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Le pagine di appunti di criscaso | |
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Razzimodellismo
Un interessante programma di sperimentazione
scientifica condotto per mezzo di razzomodello interamente progettato e
realizzato autonomamente. Accelerometro Maxwell-Xyz - elaborazione dati
In
questa
pagina riporto alcune immagini che mostrano l’analisi computerizzata del
tono audio dell’accelerometro XYZ-Maxwell ricevuto via radio in diretta
dalla capsula volante. Le registrazioni originali dell’agosto 1993,
digitalizzate in vari momenti successivi, sono state elaborate nel giugno
2002 per mezzo di software GRAM, analizzatore di spettro audio. E’ stato
così possibile estrarre le informazioni contenute nel tono audio, che
funzionava in maniera assolutamente analoga alle trasmissioni telemetriche
analogiche dei primi veicoli spaziali degli anni '40 e ’50, agli albori
della reale missilistica. Credo di aver compiuto un interessante programma
di sperimentazione nel campo del razzimodellismo.
I grafici mostrano la linea rappresentata dal tono audio
variabile in funzione dell’accelerazione rilevata all'interno della capsula
volante mediante il rudimentale sistema accelerometrico Maxwell-Xyz.
Anche se non sono possibili stime e misure in magnitudine, data l’assenza
di tarature inequivocabili, è possibile però ricavare precisi dati di
tempo: le variazioni repentine dell’inizio della registrazione mostrano
chiaramente l’inizio del sollevamento del veicolo al decollo, la
decelerazione del veicolo in seguito allo spegnimento dei motori, il
momento del deploy e tutta la serie di piccole accelerazioni verticali
sostenute dalla capsula dopo l’apertura del paracadute, nel volo del 7
agosto 1993 (primo volo della capsula TX e primo volo del Policarpo 2D) e
nel volo del 14 agosto (secondo volo della capsula e terzo del booster).
La prima registrazione mostra un volo della durata di 27 secondi e tre
decimi, momento in cui la capsula è atterrata e il collegamento radio è
cessato. L’esperimento scientifico, avviato così il 7 agosto 1993, è perfettamente compiuto e dimostra la validità di tutta una serie di tecnologie elettro-meccaniche realizzate artigianalmente e sviluppate con pazienza. La telemetria analogica è in grado di fornire informazioni in misura forse piuttosto ridotta ma in maniera pratica molto semplice. Il contenuto scientifico del piccolo esperimento è a mio avviso notevole ed entusiasmante. Spero che leggendo questa pagina sia chiaro anche il lavoro di studio e di preparazione che ha permesso la realizzazione di questo esperimento. * * * * * Con l'ausilio di un software per l'analisi audio (GRAM, versione disponibile gratuitamente sul web e normalmente impiegata da tantissimi radioamatori in tutto il mondo) è stato possibile analizzare più a fondo i dati che il tono radio emesso dalla capsula radiotrasmittente conteneva. Siccome le registrazioni originali dell'epoca sono sempre al sicuro nel mio archivio e comunque erano state quasi immediatamente digitalizzate è oggi possibile cercare di estrarre qualche informazione. Quindi il contenuto tecnico dell'ormai antica "missione" risulta ancora più evidente e stimolante. Abbiamo veramente realizzato della telemetria analogica e adesso andiamo un pochino più a fondo. Un grosso grazie all'amico Mario Menichella che nel 2002 mi segnalò il software che io, non essendo radioamatore, non conoscevo. Cominciamo con l'analisi grafica della registrazione più completa, quella relativa al primo volo di Policarpo del 7 agosto 1993, così come ricevuta al centro di controllo a circa cento metri di distanza dalla rampa di lancio. Devo specificare che le condizioni di registrazione, pur effettuate in stereo Hi-Fi con un registratore Sony TC-MR2 (deck stereo a microcassette), NON erano ideali per la raccolta dell'informazione. Perché NON avevo provveduto a inserire il segnale audio del ricevitore VHF direttamente nel registratore (cioè utilizzando l'ingresso linea), bensì lo feci con ripresa microfonica: volevo assolutamente registrare anche l'audio ambientale e riprendere il tono dell'accelerometro dalla radio e contemporaneamente rilevare il rumore dei motori del Policarpo. Siccome la rampa di lancio era distante circa cento metri dal ricevitore, avrei registrato anche il ritardo del rumore dei motori, segnalato dall'improvviso cambiamento del tono radio, che sarebbe ovviamente arrivato in tempo reale. Potete notarlo dalla registrazione originale, che potete scaricare qui (Rec Poli1.mp3). L'esperimento, realizzato semplicemente ponendo un microfono stereo nei pressi dell'altoparlante del ricevitore, riuscì benissimo ma inquinò l'audio del tono della telemetria con il forte rumore bianco prodotto dai motori. Quindi l'elaborazione del sw GRAM evidenzia questo fatto. Avrei potuto benissimo impiegare un altro ottimo registratore stereo di cui disponevo (Sony D6-C) per prelevare il segnale del ricevitore, ma NON ebbi questa idea (era la prima volta che tentavo l'esperimento) e invece lo impiegai, come sempre avevo fatto prima e per quasi tutti i miei lanci precedenti, per riprendere voci e suoni ambientali, da buon fonoamatore.
