K69-kampanjen

Sven Grahn

• Bakgrund
• Kampanjorganisation
• Raketer och nyttolaster
  • System för telemetri och baninmätning i raketerna
  • Fallskärmssond
• Markutrustning
  • Baninmätning
  • Explosionsdetektorer 
  • Ljudmätsystem
  • Registreringar
• Mätresultat
• Några minnen från "en som var med"
• Referenser och noter

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:

• Meteorologiska Institutionen vid Stockholms Universitet (MISU)
• Fysikinstitution vid University College London (UCL)
• Meteorology Branch vid NASA:s Goddard Space Flight Center.

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

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 1/3^o så var vinkelupplösningen ungefär 0,03^o.

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 0^oC 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.

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 +10^oC till -31^oC, d.v.s, -20^o C/dag. Temperaturen föll ytterligare fram till den tredje raketen - från -31^oC till -58^oC. Denna extremt stora förändring, 68^oC 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] .

Några minnen från "en som var med"