Lander Lab #3: 浮力

Kevin Hardy は、Scripps でのキャリアを経て、Global Ocean Design を設立しました。

2022 年 5 月 17 日

海洋着陸船が深海を探索するために放たれるときは、心地よい興奮が漂います。 チェックリストと終わりのないテストはすべて、この瞬間に集約されます。 これらはどれも新しいものではないため、私たちは楽観的です。 それでも、私たちはリスクを認識しています。 デイビー・ジョーンズは狡猾な魂を持ち、自分が望むものを守ろうとします。 下を見ると、着陸船はちらつく色の破片に溶けて、青に消えていきます。 そしてそれはなくなってしまった。 最高司令部の内部は乾燥した安全な環境であることが想像できます。 時計は動いています。 着陸船が海底に向かって降下すると、外の海は紫の暗い色合いに変わり、次に黒に変わります。

安全な帰還はアルキメデスの浮力原理に依存します。つまり、流体に浸された物体は、押しのけられた流体の重量に等しい力によって浮き上がります。 車の重さが同体積の海水よりも重い場合、車は沈みます。 軽いと浮きます。 そうやって下っていき、また戻っていきます。 降下重量により着陸船は負の浮力になり、沈みます。 重りを解放すると、着陸船は確実に浮力を持ち、浮き上がります。移動した流体の重量は、塩分、温度、深さによって変化する可能性があります。 驚くべきことに、車両は実際に深く進むにつれて浮力を得ることができます。

私たちは、車両が機能するのに十分な強度を持ちながらも、空中では甲板上の少人数の乗組員が管理できるほど十分に軽い車両を作るよう努めています。 エレガントなデザインです。私たちには浮力の厳密な予算があり、その範囲内に収まるように戦略を立てています。

浮力バジェットは、ペイロードを積んだ着陸船を持ち上げるために利用できる浮力の量を指します。 回復時にその部分が水上になるため、上部球の浮力の半分を差し引きます。 残りは他のすべてに使用できる浮力です。

材料とコンポーネントには、正、負、中性の 3 つの浮力状態があります。 これらを組み合わせて、浮力と安定性の問題の両方を解決できます。

比重：浮力の範囲内に抑えるための最初の技術の 1 つは、比重、強度、体積弾性率を考慮して選択された材料を使用することです。 すべての条件が同じであれば、より軽い素材を選択してください。 たとえば、グラスファイバー (FRP) の比重は 1.7 ですが、アルミニウムの比重は 2.7 です。 鋼は約8、鉛は11.3です。 マリングレードの HDPE は 0.96 で、浮くことを意味します。 浮力には HDPE を使用しませんが、浮力予算からゼロが差し引かれます。 ほとんどのプラスチックは腐食しにくいですが、一部のプラスチックは吸湿性があり、時間の経過とともに数パーセントの水を吸収します。 非常に参考になるのは、Steven Dexter のテキスト「海洋工学材料ハンドブック」です。 以前のコピーは WHOI を通じて無料で入手できます。

デザインのヒント:密閉された圧力ケース内に置かれたアイテムの浮力予算から空気の重さを差し引きます。 フレームに載せて海にさらしたものの水の重さを差し引きます。

浮力のサイズ設定:正の浮力が大きすぎる可能性があります。 そのためには、はるかに大きなアンカーと、それらすべてを保持するためのより重いフレームが必要です。 車が大きくなるにつれて、価格も高くなり、扱いにくくなります。 デザインのスパイラルが間違った方向に回転していることを感知できます。 着陸船には、正および負の浮力を追加する手段が必要です。 円柱ブイと同様に、上昇後の水線より上の着陸船の部分は全長の 20% を超えてはなりません。 上部の球体の半分だけが水から出るように車両をトリムします。

図 2. Global Ocean Design のアルファ着陸船は、上部の球体半分が水面から出た状態で浮かんでいます。 8フィートの着陸船の残りは水面下に安全に保管されている。 (写真提供：ケビン・ハーディ)