Cominciamo il lavoro di analisi.
Per maggiore chiarezza ho falsato i colori. L'immagine mostra molte cose. In alto abbiamo la rappresentazione grafica, in nero, della banda audio. Sotto abbiamo l'analizzatore di spettro tarato per un limite superiore della banda audio di 1500 Hz. Si notano due curve molto nitide e pressoché identiche. Quella superiore rappresenta la frequenza di circa 850 Hz, che è in pratica l'armonica superiore del segnale prodotto dall'accelerometro. In basso c'è la curva relativa al segnale originale, quello centrato sui 425 Hz circa. Il fatto è che il segnale audio prodotto dal circuito oscillatore Maxwell era un'onda quadra di inusitata ampiezza, tosata da un semplice trimmer. Il segnale era troppo alto per il trasmettitore e quindi anche soggetto a distorsione. A terra arrivava qualcosa di simile a un dente di sega. Il contenuto di armoniche di un simile segnale è evidentemente elevatissimo e la registrazione originale, prima di essere passata al sw GRAM venne elaborata in digitale per mezzo di equalizzatore parametrico (sw Goldwave in versione 3.26 demo). Quindi la linea spezzata più in basso rappresenta il contenuto dell'informazione trasmessa dalla capsula Policarpo durante il volo inaugurale. L'intero volo è contenuto nel grafico, e mostra, a partire da sinistra, l'innalzamento improvviso del tono audio, seguito dall'improvviso aumento del rumore di fondo (rumore caotico prodotto dai motori, arrivato circa uno o due decimi di secondo più tardi e registrato dal microfono).
Dopo questa fase si nota come il tono audio si trovi a circa duecento Hz e salga lentamente per portarsi al valore nominale intorno ai 400 Hz (questo particolare è riquadrato). Questo è molto importante perché mostra come, alla fine della fase propulsiva (burnout dei motori) si rilevi la fase di accelerazione negativa, causata dal fatto che il veicolo, animato in quel momento dalla sua massima velocità, sia soggetto all'azione del freno aerodinamico e quindi la massa oscillante dell'accelerometro viene "spinta", diciamo così, verso l'alto e gradualmente, con il diminuire della velocità e quindi dell'attrito aerodinamico, torni verso la posizione centrale. Questo fenomeno è visibilissimo dal grafico e dimostra come il sistema meccanico, pur rozzo ed artigianale, sia stato in grado di rilevarlo. Questo evento si determina a circa 1,6 secondi dal decollo e dura circa due secondi e mezzo. Proseguendo notiamo l'evento del deploy, vale a dire un'altra accelerazione negativa provocata dalle cariche di espulsione del paracadute. L'evento dura circa mezzo secondo ed è seguito da un piccolo picco positivo, che indica lo strappo della capsula in seguito all'apertura del paracadute. Da questo momento la capsula, continuando a trasmettere, mostra piccole variazioni del tono audio, causate dal dondolamento e dall'inerzia della massa oscillante. Il volo è interamente compreso e il tono audio cessa improvvisamente esattamente al momento dell'atterraggio, a circa 27,5 secondi dal decollo. La portante radio sparisce perché l'antenna, un semplice filo penzoloni, non è più verticale, anche se il tx continua a trasmettere regolarmente (nessun problema all'atterraggio).
