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Ballonfotomission

Steffen Barth (DG0MG) 22.8.05


Der Mausballonstart
in Borsum 2003
Wer mich kennt, der weiß, daß ich seit dem ersten AATiS-Ballonstart 1995 eine gewisse (nicht starke, aber beständige) Affinität zu gasgefüllten Ballons habe. Und nicht nur ich, sondern auch einige Leute aus meinem Amateurfunk-Bekanntenkreis. Das äußert sich dann z.B. im Verfolgen und Auswerten von Ballonmissionen, die im Bundesgebiet stattfinden oder auch dem Suchen und Bergen von Wettersonden des DWD (Informationen dazu bei Ralf, DH9RS).

Als bisheriger Höhepunkt war ich im September 2003 zusammen mit Michael, DG1CMZ an der Produktion eines Ballonfilmes für die "Sendung mit der Maus" beteiligt (und auch kurz darin zu sehen *stolzbin* ).

Die Idee

Auslöser für unser eigenes kleines Projekt war ein Gespräch Anfang 2005 mit Gottfried, DG0JN über die Möglichkeit, während des Fluges den Ballon von der angehängten Nutzlast zu trennen ("abzusprengen") um die Flugstrecke kalkulierbar zu halten (ein Wetterballon, der bis 30 km Höhe steigt, kann mehrere hundert Kilometer weit fliegen!). Insbesondere ging es um die Frage, wie eine solche Abtrennvorrichtung konstruiert sein müßte - leicht, elektrisch ansteuerbar, nach Möglichkeit nicht mit brennbaren Materialien gefüllt - aber WIE?

Abtrennvorrichtung
Die Abtrennvorrichtung
Hier hatte nun Winni, DL2AWT aus Gera eine Idee. Er wollte mit einem SMD-Widerstand, der kurzzeitig mit kräftig Strom geheizt wird, eine Plastikschnur durchschmelzen, die eine mechanische Kupplung zusammenhielt. Kurze Zeit später hatte er auch einen Prototyp fertig, der funktionierte.

Was war nun daraus zu machen? Es fanden ja schon einige Ballonstarts statt, bei denen Videokameras in der Nutzlast waren, die Bewegtbilder wurden mittels ATV (Amateurfunk-Fernsehen) heruntergesendet (z.B. bei der Sonnenfinsternis-Mission der FH-Pforzheim 1999) und stellen eine nicht unerhebliche Faszination für Außenstehende dar. Allerdings ist die Bildqualität dabei meist eher mäßig gewesen. Einen Vorteil hat die direkte Bewegtbildübertragung von der Nutzlast herunter allerdings: Ist die Nutzlast nach der Landung verschollen (technischer Defekt, nicht aufzufinden, gestohlen) hat man trotzdem das Filmmaterial (sofern man am Boden einen Videorecorder benutzt hat ;-) )

Die Vorbereitung

Aber da ich eher ein Foto- als ein Videofan bin, hab ich mir eingebildet, eine Digitalfotokamera (neudeutsch: Digicam) mit einem Ballon fliegen und diese in regelmäßen Abständen Aufnahmen machen zu lassen. Nach festgelegter Zeit müßte die Kamera am Fallschirm zu Boden sinken und geborgen werden, um an die Bilder zu kommen.
CANON Digital IXUS 300
CANON Digital IXUS 300
nach dem Umbau
Es stand hier die Frage, für diesen Zweck eine aktuelle Kamera der Billigklasse zu erwerben (gibts für unter 100 €), oder eine gebrauchte, ältere, die mal viel Geld gekostet hat. Ich habe mich für die zweite Variante entschieden, aus dem Glauben heraus, daß die ältere zwar weniger Megapixel hat, aber bessere Bilder macht, als eine aktuelle Billigcam.
Ich konnte also für 40 € eine defekte (!) CANON Digital IXUS 300 samt zwei Akkus erwerben. Mehrere Abende habe ich mich mit der Reparatur der Kamera beschäftigt, man glaubt gar nicht, aus wieviel Teilen so eine Minicam besteht! Bei dieser Gelegenheit habe ich die Endschalter, die Batterieklappe und CF-Slot-Klappe überwachen, außer Kraft gesetzt und die Bedientaster "EIN","Focus","Shutter" und die "EIN"-LED über dünne Drähte nach außen geführt.

