K69-kampanjen

Sven Grahn


Bakgrund

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Forskningsrådens rymdnämnd, det brittiska forskningsrådet (Science Research Council, SRC) 


Måttskiss för de Nike-Cajunraketer som användes under K69-kampanjen

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.

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
januari

ESRANGE

Wallops
Island

Fort
Churchill

Point
Barrow

Hebriderna
10        

 

11      

 

 
12          
13        

 

14          
15        

 

16          
17

 

 

     
18        

 

19

 

   

 

 
20    

 

   
21          
22    

 

   
23

 

       
24  

 

     
25

 

       
26      

 

 
27        

 

Totalt antal
raketer

4

2

2

3

5



Kampanjorganisation

Funktion Person Organisation
Projekt- & kampanjledare Johan Martin-Löf RTG
Ledningsstöd Lennart Lübeck 
Klas Änggård
RTG
RTG
Vetenskaplig ledning Andrew Scott  
Ingemar Udin
UCL
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

Per Zetterquist
Olle Nilsson
Anders Björkman 
Lars Stenmark 
M Kvarntorp

RTG
RTG
RTG
RTG
RTG
Down-range-observationer P Hyson 
C Ashman
UCL
UCL

Raketer och nyttolaster

Viktigaste data för K69-raketerna och deras nyttolaster

Rakettyp 

Nike-Cajun, 4-fenors variant tillverkad av Hercules, USA

  • ”Tower tilt”-effekt: 8,8 (nyttolast GS) resp. 11,2 (nyttolast G) km/grad
  • ”Unit wind”-effekt: 0,36 grad/m/s ballistisk vind
  • "Wind sensitivity": 3,2 (nyttolast GS) resp. 4,0 (nyttolast G) km/m/s
  • Rollhastighet:Nike 1,5 varv per sekund, Cajun: 6 varv per sekund.
Startramp  RTG:s Nikestartramp.
Uppskjutningar

17 jan. 1969 kl 18:34 UT, Raket SNC 2A/1, sond typ G, NASA 10.313 IM
19 jan. 1969 kl 19:05 UT, Raket SNC 2B/2, sond typ GS, NASA 10.314 IM  
23 jan. 1969 kl 23:00 UT, Raket SNC 2A/3, sond typ G, NASA 10.315 IM
25 jan. 1969 kl 21:00 UT, Raket SNC 2A/4, sond typ G, NASA 10.316 IM

Nyttolast typ G

Vägde 32,5 kg och var utrustad med sju stycken 355 g tunga granater
som
sköts ut framåt samt 18 sttycken  45 g tunga granater av typen BA.
Raketerna med denna typ av sond hade beteckningen 2A.
Granatsektionen var nästan identisk med de som sänts upp med
Centaureraketer från Esrange i oktober 1968 under beteckningarna
C36 och C45.

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).


Klargöring av på Esrange UCL:s granatnyttolast monterad på en Cajunraket.


Ett raketekipage inpackad i en uppvärmd plastpåse
som skydd mot kylan.


Fr.v. Sven Söderdahl (RTG), H Schröter (DFVLR), Sonny Lundin (RTG)

System för telemetri och baninmätning i raketerna

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.

Fallskärmssond

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. 


Markutrustning för UCL:s fallskärmssond.



Mottagaren Eddystone 880

Markutrustning

Baninmätning

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.


Antennplatserna på Esrange för baninmätningssystemet under K-69.

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
Avstånd

331,9o
38,9  km  

 -

2

Bäring
Avstånd

1,3o
39,7 km
1,46o
39,99 Km

3

Bäring
Avstånd

347,0o
48,2 km
347,22o
48,60 km

4

Bäring
Avstånd

353,4o
52,7 km

 -

Explosionsdetektorer 

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.

Ljudmätsystem

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.


De fyra elektronikkorten skruvades samman med hjälp av vinkelprofiler och botten- och topplatta till en fyrkantig låda i vars mitt mikrofonförstärkaren med mikrofonkapsel var placerad.


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.


Mikrofonplatserna under K-69.

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).


Mikrofongroparna i snön under K-69.

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.

Registreringar

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] .

Mätresultat

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] .


Temperturprofiler över Esange i januari 1969 uppmätta under K-69-kampanjen.

Några minnen från "en som var med"

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..."   

Referenser och noter

  1. Winds and temperatures in the stratosphere and mesosphere during the sound grenade experiment January 1969. Udin, Ingemar. (1971).Intern rapport, Meteorologiska institutionen vid Stockholms Universitet, DM-5, 67 sidor. UDC 551.524:551.557.
  2. Operations plan for Swedish campaign K69/1 at Esrange", J Martin-Löf, January 1969, RTG-intern rapport K69/1-11.
  3. Results from impact determination by the doppler tracking system, L Lübeck, P Zetterquist, May 1969, RTG-intern rapport K69/1-16.
  4. Ljudmätsystem RTG-LM/1, Anders Björkman, augusti 1969, RTG-intern rapport S9/1-1.
  5. Användningen av ljudmätsystem RTG-LM/1 vid försök K69/1, Anders Björkman, 20 oktober 1970, RTG-intern rapport S9/1-4.
  6. Test av RTG-utrustning under kampanj CK-06 på Esrange, Anders Björkman, Per Zetterquist, 1 mars 1968, RTG-intern rapport 68-20.
  7. RTG fanns på Svetsarvägen 4, Solna. Se satellitbild nedan.
  8. E-post från Lennart Lübeck den 31 januari 2010.
  9. Lennart glömmer kanske kampanjen på hösten 1968, K-68, men den var från början ett projekt drivet av Uppsala Jonosfärobservatorium. Rymdtekniska gruppen ledde själva kampanjen. Så han har nog rätt i att K-69 var den första som Rymdtekniska Gruppen själv projekterat från början till slut.

Visa större karta  


Tillbaka till svenska rymdprojekt