Hélium a Balóny

Post Reply
Jakub_Nagy
Posts: 24
Joined: Tue Jan 08, 2019 7:46 pm
Location: Bratislava

Hélium a Balóny

Post by Jakub_Nagy » Tue Mar 12, 2019 7:13 pm

Ahojte,
povedal by som, že Picoballoon Challenge 2019 bol pre nás veľký úspech a plánujeme sa zúčastniť aj na budúci rok. Medzitým ale plánujem vypustiť ešte jednu svoju sondu. Dizajn elektroniky už asi zvládnem. Otázkou ale pre mňa ale zostáva veľa vecí ohľadne hélia a balónov:

1) Tlaková fľaša a jej objem: Také tie veľké zváračské fľaše hélia sa mi určite neoplatí kupovať. Najvýhodnejšia héliová fľaša čo som našiel je táto: zlavomat.sk/akcia/671300-helium-vratane ... v-na-party. Je v nej 0.42m3 hélia (stačí na 50 typických balónikov) iba za 32€. Koľko Qualatex 36" sa vám z nejakej takejto podobnej fľaše podarilo nafúkať? Qualatex špecifikuje, že tieto ich balóny majúc objem 0.1 m3 ale podľa toho čo som videl sa balóny vôbec nefúkajú do plna.

2) Ventil: Dá sa na vyššie spomenutú fľašu pripevniť ventil? Našiel som niečo takéto: https://www.ebay.com/itm/Helium-Gas-Lat ... SwOM5cf6NX ale nemyslím si, že závity budú sedieť. Existuje nejaký adaptér? Prípadne nejaký iný ventil, čo sa dá namontovať na takúto fľašu?

3) Viem, že na súťaži sa používali balóny Qualatex Suprafoil 36". Kde ich viem zohnať? Jediné čo som našiel v EU malo pomerne nevhodnú potlač: http://eshop.svetbalonku.cz/produkt/naf ... e-4217.htm

4) Plnenie balónov: Na súťaži som sa presne na toto pýtal a dozvedel som sa, že balóny fúkajú počas toho, ako sú priviazané na závažie položené na vyresetovanej váhe a tak sa meria ich zdvih. Tomuto rozumiem. Prečo ale, keď naša sonda mala váhu 18 gramov tak nám dali dva balóny so zdvihom 11.2 gramu teda dokopy so zdvihom 22.4 gramu? Čo robí rozdiel vyše 4 gramy? Váha balónov samotných? Ako dostanem z váhy potrebný zdvih? Ďalej na súťaži mali ľudia so sondami menšími ako cca 15 gramov sondu iba na jednom balóne ale ľudia so sondami, ktoré vážili 15-20 gramov mali dva menšie balóny. Kde je presne tá hranica keď už treba použiť dva balóny?

5) Uzavretie balónov: Balóny mali na sebe napísané: "Qualatex self-sealing balloons". Znamená to, že ich inak netreba vôbec zaväzovať alebo utesňovať?

Kým budem výpúšťať mám ešte veľa času ale tieto veci si chcem ujasniť. Ďakujem.

TT7
Posts: 16
Joined: Sun Feb 03, 2019 2:20 pm

Re: Hélium a Balóny

Post by TT7 » Wed Mar 13, 2019 3:35 pm

Jak Qualatex tak latexové balóny se dají objednat z Británie tady:

http://randomsolutions.co.uk/Random_Aer ... loons.html

V minulosti mi zásilku během několika dní doručil kurýr TNT.

Já jsem si pro plnění balónů pronajímal láhve u Linde Gas. Naposledy 20l láhev vodíku tlakovaná na 200 atmosfér (cca 4m3 plynu) za zhruba 1700kč plus denní nájemné. Při plnění balónů jsem na láhev připevnil jen hadici a opatrně povoloval ventil, který je na láhvi.

Co se týče množství plynu, tak jsem si vždy vypočítal "free lift" v gramech pro danou hmotnost balónu a trackeru a poždovanou rychlost stoupání. Free lift je ten údaj měřitelný gramovou váhou při popisovaném plnění. Nějaké rovnice, jak se k výsledku dopracovat jsou popsány tady:

https://tt7hab.blogspot.com/2017/11/the ... vol-2.html

Ve zkratce, první jsem si stanovil jak rychle chci, aby balón zpočátku stoupal (0.7-1.0m/s). A následně hledal jaké množství plynu k takové rychlosti povede. Využil jsem rovnici odporu prostředí (Drag equation), ve které silový komponent F odpovídá výslednici sil rozdílu vztlakové síly generované objemem konkrétního množství zvoleného plynu za daných podmínek (teplota, tlak) a tíhové síly působící na balón s trackerem s daným množstvím plynu. Výpočty se pro helium nebo vodík liší jen v konstantách. Při znalosti vnitřního objemu balónu a celkové hmotnosti systému je možně vyjádřit i hladinu hustoty vzduchu, ve které se balón dostane do rovnovážného stavu. Tedy i odvodit nadmořskou výšku ve které popluje.