Questa immagine mostra invece l'elaborazione della registrazione di K2 Claudio relativa alla stessa missione. Claudio, dalla sua postazione a circa 2,6 Km NO dal sito di lancio, riceve e registra con le sue apparecchiature. Il segnale utile che gli arriva comprende gli ultimi rimbalzi della massa oscillante dell'accelerometro (cosa che NON era possibile ricavare dalla mia registrazione in centro di controllo perché l'audio era in quel momento molto inquinato dal rumore dei motori), la violenta decelerazione in seguito al burnout dei motori e poi, di seguito, esattamente le stesse sollecitazioni rilevate da me al centro di controllo. Si può notare come la registrazione di K2 Claudio cominci più tardi della mia perché il veicolo ha dovuto raggiungere una certa quota prima che il segnale radio potesse giungere alla postazione remota, diciamo una quarantina di metri. Allo stesso modo, durante la fase finale del volo della capsula trasmittente, il segnale radio diventa evanescente e a mano a mano viene coperto dal rumore di fondo, quando la capsula scende verso terra. La registrazione utile di Claudio è lunga circa sedici secondi, vale a dire fintantoché la capsula rimane alta oltre una quarantina di metri, perdendo quindi almeno il primo secondo di volo e gli ultimi dieci. Ciò corrisponde molto bene alle simulazioni, eseguite a posteriori circa un anno e mezzo dopo l'esperimento con il software RASP-93 di G. Harry Stine in BASIC. Ancora, ulteriore scoperta ricavata dall'analisi del segnale telemetrico, ricaviamo anche la velocità di discesa della capsula, valutabile in circa quattro metri al secondo. Discreto, se non proprio ottimo valore (se non cerchiamo la precisione assoluta, diamine), per una discesa abbastanza sicura (ma non troppo, infatti il secondo volo della capsula produsse un danneggiamento alla meccanica dell'accelerometro e un visibile danno al giunto del fondo). * * * * * E passiamo al secondo volo. La capsula Policarpo viene nuovamente lanciata in cima al booster omonimo la sera del 14 agosto 1993, dopo qualche giorno di pausa per una revisione di tutti i sistemi e dopo la missione "caratteristica" del 9 agosto, di cui non riportiamo qui. Dispongo solamente della registrazione audio effettuata da K2 Claudio, quella sera avevo meno persone coadiuvanti nell'esperimento e non potei affidare il mio ricevitore a Rossana, adesso vi spiego tutto e passo al tempo passato remoto. Claudio, dal canto suo, aveva iniziato le procedure per la ricezione e la ripresa audio su mia segnalazione radio via CB, poi, lasciata la sua stazione in automatico, era salito sulla sua Vespa per correre a Cape Cadaveral per effettuare le riprese fotografiche. Avevamo, quella sera, una "finestra di lancio" di circa venti minuti, vale a dire il tempo che un lato della cassetta del suo registratore (di trenta minuti) offriva dal momento in cui egli arrivava, di corsa, sul sito di lancio. Io ero già pronto al lancio e Policarpo era sulla rampa con la capsula attivata. Claudio, appena arrivato, sistemò la sua attrezzatura fotografica che era rimasta a Cape Cadaveral per non doverla caricare sullo scooter e fummo pronti nuovamente verso le diciannove e venti. Solito count-down e Policarpo decollò.
Ed ecco il grafico, in falsi colori (sw GRAM, elaborazione grafica con sw Irfan) del tono audio dell'accelerometro Maxwell-XYZ. E' molto simile a quello del primo volo, comincia come nel primo volo dopo circa un secondo e mezzo dal decollo (si nota la decelerazione come primo evento utile dopo il rumore di fondo) e, subito dopo, il notevole picco prodotto dal deploy, che provoca una sollecitazione maggiore rispetto al primo volo. La cosa è spiegabile con il fatto che in questo volo Policarpo era dotato di due motori Estes D12-5 anziché i D12-3 impiegati nei primi due voli. Ciò ha probabilmente causato un deploy leggermente ritardato e le sollecitazioni provocate dall'apertura del paracadute, in un momento di maggiore velocità della capsula in fase di caduta, sono state più forti. In ogni caso, anche la scala del grafico è leggermente diversa in ampiezza, per far risaltare un po' di più la linea corrispondente al giusto tono audio. Il comportamento del segnale indica un buon funzionamento del sensore ed evidenza anche le solite limitazioni di ordine meccanico (eccessiva inerzia e freno meccanico che impedisce la corretta posizione della massa oscillante a bassi livelli di accelerazione). Tutto sommato, la misurazione indica più o meno le stesse cose del primo volo. Questo significa che il principio di funzionamento di un accelerometro meccanico a massa oscillante è stato validamente trasformato in un sistema funzionante e anche che l'obiettivo dell'esperimento di telemetria analogica è pienamente riuscito. CONCLUSIONI Beh, che dire: dovrebbe essere abbastanza evidente che ne sono orgoglioso. Per la prima volta ho spiegato il mio programma Policarpo in estrema sintesi, molto più di quanto non avessi potuto fare, anche a più riprese, sulla lista di Razzimodellismo per gli amici di Acme. L'unica maniera per cui potessi veramente essere chiaro era quella di scrivere un volume intero, perché sono abituato a spiegare tutto in dettaglio. Quindi le pagine web potrebbero essere per me una forma di divulgazione ottimale. Il mio Policarpo ebbe una vita operativa di soli quattro lanci. Costruito in maniera assolutamente artigianale e piuttosto fragile, si dimostrò invece ed inaspettatamente assolutamente adatto per gli scopi che avevo prefisso. L'ultimo lancio, quello del 16 agosto 1993, in effetti fu quello meno soddisfacente per via del fatto che la capsula radio recava l'accelerometro danneggiato dall'impatto a terra alla fine della seconda missione, ma non mi importava perché con due voli perfetti avevo ottenuto tutto quello che mi premeva. Il booster Policarpo, lanciato troppo vicino al campo di stoppie del paese, vi si tuffò dentro e nonostante le ricerche dell'amico Gianni NON fu più rinvenuto, mentre per fortuna salvammo la capsula. La mia capsula Policarpo è conservata gelosamente perfettamente funzionante e riparata anche nel meccanismo. E' una delle cose che ho fatto in passato, ed è forse quella più densa di ricordi e di divertimento.
Xyz gennaio 2004
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Dettaglio del segnale indicante la
forte decelerazione. 
