Landerlabor Nr. 3: Auftrieb

Kevin Hardy gründete Global Ocean Design nach einer Karriere bei Scripps...

17. Mai 2022

Es herrscht eine angenehme Aufregung, wenn ein Ozeanlander losgelassen wird, um die Tiefsee zu erkunden. Die Checklisten und endlosen Tests laufen alle auf diesen Moment hinaus. Unser Optimismus ist groß, denn nichts davon ist neu. Dennoch sind wir uns der Risiken bewusst. Davy Jones ist eine schlaue Seele und versucht zu behalten, was er begehrt. Beim Blick nach unten löst sich der Lander in flackernde Farbfetzen auf, die zu Blau verblassen. Und es ist weg. Man stellt sich die trockene und sichere Umgebung innerhalb der obersten Kommandosphäre vor. Die Uhren laufen. Während das Landegerät in Richtung Meeresboden absinkt, verfärbt sich der Ozean draußen in dunklere Violetttöne und dann in Schwarz.

Eine sichere Rückkehr beruht auf dem Prinzip der Auftriebskraft von Archimedes: Jedes in eine Flüssigkeit eingetauchte Objekt erhält Auftrieb durch eine Kraft, die dem Gewicht der verdrängten Flüssigkeit entspricht. Wenn unser Fahrzeug schwerer ist als ein gleiches Volumen Meerwasser, sinkt es. Wenn es leichter ist, schwimmt es. So gehen wir runter und wieder hoch. Ein Sinkgewicht verleiht dem Lander einen negativen Auftrieb und er sinkt. Durch die Freigabe des Gewichts erhält der Lander einen positiven Auftrieb und er schwimmt. Das Gewicht der verdrängten Flüssigkeit kann je nach Salzgehalt, Temperatur und Tiefe variieren. Überraschenderweise kann ein Fahrzeug tatsächlich an Auftrieb gewinnen, wenn es tiefer fährt.

Wir streben danach, das Fahrzeug stark genug zu machen, um zu funktionieren, aber leicht genug in der Luft, um von einer kleinen Besatzung an Deck gesteuert zu werden. Es ist die Eleganz des Designs. Wir haben ein strenges Auftriebsbudget und Strategien, um innerhalb dieses Budgets zu bleiben.

Das Auftriebsbudget bezieht sich auf die Menge an Auftrieb, die zum Heben des Landers mit Nutzlast zur Verfügung steht. Ziehen Sie die Hälfte des Auftriebs der oberen Kugel ab, da sich dieser Teil bei der Bergung über Wasser befindet. Der Rest ist der Flotation, der für alles andere zur Verfügung steht.

Es gibt drei Auftriebszustände von Materialien und Komponenten: positiv, negativ und neutral. Wir können diese kombinieren, um sowohl die Flotations- als auch die Stabilitätsprobleme zu lösen.

Spezifisches Gewicht: Eine der ersten Techniken, um innerhalb des Auftriebsbudgets zu bleiben, ist die Verwendung eines Materials, das aufgrund seines spezifischen Gewichts, seiner Festigkeit und seines Kompressionsmoduls ausgewählt wird. Wenn alle Bedingungen gleich sind, wählen Sie das leichtere Material. Beispiel: Glasfaser (FRP) hat ein spezifisches Gewicht von 1,7, während Aluminium 2,7 hat. Stahl hat einen Wert von etwa 8. Blei hat einen Wert von 11,3. HDPE in Marinequalität ist 0,96, was bedeutet, dass es schwimmt. Wir verwenden kein HDPE für den Auftrieb, aber es subtrahiert Null vom Auftriebsbudget. Die meisten Kunststoffe neigen nicht zur Korrosion, einige sind jedoch hygroskopisch und nehmen mit der Zeit einen gewissen Prozentsatz an Wasser auf. Eine gute Referenz ist Steven Dexters Text „Handbook of Oceanographic Engineering Materials“. Eine frühere Kopie ist kostenlos über WHOI erhältlich.

Design-Tipp: Subtrahieren Sie das Luftgewicht vom Auftriebsvermögen eines Gegenstands, der sich in einem versiegelten Druckbehälter befindet. Subtrahieren Sie das Wassergewicht eines auf dem Rahmen platzierten und dem Meer ausgesetzten Objekts.

