Lander Lab #3 : Flottabilité

Kevin Hardy a fondé Global Ocean Design après une carrière au Scripps...

17 mai 2022

Il y a une excitation agréable au goût lorsqu'un atterrisseur océanique est libéré pour explorer les profondeurs marines. Les listes de contrôle et les tests sans fin se résument tous à ce moment. Notre optimisme est élevé car rien de tout cela n'est nouveau. Pourtant, nous sommes conscients des risques. Davy Jones est un rusé et essaie de garder ce qu'il convoite. En regardant vers le bas, l'atterrisseur se dissout en morceaux de couleur scintillants qui s'estompent en bleu. Et c'est parti. On imagine l'environnement sec et sûr à l'intérieur de la sphère de commandement supérieure. Les horloges tournent. Au fur et à mesure que l'atterrisseur descend vers le fond marin, l'océan à l'extérieur passe à des teintes plus sombres de violet, puis de noir.

Un retour en toute sécurité repose sur le principe d'Archimède de la force de flottabilité : tout objet immergé dans un fluide est soutenu par une force égale au poids du fluide déplacé. Si notre véhicule est plus lourd qu'un volume égal d'eau de mer, il coule. S'il est plus léger, il flotte. C'est comme ça qu'on descend et qu'on remonte. Un poids de descente rend l'atterrisseur flottant négativement et il coule. Le relâchement du poids rend l'atterrisseur flottant positivement et il flotte. Le poids du fluide déplacé peut varier en fonction de la salinité, de la température et de la profondeur. Étonnamment, un véhicule peut réellement gagner en flottabilité à mesure qu'il se déplace plus profondément.

Nous nous efforçons de rendre le véhicule suffisamment solide pour fonctionner, mais suffisamment léger dans l'air pour être géré par un petit équipage sur le pont. C'est l'élégance du design. Nous avons un budget de flottabilité strict avec lequel travailler et des stratégies pour rester dans ce cadre.

Le budget de flottabilité fait référence à la quantité de flottaison disponible pour soulever l'atterrisseur avec la charge utile. Soustrayez la moitié de la flottabilité de la sphère supérieure car cette partie sera au-dessus de l'eau lors de la récupération. Le reste est la flottation disponible pour tout le reste.

Il existe trois états de flottabilité des matériaux et des composants : positif, négatif et neutre. Nous pouvons les combiner pour résoudre à la fois les problèmes de flottaison et de stabilité.

Gravité spécifique : L'une des premières techniques pour rester dans le budget de flottabilité est l'utilisation d'un matériau sélectionné pour sa gravité spécifique, sa résistance et son module de masse. Toutes choses étant égales par ailleurs, choisissez le matériau le plus léger. Par exemple : la fibre de verre (FRP) a une densité de 1,7, tandis que l'aluminium est de 2,7. L'acier est d'environ 8. Le plomb est de 11,3. Le PEHD de qualité marine est de 0,96, ce qui signifie qu'il flotte. Nous n'utilisons pas de PEHD pour la flottaison, mais cela soustrait zéro du budget de flottabilité. La plupart des plastiques ne sont pas sujets à la corrosion, bien que certains soient hygroscopiques et absorbent un certain pourcentage d'eau au fil du temps. Une excellente référence est le texte de Steven Dexter, "Handbook of Oceanographic Engineering Materials". Une copie antérieure est disponible gratuitement via WHOI.

Conseil de conception : Soustrayez le poids de l'air du budget de flottabilité d'un article placé à l'intérieur d'un boîtier sous pression scellé. Soustrayez le poids de l'eau d'un objet placé sur le cadre et exposé à la mer.

Dimensionnement flottaison : Il est possible d'avoir trop de flottabilité positive. Cela nécessite une ancre beaucoup plus grande et un cadre plus lourd pour contenir tout cela. Au fur et à mesure qu'un véhicule grandit, il devient plus cher et encombrant. Vous pouvez sentir quand la spirale de conception tourne dans la mauvaise direction. Un atterrisseur devrait avoir des moyens d'ajouter une flottabilité positive et négative. Comme une bouée à espar, la partie de l'atterrisseur au-dessus de la ligne de flottaison après la remontée ne doit pas dépasser 20 % de la longueur totale. Je coupe le véhicule pour que seulement la moitié de la sphère supérieure soit hors de l'eau.

