¿Moby Dick o Octubre Rojo?
El Wave Glider de tres metros en forma de diamante es algo así como una tabla de surf, en parte un kayak. Flota en la superficie del océano y utiliza la energía de las olas y el sol para su movimiento y sistema de suministro de energía híbrido, mientras que durante largos viajes el dispositivo recopila y procesa datos.
Por un largo historia La humanidad marinera ha encontrado varias formas de extraer energía del medio ambiente y reponer sus escasas reservas a bordo para aumentar el rango de navegación y descubrir nuevas tierras, aunque a veces con un resultado trágico.
Durante miles de años, las velas, los remos y la fuerza muscular siguieron siendo tecnologías de navegación vitales, y solo relativamente recientemente llegaron a ayudarnos, apareció un motor de combustión interna, seguido de energía nuclear, que cambió radicalmente la naturaleza de la navegación. Sin embargo, los modernos planeadores submarinos y de superficie no tripulados (planeador), utilizan el cambio en la flotabilidad y la energía de las olas, respectivamente, para moverse a bajas velocidades durante muchos meses. Esto permite a la humanidad resolver muchos problemas urgentes, obteniendo información y datos utilizando herramientas previamente inaccesibles. Si bien las tecnologías de movimiento de movimiento debido a la energía de las olas y los cambios en la flotabilidad se han utilizado durante muchos años, todavía son poco conocidas y bastante inusuales para el público en general, por lo que vale la pena dar una breve descripción de los principios de su trabajo antes de emprender el estudio de plataformas individuales y las tareas que realizan.
Flotabilidad para el movimiento.
El planeador flotante es un vehículo submarino autónomo (AUV) que se mueve bajo la acción de cambios alternativos en la flotabilidad residual utilizando el llamado módulo de cambios en la flotabilidad residual, el análogo de una burbuja de pez. El cambio en la flotabilidad hace que el aparato suba o baje en la columna de agua, mientras que el vector de elevación de ala hace que el aparato se mueva lenta y económicamente (la regla de oro es la mitad de un vatio por medio nodo [0,9 km / h]) para avanzar en la trayectoria del diente de sierra. Aunque algunos de ellos están equipados con timones de dirección hidrodinámicos, a menudo la dirección se realiza simplemente moviendo un compartimiento de batería pesado: de lado a lado para crear el ángulo de giro deseado, y de un lado a otro para cambiar la inclinación del vehículo en el plano longitudinal.
La carga útil normalmente incluye sensores CTD (Conductividad, Temperatura y Profundidad; Salinidad del agua, Temperatura y Profundidad), cuyos datos de salida se envían a los llamados perfiles de velocidad del sonido SSP (Perfil de velocidad del sonido), que son gráficos que aumentan la velocidad del sonido local. Profundidad relativa. Esto le permite obtener información muy valiosa para calcular los parámetros de los sonares utilizados por otras plataformas para combatir submarinos y minas. Los planeadores submarinos que usan flotadores de elevación están limitados principalmente a los sistemas de comunicación de baja velocidad de datos, incluidos los módems acústicos y los canales de satélite. A intervalos regulares, salen a la superficie para descargar datos para la tarea, datos de servicio y recibir nuevas instrucciones utilizando su antena de comunicaciones por satélite.
Los dispositivos Wave Glider de Liquid Robotics están listos para su implementación. Estos planeadores de ola confiables realizan varias tareas, incluyendo el trabajo como puerta de entrada entre los sistemas submarinos y el resto del mundo, utilizando módems acústicos y comunicaciones por satélite.
Todo el poder de las olas.
Un aparato de superficie controlado a distancia que utiliza energía de onda, o un planeador de onda, es un dispositivo especial para convertir la energía de onda en energía de traslación debido a los movimientos de aletas (alas) que giran libremente. Las Alas utilizan la energía de la ola que se aproxima y mueven la parte bajo el agua hacia adelante, que tira de la parte de la superficie hacia atrás.