Größenaufbereitung: Es ist möglich, dass der positive Auftrieb zu groß ist. Das erfordert einen viel größeren Anker und einen schwereren Rahmen, um all das zu halten. Je größer ein Fahrzeug wird, desto teurer und unhandlicher wird es. Sie können spüren, wenn sich die Designspirale in die falsche Richtung dreht. Ein Lander sollte über Mittel verfügen, um positiven und negativen Auftrieb zu erzeugen. Wie bei einer Spierenboje sollte der Teil des Landers, der nach dem Aufstieg über der Wasserlinie liegt, nicht mehr als 20 % der Gesamtlänge betragen. Ich trimme das Fahrzeug so, dass nur die Hälfte der oberen Kugel außerhalb des Wassers liegt.

Abbildung 2. Ein Global Ocean Design Alpha Lander schwimmt mit der oberen Hälfte außerhalb des Wassers. Der Rest des 8-Fuß-Landers befindet sich sicher unter Wasser. (Foto von Kevin Hardy)

Stabilität: Eine einfache Designregel: Auftrieb hoch, Gewicht niedrig. Dies verleiht dem Fahrzeug Stabilität beim Abstieg, am Boden, beim Aufstieg und an der Oberfläche. Denken Sie daran, dass wir bei der Rückkehr des Landers zur Oberfläche die Hälfte der oberen Kugel aus dem Wasser haben wollen. Dadurch können unsere Satellitenbaken den Himmel sehen, der Blitz ist gut sichtbar und unsere Flagge steht stolz über dem Fahrzeug an der Oberfläche. Der Teil des Landers, der sich außerhalb des Wassers befindet, wird nun durch das Negativgewicht von unten vom Fahrzeug angehoben. Wird der Lander zu stark aus dem Wasser gehoben, kann er sich in einen Baumstamm verwandeln, der horizontal schwimmt.

Die Stabilität eines Landers ist einfacher festzustellen als bei einem Segelflugzeug oder einem AUV, da der Abstand zwischen dem Auftriebsschwerpunkt und dem Schwerpunkt beträchtlich sein kann. Der Lander kann hoch und schlank sein, wie eine Spierenboje, mit minimaler frontaler projizierter Fläche in Fahrtrichtung, die einen Widerstand verursacht. Die große vertikale Länge erhöht die Eigenstabilität des Landers in allen Betriebsmodi.

Hilfsauftrieb: Hierbei handelt es sich um seitlich angebrachte Schwimmkapseln, die den Nettoauftrieb für schwere Nutzlasten erhöhen. Diese werden auf beiden Seiten in gleichem Maße hinzugefügt, um einen gleichmäßigen Beschnitt zu gewährleisten. In unseren Landern platzieren wir die Oberseite der Seitenkästen unterhalb der Mittellinie der oberen Kugel. Dies hilft dabei, die obere Hemisphäre zur Erholung aus dem Wasser zu heben. Wir müssen die Flotation in minimalen Schritten der vorhandenen Kugeln hinzufügen. Wenn das zu viel Auftrieb bringt und der Lander zu hoch im Wasser sitzt, bringen wir am Boden zusätzliches Gegengewicht an, ebenfalls in gleichem Maße auf jeder Seite.

Zusätzliche Seitenkästen bieten außerdem Platz für zusätzliche Batterien für Lichter oder Instrumente von Forschungskollegen, die mit Ihrem Lander mitfahren. Durch die Platzierung der Pods an den Seiten verringert sich auch die Höhe unter dem A-Rahmen, falls dies eine Rolle spielt.

• Trimmen: Eine Symmetrieachse verläuft von oben nach unten durch die Mittellinie des Landers. Die Mittellinie weist den Weg zum Meeresboden und zur Meeresoberfläche. Verteilen Sie positiven und negativen Auftrieb gleichmäßig um diese Achse. Positionieren Sie die Trimmgewichte nach Bedarf, um sie auszubalancieren. Ein 2-Pfund-Schwinger auf der einen Seite erhält auf der anderen Seite ein 2-Pfund-Trimmgewicht. Zu viel Gewicht auf einer Seite führt dazu, dass der Lander umkippt und einen Gleitwinkel vom Abwurfpunkt weg nach unten und nach hinten in eine unbestimmte Himmelsrichtung erzwingt. Wir werden Wiederherstellungsbeacons in einer anderen Ausgabe besprechen.

