Lander Lab #3: Flotabilidad

Kevin Hardy fundó Global Ocean Design después de una carrera en Scripps...

17 de mayo de 2022

Hay una emoción apetecible cuando se lanza un módulo de aterrizaje oceánico para explorar las profundidades del mar. Las listas de verificación y las pruebas interminables se reducen a este momento. Nuestro optimismo es alto porque nada de esto es nuevo. Aún así, nos damos cuenta de los riesgos. Davy Jones es un alma astuta y trata de mantener lo que codicia. Mirando hacia abajo, el módulo de aterrizaje se disuelve en fragmentos parpadeantes de color que se desvanecen en azul. Y se ha ido. Uno imagina el ambiente seco y seguro dentro de la esfera de alto mando. Los relojes corren. A medida que el módulo de aterrizaje desciende hacia el lecho marino, el océano exterior cambia a tonos más oscuros de violeta y luego negro.

Un regreso seguro se basa en el principio de la fuerza de flotación de Arquímedes: cualquier objeto sumergido en un fluido es impulsado por una fuerza igual al peso del fluido desplazado. Si nuestro vehículo es más pesado que un volumen igual de agua de mar, se hunde. Si es más ligero, flota. Así es como bajamos y volvemos a subir. Un peso de descenso hace que el módulo de aterrizaje tenga una flotabilidad negativa y se hunda. Liberar el peso hace que el módulo de aterrizaje tenga una flotabilidad positiva y flote. El peso del fluido desplazado puede variar con la salinidad, la temperatura y la profundidad. Sorprendentemente, un vehículo puede ganar flotabilidad a medida que viaja más profundo.

Nos esforzamos por hacer que el vehículo sea lo suficientemente fuerte para trabajar, pero lo suficientemente liviano en el aire para que lo maneje una pequeña tripulación en cubierta. Es la elegancia del diseño. Tenemos un presupuesto de flotabilidad estricto con el que trabajar y estrategias para mantenernos dentro de él.

El presupuesto de flotabilidad se refiere a la cantidad de flotación disponible para levantar el módulo de aterrizaje con carga útil. Reste la mitad de la flotabilidad de la esfera superior, ya que esa parte estará por encima del agua en la recuperación. El resto es la flotación disponible para todo lo demás.

Hay tres estados de flotabilidad de materiales y componentes: positivo, negativo y neutral. Podemos combinarlos para resolver tanto los problemas de flotación como los de estabilidad.

Gravedad específica: Una de las primeras técnicas para mantenerse dentro del presupuesto de flotabilidad es el uso de un material seleccionado por su gravedad específica, resistencia y módulo de volumen. En igualdad de condiciones, seleccione el material más ligero. Por ejemplo: la fibra de vidrio (FRP) tiene una gravedad específica de 1,7, mientras que el aluminio es de 2,7. El acero es aproximadamente 8. El plomo es 11,3. El HDPE de grado marino es 0,96, lo que significa que flota. No usamos HDPE para la flotación, pero resta cero del presupuesto de flotabilidad. La mayoría de los plásticos no son propensos a la corrosión, aunque algunos son higroscópicos y absorben un porcentaje de agua con el tiempo. Una gran referencia es el texto de Steven Dexter, "Manual de materiales de ingeniería oceanográfica". Una copia anterior está disponible de forma gratuita a través de WHOI.

Consejo de diseño: Reste el peso del aire del presupuesto de flotabilidad de un artículo colocado dentro de una caja de presión sellada. Resta el peso del agua de un objeto colocado en el marco y expuesto al mar.

Dimensionamiento de flotación: Es posible tener demasiada flotabilidad positiva. Eso requiere un ancla mucho más grande y un marco más pesado para sostener todo eso. A medida que un vehículo se hace más grande, se vuelve más caro y difícil de manejar. Puede sentir cuando la espiral de diseño está girando en la dirección equivocada. Un módulo de aterrizaje debe tener medios para agregar flotabilidad positiva y negativa. Al igual que una boya de mástil, la parte del módulo de aterrizaje por encima de la línea de flotación después del ascenso no debe tener más del 20 % de la longitud total. Recorto el vehículo para que solo la mitad de la esfera superior quede fuera del agua.

