Lander Lab n. 3: Galleggiabilità

Kevin Hardy ha fondato la Global Ocean Design dopo una carriera allo Scripps...

17 maggio 2022

C'è una piacevole eccitazione quando un lander oceanico viene rilasciato per esplorare le profondità del mare. Le liste di controllo e gli infiniti test arrivano tutti a questo momento. Il nostro ottimismo è alto perché nulla di tutto ciò è nuovo. Tuttavia, ci rendiamo conto dei rischi. Davy Jones è un'anima astuta e cerca di mantenere ciò che brama. Guardando in basso, il lander si dissolve in tremolanti frammenti di colore che sfumano nel blu. Ed è andato. Si immagina l'ambiente asciutto e sicuro all'interno della sfera di comando superiore. Gli orologi corrono. Mentre il lander scende verso il fondale marino, l’oceano esterno assume tonalità più scure di viola, poi nero.

Un ritorno sicuro si basa sul principio della forza di galleggiamento di Archimede: qualsiasi oggetto immerso in un fluido è sostenuto da una forza pari al peso del fluido spostato. Se il nostro veicolo è più pesante di un uguale volume di acqua di mare, affonda. Se è più leggero, galleggia. È così che scendiamo e risaliamo di nuovo. Un peso di discesa rende il lander negativamente galleggiante e affonda. Il rilascio del peso rende il lander positivamente galleggiante e galleggia. Il peso del fluido spostato può variare con la salinità, la temperatura e la profondità. Sorprendentemente, un veicolo può effettivamente guadagnare galleggiabilità mentre viaggia più in profondità.

Ci sforziamo di rendere il veicolo abbastanza forte da funzionare, ma abbastanza leggero nell'aria da essere gestito da un piccolo equipaggio sul ponte. È l'eleganza del design. Abbiamo un budget di galleggiamento rigoroso con cui lavorare e strategie per mantenerlo.

Il bilancio di galleggiamento si riferisce alla quantità di galleggiamento disponibile per sollevare il lander con carico utile. Sottrarre metà della galleggiabilità della sfera superiore poiché quella porzione sarà sopra l'acqua durante il recupero. Il resto è la flottazione disponibile per tutto il resto.

Esistono tre stati di galleggiamento di materiali e componenti: positivo, negativo e neutro. Possiamo combinarli per risolvere sia i problemi di galleggiamento che quelli di stabilità.

Peso specifico: Una delle prime tecniche per rimanere entro il budget di galleggiabilità è l'uso di un materiale selezionato per il suo peso specifico, resistenza e modulo di massa. A parità di condizioni, seleziona il materiale più leggero. Ad esempio: la fibra di vetro (FRP) ha un peso specifico di 1,7, mentre l'alluminio è 2,7. L'acciaio è circa 8. Il piombo è 11,3. L'HDPE di grado marino è 0,96, il che significa che galleggia. Non utilizziamo l'HDPE per il galleggiamento, ma sottrae zero al budget di galleggiamento. La maggior parte delle plastiche non sono soggette a corrosione, anche se alcune sono igroscopiche e assorbono una certa percentuale di acqua nel tempo. Un ottimo riferimento è il testo di Steven Dexter, “Handbook of Oceanographic Engineering Materials”. Una copia precedente è disponibile gratuitamente tramite WHOI.

Suggerimento per la progettazione: Sottrarre il peso dell'aria dal bilancio di galleggiamento di un oggetto collocato all'interno di una custodia a pressione sigillata. Sottrarre il peso dell'acqua di un oggetto posizionato sul telaio ed esposto al mare.

Flottazione del dimensionamento: È possibile avere troppa galleggiabilità positiva. Ciò richiede un'ancora molto più grande e un telaio più pesante per sostenere tutto ciò. Man mano che un veicolo diventa più grande, diventa più costoso e ingombrante. Puoi percepire quando la spirale del design gira nella direzione sbagliata. Un lander dovrebbe avere i mezzi per aggiungere galleggiabilità positiva e negativa. Come una boa, la parte del lander sopra la linea di galleggiamento dopo la risalita non dovrebbe essere più del 20% della lunghezza totale. Assetto il veicolo in modo che solo metà della sfera superiore sia fuori dall'acqua.

Figura 2. Un Alpha Lander della Global Ocean Design galleggia con la sfera superiore per metà fuori dall'acqua. Il resto del lander da 8 piedi risiede al sicuro sott'acqua. (Foto di Kevin Hardy)

Stabilità: Una semplice regola di progettazione: galleggiamento elevato, peso ridotto. Ciò fornisce al veicolo la sua stabilità in discesa, sul fondo, in salita e in superficie. Ricordiamo che quando il lander ritorna in superficie, vogliamo avere metà della sfera superiore fuori dall'acqua. In questo modo i nostri fari satellitari possono vedere il cielo, il flash è chiaramente visibile e la nostra bandiera si erge orgogliosamente sopra il veicolo in superficie. La parte del lander fuori dall'acqua ora è un peso negativo sollevato dal veicolo dal basso. Una parte eccessiva del lander sollevata dall'acqua potrebbe trasformarlo in un tronco, che galleggia orizzontalmente.