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Razzimodellismo
POLICARPO (1992 - 1995)
Un interessante programma di sperimentazione
scientifica condotto per mezzo di razzomodello interamente progettato e
realizzato autonomamente.
Accelerometro Maxwell-Xyz
Nel febbraio 1993 il programma Policarpo non
era ancora ben definito, tanto che in effetti ancora non si chiamava
nemmeno Policarpo. Avevo però ben chiaro, fino da allora, che il tono
radio emesso dal trasmettitore imbarcato nella capsula volante dovesse
essere modulato in bassa frequenza, onde trasportare una qualsiasi
informazione, non foss'altro che per potersi effettuare la corretta
sintonizzazione e ovviamente per documentare, mediante registrazione su
nastro magnetico, l'avvenuto collegamento. Questo era l'aspetto principale
che dovevo tenere presente. Pensai, allora, di unire un piccolo circuito
elettronico che producesse un bip-bip (analogamente a quanto fecero i
tecnici sovietici con il loro Sputnik nell'ottobre del 1957), un fischio o
una musichetta (avevo disponibile un microscopico carillon elettronico che
diffondeva "White Christmas").
Questo accorgimento
avrebbe reso possibile a chiunque di riconoscere la "voce" della capsula
nel caso che, durante il volo, le continue variazioni del
suo assetto, nella posizione del filo di antenna e considerata la
bassa potenza dell'emissione radio, si rivelasse oltremodo
difficoltoso distinguere, nel rumore di fondo, il segnale che mi
interessava.
I lavori di progettazione, costruzione e di
assemblaggio delle parti costitutive il vettore proseguivano lentamente
senza problemi (ciò significa che un vero progetto NON esisteva sulla
carta, il vettore nasceva gradualmente mentre definivo via via le
dimensioni di tutti i componenti), dato che non dipendevano da questi
aspetti. Non così invece quelli di costruzione della capsula, dato che,
per questioni derivanti dalle dimensioni, dalla gestione dei vani e dalla
conformazione del particolare giunto vettore e del nose-cone fisso, lo
spazio disponibile per un circuito aggiuntivo era piuttosto
ridotto.
Nel maggio 1993 Maxwell, già mio direttore di lancio di
Cape Cadaveral negli anni 1978 - 1982‚ competente in elettronica digitale
applicata, lanciò un'idea che, apparentemente esagerata, era invece
una interessante sfida tecnologica, specie se applicata al
circoscritto ma assolutamente inesplorato campo razzomodellistico.
L'idea di Maxwell era, in parole povere, di tentare di misurare,
trasformandole in variazioni di frequenza di un semplice
circuito oscillatore, le forze verticali a cui il missile (cioè la
sola capsula, che comunque si trovava, per parte del volo, a
viaggiare in cima a un missile) era, sotto la spinta dei due possenti
motori, sottoposto. Addirittura, era teoricamente possibile rilevare,
probabilmente, il momento preciso degli eventi che si
susseguivano durante il volo quali senz'altro il momento del decollo,
della cessazione della spinta prodotta dai motori, la
decelerazione per effetto aerodinamico e l'attivazione della carica di
separazione. Questo era in pratica il lavoro che poteva svolgere
soltanto un accelerometro, la cui progettazione richiese circa
un mese. Maxwell elaborò il circuito digitale, che risultò molto
piccolo, tenuto conto del fatto che nella capsula lo spazio si misurava in
centimetri cubici; inoltre, dopo una serie di studi condotti tenendo conto
delle mie indicazioni circa le caratteristiche meccaniche del veicolo (io
ero il costruttore della macchina, mentre lui era il progettista del
carico utile), si elaborò un semplice sistema meccanico a cui affidare il
compito della trasformazione delle accelerazioni verticali all'interno
dell'ambiente-capsula in variazioni della posizione di una banda
semitrasparente che oscurava parzialmente una finestra fissa da cui un
raggio di luce emessa da un LED rosso colpiva la superficie sensibile di
una fotoresistenza; quest'ultima, collegata al circuito VCO realizzato con
una porta logica delle sei di un circuito integrato comunissimo,
realizzava il cambiamento continuo della frequenza emessa da quest'ultimo.
Ho cercato di usare le parole più povere che si potevano scegliere per
rendere l'idea.