Figura 2. Un Alpha Lander de Global Ocean Design flota con la mitad de su esfera superior fuera del agua. El resto del módulo de aterrizaje de 8 pies reside de forma segura bajo el agua. (Foto por Kevin Hardy)

Estabilidad: Una regla de diseño simple: Flotación alta, peso bajo. Esto proporciona al vehículo su estabilidad en el descenso, en la parte inferior, en el ascenso y en la superficie. Recuerda que cuando el módulo de aterrizaje regrese a la superficie, queremos tener la mitad de la esfera superior fuera del agua. Esto es para que nuestras balizas satelitales puedan ver el cielo, la luz estroboscópica sea claramente visible y nuestra bandera se muestre orgullosa sobre el vehículo en la superficie. La parte del módulo de aterrizaje fuera del agua ahora es un peso negativo levantado por el vehículo desde abajo. Demasiado elemento del módulo de aterrizaje levantado del agua puede convertirlo en un tronco, flotando horizontalmente.

La estabilidad de un módulo de aterrizaje es más fácil de establecer que un planeador o AUV ya que la separación del centro de flotación y el centro de gravedad puede ser una distancia significativa. El módulo de aterrizaje puede ser alto y delgado, como una boya de mástil, con un área proyectada frontal mínima en la dirección de viaje que causa resistencia. La larga longitud vertical mejora la estabilidad intrínseca del módulo de aterrizaje en todos los modos de operación.

Flotabilidad auxiliar: Estas son cápsulas de flotación laterales agregadas para aumentar la flotabilidad positiva neta para cargas útiles pesadas. Estos se agregan en igual medida a ambos lados para mantener un recorte uniforme. En nuestros módulos de aterrizaje, colocamos la parte superior de las cápsulas laterales debajo de la línea central de la esfera superior. Esto ayuda a sacar el hemisferio superior del agua para su recuperación. Tenemos que agregar flotación en incrementos mínimos de las esferas que tenemos. Si eso agrega demasiada flotación y el módulo de aterrizaje está demasiado alto en el agua, agregamos contrapeso adicional al fondo, también en la misma medida a cada lado.

Las cápsulas laterales auxiliares también brindan espacio para baterías adicionales para luces o instrumentación de colegas de investigación que viajan en su módulo de aterrizaje. Colocar las cápsulas a los lados también reduce la altura debajo del marco en A, si eso es una consideración.

• Recortar: Un eje de simetría atraviesa la línea central del módulo de aterrizaje, de arriba a abajo. La línea central señala el camino hacia el fondo marino y la superficie. Distribuya la flotabilidad positiva y negativa uniformemente alrededor de este eje. Coloque los pesos de ajuste para equilibrarlos según sea necesario. Un transductor de 2 lb en un lado recibe un peso de ajuste de 2 lb en el otro lado. Demasiado peso en un lado inclinará el módulo de aterrizaje y forzará un ángulo de planeo que se alejará del punto de caída, tanto hacia abajo como hacia atrás, en alguna dirección de la brújula indeterminada. Hablaremos de las balizas de recuperación en otro número.

• Prueba de flotación de agua: Comience donde desea terminar: el ancla de descenso se ha ido y el módulo de aterrizaje flota en posición vertical y estable en la superficie, con la bandera en alto y la esfera superior medio fuera del agua. Una prueba de volcada desde la popa del barco antes de salir del muelle es un mejor lugar para encontrar un problema que en la estación con todos en cubierta y la ventana meteorológica cerrándose.

• Un consejo de diseño: Mantenga el hemisferio superior de la esfera superior lo más vacío posible. Restrinja el contenido a las balizas de recuperación que necesitan ver o ser vistas. Esto limita la cantidad de peso que debe levantarse por encima de la línea de flotación en la recuperación. Si se requieren elementos más pesados, como un sistema de liberación acústica, coloque esas piezas en la parte inferior de la esfera superior. Una placa de liberación acústica o una liberación de temporizador de cuenta regresiva con sus baterías también podría estar en una esfera más abajo en la pila, con solo el transductor colocado en una posición sin obstrucciones para ver hacia arriba. También podría ocupar una de las esferas en una de las cápsulas laterales auxiliares.