• Wasserschwimmtest: Beginnen Sie dort, wo Sie enden möchten: Der Abstiegsanker ist weg und der Lander schwimmt aufrecht und stabil auf der Oberfläche, die Flagge hoch und die obere Kugel halb aus dem Wasser. Ein Dunk-Test vom Heck des Bootes aus, bevor Sie das Dock verlassen, ist ein besserer Ort, um ein Problem zu finden, als an der Station, wo sich alle an Deck befinden und das Wetterfenster geschlossen ist.

• Ein Design-Tipp: Halten Sie die obere Halbkugel der oberen Kugel so leer wie möglich. Beschränken Sie den Inhalt auf Wiederherstellungs-Beacons, die gesehen oder gesehen werden müssen. Dadurch wird die Menge an Gewicht begrenzt, die bei der Bergung über die Wasserlinie gehoben werden muss. Wenn schwerere Elemente erforderlich sind, beispielsweise ein akustisches Auslösesystem, platzieren Sie diese Teile im unteren Teil der oberen Kugel. Eine akustische Auslöseplatine oder ein Countdown-Timer-Auslöser mit ihren Batterien könnte sich auch in einer Kugel weiter unten im Stapel befinden, wobei nur der Wandler an einer ungehinderten Position angebracht wäre, um nach oben sehen zu können. Es könnte auch eine der Kugeln in einem der Auxiliary Side Pods besetzen.

• Dimensionierung des Abstiegsgewichts: Feste Gegengewichte aus Blei oder Stahl werden hinzugefügt, um die obere Hälfte der oberen Kugel außerhalb des Wassers zu positionieren. Das Wassergewicht des Abstiegsgewichts, meist ein Stapel eiserner Hantelgewichte, entspricht ungefähr dem positiven Auftrieb der gesamten oberen Kugel.

Das Wassergewicht eines festen Materials wird wie folgt berechnet: Wassergewicht = Materialgewicht x ((Materialspezifisches Gewicht – 1,03)/(Materialspezifisches Gewicht).

Wenn Eisen ein spezifisches Gewicht von 7,9 und Meerwasser ein spezifisches Gewicht von 1,03 hat, wiegt ein 10 Pfund schwerer Eisenanker in der Luft unter Wasser 8,7 Pfund.

Um alternativ das Luftgewicht eines Eisenankers mit einem gewünschten Wassergewicht zu berechnen: Gewünschtes Luftgewicht des Eisenankers = Gewünschtes Wassergewicht des Eisenankers x (7,9/(7,9-1,03)), oder ungefähr: Gewünschtes Luftgewicht des Eisenankers = Gewünschtes Eisen Ankerwassergewicht x 8/7

Wenn also ein gewünschtes Wassergewicht des Eisenankers 10 Pfund beträgt: 10 Pfund (Wassergewicht) = 10 Pfund x (8/7) = 11,4 Pfund Luftgewichte

Dadurch wird der Lander mit der gleichen Kraft auf den Meeresboden gezogen, die er auch beim Wiederauftauchen haben wird. Eine erste Näherung: Eine 10-Zoll-Kugel hat ein positives Gewicht von 9 Pfund, daher sollte ein Abstiegsgewicht aus Eisen mit einem Luftgewicht von mindestens 11,5 Pfund ausreichen, wenn sich die Hälfte der oberen 10-Zoll-Kugel über Wasser befindet. Eine 13-Zoll-Kugel hat ein positives Gewicht von 24 Pfund. Ein Abstiegsgewicht aus Eisen mit einem Luftgewicht von mindestens 28,5 Pfund sollte ausreichen, wenn sich die Hälfte der oberen 13-Zoll-Kugel außerhalb des Wassers befindet. Eine 17-Zoll-Kugel hat ein positives Gewicht von 57 Pfund. Ein 65-Pfund-Abstiegsgewicht aus Eisen mit Luftgewicht sollte ausreichen, wenn sich die Hälfte der oberen 17-Zoll-Kugel außerhalb des Wassers befindet. Bei Verdacht auf Bodenströmungen könnte ein zusätzliches Gewicht von 20 % hinzugefügt werden, um zu verhindern, dass der Lander über den Meeresboden hüpft.

