来一次太空摄影吧——太空摄影技术讨论

远航者 · 发表于 2023-11-1 22:24

地球是人类的摇篮，但人类不会一直在摇篮里——康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基太空令人着迷，楼主也算上一个太空爱好者了，今年早些时候研究了一些太空摄影，也走了一些弯路。看到近些年来玩太空摄影的人逐渐多了一些（但还是很少）

，楼主写这篇帖子的目的是希望如果有同样喜欢太空摄影的人可以少走一些弯路，更好的享受壮丽的太空

。
顾名思义，太空摄影就是把相机送到近太空进行拍摄，想要有下图这种感觉至少需要25km，到这个高度以上大气才足够稀薄，呈现出漆黑的太空和蓝色的地球，楼主的下面这张大约在35km，要达到这个高度最简单的一种方式（也是几乎唯一的方式）就是氦/氢探空气球搭载相机进入近太空拍摄。我的视频在帖子最后。

在摄像头前面加上很多有趣的元素

下面正式开始了
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预备知识篇：
在进行太空摄影之前我们需要了解一些名词
爆破直径：理论中气球爆破的大小
球重：探空气球的重量
总举力：气球所受到的浮力
球柄举力：冲入气体之后在球柄出向上的力，它的大小等于总距离-球重
净举力：挂在所有仪器和降落伞之后整个系统受到的合力
具体的计算公式如下：净举力=总举力-球重-仪器重量-降落伞系统重量-挂绳重量
在气球上升的过程中，净举力的大小决定气球的上升速率，F=1/2cspV2
F：净举力 c：阻力系数 s：正对面积 p：空气密度 V：速度
即气球上升的速度的平方和净举力成正比
我们的探空气球刚刚施放的时候大约直径1.5m左右，但是随着高度的增加大气密度减少，（气压海拔对照表：https://zhuanlan.zhihu.com/p/567112912）气球会逐渐膨胀到达爆破直径之后破裂。开始往下坠落，但是因为有降落伞的保障，会以一个安全的速度下降回到地面。从释放到破裂大约需要1.5~3.5小时，下降大约需要20~60分钟。在整个过程中，气球会飘出50km~250km不等（具体估算方式后面会详细说明）。我们需要一个定位器来找到载荷仓并回收。
我们一定有如下的一些疑问：
1.气球能飞多高 2.气球会飘到哪里 3.高空的低温如何解决 4.发热元件如何控温 5.如何保证降落伞不缠绕 6.气球大小的选择 ....................等很多问题。接下来我会逐一详细说明。

正式给气球充气充气充气ing

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正式篇：
1。载荷舱的设计：
我们必须要带的设备有相机、电池和定位器（感觉不保险可以多带一个定位器）。至于其他的就看个人喜好了，可以装一块飞控，带一个图传，怼上一些传感器，捎一个433信标，整一个aprs之类的。但要注意的是，带的设备越多就需要更多的能源也就需要更沉的电池，过多的设备重量会影响最终的飞行高度。整个飞行过程中。全程必须要保证电池的温度在-10度以上，即使用的是低温电池。在飞行到在3000米到15000米是最寒冷的阶段。再往上虽然温度会降低，但由于空气稀薄影响不是很大。至于其他电子设备像相机，图传，摄像头，GPS对温度要求不是很高，只要放到一个容器里面就行，主要把电池做好保温就没有任何问题。对于供电的具体方案，我的建议是 gps定位器单独供电，防止落地后相机继续工作榨干电池丢失回传。如果是多机位拍摄，要确保每一个机位内部内存卡有充足的录制时间。尽量减重仅对重点区域（电池）保温即可，我的方案是用巴尔杉木主体框架外部粘上应急毯内部碳条加固，比用泡沫箱能轻70%，载荷仓轻一点就能飞的高一些。

2.最大飞行高度设计：
探空气球上升飞行中会逐渐膨胀，气球会逐渐变大，但是空气密度也在下降 F=1/2cspV2（F：净举力 c：阻力系数 s：正对面积 p：空气密度 V：速度）阻力几乎不变。
总举力=pg4/3*3.14*R3（p：密度 g：重力加速度 R气球半径）近似不变，所以气球在竖直方向上可以近似看成匀速运动，不影响分析。
虽然探空气球都有会标出净举力和飞行高度，但是那是针对重量250g探空仪器和340m/min的升速设计的。在进行太空摄影的时候我们的摄影仪器重量会远超250g，一般个人玩家的载荷舱重量都在750g~2000g，而且不要求那么快的上升速度，所以我们用时间换取速度，即保证总举力不变的条件下适当减少一些净举力，这样做气球上升的会慢一些，时间更长一些。
举个实际例子，如果一只1200g的气球，根据厂家数据在净举力2240g的时候升速是340m/min，可以飞到32000米，但这是挂载250g仪器下的数据；如果我的仪器重量是1000g，我就需要调整净举力为2240-（1000-250）=1490g或者小于这个数值，才能保证我飞到这个高度。根据公式反推上升速度，得到上升时间和返回时间，用这个数据确定相机供电电池的容量。实际应用中记得考虑电池可能的虚标和放电深度。为了保险一些，理论相机的工作时间可以比理论飞行时间多半个小时左右。但是挂载越多电池就会越沉，相机工作时间虽然会加长，但是飞行上升段会更长，我建议1200g级别的球至少要留出800g以上的净举力，否则上升时间会长的离谱，甚至会超过3个小时。其他级别的气球也可以根据公式估算，这也是我在前面极致减重的目的。

也有一些网站可以计算这个数据如下图，但是那些网站的气球和国内的气球有一些差距，不过可以参考一下。网址如下 https://sondehub.org/calc/

3.轨迹路径
这部分主要依靠软件真飞机（民航）之类的路径也可以从软件找到，也可以寻找安全的无航线的地方
可能有人担心这玩意玩意撞上咋办，可以类比一下大海捞针和大气层捞气球

{:1_61:}{:1_61:}概率无限趋近于零
全球气流监测网站 earth.nullschool.net

气球轨迹预测：https://predict.sondehub.org

4.成功开伞

气球上升的过程中不可避免会旋转，有可能会使降落伞绳缠绕，只要加上一个保持架就行。实际情况如下，很实用

5.定位器和载荷
定位器最好有一个备份，我搭载的两个不同品牌的定位器中有一个没有正常工作，但还好另一个工作了，要不就找不到了{:1_61:}
我搭载了五个不同的摄像装置，包括一块speedybee 600mw卡录图传
最后找到时候的位置

具体搭载设备项目如下
Action 3
鹰眼拇指
平头哥二代
无名卡路模块x2
Speedy bee卡录图传
穷人osd
企鹅定位器
喵叔定位器
最高点高度约34800

6.气球的大小选择和气体
载荷重量不超过厂家表明的净举力的3/4就行，经过我的计算，如果超了这个数值，气球上升速率会慢很多很多，得不偿失。
气体的话一瓶氦气40L 冲13到15兆帕，换算一下就是5.5到6m³ 冲氦气时候需要一个减压表

检查气瓶压力

ps：吸一些氦气可以变声，挺有意思的{:1_61:}

7.关于准许方面
规定漂流气球重量四千克以下不群放无需报备，一般气球也在这个数值之下。
附：升放气球管理办法
https://www.gov.cn/gongbao/content/2021/content_5582636.htm

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放一些我玩的照片和视频

起飞之前

近太空纯享

[media=x,500,375]【飞在近太空的相机】[/media]
最后希望大家也能少走一些弯路，享受近太空的美