• Dimensionamiento del peso de descenso: Se agregan contrapesos fijos, de plomo o acero, para colocar la mitad superior de la esfera superior fuera del agua. El peso del agua del peso de descenso, generalmente una pila de pesas con barra de hierro, es aproximadamente igual a la flotabilidad positiva de la esfera superior completa.

El peso del agua de un material sólido se calcula como: Peso del agua = Peso del material x ((Gravedad específica del material-1,03)/(Gravedad específica del material).

Si el hierro tiene una gravedad específica de 7,9 y el agua de mar es de 1,03, un ancla de hierro de 10 libras en el aire pesará 8,7 libras bajo el agua.

Alternativamente, para calcular el peso de aire de un ancla de hierro de un peso de agua deseado: peso de aire de ancla de hierro deseado = peso de agua de ancla de hierro deseado x (7.9/(7.9-1.03)), o aproximadamente: peso de aire de ancla de hierro deseado = hierro deseado peso del agua del ancla x 8/7

Por lo tanto, si el peso de agua de un ancla de hierro deseado es de 10 libras: 10 libras (peso de agua) = 10 libras x (8/7) = 11,4 libras de peso de aire

Esto proporciona la misma fuerza que tira del módulo de aterrizaje hacia el fondo marino que la que tendrá al volver a subir. Una primera aproximación: una esfera de 10" tiene un peso positivo de 9 libras, por lo que un peso de descenso de hierro de peso aéreo mínimo de 11,5 libras debería ser suficiente si la mitad de la esfera superior de 10" está sobre el agua. Una esfera de trece pulgadas es de 24 libras positivas. Un peso de descenso de hierro con peso de aire mínimo de 28,5 libras debería ser suficiente si la mitad de la esfera superior de 13" está fuera del agua. Una esfera de 17 pulgadas tiene 57 libras positivas. Un peso de descenso de hierro con peso de aire de 65 libras debería ser suficiente si la mitad de la esfera superior de 17" está fuera del agua. Si se sospecha de corrientes de fondo, se podría agregar un peso adicional del 20 % para evitar que el módulo de aterrizaje salte por el lecho marino.

Hablamos de los anclajes de ferrocemento en el MTR de enero de 2022, baratos y pesados, que utilizan estampados de acero para la grava gruesa en una mezcla de concreto. Deberá realizar la medición del peso del aire/peso del agua usted mismo para determinar qué gravedad específica está obteniendo. Debido a que es un compuesto de cemento y hierro, es probable que alcance alrededor de 5, aproximadamente el doble de denso que el concreto puro.

Carpeta de tres anillas de peso de aire/peso de agua: para facilitar la flexibilidad de las operaciones y la planificación de misiones futuras, algunos equipos de navegación marítima registran las mediciones de los pesos de aire y agua en una carpeta de 3 anillas para consultar cuando reconfiguran un módulo de aterrizaje. Esto ayuda a trabajar con el presupuesto de flotabilidad y también es útil para el envío y la planificación de operaciones a bordo.Materiales de flotación

Si bien los aceites de petróleo fueron el principal material de flotación en años anteriores, como los batiscafos, hoy en día los aceites se utilizan principalmente para aplicaciones de presión equilibrada en campos de aceite (PBOF). Dependiendo de la profundidad, hay varias opciones de materiales actuales a considerar.

El módulo de volumen del material, su capacidad para resistir el cambio de su volumen con la presión, es una característica importante. A todos nos encantan los vasos de espuma de poliestireno encogidos, pero eso solo muestra el bajo módulo de volumen de la espuma de poliestireno.

Espumas rígidas de poliuretano de celda cerrada: General Plastics (Tacoma, WA) ofrece espumas rígidas de grado marino en una gama de densidades y clasificaciones de profundidad, diseñadas para sistemas de flotabilidad submarinos de aguas poco profundas a medias. Las densidades van desde 12 libras/pie3 con una profundidad de prueba de 300 pies (92 m), hasta 25 libras/pie3 con una profundidad máxima de prueba de 1200 pies (366 m). El material tiene una alta resistencia al impacto y es biológicamente inerte. Los tamaños de hoja estándar son 10" x 24" x 100" y 14" x 18" x 100". El material es fácil de maquinar, recubrir y pintar, es dimensionalmente estable y compatible con muchos tipos de adhesivos. (Foto cortesía de General Plastics)

El borde exterior de la plataforma continental se define como 200 metros (660 pies), por lo que estas espumas rígidas tienen un lugar en las aplicaciones de vehículos submarinos cerca de la costa.