安定性：シンプルな設計ルール: 浮力は高く、重量は低い。 これにより、降下時、底部、上昇時、および路面での車両の安定性が得られます。 着陸船が水面に戻るとき、上部の球体の 1/2 を水から出す必要があることを思い出してください。 これは、当社の衛星ビーコンが空を認識し、ストロボがはっきりと見えるようにするためであり、当社の旗が地表の車両の上に誇らしげに立っています。 着陸船の水から出た部分には、機体によって下から持ち上げられる負の重量がかかります。 着陸船を水から持ち上げすぎると、着陸船が丸太になって水平に浮いてしまう可能性があります。

着陸船は、浮力の中心と重心との距離がかなり離れているため、グライダーや AUV よりも安定性を確立するのが簡単です。 着陸船は円柱ブイのように背が高くて細く、抗力の原因となる進行方向の前面投影面積が最小限に抑えられています。 垂直方向の長さが長いため、あらゆる動作モードにおいて着陸船の本質的な安定性が向上します。

補助浮力:これらは、重いペイロードの正味の浮力を高めるために追加されたサイド浮力ポッドです。 均一なトリムを維持するために、これらは両側に同じ量で追加されます。 私たちの着陸船では、サイド ポッドの上部を上部球体の中心線よりも下に配置します。 これは、回復のために上半球を水から引き上げるのに役立ちます。 私たちが持っている球の最小限の増分で浮力を追加する必要があります。 それによって浮力が増えすぎて、着陸船が水中で高すぎる位置にある場合は、底部に追加のカウンターウェイトを追加します。これも両側に均等に追加します。

補助サイドポッドには、照明用の追加バッテリーや、着陸船に同乗する研究仲間の計器類を収納するスペースも提供されます。 考慮に入れれば、ポッドを側面に配置すると、A フレームの下の高さも低くなります。

• トリム:対称軸は着陸船の中心線を上から下まで通っています。 中心線は海底と海面への道を指します。 正と負の浮力をこの軸の周りに均一に分配します。 必要に応じてトリムウェイトを配置してバランスをとります。 片側に 2 ポンドのトランスデューサーがあり、反対側には 2 ポンドのトリムウェイトが取り付けられます。 片側の重量が大きすぎると、着陸船が傾き、滑空角度が落下点から下方向と後ろ方向に離れ、不定のコンパス方向に強制されます。 回復ビーコンについては別の号で説明します。

• 水浮きテスト:終了したい場所から開始します。降下アンカーはなくなり、着陸船は水面に直立して安定して浮かび、旗は高く、上部の球体は半分水面から出ています。 波止場を離れる前にボートの船尾からダンクテストを行うことは、全員がデッキにいて天気窓が閉まっているステーション内で問題を見つけるよりも優れた場所です。

• 設計のヒント:上部の球の上半球をできるだけ空にしておきます。 表示する必要がある、または見られる必要があるリカバリ ビーコンにコンテンツを制限します。 これにより、回復時に水線より上に持ち上げる必要がある重量が制限されます。 音響リリース システムなど、より重い要素が必要な場合は、それらの部品を上部球体の下部に配置します。 音響リリース ボードやバッテリ付きのカウントダウン タイマー リリースは、スタックのさらに下にある球体に配置することもでき、トランスデューサだけを遮るもののない位置に配置して、上方を見ることができます。 また、補助サイド ポッドの 1 つの球体の 1 つを占有することもできます。

• 下降重量のサイジング:鉛または鋼製の固定カウンターウェイトを追加して、上部の球体の上半分を水から出す位置に配置します。 下降ウェイトの水の重量は、鉄のバーベルウェイトを積み重ねたものであることがほとんどですが、上部の球体全体の正の浮力にほぼ等しいです。

