Cuộc truy đuổi bóng thám không ở Montana: Kỹ thuật, sai lầm và bài học từ dự án mã nguồn mở UpLink

Việc phóng bóng thám không (high-altitude balloon) luôn là thử thách hấp dẫn với cộng đồng kỹ thuật nghiệp dư, nhưng không phải lúc nào cũng kết thúc trọn vẹn. Hai học sinh trung học Mỹ đã thiết kế và chế tạo payload UpLink chỉ nặng 491 gram, nhằm thử nghiệm khả năng cách nhiệt của vật liệu in 3D và truyền ảnh từ tầng bình lưu về mặt đất, nhưng đã không bao giờ tìm lại được thiết bị sau khi nó hạ cánh ở vùng nông thôn Montana.

Bài viết là bản tường thuật chi tiết về quy trình kỹ thuật, những sai lầm mắc phải và bài học đắt giá — từ thiết kế mạch điện tử tùy chỉnh, firmware, truyền ảnh qua giao thức SSDV, đến khâu vận hành ngày phóng. Toàn bộ phần cứng và phần mềm đều được mở mã nguồn trên GitHub, hứa hẹn là tài liệu quý cho những ai quan tâm đến lĩnh vực này.

Thiết kế vỏ bọc in 3D: Đột phá so với hộp xốp truyền thống

Phần lớn các đội nghiên cứu bóng thám không sử dụng hộp xốp (styrofoam) vì khả năng cách nhiệt tốt và dễ gia công. Tuy nhiên, nhóm dự án UpLink nhận thấy hộp xốp có nhiều nhược điểm: nặng, khó tích hợp linh kiện, và không tối ưu cho các payload siêu nhẹ.

Trọng lượng toàn bộ payload (gồm dù, dây treo, điện tử, vỏ bọc) chỉ là 491 gram — một con số ấn tượng cho một thiết bị khoa học khí tượng.

Thay vào đó, họ thiết kế vỏ bọc trong Fusion360 và in bằng filament LW-PLA của hãng Sunlu. Loại nhựa này chứa các bọt khí siêu nhỏ giúp nhẹ hơn 30-50% so với PLA thường, nhưng lại rất khó in do độ giòn và nhạy cảm với độ ẩm. Nhóm đã phải tạo hồ sơ in riêng cho phần mềm Orca Slicer để xử lý loại vật liệu này.

Vỏ bọc in 3D với filament LW-PLA

Kết quả thử nghiệm cách nhiệt: Không có sự khác biệt rõ ràng

Giả thuyết ban đầu là các bọt khí siêu nhỏ trong LW-PLA sẽ cải thiện khả năng cách nhiệt so với PLA thông thường. Tuy nhiên, dữ liệu thu được từ các cảm biến nhiệt độ gắn trên nắp payload cho thấy không có kết quả kết luận rõ ràng — có lúc LW-PLA hoạt động tốt hơn, nhưng cũng có lúc ngược lại.

Nhóm nghiên cứu suy đoán rằng yếu tố quyết định đến khả năng cách nhiệt nằm ở mật độ in (infill) và số lớp tường nhiều hơn là thành phần vật liệu. Một phát hiện đáng chú ý: các cảm biến được bọc kỹ ghi nhận nhiệt độ cao hơn khoảng 7°C so với nhiệt độ môi trường bên ngoài, cho thấy việc bịt kín payload có thể cải thiện đáng kể hiệu suất cách nhiệt.

Mô phỏng nhiệt độ bên trong payload

Truyền ảnh SSDV: Từ 18x10 pixel lên 320x240 pixel

Năm ngoái, nhóm chỉ gửi được ảnh kích thước 18x10 pixel do giới hạn băng thông đường truyền. Năm nay, họ chuyển sang SSDV (Slow Scan Digital Video) — phiên bản số hóa của SSTV analog, hoạt động bằng cách đóng gói dữ liệu ảnh thành nhiều gói tin nhỏ. Nếu mặt đất mất một số gói tin, ảnh vẫn có thể được tái tạo từ các gói còn lại.

