Bau Ihres CanSat
Unter der Aufsicht ihres Lehrers/Mentors müssen alle an CanSat teilnehmenden Teams technische Arbeiten an ihren CanSats durchführen und dabei die Verfahren anwenden, die im typischen Lebenszyklus eines echten Raumfahrtprojekts verwendet werden, d.h:
- Auswahl der Missionsziele;
- Definition der technischen Anforderungen, die zur Erreichung dieser Ziele erforderlich sind;
- Entwicklung von Hardware und Software;
- Berichterstattung;
- Entwurf eines Bodenstation/Boden-Telekommunikationssystems;
- Integration und Test des CanSat vor der nationalen Startkampagne
Grundlegende Komponenten
Das CanSatGehäusedesign ist eine großartige Möglichkeit, etwas künstlerisches Flair zu erzeugen. Aber all daseine erstaunliche Wissenschaft geschieht mit der Technologie im Inneren. Ihr CanSatDesign sollte die Sensoren zeigen, Elektronik und Kommunikationshardware, die Sie verwenden werden. Es gibt eine Vielzahl von kommerziellen Off-The-Shelf (COTS) Hardware verfügbar, Daher sollten Sie Ihr CanSat unter Berücksichtigung Ihrer spezifischen Komponenten entwickeln.
Die Verwendung eines Mikrocontrollers ist in der Regel leichter und ermöglicht eine höhere zeitliche Auflösung der Datenerfassung als ein Mikroprozessor. Zum Betrieb sind eine Stromquelle und ein Eingang erforderlich. Der am häufigsten verwendete Mikrocontroller ist ein Arduino. Der Mikroprozessor ist ein On-Board-Computer und benötigt im Gegensatz zum Mikrocontroller nur eine Stromquelle. Der gängigste und günstigste Mikroprozessor ist der Raspberry Pi.
Die Stifte der elektrischen Bauteile können in die Klemmen auf der Platine gesteckt werden. In der Mitte werden Reihen verbunden. Das bedeutet zum Beispiel, dass die beiden Stifte eines Widerstands in verschiedenen Reihen platziert werden sollten, da er sonst mit sich selbst einen geschlossenen Stromkreis bildet. Es ist sehr wichtig, dass Sie eine Skizze Ihrer Schaltung anfertigen, bevor Sie die Schaltung anschließen und mit Strom versorgen, da Sie sonst Gefahr laufen, die Bauteile zu zerstören. Die äußeren Spalten der Platine sind nicht in Reihen, sondern in Spalten angeschlossen. In der Regel werden sie für Masse- und Spannungsanschlüsse verwendet, um die Komplexität des Aufbaus zu verringern.
Wenn Sie die endgültige Version Ihres CanSat zusammenbauen, müssen Sie ein typisches Lötbreadboard verwenden.
Analoge Sensoren geben eine Spannung aus, die in ein digitales Signal umgewandelt werden muss, damit die Daten gelesen werden können. Der Raspberry Pi benötigt einen Analog-Digital-Wandler (ADC), während der Arduino einen solchen eingebaut hat. Der Vorteil des analogen Sensors ist, dass er die Variable kontinuierlich misst.
Einzelne Sensorplatinen verwenden ein digitales Kommunikationsprotokoll, das an Ihren Mikrocontroller oder Mikroprozessor angeschlossen wird. Die Kommunikationsprotokolle können I2C (2 Drähte) oder SPI (3 Drähte) verwenden. Vergewissern Sie sich, dass Ihr CanSat-Entwurf die richtige Anzahl von Drähten je nach dem von Ihnen gewählten Protokoll aufweist.
Wichtige Überlegungen bei der Auswahl eines Sensors:
- Empfindlichkeit: Wie groß ist die minimale Veränderung, die vom Sensor gemessen werden kann?
- Reaktionszeit: Wie schnell reagiert der Sensor auf eine sich ändernde Umgebung?
- Linearität: Ist die Reaktion linear (über den für die Messungen erforderlichen Bereich)?
- Bereich: Was ist der Mindest-/Maximalwert, der vom Sensor gemessen werden kann?
- Hysterese: Hat der Sensor bei gleichen Umgebungsbedingungen den gleichen Ausgang?
Es gibt einige Überlegungen, die Sie anstellen müssen, wenn Sie entscheiden, wie Sie Ihren CanSat betreiben wollen:
- Welche Spannung müssen Sie liefern?
- Welche Batteriekapazität benötigen Sie (mAh)?
- Wie groß darf die Batterie (physisch) sein?
- Wie schwer darf die Batterie sein?
Das UBEC ist ein Gerät, das verwendet wird, um die richtige Spannung für Ihr Board bereitzustellen. Es wird am häufigsten für Mikroprozessoren wie den Raspberry Pi verwendet, der 5V benötigt. Daher können Sie eine 9V-Batterie verwenden und über das UBEC den Raspberry Pi mit Strom versorgen. Mikrocontroller
wie z.B. der Arduino können die Eingangsbuchse nutzen, um Ihre 9V-Stromversorgung anzuschließen. Es ist auch möglich, die GPIO-Pins zu verwenden, um Ihre Stromversorgung anzuschließen.
