Teil2: Die wissenschaftlichen Daten zum Stratosphärensprung

Die Datenauswertung von Felix Baumgartners Sprung vom Rande der Stratosphäre liegt nun vor und ist hier in Auszügen beschrieben. Zum Verständnis macht es Sinn, vorher Teil1 dieses Beitrages zu lesen.

Absprung in 39 Kilometer Höhe
Das Stratos Cypres war über ein Aktivierungskabel (vergleichbar einer Aufziehleine) mit dem Sitz der Kapsel verbunden. Während der Steigphase des Ballons war das Cypres noch ausgeschaltet. Erst beim Absprung wurde die Leine aus dem metallenen Housing gezogen und das Gerät damit aktiviert. Mit einer Verzögerung von 5 Sekunden ging das Stratos Cypres dann in den Überwachungsmodus, bei dem es mit permanenter Luftdruckmessung Höhe und Geschwindigkeit bestimmte.

Beschleunigungsphase
In dieser Höhe sind extrem niedriger Luftdruck und maximale Beschleunigung eine besondere Herausforderungen für Sensor und Auswertung, da es für diesen Bereich nur Simulationen, aber keine Tests unter realen Bedingungen gibt. In dieser Sprungphase galt es für Felix Baumgartner, die Schallmauer zu durchbrechen. Nur in diesem Bereich ist der Luftwiderstand dafür gering genug. Nach 46,5 Sekunden in 29200 Metern Höhe erzielte er die höchste Geschwindigkeit im Freifall, die jemals ein Mensch erreicht hat: 377 m/s.

Turbulenzphase
Die Luftdichte nimmt mit abnehmender Höhe nicht linear zu. Große Unterschiede in Dichte und stark schwankende Anströmung können zu heftigen Turbulenzen führen und gefährliche Querbeschleunigungen auslösen. Cloth’s Firma Airtec, die ihre Cypres Cutter Technologie schon beim Entfalten von Solarsegeln in Satelliten eingesetzt hatte, maß vor einigen Jahren bei der Rückkehr einer Rakete aus dem Weltraum Querbeschleunigungen mit Spitzenwerten von bis zu 17g. Zum Stabilisieren und Bremsen eventueller Drehungen beim Baumgarter-Sprung war ein Hilfsschirm eingebaut, der aber nicht zum Einsatz kam. Ein früher Einsatz des Hilfsschirms hätte vermutlich das Durchbrechen der Schallmauer gefährdet. Die Entscheidung – Hilfschirm aktivieren oder nicht – war von Felix Baumgartner innerhalb von Sekundenbruchteilen zu fällen. Etwa eine halbe Sekunde nach Erreichen seiner Höchstgeschwindigkeit geriet Felix Baumgartner in die Flat Spins (Flachtrudeln). Erst nach gut 30 Sekunden und 22 Drehungen mit Spitzenwerten von über dreifacher Erdanziehung gelang es ihm, die Drehungen zu beenden.

Genau besehen ist die Freifall-Körperhaltung nicht ganz symmetrisch. Das obere weiße Dreieck ist Klappe für die Reserveschirm und das untere "Trapez", mit Red Bull Stratos Logo, die Klappe für den Hauptschirm, der aktiviert wurde.
Foto: Jay Nemeth/Red Bull Content Pool
Genau besehen ist die Freifall-Körperhaltung nicht ganz symmetrisch.
Das obere weiße Dreieck ist die Klappe über dem Reserveschirm und das untere „Trapez“, mit Red Bull Stratos Logo, die Klappe für den Hauptschirm, der aktiviert wurde.

Hinter der oberen dreieckigen weißen Klappe befindet sich der Reserveschirm, unten hinter dem weißen „Trapez“ mit dem Red Bull Stratos Logo, der Hauptschirm, der aktiviert wurde.

