Lander Lab #3: Flutuabilidade

Kevin Hardy fundou a Global Ocean Design após uma carreira na Scripps...

17 de maio de 2022

Há uma empolgação palatável quando uma sonda oceânica é liberada para explorar o fundo do mar. As listas de verificação e testes intermináveis ​​se resumem a este momento. Nosso otimismo é alto porque nada disso é novo. Ainda assim, percebemos os riscos. Davy Jones é uma alma astuta e tenta manter o que cobiça. Olhando para baixo, a sonda se dissolve em fragmentos de cores que se desbotam para o azul. E se foi. Imagina-se o ambiente seco e seguro dentro da esfera de comando superior. Os relógios estão funcionando. À medida que a sonda desce em direção ao fundo do mar, o oceano lá fora muda para tons mais escuros de violeta, depois preto.

Um retorno seguro depende do princípio de força de empuxo de Arquimedes: qualquer objeto imerso em um fluido é impulsionado por uma força igual ao peso do fluido deslocado. Se nosso veículo for mais pesado que um volume igual de água do mar, ele afunda. Se for mais leve, flutua. É assim que descemos e voltamos a subir. Um peso de descida torna o lander negativamente flutuante e afunda. Liberar o peso torna o módulo de pouso positivamente flutuante e flutua. O peso do fluido deslocado pode variar com salinidade, temperatura e profundidade. Surpreendentemente, um veículo pode realmente ganhar flutuabilidade à medida que viaja mais fundo.

Nós nos esforçamos para tornar o veículo forte o suficiente para funcionar, mas leve o suficiente no ar para ser gerenciado por uma pequena equipe no convés. É a elegância do design. Temos um orçamento estrito de flutuabilidade para trabalhar e estratégias para ficar dentro dele.

O orçamento de flutuabilidade refere-se à quantidade de flutuação disponível para levantar o módulo de pouso com carga útil. Subtraia metade da flutuabilidade da esfera superior, pois essa parte estará acima da água na recuperação. O restante é a flutuação disponível para todo o resto.

Existem três estados de flutuabilidade de materiais e componentes: positivo, negativo e neutro. Podemos combiná-los para resolver os problemas de flutuação e estabilidade.

Gravidade Específica: Uma das primeiras técnicas para ficar dentro do orçamento de flutuabilidade é o uso de um material selecionado por sua gravidade específica, resistência e módulo de volume. Todas as coisas sendo iguais, selecione o material mais leve. Por exemplo: a fibra de vidro (FRP) tem uma gravidade específica de 1,7, enquanto o alumínio é de 2,7. O aço tem cerca de 8. O chumbo tem 11,3. O HDPE de grau marítimo é de 0,96, o que significa que flutua. Não usamos HDPE para flotação, mas subtrai zero do orçamento de flutuabilidade. A maioria dos plásticos não é propensa à corrosão, embora alguns sejam higroscópicos e absorvam uma certa porcentagem de água ao longo do tempo. Uma ótima referência é o texto de Steven Dexter, "Handbook of Oceanographic Engineering Materials". Uma cópia anterior está disponível gratuitamente através da WHOI.

Dica de projeto: Subtraia o peso do ar do orçamento de flutuabilidade de um item colocado dentro de uma caixa de pressão selada. Subtraia o peso da água de um objeto colocado na moldura e exposto ao mar.

Flotação de dimensionamento: É possível ter muita flutuabilidade positiva. Isso requer uma âncora muito maior e uma estrutura mais pesada para segurar tudo isso. À medida que um veículo fica maior, ele fica mais caro e pesado. Você pode sentir quando a espiral do design está girando na direção errada. Um lander deve ter meios para adicionar flutuabilidade positiva e negativa. Como uma bóia de mastro, a parte do módulo de pouso acima da linha d'água após a subida não deve ser superior a 20% do comprimento total. Ajusto o veículo para que apenas metade da esfera superior fique fora da água.

Figura 2. Um Alpha Lander da Global Ocean Design flutua com sua esfera superior metade fora da água. O restante do lander de 8 pés reside com segurança abaixo da água. (Foto por Kevin Hardy)

Estabilidade: Uma regra de projeto simples: alta flutuação, peso baixo. Isso fornece ao veículo sua estabilidade na descida, no fundo, na subida e na superfície. Lembre-se de que, quando o módulo de pouso retornar à superfície, queremos ter ½ da esfera superior fora da água. Isso é para que nossos faróis de satélite possam ver o céu, o estroboscópio seja claramente visível e nossa bandeira fique orgulhosamente acima do veículo na superfície. A parte do lander fora da água agora é o peso negativo levantado pelo veículo por baixo. Muito do lander levantado da água pode transformá-lo em um tronco, flutuando horizontalmente.