Eine Powerbank, z. B. ein tragbares Handy-Ladegerät, ist ebenfalls eine geeignete Option. Es gibt sie in allen Formen und Größen und mit unterschiedlicher Akkukapazität. Einige verfügen auch über "intelligente" Elektronik, die keinen Strom liefert, wenn der vom Gerät verbrauchte Strom niedrig ist. Obwohl dies eine nützliche Energiesparfunktion sein kann, müssen Sie untersuchen, was die Elektronik als "niedrig" einstuft und ob dies für Ihren CanSat geeignet ist.
Die Informationen, die der CanSat sammelt, müssen an eine Bodenstation gesendet werden. Dazu müssen wir uns ansehen, welche Komponenten wir zur Kommunikation verwenden können und wie die Elektronik kommuniziert.
Drahtlose Sende- und Empfangsgeräte werden zur Weiterleitung von Informationen zwischen einem CanSat und der Bodenstation verwendet. Sie arbeiten paarweise, ähnlich wie Sie vielleicht Walkie-Talkies benutzt haben, als Sie jünger waren (oder jetzt!). 
Sowohl der CanSat als auch die Bodenstation sind mit einer Antenne ausgestattet. Die CanSat-Antenne sendet die Informationen und die Antenne der Bodenstation empfängt sie. Um Störungen und Interferenzen zu vermeiden, wird jedem Team in einem Wettbewerb eine eigene Frequenz zugewiesen. Das Wort Transceiver setzt sich eigentlich aus zwei Wörtern zusammen - Senden und Empfangen, also genau das, was der Transceiver tun kann.
Bei der Auswahl eines Funkgeräts sind die wichtigsten Kriterien vielleicht die Betriebsfrequenzen, die erforderliche Leistung und die Größe des Geräts. Natürlich müssen Sie auch die Kosten für die Transceiver berücksichtigen. Bei der Planung eines Projekts muss man oft einen gewissen Kompromiss eingehen. Die perfekten Komponenten für die jeweilige Aufgabe sind nicht unbedingt kompatibel, aus dem einen oder anderen Grund.
Eine der gängigsten Lösungen ist das APC220. Es ist in der Lage, über eine Entfernung von 1000m zu kommunizieren und arbeitet zwischen 418MHz und 455MHz. Eine beliebte Alternative ist ein LoRa-Modul (wie das RFM95). Sie bieten in der Regel eine größere Reichweite von bis zu 2000 m, arbeiten aber mit diskreten Frequenzen und nicht über einen Bereich wie das APC220.
Fallschirme sind ein wesentlicher Bestandteil jeder CanSat-Mission. Man könnte meinen, dass sie oft übersehen werden, da sie im Vergleich zur komplexen Elektronik im Inneren des CanSat oft nur ein einfaches Stück Stoff sind, aber das wäre ein großer Fehler! Ohne einen gut konstruierten Fallschirm könnte Ihr CanSat keine Zeit haben, seine wissenschaftlichen Ziele zu erreichen, oder schlimmer noch, er könnte eine Bruchlandung machen!
Die Entfaltung des Fallschirms wird relativ heftig sein, daher müssen der Stoff und die Fasern, die Sie verwenden, stark sein. Berücksichtigen Sie, dass die Kraft, die der Fallschirm erfährt (und auch die Nutzlast, an der er befestigt ist), das Doppelte der Kraft betragen kann, die während der Endgeschwindigkeit wirkt!
Die einfachsten Arten von Fallschirmen sind die flachen, kreisförmigen Fallschirme und die kugelförmigen Fallschirme. Das Problem bei diesen Konstruktionen ist, dass sie sich mit Luft füllen und zur Seite kippen, so dass die Luft entweicht. Manchmal kann ein Überlaufloch helfen, einen Fallschirm zu stabilisieren.
Wenn Sie sich für einen Entwurf Ihres Fallschirms entschieden haben, müssen Sie ihn unbedingt testen. Die Gleichungen können Ihnen zwar eine Vorstellung davon vermitteln, was Sie erwarten können, aber Sie sollten immer
Testen Sie Ihre Entwürfe in der realen Welt. Mit aufeinanderfolgenden Tests können Sie Ihren Fallschirmentwurf verfeinern. Untersuchen Sie die Auswirkungen jedes Aspekts Ihres Fallschirms, dazu gehören:
- Das verwendete Material
- Wie er am CanSat befestigt ist
- Die Fläche des Fallschirms
- Die Art und Weise, wie der Fallschirm gefaltet wird
Wie baut man einen Cansat?
Unterstützende Materialien wie Unterrichtsmaterialien und Lehrvideos können über den unten stehenden Link abgerufen werden.
