Undervisningsoplæg til CanSat Aalborg Tekniske Gymnasium Øster Uttrupvej 5, 9000 Aalborg HeGG@AATG.dk
Indhold Forord... 2 Anbefalet gennemgået stof:... 2 CANSAT... 3 Undervisningsplan... 4 Modul 1 Planlægning:... 4 Modul 2 Udførsel... 5 Forsøg 1: Jordtest... 5 Forsøg 2: Flyvetest... 5 Modul 3 Databehandling... 6 Modul 4 - Præsentation... 7 Lidt Teoretisk baggrund... 8 Analog-til-Digital konvertering... 8 Tryk- og temperaturmåling, samt højde beregning... 8 Temperaturmåler... 8 Trykmåling... 9 Faldskærm... 11 Links og litteratur... 13 1
Forord Dette undervisningsoplæg lægger op til et samarbejde mellem Naturvidenskabernes hus og en teknisk studiet retning på et gymnasium. Oplægget er beregnet til et arbejdsprojekt for en del af en klasse, med planlægning på egen skole, udførsel i samarbejde med Naturvidenskabernes hus og afsluttende med efterbehandling på egen skole samt en præsentation for resterende elever i klassen. Projektet her i beskrivelsen er primært rettet mod elever på 2. G niveau med Fysik B og opefter. Materialet kan dog sagtens bruges til elever i 1. G, dog vil disse ikke kende til basal trykteori og lign. Anbefalet gennemgået stof: For at få mest muligt ud af forløbet kan det anbefales at eleverne har en forståelse af nedenstående emner: - Naturvidenskabelig arbejdsmetode - Tryk - El-lære - Analog & Digitale signaler - Kinematik & Dynamik - Fejltolerancer og måleusikkerhed Hvis emnerne ikke allerede er gennemgået vil materialet omkring NvHus-CanSat kunne bruges løbende frem gennem undervisningen og resultaterne vil kunne trækkes frem igen. 2
CANSAT Navnet CanSat er en sammensætning af to ord, Can er det engelsk ord for sodavandsdåse og Sat er en forkortelse for satellit Altså Der er tale om en sodavandsdåse satellit. Satellitten minder på flere måde om CUBESAT konceptet En alm. Sodavandsdåse har et indhold på 33 cl og et standardmål, ligesom ved CUBESATs er maksimum vægten for en CANSAT vægten af 33 cl vand, altså 330 g. Forskellen på en CUBESAT og en CANSAT er konceptet; en CANSAT er ikke lavet til at blive sendt ud i rummet, den er derimod designet til forhåbentlig at kunne bruges igen. Inden for CanSat verden findes der flere kategorier, lidt efter hvilket formål man arbejder efter, eller hvilken konkurrence man deltager i. Kategorierne er: - CanSat En måleplatform der sendes op med raket eller ballon samt trådløs kommunikation med jorden, flyver en primær mission, som er beskrevet nedefor, samt en sekundær mission efter eget valg - ComeHome og FlyHome CanSat Samme som ovenstående, med den forskel at der er slækket på vægtkravene, denne CanSat har en sekundær mission, at komme hjem, enten ved at styre sin flyvning/fald eller ved at køre tilbage til start position efter landing. - Freestyle(open) Bør holdes inden for atmosfæren for at holde sig til konceptet. En standard CanSat består som minimum af en mikroprocessor, et radiolink, et strømkilde (batteri) samt en tryk- og temperatursensor alle disse systemer er monteret, så de passer ind i en Coca Cola dåse. Det er en ide at montere systemet, så det let kan tages ind og ud af dåsen, da man skal kunne komme til de enkelte systemer, hvis en udskiftning skulle blive nødvendig. I toppen af en standard CanSat er der mulighed for montering af en faldskærm. Faldskærmens formål er at bringe en CanSat tilbage til jorden med en hastighed mellem 8 og 12 m/s. Ideen med en CanSat er, til forskel fra en rigtig satellit, at den kastes ud fra en højde, og derefter falder til jorden med en beregnet hastighed dette sker oftest ved brug af en faldskærm. CanSats kan sendes op på forskellige måder, alle med sammen med den opgave, at slippe Figur 1: CANSAT Kit uden dåse Figur 2: CANSAT kit samlet med dåse og faldskærm CanSat en, så den kan falde langsomt til jorden Disse metoder er alt fra at kaste en CanSat ud fra et tag eller en mast, til opsendelse med vejrballon eller raket. Der findes rigtig mange måder at designe en CanSat, så kast jer over det. Konceptet er internationalt og benyttes ca. fra hvad der svarer til gymnasieniveau og opefter. 3