Controllerboard
Controllerboard
Beim Treffen am Reuster Turm am 2.Juli 2005 bekam Winni dann die Kamera samt Zubehör, um Versuche zu machen. Er entwickelte in professioneller Weise eine kleine Ablaufsteuerung in SMD-Technik und baute einen RS80-Vaisala-Senderstreifen für die Verwendung im 70cm-Amateurfunkband um. Denn es muß ja ein Peilsender mitfliegen, der es ermöglicht, die Kamera nach der Landung wiederzufinden, was durchaus kein einfaches Unterfangen darstellt. Man stelle sich vor, wo so eine kleine Schachtel nach einem Sinkflug am Fallschirm aus mehreren tausend Metern Höhe überall landen kann. Vereinfacht gesagt, bestimmt man mittels einer Peilantenne die Richtung, in der sich die Box (noch in der Luft) befindet und fährt in diese Richtung. Hat man das ganz gut 'raus, ist man bei der Landung der Box so nahe am Landeort, daß man den Sender noch hört und kann sich mittels Peilungen der Box nähern. Am Boden beträgt die Reichweite des Peilsenders im ungünstigsten Fall nur wenige 100 Meter bis einige Kilometer.

Kingston CF-Card
Kingston CF-Card
Für den Flug stand mir eine 256MB-CompactFlash-Karte zur Verfügung, die ja im ungünstigsten Fall (nämlich des Nichtwiederfindens) samt Kamera und Elektronik verloren gewesen wäre. Versuche mit der Kamera ergaben eine durchschnittliche Bildgröße von etwa 1 MB. Auf die Karte sollten somit etwa 250 Bilder passen. Bei einer geplanten Steigflugzeit von 20 Minuten plus einer Sinkflugzeit von 5 Minuten ergibt das einen Aufnahmeabstand von 25 min*60/250 Aufn = 6 Sekunden für eine optimale Ausnutzung der CF-Card. Wir haben dann 10 Sek. gewählt, um noch etwas Reserve zu haben.

Nach mehrmaligen telefonischen Kontakten einigten wir uns im Vorfeld auf folgendes Zeitregime, um den Flug nicht zu lang werden zu lassen:
  • t = - 25 min: Beginn mit dem Füllen der Ballons.
  • t = - 5 min: Anschließen der Stromversorgung in der Box, Sender geht sofort los (gibt auf 433.400 MHz in Morsecode "MO" [ _ _   _ _ _ ]), Überprüfung, Verschließen der Box.
  • t = - 0.5 min: Kamera wird vom Controller eingeschalten, Objektiv fährt aus, macht alle 10 Sekunden ein Bild (Focus, Shutter), Überprüfung.
  • t = 0 min: Start des Gespanns aus Ballons, Abtrennvorrichtung, Fallschirm, Box mit Batterien, Sender, Kamera und Steuerung, weiterhin alle 10 Sekunden ein Bild.
  • t = + 20 min: Aktivierung der Abtrennvorichtung: die Box sollte am Fallschirm wieder nach unten sinken, weiterhin alle 10 Sekunden ein Bild. Die Ballons steigen durch den nun fehlenden Ballast schnell nach oben.
  • t = + 25 min: (Schätzwert) Landung, weiterhin alle 10 Sekunden ein Bild, bis CF-Card voll - Sender sendet, bis Batterien leer.
GrößeDurchmesserVolumen
250er80 cm0.26 m³
3 ft.91 cm0.40 m³
350er111 cm0.72 m³
450er143 cm1.54 m³
Ich stellte noch ein paar Überlegungen über die zu verwendenden Ballons an. Der Händler, bei dem ich eine 50-Liter-Flasche Ballongas (=9.3 m³ !) kaufte, hatte folgende Ballongrößen vorrätig, die in Frage kommen (siehe Tabelle rechts):
Ich entschied mich dann für 4 Stück der 350er Ballons, mit je etwa 0,72 m³ Volumen.
Die Frage, warum wir nicht nur EINEN großen Ballon verwendet haben, ist einfach beantwortet: Kosten! Platzt dieser beim Füllen, so ist eine Menge Gas verloren - platzt einer von mehreren kleineren, hält sich der Schaden in Grenzen.

Der Start

Fehlte nur noch ein geeigneter Zeitpunkt für den Start.
Hier bot sich unser jährliches Vereinsfest in Weidmannsruhe im Werdauer Wald an. Wir teilten uns in 3 Verfolgerteams auf und legten den Startzeitpunkt auf Freitag, den 19.8.05 13.45 Uhr fest. Es war mit schwachem Südwind zu rechnen, so daß eine Flugstrecke von einigen Kilometern Richtung Norden zu erwarten war.
Die beiden Verfolgerteams bestehend aus Gottfried, DG0JN + Frau sowie Sebastian, DG5CST + Michael, DG1CMZ begaben sich bereits vor dem Start Richtung Norden (Ronneburg), DL2AWT und ich füllten die Ballons und führten den Start durch, bevor wir uns auch auf den Weg machten. Telefonisch wurden noch Horst, DG5KOA und Ralf, DH9RS benachrichtigt, die in der Nähe waren und auch mit peilen wollten.