Por ejemplo, el planeador de olas Wave Glider de la compañía Boeing / Liquid Robotics tiene una estructura de dos secciones. La tabla de surf, similar a una tabla de surf, con baterías de iones de litio y paneles solares está conectada al módulo de dirección bajo el agua con un cable de un metro 8. Las alas (conjunto de planos) del módulo, que giran libremente alrededor del eje horizontal, utilizando la energía de las ondas, hacen movimientos oscilatorios y dan a la parte de la superficie una velocidad del orden de 2 km / h. Además, el Wave Glider puede usar el dispositivo Thrudder, que es una combinación de un motor a reacción y un timón, que crea un empuje controlado adicional en mares muy bajos, tanto en la zona de calma ecuatorial como en corrientes muy fuertes. Si es necesario, Thrudder agrega aproximadamente la mitad de un nodo a la velocidad del planeador Wave Glider.
La máquina Seaglider se sumerge y comienza su misión. El kit de sensores incluye el perfilador de oxígeno Sea Bird y el reflectómetro de retrodispersión de fluorímetro óptico WET Labs. La frecuencia de muestreo puede variar según el sensor y la profundidad.
El origen de los planeadores flotantes.
Según Gerald Dispeyn de la Universidad de San Diego, el desarrollo activo de planeadores flotantes comenzó a principios de los 90, cuando la Administración de Investigación Marina de los EE. UU. Asignó fondos para esto. Añadió que estas plataformas, por ejemplo, el planeador Spray del Instituto Scripps de Oceanografía, Seaglider del Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad de Washington, y el planeador Slocum, originalmente desarrollado por el Instituto Oceanográfico Woods Hole, pueden ser implementadas manualmente por dos personas. Durante la última década, se han convertido en sistemas comunes de recolección de datos para las organizaciones federales y locales de los EE. UU., Como la Administración Nacional Oceanográfica y Atmosférica, así como la industria del petróleo y el gas. Actualmente, están equipados con una variedad de sensores de tamaño pequeño y sensores con bajo consumo de energía, así como computadoras pequeñas que utilizan algoritmos independientes que pueden tomar decisiones independientes basadas en la información recopilada por los sensores a bordo.
Según el representante de la Oficina de Meteorología Naval y Oceanografía, la principal aplicación marina de los planeadores flotantes es principalmente la oceanografía. El crecimiento en la popularidad de tales dispositivos en la última década se ha visto facilitado por el progreso en los sistemas de transmisión de datos en tiempo real, la miniaturización y expansión del rango del sensor y un aumento en la duración de la tarea. La Marina de los EE. UU. Tiene a su disposición la mayor flota de planeadores del mundo, más que los vehículos 100, producidos principalmente por Teledyne Marine.
Además del monitoreo oceánico con sensores de CTD (salinidad-temperatura-profundidad) que proporcionan estaciones hidroacústicas (GAS), el Departamento de Meteorología y Oceanografía Naval de los EE. UU. Utiliza planeadores para recopilar datos ambientales y mejorar su modelado para comprender mejor la estructura de los océanos y Asegurar las operaciones marinas. Un representante de la Oficina señaló: "Estamos abiertos a investigar cualquier uso de planeadores o sensores a bordo que puedan ayudar a mejorar la calidad del rendimiento de la tarea". Los planeadores deben ser muy eficientes energéticamente para mantener el rendimiento durante mucho tiempo, esto también se aplica a los sistemas de propulsión y al equipo a bordo. “Los sensores modernos a bordo consumen muy poca energía. El sistema de desplazamiento, que cambia la flotabilidad, siendo el principal consumidor de energía en el planeador, limita el número de inmersiones del aparato, que es capaz de realizar en una salida, continuó. “Los sistemas sensoriales para planeadores Slocum, que utilizamos en la oceanografía militar, son bastante efectivos. Esa alta eficiencia en la gestión de la energía permite el análisis de muestras tomadas a costos significativamente más bajos en comparación con los métodos tradicionales de muestreo desde el barco ". Dyspein señaló que la reducción del consumo de energía del planeador es, en general, una consecuencia de su lentitud. Señaló que para cualquier plataforma móvil, la cantidad de energía gastada por unidad de tiempo aumenta con el cubo de velocidad, teniendo en cuenta el entorno en el que se mueve esta plataforma. En otras palabras, duplicar la velocidad del vehículo submarino conlleva un aumento del consumo de energía de ocho veces. "El movimiento del planeador bajo el agua es muy eficiente, dado el consumo de energía por unidad de tiempo, porque se mueve con bastante lentitud en este entorno".
