Le piattaforme di ricerca marine sono strumenti indispensabili per promuovere la nostra comprensione dell'oceanografia, della biologia marina, della scienza del clima e della geologia subacquea. Se sono grandi navi di ricerca mantenute, veicoli subacquei autonomi (AUV), o boe oceanografiche stazionarie, queste piattaforme devono mantenere una posizione precisa per eseguire misurazioni accurate, distribuire strumenti, o condurre esperimenti.

Cosa sono i Marine Thrusters?

I propulsori marittimi sono dispositivi di propulsione specializzati montati su navi, piattaforme e veicoli subacquei che producono spinta in direzioni diverse dall'asse anteriore primario. A differenza di un elica principale convenzionale che spinge solo un'imbarcazione avanti o asterno, i propulsori generano forze laterali (strade), verticali o vettoriali. Questa flessibilità direzionale consente una manovra precisa, berthing e, soprattutto, per le piattaforme di ricerca, di mantenimento costante di stazioni di navigazione senza la necessità per ancoraggio.

Tipi di Thrusters utilizzati sulle piattaforme di ricerca marine

Una vasta gamma di progetti di propulsori sono impiegati nella ricerca marina, offrendo vantaggi distinti a seconda delle dimensioni della piattaforma, della profondità operativa e dei requisiti di missione. I tipi più comunemente utilizzati includono propulsori azimut, propulsori a prua, propulsori a poppa, propulsori a poppa e a podded, inoltre, propulsori specializzati come i disegni a bordo e podded stanno guadagnando trazione per la loro efficienza e il rumore ridotto, critico per le misure acustiche sensibili.

Trasmettitori di Azimuth

I propulsori azimuth sono unità di propulsione sterili che possono ruotare a 360 gradi intorno ad un asse verticale. Questo permette al propulsore di dirigere la sua spinta in qualsiasi direzione, eliminando la necessità di un timone. I propulsori azimuth sono spesso montati in coppia, dando una nave straordinaria manovrabilità. Per piattaforme di ricerca che richiedono frequenti riposizionamento o posizione di tenuta sotto il cambiamento di direzione del vento e corrente, i propulsanti azimuth forniscono una risposta rapida e l'alta efficienza Rgrafica.

Trasmettitori di arco

I propulsori a prua sono tipicamente installati in un tunnel trasversale vicino alla parte anteriore di un vaso. La loro funzione principale è quella di fornire la forza laterale per spostare la curva lateralmente, che è essenziale per il preciso aggancio e la manutenzione della stazione.

Stern Thrusters

I propulsori Stern funzionano allo stesso modo per i propulsori a prua, ma si trovano alla poppa del vaso. Essi forniscono spinta laterale sul retro, contribuendo a controllare la coppia di sbavatura e controbilanciamento da propulsori a prua. In un sistema DP completo, una combinazione di propulsori a prua e poppa, spesso in un accordo di "twin-tunnel" - permette il controllo indipendente di spinta a poppa, sinterizzazione e di yaw.

Trasmettitori verticali e retrattili

Alcune piattaforme di ricerca, come piattaforme di strumenti galleggianti (FLIP) e sistemi di argano a mare profondo, richiedono una spinta verticale per contrastare i cambiamenti di galleggiamento o mantenere la profondità. I propulsori verticali (a volte chiamati “propulsori di asse verticale” o “propulsori di sollevamento Ocean”) indirizzano una colonna di acqua verso l’alto o verso il basso.

Trasmettitori a pedale e a pedale

I recenti progressi nel monitoraggio dei propulsori elettrici inondati, come il Kongsberg Azimuth Thruster[] e ABB Azipod], hanno migliorato l'efficienza e ridotto il rumore a bordo.

Come i trasmettitori abilitano la stazione di Precise-Keeping

La manutenzione della piattaforma di ricerca marittima è fondamentalmente un problema di controllo: la piattaforma deve continuamente stimare la sua posizione e l'orientamento rispetto a un punto o una traccia desiderato, misurare le forze disturbanti da vento, onde e correnti, e applicare spinta correttiva per annullare tali disturbi. Questo è ottenuto attraverso sistemi di posizionamento dinamico (DP), che integrano sensori di posizione (GPS, beacon acustici, sistemi di spinta inerziale), sensori ambientali (velocità/di, propulsione a rete, propulsione a binariote, velocità del sistema di direzione, radar).

Sistemi di posizionamento dinamico (DPS)

La maggior parte dei moderni sistemi di ricerca possono essere utilizzati in base agli standard DP Class 2 o Classe 3, che forniscono ridondanza contro un singolo punto di guasto. In DP, i propulsori possono essere utilizzati in modalità manuale, joystick, auto-heading o auto-position. Durante un'operazione scientifica critica, ad esempio, abbassando un veicolo azionato da remoto (ROV) a un punto di scarico idrotermico, il sistema DP tiene la nave entro pochi metri di spinta.