Una serie di disegni renderà più chiaro ciò che
poi verrà esposto con le foto. Disegni Xyz, foto anche Xyz. Se non capite
un accidente sapete con chi prendervela.
Disegno
1. Schema del sensore inerziale.
Disegno 2. Schema dei componenti del sistema sensore
inerziale.
Disegno 3. Schema costruttivo del sensore ottico.
Quindi vediamo i componenti del sistema dal vero.
Foto Xyz. Telaio capsula Policarpo lato sensore
e circuito VFO. Dall'alto si nota la molla di sospensione superiore, la
banda trasparente che si infila nel gruppo sensore costituito da una
fotoresistenza posta di fronte a un LED rettangolare rosso. In primo piano
i due fili rossi sono della FR. Sotto il gruppo sensore ottico la banda
trasparente affonda in un cilindro che contiene la massa oscillante. La
materia azzurra è gomma pane colorata che racchiude le sferette metalliche
che costituiscono la massa oscillante. Il cilindro che costituisce la
massa oscillante è racchiusa in un altro cilindro in cartoncino che
costituisce un freno a stantuffo. All'interno è posta la molla di
sospensione inferiore.All'interno del gruppo sensore ottico la banda
trasparente è ricoperta di una sezione triangolare di cartoncino nero
opaco. Sulla destra si nota il circuito VFO montato su basetta
millefori. In alto è visibile il trimmer potenziometrico per la riduzione
dell'ampiezza del segnale elettrico che entra nel circuito BF del
trasmettitore.
Disegno originale della disposizione dei sistemi nella capsula. Se
volete scaricare un'immagine più grande e definita (de gustibus...),
cliccate QUI.
L'immagine è enorme e ci vorrà un sacco di tempo.
Nasceva così
un vero e proprio esperimento scientifico imbarcato su una apparecchiatura
volante con propulsione a razzo, destinato a produrre informazioni che si
dovevano raccogliere a distanza tramite collegamento radio. In
pratica, questo fu il nostro primo esperimento di radiotelemetria in
forma analogica. Grande la nostra soddisfazione nel vedere che sia
teoricamente che praticamente il piccolo esperimento era realizzabile e
implicava lo studio di tecnologie elettroniche e meccaniche. Se il
tono radio fosse stato abbastanza potente da essere ricevuto a
terra con continuità, il tono audio ci avrebbe raccontato in "diretta" le
sensazioni che un sistema di accelerometro anziché un passeggero
avrebbero rilevato all'interno della capsula posta in cima a
un piccolo missile di nemmeno mezzo chilo.
Realizzato in circa
tre settimane, dopo una serie di tentativi falliti causa di notevoli
ripensamenti costruttivi, il sistema di accelerometro Maxwell-XYZ era
funzionante per la prima volta, installato nella capsula finalmente
completata, il 25 luglio 1993. Le prime prove indicarono, se non una
eccelsa precisione (in effetti la fase della taratura dello strumento era
stata estremamente ridotta e imprecisa, stante il fatto che l'apparecchio
era stato costruito fissato nella capsula in maniera irrevocabile), una
incredibile sensibilità, riuscendo a misurare, già nelle primissime prove,
le sollecitazioni verticali prodotte dall'atto del camminare da parte di
chi trasportava la capsula attivata e funzionante in giro per
casa.
Stimammo, con procedimenti poco accurati ma abbastanza
indicativi, che la massima accelerazione misurabile (valore di fondo scala
meccanico, dato che la massa oscillante non poteva correre per più di un
certo numero di millimetri) doveva essere intorno ai 7g, cioè‚ un valore
di sette volte la gravità terrestre, mentre per le variazioni negative il
sensore non poteva andare oltre il valore di 4g. Il sensore nella
posizione più alta incontrava la torretta di supporto della
fotoresistenza.
  
Foto Xyz. Sequenza che mostra il movimento
verticale della massa oscillante e della banda trasparente ad essa
applicata. A sinistra il sistema è fermo, segnalante la condizione di 1g.