Undervisningsplan Undervisningsplanen tager udgangspunkt i den naturvidenskabelige arbejdsmetode, med en styret hypotese fra underviserens side. Undervisningsplanen tager udgangspunkt i 4 moduler eller faser. Modul 1 Modul 2 Formål: Planlægning Formål: Udførsel Sted: På skolen Sted: NvHus Modul 3 Modul 4 Formål: Databehandling Formål: Præsentation Sted: På skolen Sted: På skole Modul 1 Planlægning: Planlægningsmodulets formål er at sikre, at eleverne er klar til at udføre et eksperiment med CanSat, når man besøger Naturvidenskabernes hus. I løbet af dette modul skal eleverne formulere hypoteser om, hvad de vil prøve at vise med deres besøg ved Naturvidenskabernes hus. Endvidere skal der være tid til, at eleverne kan sætte sig ind i den nødvendige teori til at kunne arbejde videre. Alt denne planlægning skulle gerne resultere i at eleverne som minimum medbringer en målejournal til modul 2, samt har overvejet eventuelle faktorer og fejlkilder, der vil kunne påvirke måleresultaterne, for at disse kan undgås. Underen Hypotese/Teori Forsøg(Plan) Forsøg(Udførsel) Efterbehandling Konklusion 4
Modul 2 Udførsel Udførselsmodulets formål, er logisk nok at lade eleverne udføre et forsøg med en CanSat. Tiden er meget begrænset her, så elever får udleveret allerede forprogrammerede CanSats. Der er forskellige måder at gribbe dette modul an, men fælles for alle vil være, at der til slut sendes en CanSat op i ca. 100 meters højde med ballon alt imens denne sender data fra dens sensorer tilbage til jorden. Desværre er dette vejrafhængigt og derfor kan det være nødvendigt at få data fra en anden dag. Data kan herefter tages med hjem til efterbehandling. Et eksempel på hvordan besøget eventuelt kan planlægges følger. I løbet af modulet skal der udføres 2 forsøg. Forsøg 1: Jordtest Forsøget foregår på jorden for at sikre, at CanSat en virker samt for at give en data for jorden. Til forsøget kan man med fordel medbringe eget måleudstyr som f.eks. en Pasco GLX Explorer, samt Pasco tryk- og temperaturmåler og et Pasco acceleration-0-meter. Data fra CanSat og Pasco udstyr kan nu sammenlignes for at sikre validteten af data fra CanSat en. Temperatur test: Tryk test: Acc. test: sammenlign direkte med andet måleudstyr f.eks. Pasco ved samme position sammenlign direkte med andet måleudstyr f.eks. Pasco ved samme position Vend CanSat en 3 gange, først så X-retningen peger mod jorden og noter accelerationen, herefter gentages processen med Y og Z retningen. Samme procedure kan samtidig laves med et Pasco acceleration-0-meter.for at kunne sammenligne data Note: husk at sæt Pasco udstyr til at sample med 1 Hz, da dette gør det lettere direkte at sammenligne data fra de to enheder Forsøg 2: Flyvetest I dette forsøg sendes CanSat en op med en ballon, for at modtage data skal der her bruges et radiolink. Før forsøget sættes i gang, testes radiolinket på jorden af to grunde For det første for at sikre, at der er data der kommer igennem radioen og for det andet, for at give data fra CanSat en ved jordplan. Note: Her kan der igen sættes f.eks. Pasco måleudstyr op ved jordplan for at sikre data nøjagtighed. Underen Hypotese/Teori Forsøg(Plan) Forsøg(Udførsel) Efterbehandling Konklusion 5
