg på 36,8 MHz som sänts från marken, fördubblade frekvensen och sände tillbaka signalen på frekvensen 73,6 MHz med en sändareffekt på 2 W. Mottagar- och sändarantennerna på raketerna var av typen "loop-antenn" och hade tillverkats av firman Lynx Inc. Antennerna var inbäddade i ett slags fiberplastkåpor som spändes fast på Cajunraketerna med vanliga "slangklämmor".
Explosionsdetektorsektionen innehöll tre fotodioder som skulle rapportera tiden för granatbrisaderna. En annan krets i samma sektion rapporterade funktinen hos det mekaniska tiddon som fyrade av granaterna. Explosionsdetektorutrustningen tillverkades av den amerikanska firman Superior Engineering Co och var identisk med den som NASA använde i sina granatnyttolaster. Explosionsdetektorerna gav en kort puls vid varje granatexplosion. Dessa pulser läggs till pulser som tiddonövervakningskretsen gav upphov till. Detta pulståg frekvensmodulerade en oscillator med grundfrekvensen 30 kHz som i sin tur amplitudmodulerade nedlänken på 73,6 MHz.
I den tyngre av nyttolasterna ingick också en
utkastbar temperaturmätningssond som sköts ut på uppvägen och
kom ned i fallskärm. UCL hade utvecklat denna sond som en omdisponerad Arcasonde
lA som hade försetts med en sändare på 27 MHz-bandet (27,06 MHz eller 27,02 MHz [eller 27,63
MHz för reservenheten]), som passar det brittiska radiosondsystemet. Den har en
uteffekt av 2 W. Sändaren amplitudmoduleras till 100% av en fyrkantvåg, vars
pulsrepetitionsfrekvens styrs av termistorns resistans, vilken i sin tur beror
på temperaturen. En strömbrytare växlar melln en kalibraringsresistans i 6
sekunder och termistorn (25 sekunder).
Som mottagningsutrustning används en Eddystone 880 samt en
UV-skrivare. Fallskärmssonden var tänk att kastas ut från raketen på
65 km höjd och stiga till 75-80 km. Sonden
föll på 300 sekunder till 40 km höjd. Total falltid till marken är okänd
men torde vara av storleksordningen två timmar. Själva skärmen är metalliserad och har 3 meters
diameter. Esranges radarstation följde sonden och telemetrimottagaren var uppställd vid "downrange station"
vid Sekkujärvi.
|
|
För den markbundna delen av baninmätningsutrustningen krävdes ett omfattande arbete med modifiering och iståndsättande av den utrustning som användes 1964 på Kronogård. Målet var att göra systemet så enkelt och lättskött som möjligt utan att göra avkall på experimentets krav.
Baninmätningssytemet inrymdes i fyra husvagnar (från Kronogårdseran). En vagn stod på radarberget och inrymde en sändare på 36,8 MHz med 50 watts effekt. De tre övriga husvagnarana innehöll mottagningsstationer för bänmätning med interferometri och dopplerffekt. En av dessa mottagare stod utefter vägen halvvägs mellan uppskjutningsområdet och huvudbyggnaden - vid ett ställe där man kan passera genom kabelstegarna mellan de två anläggningarna. En annan vagn stod vid en liten kulle i närheten av raketförrådet och "centralen" låg i den s.k. "scientific barrack" några hundra meter söder om startplatsområdet. Endast baracken var bemannad vid uppskjutningarna.
|
Signalen från raketen separerades i mottagarutrustningen i höger- och vänsterpolariserade komponenter. Alla radiosignaler omformades till 10 kHz och sändes till "centralen" som låg i "scientific-barracken" strax söder om uppskjutningsområdet. Där kunde man få ut avstånd, riktning och raketens rollhastighet.
Den största avståndsupplösningen motsvarade 1/16 av våglängden på nedlänken, d.v.s. 1/16 av 4 meter vilket är 25 centimeter. Men instrumenteringen visade inte avståndet med högre upplösning än 1 meter. Vinkelmätningar gjordes genom att koppla ihop två mottagare som en interferometer vilket gav en baslängd av ungefär 175 våglängder. Vinkelupplösningen var ungefär 1/10 av en interferometercykel. Eftersom varje interferometercykel var ungefär 1/3o så var vinkelupplösningen ungefär 0,03o.
ESRO:s radar användes för att följa fallskärmssonden och därigenom bestämma vinden som funktion av höjden.
I realtid kunde man läsa av avståndet till raketen på en digital display. Vinkelinformatioen tog några minuter at ta fram fråm skrivarutskrifter på papper. Efter den tredje raketen sökte man efter nedslagplatserna för Cajunraketerna och raket 2 och 3 hittades. Slutsatsen av tabellen nedan [3] är att man kunde bestämma nedslagspunkten med en noggrannhet av bättre än några hundra meter. Metoden med en lång baslinje för interferometrin hade fungerat bra.
Rymdtekniska gruppens olika
banimätningssytem beskrives i en
separat artikel.