Figure 2. Un Global Ocean Design Alpha Lander flotte avec sa sphère supérieure à moitié hors de l'eau. Le reste de l'atterrisseur de 8 pieds réside en toute sécurité sous l'eau. (Photo de Kevin Hardy)

La stabilité: Une règle de conception simple : flottaison élevée, poids faible. Cela donne au véhicule sa stabilité en descente, au fond, en montée et en surface. Rappelons que lorsque l'atterrisseur revient à la surface, nous voulons avoir la moitié de la sphère supérieure hors de l'eau. Ainsi, nos balises satellites peuvent voir le ciel, le stroboscope est clairement visible et notre drapeau se dresse fièrement au-dessus du véhicule à la surface. La partie de l'atterrisseur hors de l'eau est maintenant un poids négatif soulevé par le véhicule par le bas. Une trop grande partie de l'atterrisseur soulevé de l'eau peut transformer l'atterrisseur en une bûche, flottant horizontalement.

La stabilité d'un atterrisseur est plus facile à établir qu'un planeur ou un AUV car la séparation du centre de flottaison et du centre de gravité peut être une distance importante. L'atterrisseur peut être haut et mince, comme une bouée à espar, avec une surface frontale projetée minimale dans la direction du déplacement qui provoque une traînée. La grande longueur verticale améliore la stabilité intrinsèque de l'atterrisseur dans tous les modes de fonctionnement.

Flottabilité auxiliaire : Ce sont des nacelles de flottaison latérales ajoutées pour augmenter la flottabilité positive nette pour les charges utiles lourdes. Ceux-ci sont ajoutés à parts égales des deux côtés pour maintenir une garniture uniforme. Dans nos atterrisseurs, nous plaçons le haut des nacelles latérales sous la ligne médiane de la sphère supérieure. Cela aide à soulever l'hémisphère supérieur hors de l'eau pour la récupération. Nous devons ajouter la flottation par incréments minimaux des sphères que nous avons. Si cela ajoute trop de flottaison et que l'atterrisseur est assis trop haut dans l'eau, nous ajoutons un contrepoids supplémentaire au fond, également dans une mesure égale de chaque côté.

Les nacelles latérales auxiliaires offrent également de l'espace pour des batteries supplémentaires pour les lumières ou l'instrumentation de collègues de recherche faisant du stop sur votre atterrisseur. Placer les cosses sur les côtés réduit également la hauteur sous le cadre en A, si cela est une considération.

• Garniture: Un axe de symétrie traverse la ligne médiane de l'atterrisseur, de haut en bas. La ligne médiane indique le chemin vers le fond marin et la surface. Répartissez uniformément la flottabilité positive et négative autour de cet axe. Positionner les masselottes pour équilibrer au besoin. Un transducteur de 2 lb d'un côté reçoit un poids de 2 lb de l'autre côté. Trop de poids d'un côté fera basculer l'atterrisseur et forcera un angle de plané à partir du point de chute, à la fois vers le bas et vers l'arrière, dans une direction de boussole indéterminée. Nous discuterons des balises de récupération dans un autre numéro.

• Test de flotteur d'eau : Commencez là où vous voulez terminer : l'ancre de descente disparue et l'atterrisseur flottant droit et stable à la surface, drapeau haut et la sphère supérieure à moitié hors de l'eau. Un test d'immersion à l'arrière du bateau avant de quitter le quai est un meilleur endroit pour trouver un problème que sur place avec tout le monde sur le pont et la fenêtre météo se fermant.

• Une astuce de conception : Gardez l'hémisphère supérieur de la sphère supérieure aussi vide que possible. Limitez le contenu aux balises de récupération qui doivent voir ou être vues. Cela limite la quantité de poids qui doit être soulevée au-dessus de la ligne de flottaison lors de la récupération. Si des éléments plus lourds sont nécessaires, comme un système de déclenchement acoustique, placez ces pièces dans la partie inférieure de la sphère supérieure. Une carte de déclenchement acoustique ou un compte à rebours avec leurs batteries pourraient également se trouver dans une sphère plus bas dans la pile, avec juste le transducteur placé dans une position dégagée pour voir vers le haut. Il pourrait également occuper l'une des sphères de l'un des modules latéraux auxiliaires.

