Laboratorio de aterrizaje n.° 3: flotabilidad

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

17 de mayo de 2022

Hay una emoción agradable 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. Aun así, somos conscientes de los riesgos. Davy Jones es un alma astuta y trata de conservar lo que codicia. Mirando hacia abajo, el módulo de aterrizaje se disuelve en fragmentos parpadeantes de color que se desvanecen hasta el azul. Y se ha ido. Uno imagina el ambiente seco y seguro dentro de la esfera de mando superior. Los relojes están corriendo. A medida que el módulo de aterrizaje desciende hacia el fondo marino, el océano exterior cambia a tonos más oscuros de violeta y luego negro.

Un regreso seguro depende del principio de 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 pesa más que un volumen igual de agua de mar, se hunde. Si es más ligero, flota. Así bajamos y volvemos a subir. Un peso de descenso hace que el módulo de aterrizaje tenga una flotabilidad negativa y se hunda. La liberación del peso hace que el módulo de aterrizaje flote positivamente y flote. El peso del fluido desplazado puede variar según la salinidad, la temperatura y la profundidad. Sorprendentemente, un vehículo puede ganar flotabilidad a medida que se adentra más.

Nos esforzamos por hacer que el vehículo sea lo suficientemente fuerte para trabajar, pero lo suficientemente liviano en el aire para ser manejado por 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. Resta la mitad de la flotabilidad de la esfera superior, ya que esa parte estará sobre el agua cuando se recupere. El resto es la flotación disponible para todo lo demás.

Hay tres estados de flotabilidad de materiales y componentes: positivo, negativo y neutro. Podemos combinarlos para resolver los problemas de flotación y 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 utilizamos HDPE para la flotación, pero resta cero al presupuesto de flotabilidad. La mayoría de los plásticos no son propensos a la corrosión, aunque algunos son higroscópicos y absorben cierto porcentaje de agua con el tiempo. Una gran referencia es el texto de Steven Dexter, “Handbook of Oceanographic Engineering Materials”. 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 sobre 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 crece, se vuelve más caro y difícil de manejar. Puedes sentir cuando la espiral del diseño gira en la dirección equivocada. Un módulo de aterrizaje debe tener medios para agregar flotabilidad positiva y negativa. Al igual que una boya, la parte del módulo de aterrizaje por encima de la línea de flotación después del ascenso no debe superar el 20% de la longitud total. Reclino el vehículo hasta que solo la mitad de la esfera superior esté fuera del agua.

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

Estabilidad: Una regla de diseño simple: flotación alta, peso bajo. Esto proporciona al vehículo su estabilidad en el descenso, en el suelo, en el ascenso y en la superficie. Recordemos 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 esté orgullosa sobre el vehículo en la superficie. La parte del módulo de aterrizaje fuera del agua ahora tiene un peso negativo levantado por el vehículo desde abajo. Demasiado 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 la de un planeador o un AUV, ya que la separación entre el 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, con un área frontal proyectada mínima en la dirección de viaje que causa resistencia. La gran longitud vertical mejora la estabilidad intrínseca del módulo de aterrizaje en todos los modos de operación.

Flotabilidad auxiliar: Se trata de cápsulas de flotación laterales que se añaden para aumentar la flotabilidad neta positiva 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 los módulos laterales debajo de la línea central de la esfera superior. Esto ayuda a levantar el hemisferio superior fuera del agua para recuperarse. 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 igual medida a cada lado.

Los módulos laterales auxiliares también brindan espacio para baterías adicionales para luces o instrumentos 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 pasa por 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 contrapesos para equilibrarlos según sea necesario. Un transductor de 2 libras en un lado tiene un peso de ajuste de 2 libras en el otro lado. Demasiado peso en un lado inclinará el módulo de aterrizaje y forzará un ángulo de planeo lejos 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 quiere terminar: el ancla de descenso desaparecida y el módulo de aterrizaje flotando erguido y estable en la superficie, con la bandera en alto y la esfera superior medio fuera del agua. Una prueba de inmersión en la popa del barco antes de abandonar el muelle es un mejor lugar para encontrar un problema que estar 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 deben verse o ser vistas. Esto limita la cantidad de peso que debe levantarse por encima de la línea de flotación durante 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. Un tablero de liberación acústica o un temporizador de cuenta regresiva con sus baterías también podrían estar en una esfera más abajo en la pila, con solo el transductor colocado en una posición sin obstáculos para ver hacia arriba. También podría ocupar una de las esferas en uno de los Auxiliary Side Pods.

• Dimensionamiento del peso de descenso: Se añaden 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 de 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.