Una medida más relevante de la eficiencia de propulsión es la energía gastada por unidad de distancia recorrida, cuya cantidad depende directamente del coeficiente hidrodinámico. "El concepto de un ala volante maximiza este factor, por lo que los planeadores basados en ella consumen menos energía por distancia horizontal que cualquier otro planeador de tamaño comparable, moviéndose a una velocidad comparable". Un nuevo tipo de planeador, que utiliza estos principios, fue probado en condiciones reales. El “ala volante” del planeador es más grande y más rápido que las versiones anteriores, está optimizado para distancias más largas y tareas más largas. "Sus dimensiones mucho más grandes (la extensión del ala 6,1 del medidor) también hacen posible aumentar la eficiencia hidrodinámica, aumentar la velocidad, la carga objetivo y la carga útil".
El planeador Seaglider, desarrollado por el Laboratorio de Física Aplicada y su Escuela Oceanográfica, tiene una forma aerodinámica y alas de cola, que aumentan el rango de crucero, y una antena de satélite y un sensor CTD están instalados en la sección de cola
Acumulacion de energia
"Como en el caso de otros vehículos autónomos subacuáticos, el progreso en la acumulación y el consumo de energía promete aumentar la duración y el rango y proporcionar más energía a los sensores a bordo, aunque todavía hay mucho trabajo por hacer antes de que estén listos para la operación real", dijo Dan Radnik, profesor de la Universidad de California en San Diego, quien desarrolló el planeador Spray. - Por supuesto, se están desarrollando sistemas que utilizan fuentes de energía alternativas, por ejemplo, caídas de la temperatura del océano y baterías activadas por agua. No clasificaría a tecnólogos ya desarrollados ”. A su vez, Dispeyn dio un ejemplo de ceras de parafina con estados de fase variable, que se utilizaron con éxito para demostrar la capacidad de las plataformas con flotabilidad variable en ciertas condiciones para usar la temperatura que varía con la profundidad para el movimiento.
Recordó el trabajo conjunto de Scripps y el Laboratorio de Propulsión a Chorro para demostrar el trabajo del metro-boya sumergible, que navegó en el mar durante más de un año. Implementó un sistema de flotabilidad variable impulsado por un motor térmico, cuya tecnología fue desarrollada por el fundador de Webb Research (ahora parte de Teledyne Marine) Doug Webb mientras aún trabajaba en Woods Hole. "La madurez de esta tecnología puede demostrar la disponibilidad de tal planeador con un motor térmico en el mercado". Un punto importante a destacar son los materiales de transición de fase, que extraen energía de las diferencias de temperatura, como las ceras de parafina, que disminuyen su volumen durante la solidificación y se expanden cuando se funden, que es la dirección incorrecta para su uso directo como Propulsión flotante. “El motor debe aumentar el volumen del planeador cuando baja en su ciclo de buceo y reducirlo en la parte superior. Por lo tanto, el planeador térmico debe tener un sistema de almacenamiento de energía que pueda garantizar la disponibilidad de energía extraída de la transición de fase para el próximo semiciclo. Por ejemplo, esta energía de transición de fase podría usarse como energía adicional al cargar baterías a bordo ”.
Radnick explicó que, dependiendo del conjunto de sensores a bordo, el movimiento generalmente va del 60 al porcentaje de 70 del balance de energía de los planeadores desarrollados por la Universidad de California. "Es decir, nuestros sensores consumen menos electricidad (generalmente de 20 a 30 por ciento), pero a menudo determinan la duración del viaje, ya que los cambiamos con mayor frecuencia, mientras que la energía para el movimiento permanece constante". El porcentaje restante de aproximadamente 10 se destina a otros sistemas, incluidos computadoras, comunicaciones y navegación. La Universidad está estudiando las formas de acumular más energía en los planeadores, incluida la forma más fácil. “La forma más fácil de aumentar la capacidad de energía es hacer que los planeadores sean más grandes, que estudiamos. Otra forma es mejorar las baterías ”, agregó el profesor Radnik.
