Lander Lab n°3 : Flottabilité

Kevin Hardy a fondé Global Ocean Design après une carrière au Scripps...

17 mai 2022

Il y a une excitation agréable au goût lorsqu'un atterrisseur océanique est lâché pour explorer les profondeurs marines. Les listes de contrôle et les tests sans fin se résument tous à ce moment. Notre optimisme est grand car rien de tout cela n’est nouveau. Pourtant, nous sommes conscients des risques. Davy Jones est un être rusé et essaie de garder ce qu'il convoite. En regardant vers le bas, l'atterrisseur se dissout en morceaux de couleur scintillants qui virent au bleu. Et c'est parti. On imagine l’environnement sec et sûr à l’intérieur de la sphère de commandement supérieure. Les horloges tournent. À mesure que l'atterrisseur descend vers le fond marin, l'océan extérieur prend des teintes plus foncées de violet, puis de noir.

Un retour en toute sécurité repose sur le principe de force de poussée d'Archimède : tout objet immergé dans un fluide est soutenu par une force égale au poids du fluide déplacé. Si notre véhicule est plus lourd qu’un volume égal d’eau de mer, il coule. S'il est plus léger, il flotte. C'est ainsi que nous descendons et remontons. Un poids de descente rend l'atterrisseur avec une flottabilité négative et il coule. Le relâchement du poids rend l'atterrisseur positivement flottant et il flotte. Le poids du fluide déplacé peut varier en fonction de la salinité, de la température et de la profondeur. Étonnamment, un véhicule peut réellement gagner en flottabilité à mesure qu’il avance plus profondément.

Nous nous efforçons de rendre le véhicule suffisamment solide pour fonctionner, mais suffisamment léger dans l'air pour être géré par un petit équipage sur le pont. C'est l'élégance du design. Nous avons un budget de flottabilité strict avec lequel travailler et des stratégies pour le respecter.

Le budget de flottabilité fait référence à la quantité de flottaison disponible pour soulever l'atterrisseur avec la charge utile. Soustrayez la moitié de la flottabilité de la sphère supérieure, car cette partie sera au-dessus de l'eau lors de la récupération. Le reste est la flottation disponible pour tout le reste.

Il existe trois états de flottabilité pour les matériaux et les composants : positif, négatif et neutre. Nous pouvons les combiner pour résoudre à la fois les problèmes de flottaison et de stabilité.

Densité spécifique : L'une des premières techniques permettant de respecter le budget de flottabilité est l'utilisation d'un matériau sélectionné pour sa densité, sa résistance et son module de volume. Toutes choses étant égales par ailleurs, choisissez le matériau le plus léger. Par exemple : la fibre de verre (FRP) a une densité spécifique de 1,7, tandis que l'aluminium est de 2,7. L'acier est d'environ 8. Le plomb est de 11,3. Le PEHD de qualité marine est de 0,96, ce qui signifie qu'il flotte. Nous n'utilisons pas de PEHD pour la flottaison, mais cela ne soustrait aucun budget de flottabilité. La plupart des plastiques ne sont pas sujets à la corrosion, même si certains sont hygroscopiques et absorbent un certain pourcentage d'eau au fil du temps. Une excellente référence est le texte de Steven Dexter, « Handbook of Oceanographic Engineering Materials ». Une copie antérieure est disponible gratuitement via WHOI.

Astuce de conception : Soustrayez le poids de l'air du budget de flottabilité d'un article placé à l'intérieur d'un boîtier sous pression scellé. Soustrayez le poids de l'eau d'un objet placé sur le cadre et exposé à la mer.

Dimensionnement de la flottation : Il est possible d'avoir trop de flottabilité positive. Cela nécessite une ancre beaucoup plus grande et un cadre plus lourd pour contenir tout cela. À mesure qu’un véhicule grandit, il devient de plus en plus cher et encombrant. Vous pouvez sentir quand la spirale du design tourne dans la mauvaise direction. Un atterrisseur devrait avoir des moyens d'ajouter une flottabilité positive et négative. Comme pour une bouée à espar, la partie de l'atterrisseur au-dessus de la ligne de flottaison après la montée ne doit pas dépasser 20 % de la longueur totale. J'ajuste le véhicule sur seulement la moitié de la sphère supérieure pour qu'il soit hors de l'eau.

Figure 2. Un Alpha Lander de Global Ocean Design flotte avec sa sphère supérieure à moitié hors de l’eau. Le reste de l'atterrisseur de 8 pieds réside en toute sécurité sous l'eau. (Photo de Kevin Hardy)

La stabilité: Une règle de conception simple : flottaison élevée, poids faible. Cela confère au véhicule sa stabilité en descente, au fond, en montée et en surface. Rappelons que lorsque l'atterrisseur revient à la surface, nous souhaitons que la moitié de la sphère supérieure soit hors de l'eau. Ainsi, nos balises satellites peuvent voir le ciel, le stroboscope est clairement visible et notre drapeau se dresse fièrement au-dessus du véhicule à la surface. La partie de l'atterrisseur hors de l'eau représente désormais un poids négatif soulevé par le véhicule par le bas. Une trop grande partie de l'atterrisseur soulevée de l'eau peut transformer l'atterrisseur en une bûche flottant horizontalement.