固体材料の水の重量は、水の重量 = 材料の重量 x ((材料の比重 - 1.03)/(材料の比重) として計算されます。

鉄の比重が 7.9、海水の比重が 1.03 の場合、空中にある 10 ポンドの鉄のアンカーの重さは水中では 8.7 ポンドになります。

あるいは、望ましい水重量の鉄製アンカーの空気重量を計算するには、次のようにします。 望ましい鉄製アンカーの空気重量 = 望ましい鉄製アンカーの水の重量 x (7.9/(7.9-1.03))、または近似: 望ましい鉄製アンカーの空気重量 = 望ましい鉄アンカー水の重さ×8/7

したがって、必要な鉄アンカーの水の重量が 10 ポンドである場合、10 ポンド (水の重量) = 10 ポンド x (8/7) = 11.4 ポンドの空気重量

これにより、着陸船を海底に引っ張る力と、着陸船が戻ってくるときと同じ力が得られます。 最初の近似値: 10 インチの球体は正の 9 ポンドであるため、上部 10 インチの球体の半分が水上にある場合は、最低 11.5 ポンドの空気重量のアイアン降下ウェイトで十分です。 13 インチの球体は正の 24 ポンドです。 上部の 13 インチの球体の半分が水面から出ている場合は、最低 28.5 ポンドのエアウェイト アイアン デセント ウェイトがあれば十分です。17 インチの球体は 57 ポンドのプラスです。65 ポンドのエアウェイト アイアン デセント ウェイトで十分です。上部の 17 インチの球体の半分が水から出ている場合。 底流が疑われる場合は、着陸船が海底を飛び越えるのを防ぐために、さらに 20% の重量を加えることができます。

2022 年 1 月の MTR では、コンクリート混合物中の粗い砂利に鋼製スタンピングを使用した、安価で重いフェロセメント アンカーについて議論しました。 得られる比重を決定するには、空気重量と水重量の測定を自分で行う必要があります。 セメントと鉄の複合材料であるため、ストレートコンクリートの約2倍の密度である5程度の衝撃を受ける可能性があります。

空気重量/水重量の 3 リング バインダー: 運用の柔軟性と将来のミッション計画を容易にするために、一部の航海チームは、着陸船を再構成するときに参照するために、3 リング バインダーに空気重量と水重量の成分の測定値を記録します。 これは浮力の予算を消化するのに役立ち、輸送や船上での運用計画にも役立ちます。浮選材

以前は石油がバチスカーフなどの主要な浮選材料でしたが、現在では主に圧力平衡油膜（PBOF）用途に使用されています。 深さに応じて、考慮すべき現在の材料の選択肢がいくつかあります。

材料の体積弾性率、つまり圧力による体積の変化に耐える能力は重要な特性です。 私たちは皆、縮んだ発泡スチロールのカップが大好きですが、それは発泡スチロールの体積弾性率が低いことを示しているだけです。

クローズドセル硬質ポリウレタンフォーム: General Plastics (ワシントン州タコマ) は、浅瀬から中水域の海底浮力システム向けに設計された、さまざまな密度と深度定格の海洋グレードの硬質フォームを提供しています。 密度の範囲は、試験深度 300 フィート (92 m) の場合は 12 ポンド/平方フィート 3 で、最大試験深度 1,200 フィート (366 メートル) の場合は最大 25 ポンド/平方フィート 3 です。 この材料は耐衝撃性が高く、生物学的に不活性です。 標準のシート サイズは 10 インチ x 24 インチ x 100 インチ、および 14 インチ x 18 インチ x 100 インチです。 この材料は機械加工、コーティング、塗装が容易で、寸法安定性があり、多くの種類の接着剤と互換性があります。図 4. 独立気泡硬質ポリウレタン フォームは寸法安定性があり、機械加工が容易で、一部の密度は 1200 フィートの深さで評価されます。 （写真提供：ゼネラルプラスチックス）