• Dimensionnement du poids de descente : Des contrepoids fixes, en plomb ou en acier, sont ajoutés pour positionner la moitié supérieure de la sphère supérieure hors de l'eau. Le poids de l'eau du poids de descente, le plus souvent une pile de poids d'haltères en fer, est approximativement égal à la flottabilité positive de la sphère supérieure complète.

Le poids de l'eau d'un matériau solide est calculé comme suit : Poids de l'eau = Poids du matériau x ((Material Specific Gravity-1.03)/(Material Specific Gravity).

Si le fer a une densité de 7,9 et que l'eau de mer est de 1,03, une ancre en fer de 10 livres dans l'air pèsera 8,7 livres sous l'eau.

Alternativement, pour calculer le poids de l'air d'une ancre en fer d'un poids d'eau souhaité : poids de l'air de l'ancre en fer souhaité = poids de l'eau de l'ancre en fer souhaité x (7,9/(7,9-1,03)), ou approximativement : poids de l'air de l'ancre en fer souhaité = fer souhaité poids de l'eau de l'ancre x 8/7

Ainsi, si un poids d'eau d'ancrage en fer souhaité est de 10 lb : 10 lb (poids de l'eau) = 10 lb x (8/7) = 11,4 lb de poids d'air

Cela fournit la même force tirant l'atterrisseur vers le fond marin qu'il aura en remontant. Une première approximation : une sphère de 10 pouces est positive à 9 lb, donc un poids de descente de fer d'au moins 11,5 lb devrait suffire si la moitié de la sphère supérieure de 10 pouces est au-dessus de l'eau. Une sphère de treize pouces est positive à 24 livres. Un poids de descente en fer d'au moins 28,5 lb devrait suffire si la moitié de la sphère supérieure de 13 pouces est hors de l'eau. Une sphère de 17 pouces pèse 57 lb. Un poids de descente en fer de 65 lb devrait suffire. si la moitié de la sphère supérieure de 17" est hors de l'eau. Si des courants de fond sont suspectés, un poids supplémentaire de 20% pourrait être ajouté pour empêcher l'atterrisseur de sauter sur le fond marin.

Nous avons discuté des ancres en ferrociment dans le MTR de janvier 2022, bon marché et lourdes, utilisant des emboutis en acier pour le gravier grossier dans un mélange de béton. Vous devrez effectuer vous-même la mesure du poids de l'air / du poids de l'eau pour déterminer la gravité spécifique que vous obtenez. Comme il s'agit d'un composite de ciment et de fer, vous toucherez probablement environ 5, soit environ deux fois plus dense que le béton droit.

Classeur à trois anneaux poids air / poids eau : pour faciliter la flexibilité des opérations et la planification des missions futures, certaines équipes en mer enregistrent les mesures des poids air et eau des composants dans un classeur à 3 anneaux à consulter lors de la reconfiguration d'un atterrisseur. Cela aide à gérer le budget de flottabilité et est également utile pour la navigation et la planification des opérations à bord.Matériaux de flottaison

Alors que les huiles de pétrole étaient le principal matériau de flottation dans les années précédentes, comme pour les bathyscaphes, aujourd'hui, les huiles sont principalement utilisées pour les applications à pression équilibrée (PBOF). Selon la profondeur, plusieurs choix de matériaux actuels doivent être pris en compte.

Le module de masse du matériau, sa capacité à résister au changement de son volume avec la pression, est une caractéristique importante. Nous aimons tous les gobelets en polystyrène rétrécis, mais cela montre simplement le faible module de masse du polystyrène.