El diseño del planeador Spray muestra la ubicación de los módulos internos principales. Dos paquetes de baterías cambian el centro de gravedad, y los cilindros y la bomba en la sección de la cola cambian la flotabilidad
Defensa antisubmarina
El interés por los planeadores siempre ha sido más amplio que la oceanografía científica y, como señaló Dispane, con el comienzo de su transición a las flotas de combate, se espera que este segmento del mercado crezca. En noviembre de 2016, la Marina de los EE. UU. Anunció que estaba lista para desplegar planeadores desde sus destructores para dar flota Nuevas oportunidades. Después de pruebas exitosas en el Pacífico, el Comando de la Marina de los EE. UU. Aprobó el armamento de destructores de clase Arly Burke con uno o dos planeadores. APA proporcionará a los operadores de GAS en destructores datos en tiempo real. Lo más probable es que los datos provengan de sensores CTD y se utilizarán para actualizar los diagramas de "velocidad de profundidad de sonido" para calibrar el HAS en la superficie y en las plataformas aéreas.
Si bien su uso directo para detectar submarinos, por ejemplo, el uso de sonares pasivos, es obvio, esto no es de lo que la flota está hablando abiertamente. Sin embargo, están dispuestos a discutir actividades para la detección, seguimiento y estudio de otras entidades submarinas. Como explicó Dispeyn, "la Marina de los EE. UU. Está interesada en comprender mejor la distribución y el comportamiento de los mamíferos marinos, las especies en peligro de extinción y otras especies marinas para minimizar las consecuencias de sus actividades en el medio ambiente oceánico". Este es un desafío para los planeadores más nuevos y más grandes con sensores acústicos. Los planeadores autónomos de ala volante están equipados con antenas receptoras de sonar de elementos múltiples instaladas a lo largo del borde delantero del ala, así como sensores acústicos submarinos adicionales para escuchar en silencio y determinar la dirección de las fuentes de sonidos en el océano. Es decir, estos planeadores son adecuados para detectar, localizar y rastrear animales individuales que producen sonidos ".
Al rastrear un planeador de mamíferos marinos individuales, es necesario que el animal emita sonidos con bastante frecuencia, es decir, una cierta secuencia de sonidos que podría estar asociada con él. Solo entonces el planeador podrá determinar la dirección desde la cual viene cada llanto y trazar la ruta de movimiento para el animal deseado. “Si, por ejemplo, los sistemas de propulsión con hélices generan sonido continuamente, algunas especies de mamíferos marinos a menudo no emiten sonidos tan a menudo que pueden crear una ruta. Otras especies se congregan en grupos reducidos y emiten sonidos tan a menudo (por ejemplo, grupos de delfines) que es casi imposible rastrear a los individuos en un grupo ". Dispeyn notó que los planeadores de alas volantes pueden ser la única plataforma con suficiente carga útil capaz de transportar grandes conjuntos de antenas a bordo. Como alternativa, puede remolcar una antena de este tipo, pero existen dificultades adicionales. "El seguimiento de las poblaciones de mamíferos marinos que emiten gritos puede ser implementado por un grupo de planeadores distribuidos en el espacio, en los que cada planeador" escucha "y determina la presencia o ausencia de individuos específicos de interés".
Tareas
Los vehículos de superficie automáticos que usan energía de las olas, por ejemplo, el Wave Glider, brindan una vida útil más larga, ya que pueden recargar sus baterías con baterías solares y, a medida que flotan en la superficie, pueden mantenerse conectados constantemente y recibir coordenadas actualizadas del satélite de navegación global. Sistema de posicionamiento global. Liquid Robotics llama a su Wave Glider una "tecnología de transformación que puede ayudar a construir un océano digital", lo que implica que es ideal para funcionar como una puerta de enlace de comunicación desde el fondo marino al espacio exterior, permitiendo dispositivos sumergibles, como planeadores flotantes, equipados con acústica. Los módems, se comunican en cualquier lugar de los océanos sin la necesidad de ascender. Como se señaló en la compañía, “Somos parte de un sistema más grande de sistemas que conectan plataformas habitables y deshabitadas. Esta importante infraestructura es necesaria para ayudar a abrir el porcentaje de 95 del océano, que aún no se ha estudiado, y ayudar a resolver algunos de los problemas más complejos del mundo ".