大陸棚の外縁は 200 メートル (660 フィート) と定義されているため、これらの硬質フォームは沿岸の海底車両用途に適しています。

トロールフロート: Atlantic Floats (デンマーク、ヴォーディンボルグ) (米国販売代理店: Trawlworks (ロードアイランド州ナラガンセット)) は、さまざまなスタイル、サイズ、深さで製造されています。 材料は射出成形され、熱融着されたガラス繊維入りポリアミド (ナイロン) です。 ほとんどは球形で、一部は平面の球体ですが、中心が貫通しているもの (8 インチの球体には 3/4 インチの中心穴があります)、ピアスの耳に見える「ラグ」アタッチメントが付いているものもあります。 作業深度は 400 ～ 2,000 m (1,312 ～ 6,560 フィート) の範囲で、浮力は 1.9 ～ 38.7 ポンド (840 gms ～ 17.60 kg) の範囲です。

図 5. トロールフロートにはさまざまなサイズ、形状、色、深さの定格があります。 (写真提供: Niels Martin Lundsgaard、Atlantic Floats。)Global Ocean Design は、トロール フロートを機器やカメラのハウジングに組み込んでいます。図 6. カメラ ハウジングとして機能するように改造された 10 インチのトロール フロート。 O リングの溝が球の赤道にシールを形成します。 コネクタは裏側にあります。 (写真提供：ケビン・ハーディ)ガラス： Nautilus Marine Service (ドイツ、ブクステフーデ) では、ホウケイ酸塩と BK-5 で、サイズと深さ定格 12km までの幅広い製品を提供しています。 McLane Labs (マサチューセッツ州イースト ファルマス) には、浮遊選鉱と機器ハウジングの両方用の 12 インチのホウケイ酸球の在庫があります。岡本硝子株式会社 (千葉県柏市) https://ogc-jp.com/en/productinfo /glassball/ は、深さ範囲 4 ～ 12km の一連のガラス球 (10 インチ、13 インチ、17 インチ) を作成します。JAMSTEC の江戸っ子 Mark-1 着陸船プログラムは、そのガラスを利用しています。図 7. Nautilus Marine による精密ガラス球サービス (写真提供: Steffen Pausch、Nautilus Marine Service)

ガラスは優れた圧縮強度を備え、容易に入手できる材料で簡単に形成でき、穴を開けたり、研磨してカメラのハウジングにすることもできます。 ガラスへの接着は接着剤で簡単に行えます。 機器のマウントは内部または外部に行うことができ、設計上の選択肢がいくつかあります。 細かく磨かれたガラスのシール面を保護し、O リングでシールするための金属フランジを作成する作業がまだ行われています。 ランダムな表面剥離は、鋳造および成形操作の残留応力が原因である可能性があります。 研磨されたガラスのエッジを覆うゴム製バンパーは、球体が開いているときにガラスへの衝撃による不注意による損傷を防ぐために非常に重要です。シンタクティックフォーム: Engineered Syntactic Systems (マサチューセッツ州アトルボロ)、Trelleborg/Eccofloat (マサチューセッツ州ボストン)、DeepWater Buoyancy (メイン州ビデフォード)< >、SynFoam (ニュージャージー州リビングストン)。図 8. シンタクティックフォームのさまざまな組成の例。 球体が大きいほど浮力は大きくなりますが、深さに制限があります。 材料は用途に合わせて配合されています。 (写真提供: Engineered Syntactic Systems 社 Noel Tessier)

シンタクチックフォームは、中空のガラス微小球を硬質エポキシマトリックスに埋め込みます。 これにより、特定の形状に加工することが可能になります。 微小球の直径は 10 ～ 300 マイクロメートルの範囲であり、圧縮強度を提供します。 球体には浮力がありますが、エポキシには浮力がありません。 1mm 立方体の中に 1mm の球体が入ると、体積は 0.52mm3 になります。 残りの 0.48mm3 の隙間はエポキシで充填されます。 比重は1.1です。 30% のマイクロスフェアで満たされた構文ブロックの比重は 0.85 です。

