Stratosfääripallolennot

Mikä stratosfääripallolennoissa kiehtoo?

Stratosfääripallolennot ovat mielenkiintoisia ja hauskoja teknistieteellisiä projekteja. Alla on listattu muutamia asioita, joiden vuoksi harrastajat tekevät lentoja:

1. Pallojen lennätys liittyy olennaisesti radioamatööriharrastukseen, sillä erilaiset radiotekniset kokeet ovat osa lentoja. Palloissa on mukana aina yksi tai useampi radiolähetin, jonka avulla pallon sijaintia voi seurata. Tämä antaa mahdollisuuden kehittää ja kokeilla eri lähetyslajien (tälläkin lennolla APRS, CW sekä Horus 4FSK), taajuuksien ja antennien toimintaa itsenäisesti liikkuvan kohteen seurantaan. Lähettimen on oltava kooltaan ja painoltaan pieni, jotta sen nostaminen pallolla on helppoa. Nämä rajoitteet johtavat myös pieneen lähetystehoon, joka on usein milliwattiluokassa.
2. Ilmakehän kuvaaminen video- ja still-kameroilla. Kuvat ja videot eri ilmakehän kerroksista ovat todella upeita ja mielenkiintoista katsottavaa. Palloilla on myös mahdollista kuvata eri sääilmiöitä. Voit katsoa esimerkkinä OH3VHH-lennon kuvia ja YouTube-videon kesältä 2021.
3. Pallon hyötykuormassa voi olla mittalaitteita, joilla voi tutkia esimerkiksi ilmakehän lämpötilaa, kosteutta ja ilmanpainetta eri korkeuksissa. Myös erilaisia säteilymittareita (beta/gamma-säteilylle) voi käyttää pallolennoilla.
4. Lentojen järjestäminen ja seuraaminen on hauskaa yhteistoimintaa radioamatööriharrastuksessa. Pallolentoa voi seurata kukin omalta radioasemaltaan ilman radioamatöörilupia pelkällä radiovastaanottimella ja sopivilla tietokoneohjelmilla. Lisäksi lennon seuraaminen on mahdollista netissä jopa ilman vastaanotinlaitteistoa, koska vastaanotinasemat jakavat paikkatietoja pallojen seurantaan erikoistuneisiin nettipalveluihin, kuten https://aprs.fi/ ja https://amateur.sondehub.org/.

Stratosfääripallolennon tarvikkeet

Perustarvikkeet stratosfääripallolennon järjestämiseen ovat latex-pallo, kevyt kaasu (helium tai vety), kaasun täyttölaite, sopiva naru (katkeamisvoima suositellaan olevan alle 230N, ks. lentoluvat alla) sekä seurantaan käytettävä hyötykuorma ja muut mahdolliset laitteet. Hyötykuorman ulkokuori on usein kevyt styrox-laatikko, joka ripustetaan palloon käyttämällä edellämainittua narua.

Latex-palloa tulee käsitellä ainoastaan pehmeillä käsineillä, kuten puuvillakäsineet, koska käsistä irtoavat rasvat ja lika tarttuvat pallon pintaan ja voivat aiheuttaa sen rikkoutumisen. Kaasuista helium on turvallisempi, mutta huomattavasti kalliimpi vaihtoehto. Vetyä käyttäessä täytyy huolehtia paloturvallisuudesta, koska vety on erittäin herkästi syttyvä kaasu ja sitä käyttäessä tuleekin hakea lupa kaasun käytölle jollekin yhditykselle/kerholle. Kumpaakin kaasua Suomessa on saatavilla esimerkiksi Woikosken jälleenmyyjiltä.

Kaasu toimitetaan kaasupullossa ja pallon täyttämiseen tarvitaan kaasupullon sopiva venttiili sekä tiivis muoviletku. Latex-pallojen täyttöaukko on paksumpaa materiaalia, jotta aukon voi helposti kiertää täyttöletkun tai vastaavan suukappaleen ympärille. Kun pallo on täytetty, pallo tulee sulkea esimerkiksi tavallisilla muovisilla nippusiteillä. Nippusiteisiin voi samalla kiinnittää narun, jossa hyötykuorma on kiinni. Nippusiteiden kiristyksen jälkeen niiden päälle on hyvä lisäksi kiertää päälle sähköteippiä, jotta siteet pysyvät paikallaan ja niiden terävät reunat on peitetty.

Pallon täyttämiseen tarvittava kaasun määrä riippuu useasta tekijästä: pallon koosta (kuinka paljon kaasua palloon mahtuu), hyötykuorman painosta sekä tavoitellusta nousunopeudesta. Suurempi nousunopeus johtaa käytännössä lyhyempään lentoon, koska pallo saavuttaa huippukorkeutensa nopeammin. Pallon vajaa täyttö voi johtaa myös siihen, että pallo jää ”kellumaan” tiettyyn ilmakehän kerrokseen pitkiksi ajoiksi, joten nousunopeus kannattaa yleensä määrittää hiukan liian suureksi kuin liian pieneksi.