Sám jsem balón od Qalatexu nepouštěl, ale co jsem pochytil od ostatních, tak někteří po naplnění plynem do plnícího otvoru kapali trochu vteřinového lepidla. Na mých balónech jsem po naplnění dělal svár impulzní svářečkou.

Jakub_Nagy
Posts: 24
Joined: Tue Jan 08, 2019 7:46 pm
Location: Bratislava

Re: Hélium a Balóny

Post by Jakub_Nagy » Wed Mar 13, 2019 7:06 pm

Super, za link ďakujem.

Hmmm 1700kč za 4m3 znie celkom dobre. Koľko asi je to denné nájomné?

Hadica je nejaká špeciálna? 200 barov znie ako dosť veľa.

Tomuto ešte rozumiem. Také rovnice by som si kľudne vedel spraviť. Skúsim si potom ešte naštudovať celú stránku. V informáciach k Picoballoon Challenge ale bolo:
Sonda (pikonalón) sa priviaže k fóliovému balóniku, ktorý sa napustí vodíkom, prípadne héliom. Ťah balóna musí byť vyšší ako je samotná hmotnosť sondy, avšak len o veľmi málo – maximálne 2 gramy (približne 0,019 N). Je teda nutné použiť pri nafukovaní aj presnú váhu. V prípade, že by bol ťah vyšší, balón praskne a sonda spadne na Zem.
Keď si balón napustím podľa jeho požadovanej cieľovej rýchlosti tak asi poruším tento limit, či? Je rýchlosť stúpania dôležitá? Pre mňa je primárne aby zostal lietať.

Samuel_T
Site Admin
Posts: 25
Joined: Tue Jan 08, 2019 2:31 pm
Location: Púchov

Re: Hélium a Balóny

Post by Samuel_T » Wed Mar 13, 2019 9:36 pm

Pozor na to že vodík je veľmi výbušný!!! Pri danej rýchlosti stupania cca 1m/s je free lift práve cca 2g

TT7
Posts: 16
Joined: Sun Feb 03, 2019 2:20 pm

Re: Hélium a Balóny

Post by TT7 » Thu Mar 14, 2019 12:15 am

Denní nájemné v té době bylo zhruba 11kč/den během prvních tří měsíců. Lepší je u tého láhve počítat se zhruba 3.6m3. Nějaký plyn v láhvi vždy zůstane kvůli nízkému tlaku. V nabídce myslím byla i 10l 200atm láhev (1.8m3). Hadice obyčejná zahradní. Chce to s ventilem zacházet opatrně. S odpouštěným plynem klesá i tlak. Pro představu je tady láhev, ventil i "regulátor" na fotkách:

https://tt7hab.blogspot.com/2017/08/the ... light.html

V principu jde o to, aby si vztlak balónu poradil se závany větru a nějakou nelineárností průběhu teploty a tlaku ve skutečné atmosféře, a balón tak nabíral výšku na místo letu bokem. Příliš málo plynu a balón bude mít problémy stoupat. Příliš mnoho plynu a rostoucí rozdíl tlaku plynu a tlaku v okolní atmosféře bude působit příliš velké napětí v materiálu balónu a ten praskne. V praxi je pak snaha minimalizovat váhu trackeru, což umožní použít méně plynu k dosažení srovnatelné rychlosti stoupání. Několik konkrétních křivek vývoje rychlosti skutečných letů spolu s parametry jednotlivých balónů je popsáno v blogu z mého prvního příspěvku. Často se rovněž balóny před samotným letem pozvolna tlakují až na několik kilopascal, aby se materiál plasticky deformoval a vyhladil případná nahromadění napětí v materiálu vzniklá při výrobě. Zároveň je tak i možné o něco zvětšit objem balónu, což vede k dosažení vyšších letových hladin.

