Лаборатория спускаемого модуля № 3: Плавучесть

Кевин Харди основал Global Ocean Design после карьеры в Scripps...

17 мая 2022 г.

Когда океанский посадочный модуль выпускается для исследования морских глубин, возникает приятное волнение. Контрольные списки и бесконечные тесты сводятся к этому моменту. Наш оптимизм высок, поскольку все это не ново. Тем не менее, мы осознаем риски. Дэви Джонс — хитрая душа, и он пытается сохранить то, чего жаждет. Глядя вниз, посадочный модуль растворяется в мерцающих цветных клочках, переходящих в синий. И все. Можно себе представить сухую и безопасную среду внутри сферы высшего командования. Часы идут. Когда посадочный модуль опускается к морскому дну, океан снаружи приобретает более темные оттенки фиолетового, а затем черного цвета.

Безопасное возвращение основано на принципе выталкивающей силы Архимеда: любой объект, погруженный в жидкость, поддерживается силой, равной весу вытесненной жидкости. Если наше транспортное средство тяжелее такого же объема морской воды, оно тонет. Если он легче, он плавает. Вот так мы спускаемся и снова поднимаемся. Спускаемый вес приводит к отрицательной плавучести посадочного модуля и он тонет. После сброса груза посадочный модуль приобретает положительную плавучесть, и он плавает. Вес вытесненной жидкости может меняться в зависимости от солености, температуры и глубины. Удивительно, но транспортное средство может набирать плавучесть по мере продвижения на большей глубине.

Мы стремимся сделать машину достаточно прочной для работы, но достаточно легкой в ​​воздухе, чтобы ею мог управлять небольшой экипаж на палубе. Это элегантность дизайна. У нас есть строгий бюджет плавучести и стратегии, позволяющие его придерживаться.

Бюджет плавучести относится к величине плавучести, доступной для подъема посадочного модуля с полезной нагрузкой. Вычтите половину плавучести верхней сферы, так как при подъеме эта часть окажется над водой. Остальное — это размещение, доступное для всего остального.

Существует три состояния плавучести материалов и компонентов: положительное, отрицательное и нейтральное. Мы можем объединить их для решения проблем плавучести и устойчивости.

Удельный вес: Одним из первых методов, позволяющих не выходить за пределы плавучести, является использование материала, выбранного по его удельному весу, прочности и объемному модулю. При прочих равных условиях выбирайте более легкий материал. Например: стекловолокно (FRP) имеет удельный вес 1,7, тогда как алюминий — 2,7. Сталь около 8. Свинец 11,3. Морской полиэтилен HDPE имеет плотность 0,96, что означает, что он плавает. Мы не используем HDPE для плавучести, но он уменьшает баланс плавучести на ноль. Большинство пластмасс не подвержены коррозии, хотя некоторые из них гигроскопичны и со временем впитывают некоторый процент воды. Отличным справочником является текст Стивена Декстера «Справочник по океанографическим инженерным материалам». Более ранняя копия доступна бесплатно через WHOI.

Совет по дизайну: Вычтите вес воздуха из запаса плавучести предмета, помещенного в герметичный герметичный корпус. Вычтите вес воды объекта, помещенного на раму и подвергнутого воздействию моря.

Калибровка флотации: Возможна слишком большая положительная плавучесть. Для этого потребуется якорь гораздо большего размера и более тяжелая рама, чтобы удержать все это. Чем больше автомобиль, тем он дороже и громоздче. Вы можете почувствовать, когда спираль дизайна поворачивает в неправильном направлении. Посадочный модуль должен иметь средства добавления положительной и отрицательной плавучести. Как и у лонжеронного буя, часть посадочного модуля над ватерлинией после всплытия должна составлять не более 20% общей длины. Я выравниваю машину так, чтобы только половина верхней сферы находилась над водой.

Рисунок 2. Альфа-посадочный модуль Global Ocean Design плавает, верхняя сфера которого наполовину находится над водой. Остальная часть 8-футового посадочного модуля находится в безопасности под водой. (Фото Кевина Харди)

Стабильность: Простое правило проектирования: плавучесть высокая, вес низкий. Это обеспечивает устойчивость автомобиля на спуске, на дне, на подъеме и на поверхности. Напомним, что когда посадочный модуль вернется на поверхность, мы хотим, чтобы ½ верхней сферы вышла из воды. Это сделано для того, чтобы наши спутниковые маяки видели небо, стробоскоп был хорошо виден, а наш флаг гордо возвышался над машиной на поверхности. Часть посадочного модуля, находящаяся над водой, теперь представляет собой отрицательный вес, поднятый аппаратом снизу. Слишком большая часть посадочного модуля, поднятая из воды, может превратить посадочный модуль в бревно, плавающее горизонтально.