Nella foto al centro con una pinzetta ho praticato una pressione alla
banda e ho fatto scendere la massa oscillante verso il basso, condizione
di massima accelerazione misurabile (circa 7g), si nota apparire sotto il
gruppo sensore ottico il pezzetto triangolare di cartoncino nero. Nella
terza foto con la pinzetta ho sollevato la banda trasparente. La massa
oscillante si porta in alto e la massima escursione, quando tocca il
gruppo fotosensore, rappresenta una accelerazione di circa 4g (notare il
triangolino di cartoncino nero spuntare superiormente). Le misurazioni
erano state fatte abbastanza rozzamente mediante pesi aggiuntivi nel
cilindro della massa oscillante. Le misurazioni NON erano chiaramente
precise, ma almeno le tendenze erano chiaramente avvertibili e in ogni
caso segnalavano precisamente i tempi degli eventi rilevati.
Notammo che il sistema, costruito con sensore ottico
per incontrare la minore quantità di attrito possibile, era discretamente
disturbato dalla luce ambientale (nei pomeriggi di fine luglio, in
interni) e ciò sarebbe stato sicuramente motivo di perturbazione nella
misurazione dato che il missile avrebbe viaggiato nel cielo di
agosto, inondato di luce. Il rimedio impiegato fu quello di ricoprire la
parete interna della carrozzeria della capsula di un paio di strati di
spessa ed opaca vernice nera. Molto migliori furono le poche prove
successive.
Telaio capsula e contenitore. La porzione di
fusoliera della capsula è internamente rivestita di svariati strati di
vernice nera opaca.
La componentistica elettronica impiegata per il
sistema accelerometrico Maxwell-XYZ si riduce a un integrato CD 4093, un
paio di trimmer potenziometrici, tre resistenze, un paio di condensatori,
un LED e una fotoresistenza, per una spesa di (esageriamo!) settemila
lire, valuta del 1993.
Foto Xyz. Sulla destra il semplice circuito VFO
Maxwell. Un integratino per sei porte logiche di cui solo una usata, un
condensatore e un paio di resistenze. Un trimmer in alto per la
regolazione dell'ampiezza del segnale mandato al TX.
Il tono audio emesso a riposo, con la capsula in
stato di quiete, era di circa 400 Hz (regolabile a piacere) e poteva
arrivare a circa 1000 Hz al fondo scala indicante la massima accelerazione
misurabile. Il circuito oscillatore dava un segnale di una ampiezza
esagerata, che richiese l'applicazione di un partitore di parzializzazione
a trimmer potenziometrico sull'uscita BF, per non saturare il circuito di
ingresso del trasmettitore VHF N.E. LX 667 imbarcato. Nonostante l'astuta
pensata, a causa di fretta nella taratura, il segnale era ancora
eccessivo, talmente forte che costringeva il trasmettitore a coprire una
vastissima banda di frequenze intorno alla centrale 144,975 MHz,
sovramodulandolo ben oltre i limiti della FM larga banda Hi-Fi. Il segnale
era demodulabile anche in AM.
Foto Xyz. Capsula lato trasmettitore VHF. Si
tratta del TX di Nuova Elettronica LX 667, antico ma validissimo. Ne ho
montati tre, uno dei quali, questo, è stato modificato secondo le
indicazioni della rivista, per la trasmissione sulla banda dei 144 MHz. Ha
funzionato perfettamente. Notare il filo bianco-blu dell'antenna, lungo 78
centimetri..
Il sistema accelerometro MAXWELL-XYZ volò con
Policarpo 2D per la prima volta il 7 agosto 1993, producendo con
inaspettata facilità i risultati ricercati.Il secondo volo riprodusse
fedelmente quanto rilevato con l'esperimento precedente; tuttavia, la sera
del 14 agosto 1993, a conclusione della seconda missione radiotelemetrica
sperimentale, il frettoloso esame visivo che diedi alla capsula non rilevò
(non ero orbo, ero solo troppo contento) una discreta ammaccatura nel
giunto, che avrebbe dovuto farmi pensare a un brusco atterraggio capace di
danneggiare la delicata meccanica del sistema accelerometrico. La capsula
non fu esaminata nel suo interno e la si preparai in maniera piuttosto
superficiale per l'ultimo lancio in programma per il secondo giorno
successivo.
Durante i preparativi al lancio, la sera del 16
agosto, la capsula Policarpo emetteva un segnale radio troppo disperso
nello spettro delle VHF, e il tono audio a riposo era intorno ai 50 Hz.