Zum Flachtrudeln (Flat Spin)
Nach dem Final Report von Red Bull waren 13 der 22 Drehungen als Flat Spins (Drehung nur um die Hochachse) klassifiziert. Eine Drehung im Freien Fall entsteht – wie jede andere Bewegung abgesehen vom Fall nach unten – durch eine Asymmetrie in der Körperhaltung. Das kann bewußt eingesetzt werden, wenn der Springer seine Lage verändern möchte: nach vorne oder rückwärts „fliegen“ oder eben auch für eine Drehung oder Rolle. In der Ausbildung bei Schülern passiert die Asymmetrie unbewusst und dann spricht man vom Trudeln. Die Physik dahinter ist dieselbe.

Asymmetrie muss nicht immer so sichtbar sein wie auf dem Freifallfoto von Baumgartner. Sie kann sich auch in einem Hüftknick oder ähnlichem verstecken. Eine stabile X-Lage kann man prinzipiell antrainieren, und auch für mehr als 4 Minuten halten, das ist eine Körper-Awareness und Fitnessangelegenheit. Baumgartner sagte nach dem Sprung, am Anfang des Sprunges, praktisch ohne Widerstand, sei es extrem schwer gewesen, die eigene Körperhaltung einzuschätzen.

Joe Kittinger äussert sich im Final Report, dass man die ungewollten Drehungen und Spins in Zukunft verhindern muss. Vor allem wenn der Sprung als Notausstiegslösung von künftigen Raumfahrzeugen angewendet werden soll. Wenn schon ein erfahrener Fallschirmspringer keine ungewollten Drehungen und Spins verhindern kann, wie soll das dann ein Weltraumtourist schaffen?

Ein Link zum Sprung-Video mit eingeblendeten Loggerdaten

Die Symmetrie beginnt schon beim Absprung in extremen Höhen. Jede noch so kleine Asymmetrie resultiert in einer ungewollten Bewegung. Actio est reactio, uralt und bekannt. Damit der Springer nicht gegensteuern muss, müssen sowohl Anzug als auch Ausrüstung darüber (Lebenserhaltungssystem, Griffe) exakt symmetrisch angeordnet sein. Gerade, wenn er in der geringen Dichte seine Bewegung und Haltung schwer einschätzen kann. Und etwaige Aktivierungskabel beim Absprung (Aufziehleinen, die in der Kapsel befestigt sind) müssen absolut symmetrisch angeordnet sein, notfalls durch zusätzliche Dummykabel auf der anderen Seite ergänzt werden. Auch die Aussenhülle von Flugzeugen ist üblicherweise symmetrisch designed.

Foto: Airtec
Foto: Airtec

Bremsphase
Mit dem Überschreiten der Armstrong Linie* nach einer Minute 14 Sekunde Fall in einer Höhe von 18300 Metern brachte die ausreichend homogene Luftdichte Baumgartner die Steuerungsmöglichkeiten zurück. Im kontrollierten Freifall bremste er mit zunehmender Stärke auf die in der Physik bekannten möglichen Fallgeschwindigkeiten ab. (Diese verändern sich exponentiell zur Höhe). Auch die Cypres Messung und Auswertung ist hier wieder im bekannten Terrain innerhalb der Spezifikationen angekommen.

Im normalen Sprungbereich
brachte für Felix Baumgartner das Gesamtgewicht von rund 120 Kilogramm und die Abschottung durch seinen Raumanzug anspruchsvolle Sprungbedingungen mit wenig Bewegungsfreiheit und stark eingeschränkter Wahrnehmung der Anströmung. Nach 4 Minuten 20 Sekunden Freifallzeit war die Hauptkappe in einer Höhe von rund 2350 Metern geöffnet. Die Sinkgeschwindigkeit des Fallschirms lag um die 4 m/s (mit einer Wingload von 0,98).

Red Bull2

Debriefing zum Datenlog
Die extremen Bedingungen mit hoher Beschleunigung, enormen Druck- und Temperaturschwankungen in großen Höhen haben die Cypres Stratos Technik nicht irritiert. Sie hat die Sprungsituation exakt nachvollzogen: Alle Daten wurden wie geplant aufgezeichnet.