Mousses de polyuréthane rigides à cellules fermées : General Plastics (Tacoma, WA) propose des mousses rigides de qualité marine dans une gamme de densités et de profondeurs, conçues pour les systèmes de flottabilité sous-marins peu profonds à mi-eaux. Les densités vont de 12 lb/pi3 avec une profondeur d'essai de 300 pi (92 m), jusqu'à 25 lb/pi3 avec une profondeur d'essai maximale de 1 200 pi (366 m). Le matériau a une haute résistance aux chocs et est biologiquement inerte. Les formats de feuille standard sont 10" x 24" x 100" et 14" x 18" x 100". Le matériau est facile à usiner, à enduire et à peindre, est dimensionnellement stable et compatible avec de nombreux types d'adhésifs. (Photo gracieuseté de General Plastics)

Le bord extérieur du plateau continental est défini à 200 mètres (660 pieds), de sorte que ces mousses rigides ont une place dans les applications de véhicules sous-marins côtiers.

Flotteurs de chalut : Atlantic Floats (Vordingborg, Danemark) (distributeur américain : Trawlworks, (Narragansett, RI)) sont fabriqués dans de nombreux styles, tailles et profondeurs. Le matériau est un polyamide (nylon) rempli de verre moulé par injection et thermofusionné. La plupart sont sphériques, certaines sont des sphères simples, tandis que d'autres ont un passage central (les sphères de 8 "ont un trou central de ¾"), tandis que d'autres ont des attaches "à pattes" qui ressemblent à des oreilles percées. Les profondeurs de travail vont de 400 à 2 000 m (1 312 à 6 560 pieds), avec une flottabilité allant de 1,9 à 38,7 lb (840 g à 17,60 kg)

Figure 5. Les flotteurs de chalut sont disponibles dans une variété de tailles, de formes, de couleurs et de profondeurs. (Photo publiée avec l'aimable autorisation de Niels Martin Lundsgaard, Atlantic Floats.) Global Ocean Design a également transformé des flotteurs de chalut en boîtiers d'instruments et de caméras. Figure 6. Un flotteur de chalut de 10 pouces modifié pour servir de boîtier de caméra. Une rainure de joint torique fait le joint à l'équateur de la sphère. Les connecteurs sont à l'arrière. (Photo de Kevin Hardy)Verre: Nautilus Marine Service (Buxtehude, Allemagne) , large gamme de produits de taille et de profondeur jusqu'à 12 km, en borosilicate et BK-5. McLane Labs (East Falmouth, MA) dispose d'un inventaire de sphères de borosilicate de 12" pour la flottaison et les boîtiers d'instruments. Okamoto Glass Co (Kashiwa, Chiba, Japon) https://ogc-jp.com/en/productinfo /glassball/ forme une ligne de sphères de verre (10 pouces, 13 pouces, 17 pouces) avec des plages de profondeur de 4 à 12 km. Le programme d'atterrisseur Edokko Mark-1 de JAMSTEC utilise leur verre.Figure 7. Sphères de verre de précision par Nautilus Marine (Photo avec l'aimable autorisation de Steffen Pausch, Nautilus Marine Service)

Le verre offre une grande résistance à la compression, est facilement formé de matériaux facilement disponibles, peut être percé et même poli pour être un boîtier de caméra. Le collage au verre avec des adhésifs se fait facilement. Les supports d'équipement peuvent être internes ou externes, offrant certains choix de conception. Des travaux sont toujours en cours sur la création d'une bride métallique pour protéger les surfaces d'étanchéité en verre finement polies et fournir un joint torique. L'écaillage aléatoire de la surface peut être dû aux contraintes résiduelles de l'opération de coulée et de formage. Les pare-chocs en caoutchouc sur le bord du verre poli sont cruciaux lorsque la sphère est ouverte pour éviter tout dommage accidentel dû à un impact sur le verre.Mousse syntaxique : Engineered Syntactic Systems (Attleboro, MA), Trelleborg/Eccofloat (Boston, MA), DeepWater Buoyancy, (Biddeford, ME) < >, SynFoam (Livingston, NJ). Figure 8. Exemples de différentes compositions de mousse syntactique. Les sphères plus grandes offrent plus de flottabilité, mais ont des limites de profondeur. Le matériau est formulé pour l'application. (Photo gracieuseté de Noel Tessier, Engineered Syntactic Systems)

La mousse syntactique intègre des microsphères de verre creuses dans une matrice époxy rigide. Cela permet d'usiner une forme particulière. Les microsphères ont des diamètres allant de 10 à 300 micromètres, fournissant la résistance à la compression. Alors que les sphères flottent, l'époxy ne l'est pas. Une sphère de 1 mm dans un cube de 1 mm occupe un volume de 0,52 mm3. L'espace interstitiel restant de 0,48 mm3 est rempli d'époxy. Il a une densité de 1,1. Rempli de microsphères à 30 %, un bloc syntaxique a une densité de 0,85.