Modul 3 Databehandling Databehandlingsmodulets formål er at bringe eleverne fra niveauet med tanker og hypoteser, rå data og fejlkilder til en forståelse og en konklusion. Blandt de mere interessante beregninger, der kan foretages på baggrund af de sensorer, der sidder på en CanSat, er sammenhæng mellem tryk og flyvehøjde. 102 101 100 99 98 97 96 95 94 Tryk [kpa] 93 0 92 500 520 540 560 500 510 520 530 540 550 560-100 700 600 500 400 300 200 100 omregning højde [m] Figur 4: Flyvedata fra raket affyring ved Boris med Viborg Figur 3: Flyvedata fra raket affyring ved Boris med Viborg Tekniske Gymnasium. X-aksen: Tid[s] og Y-aksen: Tryk[kPa] Tekniske Gymnasium. X-aksen: Tid[s] og Y-aksen: Højde[m] - Data er baseret på trykmålingen Grafen ovenfor med tryk til højde overtid giver blandt andet et tydeligt billede af flyvehøjden, men ved at kigge nærmere på figur 4, vil man endvidere kunne analysere hastighed og acceleration data der herefter kan benyttes til videre analyse af data fra acceleration-0-meter. Data fra en CanSat giver nye muligheder for at analyser data på tværs af forskellige emner inden for fysikken og herved gives eleverne en ny forståelse af anvendt fysik og matematik, endvidere understøtter dette ønsket om temabaseret undervisning og tværfagligt arbejde med inden for de forskellige fag Underen Hypotese/Teori Forsøg(Plan) Forsøg(Udførsel) Efterbehandling Konklusion 6
Modul 4 - Præsentation Præsentationsmodulets formål er for eleverne at formidle den viden, de har samlet gennem dette projekt, denne viden kan gives gennem enten podcast eller som en præsentation på klassen eller evt. for hele skolen. Som ved alle andre projekter og forsøg er formidling altid nemmere hvis man har masser af billeddokumentation, så sørg for at tage video og billeder af hvad der sker. I dette modul er der rigtig mange forskellige muligheder for, hvordan selve formidlingen skal foregå, og der vil med stor fordel kunne inddrages andre fag i dette modul, fag der har et højt fokus på formidling. Dette vil gøre at projektet ikke blot vil kunne hjælpe fysik klassen, men vil kunne gøres mere tværfagligt dog må det ikke glemmes, at stoffet der skal formidles er hovedsagligt fysik. Underen Hypotese/Teori Forsøg(Plan) Forsøg(Udførsel) Efterbehandling Konklusion Formidling og præsentation 7
Lidt Teoretisk baggrund Analog-til-Digital konvertering Mikroprocessoren på CANSAT en er en 8-bit Atmel AVR der er programmeret med Arduino software. Mikroprocessoren er udstyret med et serielt interface,der er forbundet med et radiolink, der kan kommunikere med 9600 baud. Den er endvidere udstyret med en række 10-bit ADC er, fordelt fra 0-5V eller 0-3,3V. En omregning af en måling via en 10-bit ADC fra bits til volt er som følger: Målling[Volt] = Målling[bit] maksspændning 1023[bit] 2 10 = 1023bits Tryk- og temperaturmåling, samt højde beregning Til ADC en er der forbundet en analog temperatursensor, en analog Motorola trykmåler samt et 3-axes accelerometer. Temperaturmåler Type: LM35 LM335 er en temperatursensor med lineært output, der kan måle temperaturer fra -40 til 100 grader Celsius Den er nem at have med at gøre idet output er 10mV/K (10 milli Volt pr grad Kelvin) Temperaturmåler: Temp[ C] = 100 (Måling[V] 2,7315V) 8