Wir haben im MTR vom Januar 2022 über Eisenzementanker gesprochen, die billig und schwer sind und Stahlstanzteile für den groben Kies in einer Betonmischung verwenden. Sie müssen die Luftgewichts-/Wassergewichtsmessung selbst durchführen, um zu bestimmen, welches spezifische Gewicht Sie erhalten. Da es sich um eine Mischung aus Zement und Eisen handelt, werden Sie wahrscheinlich auf etwa 5 stoßen, also etwa doppelt so dicht wie reiner Beton.

Luftgewicht/Wassergewicht-Drei-Ring-Ordner: Um die Flexibilität des Betriebs und die zukünftige Missionsplanung zu erleichtern, zeichnen einige Seeteams Messungen der Luft- und Wassergewichtskomponenten in einem Drei-Ring-Ordner auf, um sie bei der Neukonfiguration eines Landers zu verwenden. Dies hilft bei der Durchsicht des Auftriebsbudgets und ist auch für die Schifffahrt und die Planung des Bordbetriebs nützlich.Flotationsmaterialien

Während in früheren Jahren Erdöl das primäre Flotationsmaterial war, beispielsweise für Bathyscaphes, werden Öle heute hauptsächlich für PBOF-Anwendungen (Pressure Balanced Oil Filed) verwendet. Abhängig von der Tiefe sind mehrere aktuelle Materialoptionen zu berücksichtigen.

Der Kompressionsmodul des Materials, also seine Fähigkeit, einer Volumenänderung unter Druck zu widerstehen, ist ein wichtiges Merkmal. Wir alle lieben die geschrumpften Styroporbecher, aber das zeigt nur den schlechten Kompressionsmodul von Styropor.

Geschlossenzellige Polyurethan-Hartschaumstoffe: General Plastics (Tacoma, WA) bietet Hartschaumstoffe in Marinequalität in verschiedenen Dichten und Tiefenklassen an, die für Unterwasserauftriebssysteme in flachem bis mittlerem Wasser entwickelt wurden. Die Dichten reichen von 12 lbs/ft3 bei einer Testtiefe von 300 Fuß (92 m) bis zu 25 lbs/ft3 bei einer maximalen Testtiefe von 1.200 Fuß (366 m). Das Material weist eine hohe Schlagfestigkeit auf und ist biologisch inert. Standardblattgrößen sind 10“ x 24“ x 100“ und 14“ x 18“ x 100“. Das Material lässt sich leicht bearbeiten, beschichten und lackieren, ist formstabil und mit vielen Arten von Klebstoffen kompatibel. Abbildung 4. Geschlossenzelliger Polyurethan-Hartschaum ist formstabil und leicht zu bearbeiten, wobei einige Dichten für eine Tiefe von 1200 Fuß ausgelegt sind. (Foto mit freundlicher Genehmigung von General Plastics)

Der äußere Rand des Festlandsockels ist auf 200 Meter (660 Fuß) definiert, sodass diese Hartschäume durchaus ihren Platz in küstennahen Unterwasserfahrzeuganwendungen haben.

Schleppnetz-Posen: Atlantic Floats (Vordingborg, Dänemark) (US-Vertrieb: Trawlworks, (Narragansett, Rhode Island)) werden in vielen Ausführungen, Größen und Tiefenklassen hergestellt. Das Material ist spritzgegossenes, thermisch verschmolzenes, glasfaserverstärktes Polyamid (Nylon). Die meisten sind kugelförmig, einige sind einfache Kugeln, während andere einen Durchgang in der Mitte haben (die 8-Zoll-Kugeln haben ein ¾-Zoll-Mittelloch), während andere „Ösen“-Aufsätze haben, die wie durchbohrte Ohren aussehen. Die Arbeitstiefen reichen von 400 bis 2.000 m (1.312 bis 6.560 Fuß), mit einem Auftrieb von 1,9 bis 38,7 Pfund (840 bis 17,60 kg).

