Sonda meteorológica MGL-2

No dia 04 de maio de 2019 lançamos nossa primeira sonda meteorológica, o MGL- 2 em Horizonte Perdido, próximo ao campus do CEFET-MG Araxá, em Araxá, Minas Gerais, Brasil (coordenadas: S19º 42’ 507” W 049º 59’ 909”). A missão foi realizada com o objetivo de participar da competição internacional Global Space Balloon Challenge (GSBC) e estudar a atmosfera da região.

 

Eletrônica

A sonda estava equipada com vários equipamentos eletrônicos: um Raspberry Pi ™ 3 e um Pi Camera ™ 3 responsáveis por filmar e fotografar a paisagem local;  um Arduino Nano juntamente com um módulo GPRS (GSM SIM800L) e um módulo GPS (GPS-NEO-6M) para obter a localização da sonda em tempo real e comunicar com a nossa estação de base; sensor de pressão e temperatura (BMP280) e sensor de umidade (DHT11) para coletar dados da atmosfera local. Além desses equipamentos, utilizamos o rastreador Spot Trace oferecido pelo nosso patrocinador SPOT, como sistema de redundância para o rastreamento do MGL-2.

 

Para a implementação do sistema de localização de satélites, foi utilizada uma estratégia de redundância. O módulo Arduíno foi usado para enviar mensagens de texto para um telefone celular da equipe informando as coordenas geográficas da sonda, utilizando o sistema GPRS. Independentemente,  o rastreador SPOT Trace se comunicou via satélite através de um sistema oferecido pela empresa.

Programação

Para a realização das fotografias e filmagens da paisagem local, a equipe utilizou um script Python que controlou uma pi câmera. O algoritmo desenvolvido configurou a câmera para alternar entre a gravação de dois vídeos de 5 minutos e a realização de 10 fotografias, salvando as mídias em um cartão SD.  Para obter as informações da atmosfera local o programa para o Arduino foi desenvolvido para coletar as leituras dos sensores e armazenar as informações em um outro cartão SD.

Gerenciamento de energia

Para alimentar os circuitos eletrônicos utilizamos três baterias de 3,7V e 2600mAh, com base na demanda de energia para dar suporte aos kits Arduino e Raspberry. Assim, duas baterias foram conectadas em série para aumentar a tensão total fornecida ao Arduino, fornecendo um tensão de 7,4V. A outra bateria foi usada como fonte de energia para o Raspberry Pi ™ 3 e a Pi Camera ™ 3.

Mecânica

A estrutura foi projetada de forma a acomodar todos os componentes eletrônicos, baterias e câmera, ser resistente o suficiente para suportar o lançamento, o voo e o pouso, além de ser possuir a menor massa possível. Após algumas pesquisas, o processo de fabricação escolhido foi a impressão 3D com filamento ABS, selecionado devido ao sua baixa densidade e alta resistência. Para a proteção térmica dos componentes internos, uma cobertura de isopor foi fixada na impressão 3D, com uma cola especial de isopor. Um sistema de paraquedas foi projetado com base no peso da carga útil e nas especificações de lançamento, calculada para uma velocidade de queda de cerca de 5 m/s. Um conjunto de dois pára-quedas foi usado para corresponder a esta especificação.

Sonda sobre uma balança

O lançamento foi realizado utilizando um balão atmosférico Kaymont 350g (modelo HAB-350) e a sonda atingiu uma altitude estimada em 22 km. Durante a missão, ocorreram falhas de comunicação devido à altitude, conforme previsto pela equipe durante o desenvolvimento do projeto. Os sistemas de comunicação pararam de funcionar quando a sonda atingiu uma altitude acima de 7 km devido a grandes perdas de energia do sinal enviado pela sonda. No entanto, o contato foi restaurado quando o MGL-2 retornou a uma altitude mais baixa, possibilitando sua recuperação, o que proporcionou um aprendizado precioso para os próximos lançamentos da equipe.

A estrutura mecânica não pôde ser testada ao máximo, tendo em mente onde e como caiu, mas a proteção térmica se mostrou eficaz e os componentes estavam funcionando bem após o pouso. Além disso, os resultados do sistema de paraquedas foram aceitáveis, uma vez que a velocidade média de descida foi de cerca de 7m / s, por cálculos feitos com o tempo e a distância da queda. A funcionalidade da câmera foi uma grande preocupação da equipe, pois várias dificuldades surgiram durante o desenvolvimento do projeto, principalmente por ser um módulo frágil ao analisar sua construção física e também pela frágil conexão entre a câmera e a placa principal, que pode desconectar devido a turbulência. Nesse sentido, ao analisar os resultados capturados, é possível ver que a programação se comportou conforme o esperado, apresentando boa captura de vídeo (estática e em movimento) sem arquivos corrompidos e nenhuma desconexão física entre a câmera e a placa controladora. Além disso, a lente da câmera provou ser capaz de suportar o ambiente adverso sem problemas, como o risco de embaçamento devido à umidade e temperatura baixa (por exemplo, isolamento térmico) e até o risco de quebra (como consequência de boa montagem mecânica).

Lançamento

Recuperação da Sonda

 

A sonda foi recuperada a 50,2 km de distância do local de lançamento, em uma fazenda da região. A sonda pousou sobre uma árvore de eucalipto. A linha azul no mapa abaixo mostra o caminho percorrido a carro pela equipe para ir até o local de pouso da sonda, totalizando um percurso de 110km. A sonda foi lançada por volta das 10h da manhã e foi recuperada por volta das 20 horas. O trecho em cinza no mapa ilustra a parte do percurso da sonda em que não havia comunicação com o GPS e, portanto, não sabíamos sua localização.

Além do lançamento

A primeira ação foi a organização de algumas oficinas de astronomia e aeronáutica, realizadas nas cidades de Belo Horizonte e Araxá. Depois de participar de tais eventos, os alunos de Araxá se sentiram inspirados a criar sua própria equipe, chamada PET CEFET-MG. Outra oficina e os testes finais de paraquedas ocorreram no Campus Contagem do CEFET-MG.