Als automatischen Aktivierungsgerät musste Cypress allerdings nicht eingreifen: Felix Baumgartners Kappenflug war im kontrollierten und sicheren Bereich. Anders hätte es ausgesehen, wenn er das Flachtrudeln (Flat Spin) im Freifall nicht unter Kontrolle bekommen hätte. Bei seinen 22 Drehungen wurden in der Spitze über 3g gemessen. Extreme Werte, die bei weiteren Drehungen zur Bewusstlosigkeit geführt hätten. Beim darauf folgenden unkontrollierten Freifall hätte das Stratos Cypres bei Erreichen der Auslöseparameter bei einem Luftdruck von 812 Millibar ausgelöst.

Foto: balazsgardi.com/Red Bull Content Pool

• alle Höhenangaben in Meter über NN
• Roswell 1016 Meter über NN

* die Armstrong-Linie liegt bei 19000 Metern über NN und beschreibt das Ende des lufterfüllten Raums, technische Apparaturen können mit Luftdruck nicht mehr berechenbar arbeiten

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Nachtrag 25. Oktober 2014

Rund zwei Jahre nach Baumgartner’s Höhen-Rekordsprung wird der Rekord auch schon überboten: Von Googlemanager Alan Eustace, der am 19. Oktober mit einem Helium-Ballon in eine Höhe von 41,42 Kilometern aufstieg und von dort absprang. Der 57-jährige soll – wie auch Baumgartner – schneller als der Schall gewesen sein, nach Aussagen der Firma Paragon Space Development Corporation mit, die den Rekordversuch unterstützt hatte.

Im Gegensatz zu Baumgartner verzichtete Eustace auf eine Kapsel und ließ sich nur in einem von der Nasa entwickelten Spezialanzug am Ballon befestigt nach oben befördern. Rund viereinhalb Minuten nach dem Absprung hatte er seinen Flug bereits mit einem Mini-Schirm stabilisiert. Den Fallschirm öffnete er in einer Höhe von rund 5,5 Kilometern. Die Höchstgeschwindigkeit habe 822 Meilen (knapp 1323 Kilometer) pro Stunde erreicht. Laut Weltluftsport-Föderation war die gemeldete Absprunghöhe 135 890 Fuß.

Eustace, der bereits seit 2011 an dem Projekt arbeitete, habe abgelehnt den Sprung von Google finanzieren zu lassen, obwohl ihm das angeboten worden war. Er wollte seinen Sprung nicht in einen Marketing-Event für Google verwandeln.

Teil 1: Die wissenschaftlichen Daten zum Stratosphärensprung


Felix Baumgartners Sprung vom Rande der Stratosphäre war ein gut inszenierter Medienhype – per Fernsehen und Internet in die ganze Welt übertragen. Baumgartner stellte dabei den Rekord für den höchsten bemannten Ballonflug (39 068 Meter) auf, den für den höchsten Absprung
(38 969 Meter) und einen fürs Durchbrechen der Schallmauer mit 1358 Kilometern in der Stunde (Mach 1,25). Während die Zuschauer gespannt die Berichterstattung verfolgten, begleiteten zwei kleine Kästchen mit viel technischem KnowHow den Sprung und sammelten die Daten des rekordträchtigen Fallschirmsprunges.

Es folgt ein informativer Einschub, der das Verständnis von Teil 2 dieses Blogbeitrages unterstützt. Zumindest für alle (Noch-)Nichtspringer. 🙂

Wie wird ein Fallschirm manuell aktiviert und was macht ein automatisches Notauslösegerät?