Abbildung 5. Schleppnetzschwimmer gibt es in verschiedenen Größen, Formen, Farben und Tiefenklassen. (Foto mit freundlicher Genehmigung von Niels Martin Lundsgaard, Atlantic Floats.)Global Ocean Design hat auch Schleppnetzschwimmer in Instrumenten- und Kameragehäuse umgewandelt. Abbildung 6. Ein 10-Zoll-Schleppnetzschwimmer, der so modifiziert wurde, dass er als Kameragehäuse dient. Eine O-Ring-Nut sorgt für die Abdichtung am Äquator der Kugel. Anschlüsse befinden sich auf der Rückseite. (Foto von Kevin Hardy)Glas: Nautilus Marine Service (Buxtehude, Deutschland) , breites Produktangebot von Größen und Tiefen bis 12 km, in Borosilikat und BK-5. McLane Labs (East Falmouth, MA) verfügt über einen Bestand an 12-Zoll-Borosilikatkugeln für Flotations- und Instrumentengehäuse. Okamoto Glass Co (Kashiwa, Chiba, Japan) https://ogc-jp.com/en/productinfo/glassball/ stellt eine Reihe von Glaskugeln (10 Zoll, 13 Zoll, 17 Zoll) mit Tiefenbereichen von 4 her -12km. Das Edokko Mark-1-Landerprogramm von JAMSTEC nutzt ihr Glas. Abbildung 7. Präzisionsglaskugeln von Nautilus Marine Service. (Foto mit freundlicher Genehmigung von Steffen Pausch, Nautilus Marine Service)

Glas bietet eine hohe Druckfestigkeit, lässt sich leicht aus leicht erhältlichen Materialien formen und kann zu einem Kameragehäuse gebohrt und sogar poliert werden. Die Verklebung mit Klebstoffen auf Glas ist problemlos möglich. Gerätehalterungen können intern oder extern erfolgen und bieten einige Designoptionen. Es wird noch an der Herstellung eines Metallflansches gearbeitet, der die fein polierten Glasdichtflächen schützt und eine O-Ring-Dichtung bietet. Zufällige Oberflächenabplatzungen können auf Eigenspannungen beim Guss- und Umformvorgang zurückzuführen sein. Gummipuffer über der polierten Glaskante sind bei geöffneter Kugel von entscheidender Bedeutung, um unbeabsichtigte Schäden durch Stöße auf das Glas zu verhindern.Syntaktischer Schaum: Engineered Syntactic Systems (Attleboro, MA), Trelleborg/Eccofloat (Boston, MA), DeepWater Buoyancy, (Biddeford, ME) < >, SynFoam (Livingston, NJ). Abbildung 8. Beispiele für verschiedene Zusammensetzungen von syntaktischem Schaum. Größere Kugeln bieten mehr Auftrieb, haben aber Tiefenbeschränkungen. Das Material ist für die Anwendung formuliert. (Foto mit freundlicher Genehmigung von Noel Tessier, Engineered Syntactic Systems)

Syntaktischer Schaum bettet hohle Glasmikrokugeln in eine starre Epoxidmatrix ein. Dies ermöglicht die Bearbeitung einer bestimmten Form. Die Mikrokügelchen haben Durchmesser von 10 bis 300 Mikrometern und sorgen für die Druckfestigkeit. Während die Kugeln schwimmfähig sind, ist das Epoxidharz nicht schwimmfähig. Eine 1-mm-Kugel in einem 1-mm-Würfel nimmt 0,52 mm3 Volumen ein. Der verbleibende Zwischenraum von 0,48 mm3 ist mit Epoxidharz gefüllt. Es hat ein spezifisches Gewicht von 1,1. Ein mit 30 % Mikrokügelchen gefüllter syntaktischer Block hat ein spezifisches Gewicht von 0,85.

Makroballons können verwendet werden, um das Gewicht zu reduzieren und die Zwischenbereiche mit immer kleineren Mikrokügelchen zu füllen, allerdings auf Kosten einer geringeren Tiefenbewertung.

Syntaktische Schäume können aufgrund der Glasmikrokugelfüllstoffe zu übermäßigem Verschleiß der Bearbeitungswerkzeuge führen. Staubkontrolle ist wichtig. Das Mischen einer zu großen Menge syntaktischen Materials ist eine Herausforderung, da das Harz exotherm ist und so heiß werden kann, dass der Block bricht.