Ballongasflasche
13:00 Uhr:
Die Gasflasche liegt bereit.

Erster Ballon
13:20 Uhr:
Ich fülle den ersten Ballon.

Auftriebsmessung
Wir messen den Auftrieb des Ballons mit einer Federwaage.

Dritter Ballon
13:27 Uhr:
Winni freut sich.

6 Ballons und Roland
13:38 Uhr:
Roland ist 2kg leichter.

Einschalten
13:40 Uhr:
Winni schaltet die Box ein.

Box verschließen
13:41 Uhr:
Die Ballonbox wird geschlossen.

Stabilisationsflügel anbringen
13:42 Uhr:
Einen Stabilisationsflügel zur Verringerung der Eigendrehung anbringen.

Schild gänzlich ungefährlich
13:42 Uhr:
Auch ein Schild: "Gänzlich ungefährlich" darf keinesfalls fehlen.

Box und Ballons verknoten
13:43 Uhr:
Die Box wird an das Ballongespann gebunden.

Countdown
13:44 Uhr:
Winni zählt sekundengenau: "3-2-1-..."

Start
13:45 Uhr:
..START! und dann gehts ab..

blauer Himmel
.. in den blauen Himmel.

Startplatz von oben
13:46 Uhr:
1,5 Minuten nach dem Start: Der Startplatz aus der Luft

kaum noch zu sehen
13:47 Uhr:
Bereits nach 2 Min. ist die Traube kaum noch zu sehen.

Der Flug

Wie erwartet, flog das Gespann Richtung Norden, über den Werdauer Wald hinweg Richtung Teichwolframsdorf. Winni und ich waren in der Zwischenzeit auch zum Auto gesprungen und unterwegs dem Ballon hinterher. Ein Peilstop am nördlichen Waldrand brachte kein befriedigendes Ergebnis, dort waren die Reflexionen zu stark, als daß man eine Richtung hätte ausmachen können. So fuhren wir weiter Richtung Trünzig und hielten dann an der Kreuzung, die die Karte zeigt, um den Flug zu verfolgen.
Ich versuchte, mit dem Fernglas die Ballontraube zu sehen, was mir aber leider nicht gelang. Es hätte aber klappen können, denn der Ballon hat uns (oder zumindest Winnis Auto) von oben fotografiert!

Karte Beobachtungsstandort
Hier standen Winni und ich.
© Landesvermessungsamt Sachsen

Foto Beobachtungsstandort
14:08 Uhr:
Und so sah das aus.

Foto Beobachtungsstandort aus Ballonsicht
14:13 Uhr:
Hier ist Winnis Auto von oben zu sehen, unser Standort!

DG1CMZ beim Peilen
An anderer Stelle peilt Michael, DG1CMZ

DL2AWT beim Peilen
Später an anderer Stelle: Winni peilt wieder.
Natürlich hingen bei allen um 14:05 Uhr die Blicke gleichzeitig am Empfänger, der das gleichmäßige "dah-dah dah-dah-dah" des Peilsenders wiedergab und an der Uhr, denn die Box sollte ja um diese Zeit von den Ballons getrennt werden. Pünktlich 14:05 Uhr eine Feldstärkeschwankung im Signal: Es hat geklappt!
Jetzt trat der Fallschirm in Aktion und ließ die Box langsam heruntersinken. Geschätzt hatten wir ja nur 5 bis 10 Minuten - bis zur Landung vergingen aber 16,5 Minuten, in denen die Box weitere schöne Bilder schoß.

Die Landung & Bergung

Die Box landete 14:21 Uhr an einer Kuhweide im Gebüsch im Langenbernsdorfer Ortsteil Stöcken. Sie hatte damit eine Strecke von genau 6km Luftlinie vom Startplatz zurückgelegt. Bereits um 14:33 Uhr erreichten Michael, DG1CMZ zusammen mit Sebastian, DG5CST den Landeort und verständigten die anderen Suchteams. Wir trafen uns dann alle am Landeort, ehe wir an die Bergung gingen.

Landeort aus der Luft
Der spätere Landeort samt den Kühen

Kühe
Die Kühe auf der Weide am Landeort

DG5CST findet die Box
Sebastian ist bei der Suche nach der Box von dieser aufgenommen worden.

DL2AWT fotografiert die Sonde
Winni schaut sich den Landeort an.

