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。