Co se týče konkrétních hodnot, je to o experimentování, případně o zkušenostech druhých. Rovnice slouží spíš k pochopení, co se za letu s balónem děje, a stanovení nějaké základní představy. Parametry mých balónů jsou popsány na blogu. Nejedná se ale o Qualatexy. Ohledně těch to chce googlit a pročítat stránky/komentáře lidí, co s nimi obkroužili svět.

Jakub_Nagy
Posts: 24
Joined: Tue Jan 08, 2019 7:46 pm
Location: Bratislava

Re: Hélium a Balóny

Post by Jakub_Nagy » Sat Mar 16, 2019 3:24 pm

Ok, ďakujem.
Sú moje výpočty správne?

m balóna = 37 g = 0,037 kg
m sondy = 15 g = 0,015 kg
m hélia = ρ hélia . V = 0,164 kg/m3 . 0,05m3 = 0,0082 kg
m = 0,0602 kg = 60,2 g
F G = m . g = 0,0602 kg . 9,81 = 0,5905N
ΔF max = 0,019N
ΔF = 0,0095N
Fvz = 0,6N
V hélia = Fvz / ρ vzduchu / g = 0,6N / 1.225 kg/m3 / 9,81 = 0,0499 m3

Najprv som si určil hmotnosť balóna a sondy. Potom som určil, koľko asi hélia budem potrebovať. Zistil som hmotnosť a teda aj tiažovú silu pôsobiacu na celý systém. Podľa toho, čo som citoval predtým by nemal byť rozdiel medzi tiažovou a vztlakovou silou väčší ako 0,019N. Rozdiel som teda dal 0,0095N. Potom som zo vztlakovej sily vypočítal potrebný objem hélia, ktorý sa zhodoval s pôvodným predpokladaným objemom. Je toto správne?

TT7
Posts: 16
Joined: Sun Feb 03, 2019 2:20 pm

Re: Hélium a Balóny

Post by TT7 » Sat Mar 16, 2019 6:12 pm

Hodnoty se o něco liší od mých, kvůli použití jiných konstant. Uvedu svůj výpočet:

Specific Gas Constant (Helium): 2077J/kgK
Specific Gas Constant (Air): 287.05J/kgK

V_he = m_he * R_he * T / p
V_he = 0.00873kg * 2077J/kgK * 288.15K / 101325Pa = 0.05156m3

rho_air = p / (R_air * T)
rho_air = 101325Pa / (287.05J/kgK * 288.15K) = 1.225kg/m3

F_vz = V_he * rho_air * g
F_vz = 0.05156m3 * 1.225kg/m3 * 9.80665m/s2 = 0.61946N

F_g = (m_b + m_p + m_he) * g
F_g = (0.037kg + 0.015kg + 0.00873kg) * 9.80665m/s2 = 0.59556N

ΔF = F_vz - F_g = 0.0239N

v = sqrt((2 * ΔF) / (rho_air * Cd * A))
v = sqrt((2 * 0.0239N) / (1.225kg/m3 * 0.47 * 0.16749m2)) = 0.704m/s

kde 'Cd' je činitel odporu, zde zvolen 0.47 pro kouli. A 'A' je průřez balónu, zde uvažován jako průřez koule o objemu 'V_he'. Jedná se o výpočet rychlosti při vypuštění, proto hodnoty teploty 288.15K a tlaku 101325Pa pocházejcí z modelu standardní atmosféry.

rho = (m_b + m_p + m_he) / V_b
rho = (0.037kg + 0.015kg + 0.00873kg) / 0.1m3 = 0.6073kg/m3

je hustota vzduchu v nadmořské výšce, kde balón zůstane plout. Konkrétně 6740m dle modelu standardní atmosféry.

m_fl = ΔF / g
m_fl = 0.0239N / 9.80665m/s2 = 0.0024kg

Takto se dá potom vypočítat Free Lift, což je hodnota čitelná na gramové váze při plnění balónu plynem. Zvolím-li si závaží, ke kterému přivážu balón, a položím jej na váhu, tak plním balón plynem do okamžiku, kdy váha ukazuje o 15g + 2.4g méně. Potom přivážu tracker a balón by měl teoreticky stoupat 0.704m/s. V praxi však hrajou roli proměnné, které skutečný průběh letu v daný okamžik ovlivňují. Například aktuální charakter atmosféry (teplota, tlak, působící vítr), činitel odporu a průřez se v průběhu letu také mění.

Jinak nevím, odkud ta hodnota 2g (0.019N) pochází, a tak nedokážu říct do jaké míry je důležitá. Praxe? Odhad?

Post Reply