Lander Lab #3: Flutuabilidade

Kevin Hardy fundou a Global Ocean Design após uma carreira no Scripps...

17 de maio de 2022

Há uma excitação saborosa quando um lander oceânico é liberado para explorar o mar profundo. As listas de verificação e os testes intermináveis ​​chegam até 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 deseja. Olhando para baixo, o módulo de pouso se dissolve em fragmentos de cores tremeluzentes que 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 o módulo de pouso desce em direção ao fundo do mar, o oceano lá fora muda para tons mais escuros de violeta e depois preto.

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

Nós nos esforçamos para tornar o veículo forte o suficiente para funcionar, mas leve o suficiente no ar para ser gerenciado por uma pequena tripulação no convés. É a elegância do design. Temos um orçamento rígido e dinâmico para trabalhar e estratégias para permanecer dentro dele.

Orçamento de flutuabilidade refere-se à quantidade de flutuação disponível para içar 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 permanecer dentro do orçamento de flutuabilidade é a utilização de um material selecionado pela sua gravidade específica, resistência e módulo de volume. Se todas as coisas forem iguais, selecione o material mais leve. Por exemplo: a fibra de vidro (FRP) tem gravidade específica de 1,7, enquanto o alumínio tem 2,7. O aço tem cerca de 8. O chumbo tem 11,3. O HDPE de grau marinho é 0,96, o que significa que flutua. Não usamos HDPE para flutuação, mas isso subtrai zero do orçamento de flutuabilidade. A maioria dos plásticos não é propensa à corrosão, embora alguns sejam higroscópicos e absorvam alguma 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 do 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.

Dimensionamento da flutuação: 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 módulo de pouso deve ter meios para adicionar flutuabilidade positiva e negativa. Como uma bóia longarina, a parte do módulo de pouso acima da linha d'água após a subida não deve ultrapassar 20% do comprimento total. Eu preparo o veículo para que apenas metade da esfera superior fique fora da água.

Figura 2. Um Global Ocean Design Alpha Lander flutua com sua esfera superior metade fora da água. O restante do módulo de pouso de 2,5 metros reside com segurança abaixo da água. (Foto de Kevin Hardy)

Estabilidade: Uma regra de projeto simples: flutuação alta, peso baixo. Isto proporciona ao veículo estabilidade na descida, no fundo, na subida e na superfície. Lembre-se de que quando o módulo de pouso retornar à superfície, queremos ter metade da esfera superior fora da água. Isto ocorre 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 módulo de pouso fora da água agora tem peso negativo levantado pelo veículo por baixo. Muito do módulo de pouso retirado da água pode transformá-lo em um tronco, flutuando horizontalmente.