착륙선 연구실 #3: 부력

Kevin Hardy는 Scripps에서 경력을 쌓은 후 Global Ocean Design을 설립했습니다.

2022년 5월 17일

심해를 탐험하기 위해 착륙선이 풀려날 때 기분 좋은 설렘이 있습니다. 체크리스트와 끝없는 테스트가 모두 이 순간으로 귀결됩니다. 이 모든 것이 새로운 것이 아니기 때문에 우리의 낙관론은 높습니다. 그럼에도 불구하고 우리는 위험을 알고 있습니다. 데비 존스는 교활한 영혼이며, 자신이 탐내는 것을 지키려고 노력합니다. 아래를 내려다보면 착륙선은 파란색으로 변하는 깜박이는 색상 조각으로 분해됩니다. 그리고 그것은 사라졌습니다. 최고 지휘권 내부의 건조하고 안전한 환경을 상상합니다. 시계가 작동하고 있습니다. 착륙선이 해저를 향해 하강함에 따라 바깥 바다는 더 어두운 보라색으로 변한 다음 검은색으로 변합니다.

안전한 귀환은 아르키메데스의 부력 원리에 달려 있습니다. 유체에 담긴 모든 물체는 대체된 유체의 무게와 동일한 힘으로 부력을 받습니다. 우리의 자동차가 같은 양의 바닷물보다 무거우면 가라앉습니다. 가벼우면 물에 뜬다. 이것이 우리가 내려갔다가 다시 올라오는 방법입니다. 하강 중량으로 인해 착륙선은 음의 부력을 갖게 되어 가라앉게 됩니다. 무게를 놓으면 착륙선이 양성 부력을 갖게 되어 떠 있게 됩니다. 밀려난 유체의 무게는 염도, 온도, 깊이에 따라 달라질 수 있습니다. 놀랍게도 차량은 더 깊이 이동할 때 실제로 부력을 얻을 수 있습니다.

우리는 차량을 작동할 수 있을 만큼 튼튼하면서도 공중에서는 갑판에 있는 소수의 승무원이 관리할 수 있을 만큼 가볍도록 만들기 위해 노력하고 있습니다. 디자인의 우아함입니다. 우리는 엄격한 부력 예산을 갖고 있으며, 그 범위 내에서 유지하기 위한 전략을 갖고 있습니다.

부력 예산은 탑재량으로 착륙선을 들어 올리는 데 사용할 수 있는 부력의 양을 나타냅니다. 상부 구의 부력의 절반을 뺍니다. 그 부분은 회복 시 물 위에 있기 때문입니다. 나머지는 다른 모든 것에 사용할 수 있는 부력입니다.

재료와 부품에는 양성, 음성, 중성의 세 가지 부력 상태가 있습니다. 우리는 이를 결합하여 부양 및 안정성 문제를 모두 해결할 수 있습니다.

비중: 부력 예산 범위 내에서 유지하는 첫 번째 기술 중 하나는 비중, 강도 및 체적 탄성률에 맞게 선택된 재료를 사용하는 것입니다. 모든 조건이 동일하다면 더 가벼운 소재를 선택하세요. 예를 들어, 유리섬유(FRP)의 비중은 1.7인 반면 알루미늄은 2.7입니다. 강철은 약 8. 납은 11.3입니다. 해양 등급 HDPE는 0.96으로, 이는 물에 뜬다는 의미입니다. 우리는 부양을 위해 HDPE를 사용하지 않지만 부력 예산에서 0을 뺍니다. 대부분의 플라스틱은 부식되기 쉽지 않지만 일부는 흡습성이 있어 시간이 지남에 따라 일정 비율의 물을 흡수합니다. 훌륭한 참고 자료는 Steven Dexter의 "해양 공학 재료 핸드북"입니다. 이전 사본은 WHOI를 통해 무료로 제공됩니다.

디자인 팁: 밀봉된 압력 케이스 안에 놓인 품목의 부력 예산에서 공기 중량을 뺍니다. 프레임 위에 올려져 바다에 노출된 물체의 물 무게를 뺍니다.

사이징 부양: 너무 많은 양의 부력을 갖는 것이 가능합니다. 이를 위해서는 훨씬 더 큰 앵커와 이를 모두 지탱할 수 있는 더 무거운 프레임이 필요합니다. 차량이 커질수록 가격도 비싸지고 다루기 힘들어집니다. 디자인 나선형이 잘못된 방향으로 회전하고 있음을 감지할 수 있습니다. 착륙선은 양의 부력과 음의 부력을 추가할 수 있는 수단을 가지고 있어야 합니다. 스파 부표와 마찬가지로 상승 후 수선 위의 착륙선 부분은 전체 길이의 20%를 넘지 않아야 합니다. 나는 물 밖으로 나오도록 상단 구형의 절반만 차량을 다듬습니다.

그림 2. 글로벌 오션 디자인 알파 착륙선은 위쪽 구의 절반이 물 밖으로 떠 있습니다. 8피트 착륙선의 나머지 부분은 안전하게 물 아래에 있습니다. (사진: 케빈 하디)

안정: 단순한 설계 규칙: 부력은 높고 무게는 낮습니다. 이는 하강, 바닥, 상승 및 표면에서 차량의 안정성을 제공합니다. 착륙선이 표면으로 돌아올 때 위쪽 구의 1/2이 물 밖으로 나와야 한다는 점을 기억하세요. 이는 우리의 위성 비콘이 하늘을 볼 수 있고, 스트로브가 선명하게 보이고, 우리의 깃발이 표면의 차량 위에 자랑스럽게 세워질 수 있도록 하기 위한 것입니다. 물 밖으로 나온 착륙선의 부분은 이제 차량이 아래에서 들어올린 음의 무게입니다. 착륙선이 물에서 너무 많이 들어올려지면 착륙선이 수평으로 떠다니는 통나무로 변할 수 있습니다.