CanSat-Anforderungen
Die CanSat-Hardware und -Mission muss unter Berücksichtigung dieser Anforderungen und Beschränkungen konzipiert werden:
Diese können je nach nationalem Wettbewerb unterschiedlich sein. Prüfen Sie die vollständige Liste der Anforderungen bei Ihrem Nationaler Organisator.
Alle Komponenten des CanSat müssen in eine Standard-Softdrink-Dose (115 mm Höhe und 66 mm Durchmesser) passen, mit Ausnahme des Fallschirms. Funkantennen und GPS-Antennen können je nach Ausführung außen an der Ober- oder Unterseite der Dose angebracht werden, jedoch nicht an den Seiten.
Anmerkung: Im Nutzlastbereich der Rakete stehen in der Regel 4,5 cm Platz pro CanSat zur Verfügung, und zwar entlang der axialen Abmessung der Dose (d. h. in der Höhe), in der alle externen Elemente untergebracht werden müssen, einschließlich des Fallschirms, der Fallschirmbefestigung und aller Antennen.
Die Antennen, Messwandler und anderen Elemente des CanSat können nicht über den Durchmesser der Dose hinausragen, bevor er die Trägerrakete verlassen hat.
Die Masse des CanSat muss zwischen mindestens 300 Gramm und maximal 350 Gramm liegen. CanSats, die leichter sind, müssen zusätzlichen Ballast mit sich führen, um die erforderliche Mindestmasse von 300 Gramm zu erreichen.
Sprengstoffe, Sprengkapseln, Pyrotechnik und brennbare oder gefährliche Materialien sind streng verboten. Alle verwendeten Materialien müssen für das Personal, die Ausrüstung und die Umwelt sicher sein. Im Zweifelsfall kann die ESA von den Teams Sicherheitsdatenblätter anfordern.
Der CanSat muss über eine Batterie und/oder Solarzellen mit Strom versorgt werden. Die Systeme müssen vier Stunden lang ununterbrochen eingeschaltet bleiben können.
Die Batterie muss leicht zugänglich sein, falls sie ausgetauscht/aufgeladen werden muss.
Der CanSat muss über einen leicht zugänglichen Hauptschalter verfügen.
Es wird empfohlen, ein Ortungssystem für die Rückholung einzubauen (Piepser, Funkfeuer, GPS usw.).
Der CanSat sollte über ein Rückholsystem, z. B. einen Fallschirm, verfügen, das nach dem Start wiederverwendet werden kann. Es wird empfohlen, helles Gewebe zu verwenden, das die Bergung des CanSat nach der Landung erleichtert.
Die Verbindung des Fallschirms muss einer Kraft von bis zu 50 N standhalten können. Die Festigkeit des Fallschirms muss getestet werden, um sicherzustellen, dass das System nominell funktioniert.
Aus Gründen der Erholung wird eine maximale Flugzeit von 120 Sekunden empfohlen. Für den Versuch einer gezielten Landung wird eine maximale Flugzeit von 170 Sekunden empfohlen.
Eine Sinkgeschwindigkeit zwischen 8 und 11 m/s wird aus Gründen der Erholung empfohlen. Allerdings darf die Sinkgeschwindigkeit des CanSat aus Sicherheitsgründen nicht unter 5 m/s und nicht über 12 m/s liegen. Darüber hinaus können der Flugplatz oder die Wetterbedingungen weitere verbindliche Geschwindigkeitsbegrenzungen festlegen.
Der CanSat muss einer Beschleunigung von bis zu 20 g standhalten können.
Eine Standardanforderung von CanSat ist, dass das Gesamtbudget des endgültigen CanSat-Modells 500 € betragen muss - dieser Betrag kann jedoch von Land zu Land unterschiedlich sein, daher erkundigen Sie sich bitte bei Ihrem nationalen Organisator. Bodenstationen (GS) und alle damit zusammenhängenden nicht fliegenden Gegenstände werden im Budget nicht berücksichtigt. Weitere Informationen zu den Strafen, die verhängt werden, wenn die Teams das angegebene Budget überschreiten, finden Sie im nächsten Abschnitt. Im Falle eines Sponsorings sollten alle gesponserten Gegenstände im Budget mit den entsprechenden tatsächlichen Kosten auf dem Markt angegeben werden.
Die zugewiesene Frequenz muss von allen Teams in der Startkampagne respektiert werden. Der Bereich der zulässigen Frequenzen ändert sich je nach dem Land, in dem die Veranstaltung stattfindet, und wird rechtzeitig bekannt gegeben. Es wird empfohlen, dass die Teams auf die Konstruktion des CanSat in Bezug auf die Integration der Hardware und die Zusammenschaltung achten, damit die Funkfrequenz bei Bedarf leicht geändert werden kann.
Der CanSat muss bei der Ankunft in der Startkampagne flugbereit sein.