Beräknade och verkliga Cajun-nedslag | |||
Skott | Parameter | Beräknad | Verklig |
1 |
Bäring |
331,9o 38,9 km |
- |
2 |
Bäring |
1,3o 39,7 km |
1,46o 39,99 Km |
3 |
Bäring |
347,0o 48,2 km |
347,22o 48,60 km |
4 |
Bäring |
353,4o 52,7 km |
- |
UCL hade placerat markbaserade explosionsdetektorer vid "downrange station" i närheten av Sekkujärvi. Dessa detektirer använde två fotomultiplikatirer för synligt ljus och en infraröddetektir för våglängder mellan 1µ och 5µ. Den infraröda detektrn var tänkt att kunna detektera granatblixtarna genom moln.
Ljudgranatförsök används för att mäta temperaturer och vindar i övre atmosfären. Vid dessa för sök bringas granater att brisera utefter en raketbana. Genom baninmätning bestäms positionen och tidpunkten för varje explosion med hög noggranhet. På marken används ett system av lågfrekventa mikrofoner för att mäta ankomsttiderna för explosionernas ljudvågor. Med dessa data beräknas temperaturer och vindar.
Ljudknallarna från granaterna registreras med mikrofonsystem för infraljud. Två sådana användes under K69. UCL hade redan iinför raketkampanjen C45 under hösten 1968 installerat ett system med varmtrådsmikrofoner som hade ungefär 14 km diameter runt "downrange station" vid Sekkujärvi. RTG hade byggt upp ett system med sju kondensatormikrofoner runt sjön Sattajärvi ungefär en kilometer söder om startplatsen. En prototyp av RTG:s system provades på ESRANGE under januari 1968 (uppskjutning av två Centaureraketer med ljudgranater den 1 feb och 4 feb till 150 km resp 146 km höjd)[6] . Härvid visade det sig att det svåra vinterklimatet ger en utomordentligt svår miljö för elektronisk utrustning och ställer krav på omfattande laboratorieprovning.
RTG:s systemet bestod således av sju stycken mikrofonenheter som erhöll strömförsörjning från en centralutrustning via sju tvåledars fältkablar (ex 1000 DL). I centralen mottogs på samma kablar de FM¬modulerade mikrofonsignalerna vilka detekterades för att sedan registreras på en pennskrivare. Dubblering av registreringen gjordes genom inspelning av mikrofonsignalerna på bandspelare. Beskrivningar och fotografier nedan kommer från [4] .
Mikrofonkapsel
Mikrofonkapseln var av kondensatortyp och har
en akustisk undre gränsfrekvens < 0,1 Hz. Dess höga utgångsimpedans
sänktes i mikrofonförstärkaren som var försedd med en fälteffekttransistor
på ingången. Därigenom erhölls hög ingångsimpedans så att undre gränsfrekvensen ej
påverkades. På grund av den höga impedansen var ingångssteget uppbyggt på
teflonstöd medan förstärkaren i övrigt var uppbyggd med
tryckt ledningsdragning.
Anpassningsförstärkare
Anpassningsförstärkaren
innehöll en
operationsförstärkare med vilken all inställning av gränsfrekvenser och förstärkning skedde. Dessutom
begränsades signalen vid höga amplituder så att överstyrning
av efterföljande VCO ej inträffade. Genom att begränsning endast skedde
i operationsförstärkaren erhållös en kort återhämtningstid. Anpassningsförstärkaren liksom även VCO (Voltage-Controlled
Oscillator, spänningsstyrd oscillator), slutsteg och spänningsom-vandlare var uppbyggda på separata kort
med tryckt ledningsdragning.
Spänningsstyrd oscillator
(VCO)
I VCO:n skedde en linjär
omvandling av den analoga signalen till frekvensmodulerad sinussignal
med konstant amplitud. Centerfrekvensen var temperaturkompenserad och känsligheten så inställd
att full utstyrning motsvarade maximal begränsad signal från anpassningsförstärkaren. För att
uppnå erforderlig dynamik och signalbrusförhållande var VCO:n bredbandig med en deviation
på ± 20%.
Slutsteget
Slutsteget levererade den frekvensmodulerade signalen via en
linjetransformator till fältkabeln från centralen.
Spänningsomvandlaren
Spänningsomvandlaren fick sin strömförsörjning från
centralen via fältkabeln och gav förutom drivspänning till elektroniken även den
polarisations spänning som erfordrades för mikrofonkapseln. Omvandlaren gav
stabila utspänningar för ett stort inspänningsområde. Ingången var också försedd
med zenerdioder som skyddade mot överspänningar och även medgav höjning av
inspänningen för ökning av effekten. Mikrofonenhetens temperatur kunde då höjas i
förhållande till yttertemperaturen.