Flotadores de arrastre: Atlantic Floats (Vordingborg, Dinamarca) (distribuidor en EE. UU.: Trawlworks, (Narragansett, RI)) se fabrican en muchos estilos, tamaños y clasificaciones de profundidad. El material es poliamida (nylon) rellena de vidrio termofundida y moldeada por inyección. La mayoría son esféricos, algunos son esferas simples, mientras que otros tienen un centro que los atraviesa (las esferas de 8" tienen un orificio central de ¾"), mientras que otros tienen accesorios de "lengüeta" que parecen orejas perforadas. Las profundidades de trabajo varían de 400 a 2000 m (1312 a 6560 pies), con una flotabilidad de 1,9 a 38,7 lb (840 g a 17,60 kg)

Figura 5. Los flotadores de arrastre vienen en una variedad de tamaños, formas, colores y clasificaciones de profundidad. (Fotografía cortesía de Niels Martin Lundsgaard, Atlantic Floats). Global Ocean Design también ha convertido flotadores de arrastre en carcasas para instrumentos y cámaras. Figura 6. Un flotador de arrastre de 10 pulgadas modificado para servir como carcasa de cámara. Una ranura de junta tórica hace el sello en el ecuador de la esfera. Los conectores están en la parte trasera. (Foto por Kevin Hardy)Vaso: Nautilus Marine Service (Buxtehude, Alemania) , amplia oferta de productos de tamaño y clasificación de profundidad hasta 12 km, en borosilicato y BK-5. McLane Labs (East Falmouth, MA) tiene un inventario de esferas de borosilicato de 12" para flotación y carcasas de instrumentos. Okamoto Glass Co (Kashiwa, Chiba, Japón) https://ogc-jp.com/en/productinfo /glassball/ fabrica una línea de esferas de vidrio (10", 13", 17") con rangos de profundidad de 4 a 12 km. El programa de aterrizaje Edokko Mark-1 de JAMSTEC utiliza su vidrio. Figura 7. Esferas de vidrio de precisión de Nautilus Marine Servicio (Foto cortesía de Steffen Pausch, Nautilus Marine Service)

El vidrio proporciona una gran resistencia a la compresión, se forma fácilmente con materiales fácilmente disponibles, se puede taladrar e incluso pulir para convertirlo en una carcasa de cámara. La unión al vidrio con adhesivos se realiza fácilmente. Los montajes de equipos pueden ser internos o externos, lo que ofrece algunas opciones de diseño. Todavía se está trabajando en la creación de una brida de metal para proteger las superficies de sellado de vidrio finamente pulidas y proporcionar un sello de junta tórica. El desconchado aleatorio de la superficie puede deberse a tensiones residuales de la operación de fundición y conformado. Los topes de goma sobre el borde del vidrio pulido son cruciales cuando la esfera está abierta para evitar daños involuntarios por impacto en el vidrio.Espuma sintáctica: Engineered Syntactic Systems (Attleboro, MA), Trelleborg/Eccofloat (Boston, MA), DeepWater Buoyancy, (Biddeford, ME) < >, SynFoam (Livingston, NJ). Figura 8. Ejemplos de diferentes composiciones de espuma sintáctica. Las esferas más grandes proporcionan más flotabilidad, pero tienen límites de profundidad. El material está formulado para la aplicación. (Foto cortesía de Noel Tessier, Engineered Syntactic Systems)

La espuma sintáctica incrusta microesferas de vidrio huecas en una matriz epoxi rígida. Esto permite mecanizar a una forma particular. Las microesferas tienen diámetros que oscilan entre 10 y 300 micrómetros, lo que proporciona la resistencia a la compresión. Mientras que las esferas son flotantes, el epoxi no lo es. Una esfera de 1 mm en un cubo de 1 mm ocupa un volumen de 0,52 mm3. El espacio intersticial restante de 0,48 mm3 se rellena con epoxi. Tiene una gravedad específica de 1.1. Relleno con un 30% de microesferas, un bloque sintáctico tiene una gravedad específica de 0,85.