Wie bei dickem Kuchenteig kann es beim freien Ausgießen des dicken Harzes zu Lufteinschlüssen kommen, die in der Tiefe ein Problem darstellen können. Vakuumentgasung ist eine Technik, mit der dies kontrolliert werden kann.

Um die Anzahl der Mikrokügelchen in einer Struktur zu maximieren, gießen einige Unternehmen die Teile, lassen die Mikrokügelchen nach oben schwimmen, lassen sie aushärten, drehen das Teil dann um und entfernen die harzreiche Schicht maschinell.

Das Harz ist hygroskopisch und nimmt mit der Zeit Feuchtigkeit auf. Der Auftrieb der Mikrokügelchen wird dadurch nicht beeinträchtigt. Durch Lackieren oder Glasfasern auf der Außenseite des syntaktischen Teils wird die Möglichkeit einer Wasseraufnahme erheblich verringert.

Sie können es für wenig Geld ausprobieren. Polymer Composites (Ontario, CA) verkauft ein 1,5-Pfund/1-Gallonen-Kit mit Anleitungen und Schulungsvideos.

Anstatt Glasmikrokugeln in hartem Epoxidharz einzuschließen, könnte es möglich sein, sie in Öl zu suspendieren, den Zwischenraum mit einer positiv schwimmenden Flüssigkeit zu füllen und diese Mischung dann zum Befüllen einer Flasche aus weichem Polyethylen aus Kunststoff zu verwenden. Die Mikrohohlkugeln sind schwimmfähig, das Öl ist schwimmfähig (Mineralöl hat ein spezifisches Gewicht von etwa 0,88). Einschlüsse sind ausgeschlossen, eventuell eingeschlossene Luft wird zu Null komprimiert. Ich habe das noch nicht ausprobiert, aber es scheint, als würde es funktionieren.„Der kleine Badegast“

Ein junger französischer Student, Jonah Royer, hat mir einige Ideen geschrieben, über die er nachgedacht hat. Wir bauen einen kleinen Lander mit einem Schleppnetzschwimmer, einem 1-kg-Gegengewicht und einer Mittelwelle. Als Nutzlast dient eine GoPro-Kamera in einem Gehäuse. Der Auslöser ist ein auflösbarer Lebensretter, das Abstiegs-/Verbrauchsgewicht ist eine Baumwollsocke voller Sand. Alle Teile sind vorhanden, in der richtigen Reihenfolge. IFREMER könnte mit diesem jungen Kerl einen Nachwuchs haben! Abbildung 9. Le petit baigneur, der kleine Badegast, ein Name aus einem beliebten französischen Film aus den 1960er Jahren. Dieser kleine Lander ist ein Entdeckungsinstrument für einen jungen Studenten in Südfrankreich. Der Fahnenmast hat inzwischen seine Fahne bekommen.

Danksagungen: Diese Kolumne soll der Meeresgemeinschaft in der Art des Make Magazine, der Engineer's Mini-Notebooks von Forrest Mims oder anderer DIY-Gemeinschaften dienen. Ich hoffe, dass es kreatives Denken und die Neugier, neue Dinge auszuprobieren, fördert, da ich im Laufe der Zeit von Mitgliedern der Meeresgemeinschaft profitiert habe, die ihr Fachwissen und ihre Begeisterung mit mir geteilt haben. Aus früheren Tagen bei Benthos sind mir Sam Raymond und Robert Catalano besonders in Erinnerung geblieben. Ich habe bei der Arbeit mit dem TR-6000 so viel gelernt. Jim Teague, damals bei Emerson-Cuming/Grace Syntactics, der alles über syntaktischen Schaum weiß, war ein großartiger Freund. Ich erinnere mich an einen Aufsatz von Cliff Goudey am MIT/WHOI, der als erster Kunststoff-Schleppnetzschwimmer als Gehäuse für Flachwasserinstrumente verwendete. Gerald Albich, damals beim Nautilus Marine Service in Deutschland, war fasziniert von der Idee, seine Vitrovex-Glaskugeln mit einer etwas dickeren Wand herzustellen, damit sie tiefer gehen. Der Horizont ruft uns immer weiter.