Vid uppbyggnad av mikrofonenheten hade således särskild uppmärksamhet ägnats de kondensationsproblem som uppkommer vid drift under varierande temperaturförhållanden. Mikrofonkapseln, som var den i enheten känsligaste komponenten, kunde vid temperaturer understigande 0oC helt frysa samman då relativa fuktigheten uppgick till 100%. Då det visade sig mycket svårt att åstadkomma låg fuktig-hetshalt med hjälp av kemiska torkmedel fick en bättre lösning tillgripas. Genom värmeisolering av mikrofonenheten blev temperaturen i denna, på grund av den i enheten ingående elektronikens effektutveckling, alltid överstigande omgivningstemperaturen. Därvid uppkom en diffusionsprocess som avlägsnade eventuell fuktighet i mikrofonenheten.
![]() Mikrofonförstärkaren var placerad i en cylindrisk metallburk som var försedd med gängning där mikrofonkapseln fastskruvas. |
|
![]() Värmeisolering av enheten genom att den var innesluten i en låda av polyuretan. |
![]() |
Mikrofonplatserna placerades runt sjön Sattajärvi belägen ett par kilometer söder om utskjutningsområdet. Utplaceringen framgår av kartskissen nedan där även den byggnad ("scientific"-barracken) dit centralen förlades är inritad. För förbindels en mellan mikrofonenheterpa och centralen åtgick 16 rullar tvåledare av den militära typen 1000 DL med längden 1000 m per rulle.
|
Då snötäcket var tillräckligt djupt kunde mikrofongropar grävas ut i snön och mikrofonenheterna placeras på marken ca 0,5 - 0,8 m under en täckplatta av styropor (se bil 2).
|
Eftersom snön var finkornig fick dock gropens väggar stagas för att snön ej skulle rasa ner över mikrofonen. Mikrofonenheterna inkopplades till strömförsörjningen från centralen efter hand som installationen framskred så att eventuell fuktighet drevs ut genom värmeutvecklingen. Strömförsörjningen bröts sedan inte under hela försöksperioden.
Ljudknallar från en högsta höjd av 98 km registrerades. Det var dock av registreringen från en av uppskjutningarna inte möjligt att utvärdera någon bang från en högre höjd än 92 km. Vid detta skott var vindbruset vid lägre frekvenser något högre och bangarna svagare vilket gjorde utvärderingen svårare[5] .
På ESRANGE inträffade en snabb avkylning i stratosfären och den snabbaste avkylningen skedde runt 38 km höjd.. Mellan den 17 januari och den 19 januari minskade temperaturen från +10oC till -31oC, d.v.s, -20o C/dag. Temperaturen föll ytterligare fram till den tredje raketen - från -31oC till -58oC. Denna extremt stora förändring, 68oC på sex dagar, och det stora temperaturöverskottet (i förhållande till standardatmosfären CIRA 65) vid den första mätningen förefaller vara en återgång till ett jämviktstillstånd efter en plötslig störning (sudden warming). Slutsatsen i [1] är att mätningarna från ESRANGE fångade upp slutet av en mindre uppvärmning av stratosfären. Figuren nedan är framtagen från de mätdata som finns i tabellform i[1] .
|
Lennart Lübeck (Rymdbolagets vd under åren 1986-1998) berättar [8] :
"... K-69 var min sista fältkampanj som arbetare i vingården. För Rymdtekniska Gruppen var det första [9] kampanjen på Esrange vilket kändes speciellt på flera sätt. Efter den gloriösa Kronogårdsepoken hade vi genomlidit vår ”ökenvandring”. Esrange uppfattades som en påkostad gökunge av oss på RTG, och vi kände oss inte särskilt välkomna där.
Det vetenskapliga handlade om "sudden atmospheric warming", men jag minns mest hur syndigt kallt det var under kampanjen. Kanske inte så märkvärdigt för lokalbefolkningen men för oss sörlänningar var det spännande. Som jag minns det var det flera dagar runt -40oC och en dag lästes det av -42,5oC på någon termometer, just när vi höll på att montera antenner till vårt baninmätningssystem. Tre lager handskar och muttrarna näst längst in. Sedan gällde det att vara snabb när man skulle gänga på. Om fötterna frös vi dock inte, Klas [Änggård] hade skaffat fram ett antal av arméns filtluddor, en perfekt lösning när det gällde fotbeklädnad.
Termometern var nog någorlunda korrekt, jag har kollat i SMHI:s databas att det var -42oC i Karesuando den 13 januari 1969 (inga data publicerade för Kiruna). Vi hade mesta tiden kring -30oC under kampanjveckorna och en hel del fordonsproblem. Personbilarna hade ju motorvärmare så det gick någorlunda, värre var det med arbetsfordonen. Vi hade beställt fram särskild ”Arctic Diesel” men den stelnade ändå till stearinljus och vi fick lära oss den norrländska metoden att elda under motorn.
På det tekniska planet var det en lyckad kampanj. Vi började prova ut en ny utvecklingslinje för baninmätning baserad på Kronogårdserfarenheter. Den visade sig fungera och vi kunde lokalisera nedslagsplatser med god precision. Under flera år hade vi animerade diskussioner om detta med Esrange som trodde mer på sin fina radar..."
Tillbaka till svenska
rymdprojekt