Se pueden usar macroglobos para reducir el peso, llenando las áreas intersticiales con microesferas cada vez más pequeñas, pero a costa de una clasificación de profundidad reducida.

Las espumas sintácticas pueden provocar un desgaste excesivo de las brocas de mecanizado debido a los rellenos de microesferas de vidrio. El control del polvo es importante. Mezclar una masa demasiado grande de sintáctico es un desafío ya que la resina es exotérmica y puede calentarse lo suficiente como para romper el bloque.

Al igual que la masa espesa para pasteles, el vertido libre de la resina espesa puede atraer inclusiones de aire, lo que puede ser un problema en profundidad. La desgasificación al vacío es una técnica utilizada para controlar esto.

Para maximizar las microesferas en una estructura, algunas empresas moldean las piezas, permiten que las microesferas floten hacia la parte superior, dejan que se cure, luego voltean la pieza y mecanizan la capa rica en resina.

La resina es higroscópica y absorberá la humedad con el tiempo. Eso no afectará la flotabilidad de las microesferas. Pintar o poner fibra de vidrio en el exterior de la parte sintáctica reducirá sustancialmente el potencial de absorción de agua.

Puedes intentarlo por poco dinero. Polymer Composites (Ontario, CA) vende un kit de 1,5 lb/1 galón, con instrucciones y videos de capacitación.

En lugar de encerrar las microesferas de vidrio en epoxi duro, es posible suspenderlas en aceite, llenar el espacio intersticial con un fluido de flotabilidad positiva y luego usar esa mezcla para llenar una botella de polietileno de plástico blando. Las microesferas huecas son flotantes, el aceite es flotante (el aceite mineral tiene una gravedad específica de alrededor de 0,88). No hay posibilidad de inclusiones, cualquier aire capturado se comprimirá hasta la nada. Todavía no lo he probado, pero parece que funcionará."El pequeño bañista"

Un joven estudiante francés, Jonah Royer, me ha escrito con algunas ideas en las que ha estado pensando. Estamos fabricando un módulo de aterrizaje pequeño con un flotador de arrastre, un contrapeso de 1 kg y un eje central. Una cámara GoPro en una carcasa es la carga útil. El lanzamiento es un Life Saver soluble, el peso de descenso/prescindible es un calcetín de algodón lleno de arena. Todas las partes están ahí, en el orden correcto. ¡IFREMER podría tener un prometedor en este joven! Figura 9. Le petit baigneur, el pequeño bañista, nombre de una popular película francesa de los años 60. Este pequeño módulo de aterrizaje es una herramienta de descubrimiento para un joven estudiante en el sur de Francia. Desde entonces, el mástil de la bandera ha obtenido su bandera.

Agradecimientos: Esta columna está pensada para servir a la comunidad oceánica a la manera de Make Magazine, las minicuadernos de ingeniería de Forrest Mims u otras comunidades de bricolaje. Espero que promueva el pensamiento creativo y la curiosidad por probar cosas nuevas, ya que me he beneficiado con el tiempo de los miembros de la comunidad marina que compartieron su experiencia y entusiasmo conmigo. De los primeros días en Benthos, Sam Raymond y Robert Catalano se destacan en mi memoria. Aprendí mucho trabajando con la TR-6000. Jim Teague, entonces en Emerson-Cuming/Grace Syntactics, que sabe todo sobre la espuma sintáctica, ha sido un gran amigo. Recuerdo un artículo de Cliff Goudey en MIT/WHOI, quien utilizó por primera vez flotadores de arrastre de plástico como carcasas para instrumentos en aguas poco profundas. Gerald Albich, entonces con Nautilus Marine Service en Alemania, a quien le intrigaba la idea de hacer sus esferas de vidrio Vitrovex con una pared un poco más gruesa para que fueran más profundas. El horizonte sigue llamándonos hacia adelante.