Trykmåling Type: Motorola mpx4115a p[kpa] = Målling[v] + 0,095 0,009 Ved en højde op til cirka. 1000 meters højde kan forholdet mellem tryk og højde betragtes som lineær sammenhæng. Ved ca. 1000 meters højde er trykket faldet ca. 10 kpa - hvilket giver et cirka fald på 0,1 [Pa/m] i stigehøjde. Dog er dette naturligvis temperaturafhængigt. Figur 5: Figuren til venstre viser trykket i forhold til atmosfærisk højde, firguren til højre viser Motorola trykmålerens måle område som et udtryk mellem udgangsspændningen og det målte tryk i kpa På baggrund af en tryk- og en temperaturmåling kan en CanSats flyvehøjde beregnes hvor: - T1: start temperatur [k] - a: temperatur gradient: -0,0065 K/m - p: tryk [kpa] - p1: start tryk [kpa] - R: gas konstant: 287,06 J/(Kg*K) - h1: meter over havet (start højde) h = T1 a (( p ar p1 ) g0 1) + h1 9
Udgangspænding [V] Accelerometer Type: MMA7361L Accelerometer er et 3-akses accelerometer (X,Y,Z) dette har et måle område enten mellem +/- 6 G eller +/- 1,5G. Selve accelerometeret benytter en spænding på 3,3V, hvilket betyder at ADC en område skal fordeles ud på 0-3,3V. I Universitarium udstyret er accelerometeret sat til at måle +/- 1,5G 3 2,5 1G = 2,45V 2 1,5 0G= 1,65V -1G= 0,85V 1 0,5 0-15 -10-5 0 5 10 15 Acceleration [m/s^2] I kan måle 0g/1g/-1g ved at vende CanSat på bordet i 90 graders Ligesom en terning. Mål med 1 opad, 2 opad,.. 6 opad 10
Faldskærm Faldeskærme kan designes på mange måder, det der er vigtigt er at lave en stor overfalde, som kan give en acceleration, der er modsatrettet i forhold til tyndeaccelerationen. Hvis man skal lave en stor overfalde, der er ligeligt fordelt over et punkt, vil en mulighed være at lave en stor cirkel. Rent praktisk kan man tilnærme sig en cirkeloverflage ved at sammen sætte en række trekanter. Dette kan ses på figuren til højre, dette er også den metode der er valgt som standard i CanSat kittet. Som det kan ses på tegningen består faldskærmen af 6 trekanter. Så er næste opgave at beregne deres areal. Formel for dette er: Hvor: - H = Højden [19 cm] - G = Grundlinje [22 cm] A trekant = H G 1 2 6 1 0,22 0,19 = 0,1254 m2 2 Med et areal på en faldskærm kan man se på de kræfter, der påvirker et faldende objekt. Dette er tyndekraften (Fg) i retningen mod jorden og en trækkraft fra en faldskærm (Fd), tyndekraften er afhængig af tyndeaccelerationen og masse, mens trækkraften er afhængig af en ønsket faldhastighed, samt arealet af en faldskærm, hvis disse to kræfter sættes lig hinanden, kan man beregne størrelsen og materiale af en faldskræm som en funktion af ønsket faldhastighed og vægten af hvad der falder. Dette ses i følgende ligninger: Hvor: - Fg = tyndekraften [N] - m = massen [kg] - g = tyndeacceleration [9,82 N/Kg] - Fd = trækkraften [N] F g = m g F d = 0,5 C d A ρ V 2 11
- Cd = træk koefficienten for faldskærmen - ρ = luftens densitet [ca. 1,225 Kg/m 3 ] - A = totalt areal af faldskærmen [m 3 ] - V = fald hastighed [m/s] F g = F d m g = 0,5 C d A ρ V 2 Eksempel på fald hastighed: 2 m g V = C d A ρ - m: Vægt: 0,151 kg - A: Faldskærms areal: 0,1254 m 3 - Cd: træk koefficienten: 1,5 (for en semi spherical faldskærm) v = 2 m g C d A ρ = 3,6 m s 12
Kontakt, Links og litteratur Links Aalborg Universitet Cansat side: Danish Space Challenge Narom Norske center for rumrelateret oplæring http://www.control.aau.dk/~jdn/edu/cansat-kit/ http://www.facebook.com/danishspacechallenge http://narom.no Bøger Romteknologi, Gunner Steet, NTNU. Kontakt & Billeder Alle billeder i dette oplæg er taget af Helge G. Grøn Hvis I tænker at det kunne være spændende at hører mere om mulighederne i rumteknologi er du velkommen til at skrive til Helge G. Grøn [HeGG@AATG.dk] Hvis det handler om Dansk rumteknologi anbefales det, at I retter kontakt til Aalborg Universitet http://www.space.aau.dk/ Alternativt afholder NAROM kursus for nordiske lærer, se mere på deres hjemmeside. http://narom.no 13