Les macroballons peuvent être utilisés pour réduire le poids, en remplissant les zones interstitielles avec des microsphères de plus en plus petites, mais au prix d'une cote de profondeur réduite.

Les mousses syntactiques peuvent provoquer une usure excessive des mèches d'usinage en raison des charges de microsphères de verre. Le contrôle de la poussière est important. Le mélange d'une masse trop importante de syntaxique est difficile car la résine est exothermique et peut devenir suffisamment chaude pour fissurer le bloc.

Comme une pâte à gâteau épaisse, verser librement la résine épaisse peut attirer des inclusions d'air, ce qui peut être un problème en profondeur. Le dégazage sous vide est une technique utilisée pour contrôler cela.

Pour maximiser les microsphères dans une structure, certaines entreprises coulent les pièces, laissent les microsphères flotter vers le haut, laissent durcir, puis retournent la pièce et usinent la couche riche en résine.

La résine est hygroscopique et absorbera l'humidité au fil du temps. Cela n'affectera pas la flottabilité des microsphères. La peinture ou la fibre de verre de l'extérieur de la partie syntaxique réduira considérablement le potentiel d'absorption d'eau.

Vous pouvez vous y essayer pour peu d'argent. Polymer Composites (Ontario, CA) vend un kit de 1,5 lb/1 gallon, avec des instructions et des vidéos de formation.

Plutôt que de verrouiller les microsphères de verre dans de l'époxy dur, il peut être possible de les suspendre dans de l'huile, en remplissant l'espace interstitiel avec un fluide à flottaison positive, puis d'utiliser ce mélange pour remplir une bouteille en plastique souple en polyéthylène. Les microsphères creuses sont flottantes, l'huile est flottante (l'huile minérale a une densité d'environ 0,88). Aucune chance d'inclusions, tout air capturé sera comprimé à néant. Je n'ai pas encore essayé cela, mais il semble que cela fonctionnera.« Le petit baigneur »

Un jeune étudiant français, Jonah Royer, m'a écrit avec quelques idées auxquelles il réfléchissait. Nous fabriquons un petit atterrisseur à l'aide d'un flotteur de chalut, d'un contrepoids de 1 kg et d'un arbre central. Une caméra GoPro dans un boîtier est la charge utile. La version est un Life Saver soluble, la descente / poids consommable est une chaussette en coton pleine de sable. Toutes les pièces sont là, dans le bon ordre. L'IFREMER a peut-être une relève en la personne de ce jeune homme ! Ce petit atterrisseur est un outil de découverte pour un jeune étudiant du sud de la France. Le mât du drapeau a depuis obtenu son drapeau.

Remerciements : Cette chronique est destinée à servir la communauté océanique à la manière de Make Magazine, des Mini-Notebooks de l'ingénieur de Forrest Mims, ou d'autres communautés DIY. J'espère que cela favorisera la pensée créative et la curiosité d'essayer de nouvelles choses, car j'ai bénéficié au fil du temps des membres de la communauté maritime qui ont partagé leur expertise et leur enthousiasme avec moi. Des premiers jours à Benthos, Sam Raymond et Robert Catalano se sont démarqués dans ma mémoire. J'ai tellement appris en travaillant avec le TR-6000. Jim Teague, alors chez Emerson-Cuming/Grace Syntactics, qui sait tout sur la mousse syntaxique, a été un grand ami. Je me souviens d'un article de Cliff Goudey au MIT/WHOI, qui a d'abord utilisé des flotteurs de chalut en plastique comme boîtiers d'instruments en eau peu profonde. Gerald Albich, alors avec Nautilus Marine Service en Allemagne, qui a été intrigué par l'idée de fabriquer leurs sphères de verre Vitrovex avec une paroi un peu plus épaisse pour qu'elles aillent plus profondément. L'horizon ne cesse de nous appeler.