Como alternativa, para calcular el peso del aire de un ancla de hierro con un peso de agua deseado: Peso del aire del ancla de hierro deseado = Peso del agua del ancla de hierro deseado x (7,9/(7,9-1,03)), o aproximadamente: Peso del aire del ancla de hierro deseado = Hierro deseado peso del agua del ancla x 8/7

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

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

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

Carpeta de tres anillas de peso del aire/peso del agua: para facilitar la flexibilidad de las operaciones y la planificación de misiones futuras, algunos equipos marítimos registran las mediciones de los pesos del aire y del agua de los componentes en una carpeta de tres anillas para consultarla al reconfigurar un módulo de aterrizaje. Esto ayuda a calcular el presupuesto de flotabilidad y también es útil para la planificación de operaciones de envío y a bordo.Materiales de flotación

Si bien los aceites de petróleo eran el principal material de flotación en años anteriores, como para los batiscafos, hoy en día los aceites se utilizan principalmente para aplicaciones de presión equilibrada de petróleo (PBOF). Dependiendo de la profundidad, existen 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 poliestireno encogidos, pero eso solo muestra el pobre módulo de volumen de la espuma de poliestireno.

Espumas de poliuretano rígidas de celda cerrada: General Plastics (Tacoma, WA) ofrece espumas rígidas de grado marino en una variedad de densidades y clasificaciones de profundidad, diseñadas para sistemas de flotabilidad submarinos de aguas poco profundas a medias. Las densidades varían 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 mecanizar, recubrir y pintar, es dimensionalmente estable y compatible con muchos tipos de adhesivos. Figura 4. La espuma de poliuretano rígida de celda cerrada es dimensionalmente estable y fácil de mecanizar, con algunas densidades clasificadas para 1200 pies de profundidad. (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 aplicaciones de vehículos submarinos cercanos a 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 esféricas, algunas son esferas simples, mientras que otras tienen un paso central (las esferas de 8" tienen un orificio central de ¾"), mientras que otras tienen accesorios de "orejas" 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. (Foto cortesía de Niels Martin Lundsgaard, Atlantic Floats.) Global Ocean Design también ha convertido flotadores de arrastre en alojamientos para instrumentos y cámaras. Figura 6. Un flotador de arrastre de 10 pulgadas modificado para que sirva como alojamiento para una cámara. Una ranura para junta tórica forma el sello en el ecuador de la esfera. Los conectores están en la parte trasera. (Foto de Kevin Hardy)Vaso: Nautilus Marine Service (Buxtehude, Alemania) , amplia oferta de productos de tamaño y profundidad nominal de hasta 12 km, en borosilicato y BK-5. McLane Labs (East Falmouth, MA) tiene un inventario de esferas de borosilicato de 12” tanto para flotación como para 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 y 17 pulgadas) con rangos de profundidad de 4 -12km. El programa de aterrizaje Edokko Mark-1 de JAMSTEC utiliza su vidrio. Figura 7. Esferas de vidrio de precisión de Nautilus Marine Service. (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 perforar e incluso pulir para convertirlo en una carcasa para una cámara. La unión al vidrio con adhesivos se realiza fácilmente. Los soportes 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, Nueva Jersey). 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 incorpora 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 resistencia a la compresión. Si bien las esferas flotan, el epoxi no. 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. Lleno de un 30% de microesferas, un bloque sintáctico tiene una gravedad específica de 0,85.

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

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, verter libremente 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 funden las piezas, dejan que las microesferas floten hasta la parte superior, las dejan curar, luego dan la vuelta a 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 recubrir con fibra de vidrio el exterior de la parte sintáctica reducirá sustancialmente el potencial de absorción de agua.

Puedes probarlo por poco dinero. Polymer Composites (Ontario, CA) vende un kit de 1,5 libras/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 líquido que flota positivamente y luego usar esa mezcla para llenar una botella de polietileno de plástico blando. Las microesferas huecas flotan, el aceite flota (el aceite mineral tiene un peso específico de aproximadamente 0,88). No hay posibilidad de inclusiones, el aire capturado se comprimirá hasta reducirlo a nada. No lo he probado todavía, 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 utilizando un flotador de arrastre, un contrapeso de 1 kg y un eje central. La carga útil es una cámara GoPro en una carcasa. El lanzamiento es un salvavidas soluble, el peso de descenso/prescindible es un calcetín de algodón lleno de arena. Todas las piezas 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 obtuvo su bandera.

Agradecimientos: Esta columna está destinada a servir a la comunidad oceánica a la manera de Make Magazine, los minicuadernos de ingenieros de Forrest Mims u otras comunidades de bricolaje. Espero que promueva el pensamiento creativo y la curiosidad por probar cosas nuevas, ya que con el tiempo me he beneficiado de los miembros de la comunidad marina que compartieron su experiencia y entusiasmo conmigo. De mis primeros días en Benthos, Sam Raymond y Robert Catalano destacan en mi memoria. Aprendí mucho trabajando con la TR-6000. Jim Teague, entonces en Emerson-Cuming/Grace Syntactics, que sabe todo lo que hay 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 plástico para redes de arrastre como alojamientos para instrumentos en aguas poco profundas. Gerald Albich, entonces con Nautilus Marine Service en Alemania, estaba intrigado por la idea de hacer sus esferas de vidrio Vitrovex con una pared un poco más gruesa para que pudieran llegar más profundo. El horizonte sigue llamándonos hacia adelante.