DG0MG birgt die Box
Ich habe die Sonde dann geborgen.

Gruppenbild mit Box
Gruppenbild mit Box:
Ich, Ralf, Gottfried, Michael, Sebastian

Spiegelbild Ich mit Box
Unbeabsichtigt aufgenommen:
Ich mit der Box und "vy 73" (=Viele Grüße)

Alle von der Box aufgenommen
Gruppenbild von der Box gemacht:
Michael, Winni, Gottfried

Die IXUS ohne CF-Card
Wieder zu Hause wurde die Box natürlich schnellstmöglich "geschlachtet", um an die Bilder zu kommen.

Karte der Flugstrecke
Eine Übersicht über die zurückgelegte Flugstrecke.
© Landesvermessungsamt Sachsen

Auswertung


Kameravermessungsbild 1
Grundlage für die Rechnung.

Kameravermessungsbild 2
Diese beiden Punkte lassen sich in der Karte vermessen.
Nach dem Auslesen und Aussortieren der Bilder interessierte natürlich als erstes: Wie hoch war der Ballon überhaupt? Da wir keinen Höhenmesser mitfliegen hatten, ist diese Frage nicht so leicht zu beantworten. Wir sind das deshalb "wissenschaftlich" angegangen und haben den Blickwinkel der IXUS 300 vermessen, mit gleicher Zoomeinstellung wie beim Flug. Dann sucht man ein Bild vom Scheitelpunkt des Fluges mit zwei markanten Punkten am linken und rechten Bildrand, die man in der Karte wiederfindet und deren Entfernung voneinander bestimmt.
Mittels des Strahlensatzes und einer Verhältnisgleichung kann man die Entfernung zur gedachten Verbindungslinie der beiden Punkte errechnen, was die Schrägentfernung ist. Da die Kamera 45° nach unten schaute, kann die senkrechte Höhe mit dem Cosinussatz errechnet werden.
Das Gebäude auf dem ersten Bild (das ist übrigens unsere Klubstation) ist 32 m breit und reicht vom linken bis zum rechten Bildrand. Dazu muß man 33 m vom Gebäude weggehen. Die sichtbare Breite im Ballonfoto sind 7.3 km.
Strahlensatz Cosinussatz
Durch Einsetzen in die Verhältnisgleichung kommt man auf eine Schrägentfernung von etwa 7.500 m, wendet man noch den Cosinussatz, wie in der rechten Skizze dargestellt an, kommt man auf eine Höhe von etwa 5300 Metern.
Mit dieser Höhe kann man nun mit bereits bekannten Daten weiterrechnen:
  • Steigflugzeit: 20 min (fest vorgegeben)
  • Sinkflugzeit: 16.5 min (aus den EXIF-Daten der Fotos)

Daraus ergeben sich:
  • Steiggeschwindigkeit: 265 m/min (ich hatte ursprünglich viel mehr geplant, Wettersonden steigen mit 330 m/min!)
  • Sinkgeschwindigkeit: 321 m/min (Hier sank das Gespann aber auch langsamer, als geplant, trotz des relativ kleinen Fallschirms)
Wer möchte, kann sich den Landeort (50°45.240'N / 12°15.896'E) auch in einer Internetkarte anschauen:

Dankeschön!

Ich glaube, von diesem Ereignis werden wir auch in einigen Jahren noch sprechen, es hat allen Beteiligten einen riesen Spaß gemacht! Ich möchte mich dafür bei allen Beteiligten bedanken, insbesondere bei
  • Winni für das Engagement beim Bau der Box ("... hier, probier mal!"),
  • Michael und Sebastian für das Wiederfinden der Box, ohne das die Mission wertlos gewesen wäre,
  • Sara für die schönen Fotos vom Start, die ich nicht machen konnte,
  • Gottfried, Sabine, Ralf und Horst, die auch mitgesucht haben,
  • Jens, der mit seinem Auto die Gasflasche transportiert hat,
  • und der Firma Logo Ballonservice Jungk(Link) aus Seelingstädt.

Ergebnisse

Hier noch ein paar ausgewählte Bilder von der Ballonkamera:

Ballonbild 1368 Ballonbild 1372
Ballonbild 1374 Ballonbild 1436
Ballonbild 1446 Ballonbild 1460
Ballonbild 1470 Ballonbild 1500
Ballonbild 1502 Ballonbild 1516
Ballonbild 1519 Ballonbild 1526
Ballonbild 1530 Ballonbild 1531
Ballonbild 1533 Ballonbild 1537
Ballonbild 1543 Ballonbild 1548
Ballonbild 1555 Ballonbild 1559



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