Los planeadores Wave Glider, según lo informado por la compañía, pasaron más de 1,1 millones de millas náuticas (2,1 millones de kilómetros) al mar. A pesar de que estos dispositivos ya están bien establecidos, la compañía está activamente comprometida en su mejora. Esto se aplica a la potencia y la energía, los kits de sensores y las comunicaciones, la durabilidad y el software, con especial énfasis en la autonomía. La compañía Liquid Robotics argumenta que Wave Glider puede permanecer en el mar desde varios meses hasta un año, dependiendo de la tarea a realizar. Los factores limitantes son el ensuciamiento por organismos marinos o conchas del propio aparato y sus sensores, las olas del mar y la cantidad de energía solar disponible. Estos factores dependen en gran medida de la época del año en que se despliega el planeador, su ubicación y los tipos de sensores. El rápido crecimiento de conchas en el verano en el Golfo de México, por ejemplo, afecta el funcionamiento de los sensores hasta tal punto que es necesario limpiar los planeadores con regularidad. Este problema es resuelto por los operadores con la ayuda de un fluido especial, en el que se lavan los planeadores que los reemplazan; planeadores demasiado crecidos ir a casa para la limpieza.
La guerra antisubmarina, ya sea de conciencia situacional o de observación a largo plazo, consiste principalmente en tareas marítimas, que determinan la instalación de sensores meteorológicos y acústicos básicos. Al igual que otros desarrolladores de APA, Liquid Robotics y Boeing participan regularmente en ejercicios y experimentos de combate, por ejemplo, en el experimento UNMANNED WARRIOR, que tuvo lugar en la costa británica en la caída de 2016, durante la cual los planeadores Wave Glider demostraron sus capacidades en la lucha contra los submarinos: recolección y Distribución de datos de inteligencia geoespacial.
Bajo un acuerdo con CoMotion, el Centro de Innovación de la Universidad de Washington, Kongsberg desarrolla Seaglider, el planeador Oculus para aguas poco profundas y la variante Seaglider M-6
Estos vehículos también participaron en varios ejercicios sobre el desarrollo de la inteligencia geoespacial MASSMO (Sistemas Autónomos Marinos en Apoyo de las Observaciones Marinas), liderados por el Centro Oceanográfico Nacional Británico. Al realizar los ejercicios de MASSMO, recopilaron lo que la compañía describe como información valiosa y consistente sobre la temperatura del agua, las corrientes y otros fenómenos en condiciones marinas difíciles. "También demostramos cómo los datos de varios Wave Glider se pueden integrar en sistemas de terceros, por ejemplo, los que ofrece Boeing para simplificar las decisiones operativas".
Mirando hacia el futuro inmediato, en el Departamento de Meteorología Naval y Oceanografía de la Marina de los EE. UU. Espera que la dirección principal del desarrollo sea un aumento adicional en la duración de los planeadores y la expansión de la gama de sensores. “La información recopilada es muy útil para la flota, estos datos ayudan a construir modelos del océano. Las perspectivas para los planeadores en la flota son obvias, - dijo su representante. "Creo que la dirección más importante será la simplificación del trabajo con planeadores, su accesibilidad para no especialistas, lo cual es importante para aumentar el número de planeadores en las extensiones oceánicas". Los dispositivos autónomos de flotación y ola representan una tecnología joven con un gran potencial de investigación. Tecnología, a la que los submarinistas en el futuro serán tomados muy en serio.
Materiales utilizados:
www.shephardmedia.com
www.liquid-robotics.com
cuentos.kongsberg.com
robotrends.ru
www.whoi.edu
simrad.com
www.marinebuzz.com
www.wikipedia.org
en.wikipedia.org
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