マクロバルーンを使用して重量を削減し、隙間領域をますます小さなマイクロスフェアで満たすことができますが、その代償として深さの定格が低下します。

シンタクチックフォームは、ガラス微小球フィラーにより、加工ビットの過度の摩耗を引き起こす可能性があります。 ダストコントロールは重要です。レジンは発熱し、ブロックが割れるほど高温になる可能性があるため、大きすぎるシンタクティックの混合は困難です。

濃厚なケーキ生地と同様に、濃厚な樹脂を自由に流し込むと空気が混入する可能性があり、深いところでは問題が発生する可能性があります。 真空脱ガスはこれを制御するために使用される技術の 1 つです。

構造内の微小球を最大化するために、一部の企業は部品を鋳造し、微小球を上部に浮かせて硬化させ、その後部品を裏返し、樹脂が豊富な層を機械加工で除去します。

樹脂は吸湿性があり、時間の経過とともに湿気を吸収します。 それはマイクロスフィアの浮力には影響しません。 構文部分の外側をペイントまたはファイバーグラスでコーティングすると、吸水の可能性が大幅に減少します。

それほどお金をかけずに試してみることができます。 Polymer Composites (カリフォルニア州オンタリオ) は、説明書とトレーニング ビデオを備えた 1.5 ポンド/1 ガロンのキットを販売しています。

ガラス微小球を硬質エポキシで固定するのではなく、それらを油の中に浮遊させ、間隙を正の浮力のある流体で満たし、その混合物を使用して柔らかいプラスチックのポリエチレンボトルを満たすことができるかもしれない。 中空の微小球には浮力があり、油にも浮力があります (鉱物油の比重は約 0.88)。 内包物の可能性はなく、取り込まれた空気は圧縮されて無になります。 これはまだ試していませんが、うまくいきそうです。「小さな水浴び」

若いフランス人学生、ジョナ・ロワイエが、彼が考えてきたいくつかのアイデアを私に書いてくれました。 トロールフロート、1kgのカウンターウェイト、センターシャフトを使用して小型着陸船を製作しています。 ハウジング内の GoPro カメラがペイロードです。 リリースは溶解可能なライフセーバーで、降下/消耗品のウェイトは砂が詰まった綿の靴下です。 すべての部品が正しい順序でそこにあります。 IFREMER には、この若い男に新進気鋭の人物がいるかもしれません! 図 9. Le petit baigneur、小さな水浴びをする人、1960 年代の人気のフランス映画に登場する名前。 この小さな着陸船は、南フランスの若い学生にとって発見の道具です。 それ以来、旗のマストには旗が掲げられました。

謝辞:このコラムは、Make Magazine、Forrest Mims の Engineer's Mini-Notebooks、またはその他の DIY コミュニティのような形で、海洋コミュニティに貢献することを目的としています。 専門知識や熱意を分かち合ってくれた海洋コミュニティのメンバーから私は長い間恩恵を受けてきましたが、それが創造的思考と新しいことに挑戦する好奇心を促進することを願っています。 Benthos での初期の頃から、サム・レイモンドとロバート・カタラーノは私の記憶の中で際立っています。 TR-6000を使ってとても勉強になりました。 当時 Emerson-Cuming/Grace Syntactics にいた Jim Teague は、構文フォームについてすべてを知っており、素晴らしい友人でした。 私は、MIT/WHOI の Cliff Goudey による論文を思い出します。彼は、プラスチック製のトロールフロートを浅海の計器ハウジングとして初めて使用しました。 当時ドイツのノーチラス海洋サービスに勤務していたジェラルド・アルビックは、より深くまで届くように、少し厚い壁を持つビトロベックス ガラス球を作るというアイデアに興味をそそられました。 地平線は私たちを呼び続けます。