Ciò indicava che la massa oscillante si era spostata verso l'alto e che
non si muoveva correttamente nel cilindro di contenimento. Mi fu chiaro
che l'accelerometro non lavorava correttamente ma si trattava dell'ultimo
lancio del programma e non avevo comunque il tempo per tentare la
riparazione, avrei dovuto rimandare il lancio di uno o due giorni e non mi
andava di mandare tutti gli amici a casa e richiamarli un'altra
volta.
Il terzo volo della capsula radioemittente non
confermò, evidentemente, i precedenti risultati, ovviamente perché
l'accelerometro non lavorava correttamente; in effetti il lancio del 16
agosto rispondeva alle sole esigenze di avere la documentazione
fotografica del lancio di Policarpo 2D con la capsula radio, dato che nel
secondo volo il nostro fotografo K2 Claudio non era riuscito a immortalare
il sensazionale decollo. In ogni caso il segnale radio fu ricevuto come di
consueto e comunque conteneva una certa informazione, sebbene piuttosto
degradata.
In sede di esame tecnico della capsula
Policarpo a Milano, il giorno 25 settembre 1993, scoprii che la
sospensione (molla tirante in acciaio ramato) inferiore del sensore
oscillante dell'accelerometro risultava sganciata. In pratica, la banda
semitrasparente risultava appesa alla sola molla di sospensione superiore.
Per tale motivo essa a riposo si collocava a fondoscala negativo e aveva
un ridotto movimento meccanico. E' in tali condizioni che il sistema aveva
funzionato nel volo del 16 agosto. Nulla di grave, in fin dei conti.
Riparai il problema e ancora oggi la capsula Policarpo è perfettamente
funzionante come allora.
Posso dire che il pur rozzo ed impreciso
sistema accelerometrico di prima generazione Maxwell-XYZ ha svolto in
maniera più che soddisfacente i compiti per i quali era stato ideato e
costruito. Un appunto che posso muovere, di ordine progettuale per
scarsità di esperienze in proposito, è per l'eccessivo peso della massa
oscillante applicata al sensore che, durante i voli, segnalava come eventi
di accelerazione le oscillazioni in progressivo smorzamento della massa
sospesa dell'accelerometro (vedi pagina elaborazione dati telemetria
Policarpo), causando ripetute false letture di grosse sollecitazioni
che in effetti non esistevano; in pratica, l'eccessiva inerzia del
sensore, che non era efficacemente annullata dal sistema di
ammortizzazione a stantuffo di cui era dotato, produceva indicazioni di
difficile interpretazione.
La misura di fondo scala (circa 7G) è stata
raggiunta in ambedue i voli durante i quali l'accelerometro funzionava
regolarmente: ciò indica che tale valore è stato sicuramente superato; le
simulazioni al computer svolte a Milano nel 1994 indicavano 9g come
accelerazione massima del veicolo in esame con motori Estes D12
(impiegando il software RASP-93 di Harry G. Stine, versione antichissima
in Basic modificata da me per il calcolo di
cluster).
CONCLUSIONI
Potrei dire che la
progettazione, la realizzazione e la prova dal vero del sistema
accelerometro MAXWELL-XYZ è stata il vero risultato dell'intero programma
Policarpo che, congiuntamente con la sperimentazione
della trasmissione radio nella banda radioamatoriale dei 145 MHz, ci
ha permesso di sviluppare nuove ed assolutamente inedite esperienze
nel campo della radiotelemetria, cosa che nel razzomodellismo, perlomeno
in Italia, era sicuramente pura avanguardia (e forse ancora
oggi). Avrei molte idee per lo sviluppo di
questa interessantissima sperimentazione, alcune per quanto riguarda
l'ideazione di un nuovo sensore, altre invece per l'utilizzo di sensori di
accelerazione commerciali, ma quello che mi manca è soprattutto
l'esperienza in elettronica e nella programmazione per poter impiegare i
microcontrollori. In ogni caso, tutte le esperienze che ho raccolto con il
Policarpo potranno essere di aiuto nella futura sperimentazione.
Vedremo.
XYZ 22.06.1996 - dicembre 2003
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