Wenn die sichere Öffnungshöhe nach dem freien Fall erreicht ist, zieht ein Springer einen kleinen (ungefähr vom Durchmesser eines Autoreifens) Hilfsschirm in den Luftstrom, der über eine Verbindungsleine den Verschluss-Pin des Containers herauszieht und damit wird die Öffnung des Hautfallschirmes eingeleitet. (Vereinfacht). Ist der Springer der Überzeugung (und das muss er in Sekundenbruchteilen entscheiden), dass der Hauptschirm nicht gut geöffnet oder nicht so in Ordnung ist, dass der Springer damit sicher landen kann, dann trennt er den Hauptschirm vom Gurtzeug, geht kurzzeitig wieder in den Freien Fall und aktiviert seinen Reserveschirm (im oberen Teil des Gurtzeugs). (Vereinfacht.)

Kann der Springer aus irgendeinem Grund nicht selbst aktivieren oder „vergisst“ er die Zeit (Freifallzeit ist Höhe ist Sicherheit), dann wird sofort der zweite (Reserve-)Schirm mit einem automatischen Öffnungsgerät geöffnet. In Baumgartner’s Stratosphärensprung mussten aus Sicherheitsgründen beide Schirme – Haupt- und Reserveschirm – abtrennbar sein.

Hätte sich beim Stratosphärensprung der Reserveschirm ungeplant zu hoch oben geöffnet, hätte der Sauerstoff aufgund der längeren Zeit bis zur Landung nicht ausgereicht. Baumgartner hätte die Reserve abtrennen müssen und wieder in den Freien Fall zurückkehren. Die Aktivierung des Hauptschirms in geplanter Höhe über Grund wäre dann der letzte Fallback gewesen – eine für einen Springer absolut abnormale Situation.

Fallschirmsprünge beginnen sonst meist in einer Höhe von rund 4 Kilometern (13500 Fuß) über Grund ohne zusätzliche Sauerstoffversorgung. Automatische Öffnungsautomaten waren noch vor Jahrzehnten nur bei Schülergurtzeugen eingesetzt. Als 1986 bei einem bayerischen Rekordversuch einer seiner Mitspringer weder Haupt- noch Reserveschirm aktivierte und zu Tode stürzte, dachte Techniker und Fallschirmspringer Helmut Cloth: Ein automatisches Öffnungsgerät hätte dies verhindern können. Vier Tage brauchte er zur Lösung, die Umsetzung dauerte zwei Jahre.

Der Techniker wollte die bis dahin bekannte fehleranfällige mechanische Öffnungsautomatik durch eine absolut zuverlässige, elektronisch gesteuerte ersetzen. 1991 präsentierte Cloth den ersten elektronischen Öffnungsautomaten namens Cypres. Helmut Cloth’s erfolgreiche Idee, seither in 22 Jahren eingesetzt bei über 100 Millionen Sprüngen rettete bisher 3000 Menschenleben. Sie wurde von anderen nachgeahmt. Cypres blieb aber Marktführer und zwar soweit vorne, dass sich der Name Cypres als Synonym für Notauslösegeräte beim Fallschirmspringen etablierte, wie der Name Tempo für Taschentücher.

Trotzdem wurde die Entwicklung des Stratos Cypres für das Team um Helmut Cloth zur absolut neuen Herausforderung: Ein Gerät, das mit Luftdruckmessungen in Echtzeit arbeitet, sollte in einer nahezu druckfreien Umgebung funktionieren. In der Stratosphäre, knapp 39 Kilometer über unseren Köpfen. Und: Es sollte nicht nur als Notauslösegerät funktionieren, sondern zuätzlich noch als Datenlogger, um die Rekordwerte festzuhalten.

Anforderungen an die Messungen

Foto: Jay Nemeth/Red Bull Content Pool
Foto: Jay Nemeth/Red Bull Content Pool

Extreme Temperaturen
Luftdruck ist keine isoliert zu behandelnde Größe sondern in Abhängigkeit zur Temperatur zu sehen. Die extremen Temperaturen von unter -50°C beeinflussen somit auch die Messwerte, die entsprechend umfassender zu interpretieren sind als das beim normalen Sprungeinsatz notwendig ist. Aber auch das Material selber unterliegt den Temperatureinflüssen. Deshalb wurde das Gerät vorher extremen Temperaturtests ausgesetzt und dabei getestet, Teile des Notauslösesystems (Cutter) mit flüssigem Stickstoff bis auf -180°C gekühlt.