Tarvittavan nosteen voi laskea laskureilla, joita on useampia netissä. Luotettava laskuri on esimerkiksi CUSF Burst Calculator, jota olemme käyttäneet aiemmalla OH3HAB #1-lennolla. Laskuriin syötetään pallon tyyppi, käytetty kaasu, hyötykuorman paino sekä tavoiteltava korkeus tai nousunopeus. Palloa täyttäessä pallon nosteen voi todeta esimerkiksi täyttämällä vesikanisterin laskurin ilmoittamaan painolukemaan ja kytkemällä pallon vesikanisteriin. Kun vesikanisteri alkaa nousta ilmaan, on tarvittava noste saavutettu!

Pallolennon valmisteluista ja pallon täytöstä on lisää tietoja sekä video OH3VHH-pallolennon sivulla.

Lennolle tarvittavat luvat

HUOM! Tämä yhteenveto luvista perustuu kirjoittajan tietoihin kirjoitushetkellä (heinäkuu 2022). Varmista aina lupa-asiat suoraan Traficomilta!

Stratosfääripallon lennättämiseen Suomessa tarvitaan aina lentolupa Traficomilta. Lentosäännöissä ja määräyksissä stratosfääripalloja nimitetään termillä ”miehittämätön vapaa ilmapallo”. Lupaa tulee hakea vapaamuotoisella hakemuksella lähettämällä sähköpostiviesti Traficomin kirjaamoon. Kirjoitushetken tietojen mukana luvassa tulee olla mukana vähintään lähetyspaikka ja aikaikkuna lähetykselle, pallon hyötykuorman materiaali ja paino sekä käytettävät seuranta- tai kuvauslaitteet. Hyötykuorman paino ja tiheys määrittävät pallon luokituksen ja sille asetetut vaatimukset lennon ja lentoluvan suhteen. Nämä luokitukset on kuvattu alla linkitetyissä dokumenteissa. Lisäksi tulee huolehtia, että pallo pysyy valtakunnanrajojen sisäpuolella eli Suomessa!

Traficomin mukaan toiminnassa on noudatettava eurooppalaisia SERA -lentosääntöjä 
http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2012:281:0001:0066:FI:PDF
ja niitä täydentävää Traficomin määräystä OPS M1-1:
http://www.trafi.fi/filebank/a/1415778370/7c993005e97677f4b7e0b53455994bd5/16167-OPS_M1-1_2014_fi.pdf. Näissä dokumenteissa stratosfääripalloja nimitetään termillä ”miehittämätön vapaa ilmapallo”, joten tätä termiä etsimällä löydät olennaiset kohdat dokumenteista.

Jos pallon seurannassa käytetään radioamatöörilähettimiä, on lähettimelle haettava lisäksi erillinen radioamatöörikutsu sekä radiolupa Traficomilta. Erikoislupa on tarpeellinen, koska lähetin toimii itsenäisesti ilman valvontaa. Radioluvalle on määriteltävä lisäksi valvoja, jolla on yleisluokan radioamatöörin pätevyys. Radiolupa haetaan vapaamuotoisella hakemuksella lähettämällä sähköpostiviesti Traficomille.

Valmistautuminen pallolentoon: tuuliennusteet ja seuranta

Pallolento kulkeutuu lähetyksen jälkeen vapaasti ilmakehän tuulien mukana. Lähes kaikissa tapauksissa lennon hyötykuorma halutaan talteen, koska mukana on esimerkiksi kameroita tai muita mittalaitteita, jotka keräävät talteen lennon tietoja. Lisäksi on tärkeää välttää ympäristön roskaamista, joten oman lennon laitteet kannattaa etsiä ja kerätä myös ympäristön siisteyden vuoksi. Näiden syiden takia on tarpeellista seurata pallolentoa aina laskeutumispaikkaan saakka.

Lennon suunnittelussa on myös hyödyllistä käyttää tuuliennusteita pallon laskeutumispaikan arvioimiseen ennen lentoa, jotta voi etukäteen valmistautua hakemaan lennon hyötykuormaa tietyltä alueelta ja varmistua, ettei pallo lennä valtakunnanrajojen ulkopuolelle. On tärkeää huomata, että eri ilmakehän kerroksissa tuulen nopeus ja suunta voi vaihdella hyvin merkittävästi. Vaikka maan pinnalla olisikin lähes tyyntä, voi 10 kilometrin korkeudessa tuulen nopeus olla yli 100 km/h!

Stratosfääripalloharrastajat ovat kehittäneet pallolentojen tuuliennusteisiin useampia nettipalveluja. Yksi luotettava palvelu on CUSF Landing Predictor, joka tekee lentoreittiennusteen käyttämällä annettuja parametreja: lähetysaika (max 10 päivää eteenpäin), lähetyspaikka sekä nostelaskurin vaatimat tiedot: pallon tyyppi, käytetty kaasu, hyötykuorman paino sekä tavoiteltava korkeus tai nousunopeus.