Họ đã sửa đổi bản cài đặt C của Philip Heron để giảm kích thước gói tin xuống còn 128 byte, phù hợp với khả năng truyền của radio LoRa. Camera chụp ảnh, lưu bản sao độ phân giải đầy đủ vào thẻ SD, và gửi phiên bản 320x240 qua sóng radio với ~15 gói tin mỗi ảnh.

Ảnh chụp từ bóng thám không trong lúc hạ độ cao

Kết quả: trạm mặt đất đã nhận tổng cộng 328 ảnh trong suốt chuyến bay — một cải tiến vượt bậc so với chất lượng năm trước. Các ảnh chụp ở độ cao cao cho thấy bầu trời chuyển dần sang màu đen, minh chứng cho hiện tượng tán xạ ánh sáng thay đổi theo độ cao.

Điện tử tùy chỉnh và quản lý nguồn năng lượng

Mạch in (PCB) được thiết kế trong KiCad — phần mềm EDA mã nguồn mở — và sản xuất bởi OSH Park. Bốn khối chính bao gồm: bộ chuyển đổi nguồn buck-boost, vi điều khiển ESP32-S3, radio LoRa, và GNSS SAM-M10Q.

Điểm nhấn là việc sử dụng bộ chuyển đổi buck-boost thay cho bộ ổn áp tuyến tính (LDO) kém hiệu quả trước đây — giúp tận dụng tối đa năng lượng từ 3 pin AAA lithium. Tuy nhiên, nhóm cũng mắc một số lỗi đáng tiếc: nối chéo chân MISO/MOSI trên SPI, làm hỏng bộ chia điện áp đo pin, và cấu hình sai chế độ LDO nội bộ của chip SX1262 khiến radio tiêu thụ dòng điện cao hơn mức cần thiết.

Kế hoạch phóng và sự cố không tìm thấy payload

Ngày 16 tháng 8, quả bóng bay loại 350 gram từ hãng Kaymont được phóng từ Townsend, Montana. Tuy nhiên, do cân đo lực nâng (free lift) bị hỏng, nhóm phải ước lượng bằng cân phòng tắm không chính xác, khiến bóng bay quá nhẹ và bay lơ lửng với tốc độ rất chậm (1.5-3 m/s thay vì 5 m/s lý tưởng). Kết quả là chuyến bay kéo dài gần 5 giờ — vượt quá thời lượng pin 4.5 giờ dự kiến của payload.

Bóng đạt độ cao vỡ 28.42 km và trôi 140 km trước khi hạ cánh gần Judith Gap, Montana. Tín hiệu radio mất khoảng 15 phút trước thời điểm hạ cánh dự kiến, khiến nhóm không thể xác định chính xác vị trí. Bộ định vị dự phòng U4B (phát tín hiệu WSPR/JT9) cũng ngừng hoạt động không rõ nguyên nhân. Sau 7 giờ truy đuổi và 2 giờ tìm kiếm khắp khu vực nông trại, họ đành phải từ bỏ.

Bài học và hướng phát triển tương lai

Dự án đã gặt hái những thành công đáng kể: dữ liệu nhiệt độ, ảnh chất lượng cao, và trải nghiệm học hỏi vô giá. Tuy nhiên, có ba bài học chính được rút ra:

• Đo lực nâng chính xác: Việc có một chiếc cân hoạt động tốt sẽ giúp tính toán thời gian bay hợp lý, tránh chuỗi sự cố về năng lượng.
• Tách hệ thống nguồn: Camera và bộ định vị nên chạy bằng nguồn riêng để đảm bảo thiết bị dự phòng vẫn hoạt động khi pin chính cạn.
• Chuyển sang băng tần 70cm: Băng tần này có khả năng định vị tốt hơn khi tìm kiếm trên mặt đất, trong khi vẫn giữ băng tần 33cm cho truyền ảnh với tốc độ cao.

Toàn bộ tài nguyên — bao gồm thiết kế phần cứng, firmware, file CAD, dữ liệu bay và ảnh thu được — đều được công khai trên GitHub. Điều này không chỉ giúp cộng đồng học hỏi từ sai lầm của họ, mà còn mở ra cơ hội hợp tác phát triển các dự án bóng thám không tiếp theo.

Nếu bạn sống gần khu vực Judith Gap, Montana và tình cờ tìm thấy payload UpLink, nhóm tác giả rất mong nhận được liên hệ từ bạn.