Schallgeschwindigkeit und starke Beschleunigung

Für die Auswirkungen auf Druckmessungen lagen bisher noch keine wissenschaftlich fundierten Analysen für den Überschallbereich vor. Um die mögliche Bedeutung für die Auslösekriterien zu beurteilen, unternahm Cloth eigene wissenschaftliche Forschung.

Mit zunehmender Höhe schwindet die Schutzwirkung der Atmosphäre vor kosmischer Strahlung. Neben der kosmischen Teilchenstrahlung können energiereiche Gamma und Betastrahlung elektronische Systeme erheblich schädigen. Nicht nur der Mensch Baumgartner sondern auch das Datenlog-Gerät musste gegen solche Gefahren geschützt werden.

Welche Auswirkungen hat extrem niedriger Luftdruck ausserhalb der unteren Spezifikation des Drucksensors? Umfangreiche Testszenarien, Simulationen und Anpassungen mussten vor dem Sprung beweisen, dass das Stratos Cypres in seiner Funktion dadurch nicht beeinträchtigt wird.

Konstruktion der Notauslösung

Foto: Airtec
Foto: Airtec

Auch der Container des Reserveschirmes wird durch einen Pin gesichert. Während bei einer vom Springer ausgelösten (normalen) Öffnung des Containers (Rigs) der Pin aus einer Schlaufe herausgezogen wird – man will die Schlaufe (Loop) ja beim nächsten Sprung wieder verwenden – wird bei der automatischen Aktivierung im Notfall der Loop von einem sogenannten Cutter (Messer) durchgetrennt.

Das kleine Kästchen namens Stratos Cypres hatte also mehrere Aufgaben
Über eine Kontrolleinheit konnten Funktionsbereitschaft und Selbsttest geprüft werden. Es gibt jedoch keine fest eingestellt Auslösehöhe, diese muss vor dem Sprung am Gerät eingestellt werden.
Während man ein normales Cypres nach Höhe (über Grund) auf dem Ort einstellt, auf dem der Sprung gelandet werden soll, wird das Stratos Gerät direkt in Form eines Luftdruckwertes eingegeben. Hier waren das 812 Millibar. Das entsprach 810 Meter über Roswell. Die Auslösegeschwindigkeit war mit 35 m/s die gleiche wie beim normalen Cypres, da Rig und Schirme für ein normales Sinkverhalten an die Sprungbedingungen angepasst waren.

Foto: Jay Nemeth/Red Bull Content Pool
Foto: Jay Nemeth/Red Bull Content Pool

Und da ein Cypres schon jede Menge Daten sammeln muss für die eigene Funktionsfähigkeit, war es prädestiniert dazu, auch die Daten zum Beweis für die Rekorde zu liefern.

Insgesamt wurden die Daten in drei Einheiten erfasst: dem kleinen Kästchen mit den Kabeln auf dem Foto oben (entspricht dem üblichen Notauslösesystem mit weiteren Funktionen für den Stratos-Sprung), einem Datenlogger, vorne neben das Lebenserhaltungssystem von Felix Baumgartner geschnallt, und dazu ein weiterer Datenlogger in der Kapsel.

 

Links
Red Bull veröffentlichte Anfang Februar einen Stratos Summary Report, der zukünftigen Weltraumnahen Unternehmungen als Basis und/oder Referenz dienen soll.

Fundierte, aber etwas tröge Hintergrundinfo zum Springen steht in der Wikipedia.
( 🙂 Das liegt vielleicht auch daran, dass Fallschirmspringen zu den Tätigkeiten gehört, die man nur durch Zusehen auf dem Sofa weder begreifen noch nachvollziehen kann.)

Der Wiki Link zu Felix Baumgartner.

Und jetzt geht es weiter in Teil 2, mit den ausgewerteten Daten…