Esimerkkikuvia lentoreitin ennusteesta ja toteutuneesta lennosta löydät OH3HAB #1-lennon sekä OH3VHH-lennon sivuilta.

Jotta pallon lopullinen laskutumispaikka olisi selvitettävissä, täytyy pallon hyötykuormassa olla mukana jokin seurantalaite. Seurantalaite lähettää yleensä pallon paikkatietoja (koordinaatit ja korkeus), jonka laite saa GPS-vastaanottimen avulla. Lähetteissä saattaa olla joskus muitakin tietoja, kuten sensoritietoja esim. lämpötilasta ja kosteudesta tms. Pallon lähettäjillä tulee olla tarvittavat vastaanottolaitteet seurantalaitteen lähettämien tietojen vastaanottoa varten.

Radioamatöörit käyttävät seurantaan ensisijaisesti radioamatööritaajuuksilla toimivia radiolähettimiä. Seurantaan on perinteisesti käytetty muidenkin liikkuvien kohteiden paikkatietojen seuraamiseen käytettyä APRS-modulaatiota sekä APRS Internet Service-nettipalvelua, jota voi tarkastella esimerkiksi https://aprs.fi/-kartan kautta. APRS:n haasteena on, ettei sen kuuluvuus on jokseenkin rajoittunut etenkin, kun lähettimen teho on pieni ja etäisyys lähettimeen suuri. Tämän vuoksi monilla viimeaikaisilla radioamatöörien stratosfääripallolennoilla ympäri maailman on käytetty paremmin lentojen seurantaan soveltuvaa Horus 4FSK-lähetettä, jota voi vastaanottaa tavallisella SSB-radiovastaanottimella sekä Horus GUI-tietokoneohjelmalla, joka on saatavilla Windowsile, Macille sekä Linuxille. Lisäetuna Horus GUI-vastaanotto-ohjelmassa on se, että ohjelma lähettää pallon paikkatiedot stratosfääripallojen seurantaan tarkoitettuihin nettipalveluihin, joita ovat SondeHub Amateur sekä vanhempi Habhub. Tällöin kaikkien vastaanottoasemien tiedot voidaan kerätä yhteen ja saada mahdollisimman hyvä kattavuus pallon seurannalle! Tämän artikkelin loppupuolella on ohjeita sekä APRS:n että Horus 4FSK:n vastaanottoon.

Pallolennon seurannasta ja hyötykuorman etsimisestä ja löytämisestä on lisää tietoja sekä video OH3VHH-pallolennon sivulla.

Vaisalan RS41-radiosondien käyttö seurantalaitteena

Olemme käyttäneet Hämeenlinnan Radioamatöörit ry, OH3AA:n viimeaikaisilla stratosfääripallolennoilla seurantalaitteena ensisijaisesti uudelleenohjelmoituja Vaisalan RS41-radiosondeja. RS41-sondi soveltuu pallolentojen seurantaan, koska se on jo alunperin suunniteltu kyseiseen tarkoitukseen ja RS41-sondin voi ohjelmoida lähettämään 70cm radioamatööribandilla (eli 432-438 MHz taajuusaluella) täysin ilman laitteistomuutoksia. Sondin voi ohjelmoida lähettämään APRS-, Horus 4FSK- tai CW (morse)-lähetteitä!

Suomessa Ilmatieteen laitos lähettää joka päivä RS41-radiosondeja (sääennusteita varten) mm. Jokioisilta ja sondeja on mahdollista seurata netissä SondeHub-palvelussa tai oman vastaanottoaseman avulla esimerkiksi RS41Tracker– tai radiosonde_auto_rx-ohjelmilla. Sondeja voi siis kerätä ilmaiseksi seuraamalla niiden laskeutumispaikkoja. Itse RS41-lähetinlaitteen lisäksi sondissa on mukana styrox-kotelo ja kaksi (yleensä Energizer-merkkistä) AA-kokoista litiom-ioni-paristoa, jotka ovat usein vielä sondin pudottuakin käyttökelpoisia.

Sondien seurantaan, keräämiseen ja uusiokäyttöön voi perehtyä esim. lukemalla Mikaelin, OH3BHX, VUSHF2022-tapahtumassa pitämän esitelmän Repurposing radiosondes for amateur radio high-altitude balloon tracking (englanniksi). Sondien uudelleenohjelmoinnista löydät tietoa myös RS41ng-firmware-ohjelmiston sivulta.

Kerhon aiempia pallolentoja

• Lento OH3VHH #1 heinäkuussa 2021 – Katso huikea video lennolta, hyötykuormassa mukana videokameroita
• Lento OH3HAB #1 kesäkuussa 2022 – HF-taajuusalueen lähettimen testi
• Lento OH3HAB #2 heinäkuussa 2022 – Pallolento SRAL:n kesäleirillä