Le forze di sovratensione (fore-aft) sono generalmente controbilanciate dai principali propulsori azimutali di propulsione. Le forze di manovra (lato-lato) sono controbilanciate da propulsori trasversali (bow e stern). Yaw (rotation) è controllata da spinta differenziale da più unità di spinta.

Vantaggi della stazione di Thruster-Enhanced-Keeping per la ricerca marina

L'integrazione di propulsori ad alte prestazioni nelle piattaforme di ricerca marine offre diversi vantaggi significativi che migliorano direttamente la qualità e la portata del lavoro scientifico.

Maggiore stabilità per misure sensibili

Molti strumenti oceanografici, come rosette CTD, campioni d’acqua e cavalletti, si adattano al meglio quando la piattaforma ospitante rimane il più immobile possibile. Anche piccole deriva laterali possono causare cavi a tangle, introdurre il rumore in doppler acustici letture di profilo corrente (ADCP), o contaminare i nuclei sedimenti con materiale di superficie.

Evitazione di sicurezza e collisione migliorata

Nelle zone oceanografiche o nei pressi di impianti offshore (ad esempio, parchi eolici o piattaforme petrolifere), un peschereccio deve rimanere sicuro all'interno della sua zona designata. I trasmettitori consentono al peschereccio di “sperdere” senza passare in aree ristrette. Per piattaforme autonome come AUV, i propulsori consentono loro di tenere in posizione durante gli swap di batterie o di ridurre i dati.

Flessibilità operativa

Con i propulsori, una piattaforma di ricerca può riposizionare rapidamente senza aspettare correnti favorevoli o ancorare. Questa agilità è essenziale per il campionamento adattivo, ad esempio, seguendo una patch di plancton o una fioritura algala mentre si allontana. Molti moderni vasi di ricerca utilizzano DP per eseguire “linee di traccia dinamica” dove la nave segue un percorso predefinito a bassa velocità mentre i propulsori compensano la deriva trasversale causata da correnti di grandi pianali.

Riduzione dell'impatto ambientale

L'ancoraggio in ambienti bentonici sensibili (riefs, prati di seagrass o sfiati di mare) può causare danni significativi. I trasmettitori eliminano la necessità di ancoraggi, riducono il disturbo fisico al fondale. Inoltre, il funzionamento DP può essere più efficiente del carburante rispetto alla manovra costante con un timone, soprattutto quando le correnti sono moderate.

Sfide e limitazioni della stazione basata su trasmettitori

Nonostante i loro vantaggi, i propulsori non sono una panacea. Molte sfide limitano la loro efficacia, soprattutto in ambienti estremi o su piattaforme più piccole.

Consumo di energia e durata della batteria

I trasmettitori disegnano una notevole potenza elettrica, spesso il carico più grande sul generatore di un veicolo di ricerca. Mantenere la stazione contro le correnti forti può richiedere livelli di spinta elevati sostenuti, che esaurisce il carburante o le riserve di batteria rapidamente. Per i veicoli autonomi, la densità di energia rimane un fattore limitante; un piccolo AUV potrebbe avere solo abbastanza capacità della batteria per tenere la stazione per alcune ore.

Rumore e Vibrazione

I propulsori convenzionali, in particolare i tipi di tunnel, generano un notevole rumore e vibrazioni subacquee che possono interferire con strumenti acustici (ad esempio, soffietti multifascio, profilatori sub-bottom) e disturbare la vita marina. Gli scienziati che studiano il comportamento del pesce o la comunicazione della balena devono ridurre il rumore del propulsore.

Condizioni ambientali

In condizioni di tempesta, anche i più potenti sistemi DP potrebbero non tenere posizione, costringendo le operazioni di scienza a mettere in pausa. I trasmettitori hanno anche limitazioni di profondità; per il lavoro di mare profondo, la spinta prodotta vicino alla superficie può essere meno efficace se la piattaforma è lunga e ha una significativa area di freeboard per carichi di vento.

Manutenzione e Affidabilità

La manutenzione regolare è essenziale per evitare il fallimento durante le missioni critiche. Un propulsore bloccato o un motore di spinta soffiato può degradare le prestazioni del DP o causare la perdita di posizione. Redundancy (propulsori multipli e sottosistemi del computer DP) aiuta a mitigare questo, ma aumenta i costi e la complessità.

Studi sui casi e applicazioni reali

L'importanza pratica dei propulsori nella ricerca marina è meglio illustrata attraverso esempi reali che spaziano da diversi tipi di piattaforma e discipline scientifiche.

R/V Falkor e l'esplorazione profonda

Il gruppo di ricerca dell’Istituto Oceano Falkor] (ora sostituito dal Falkor (too)) è dotato di due azimutatori da 1,400 kW e di un propulsore di prua. Il suo sistema DP permette di mantenere la posizione sui campi di sfiato idrotermico a profondità superiori a 3,000 metri.

Piattaforme autonome: Saildrone e Wave Gliders

Piattaforme più piccole come il Saildrone e il Liquid Robotics Wave Glider usano una combinazione di propulsione eolica e di piccoli propulsori (spesso propulsori elettrici) per la manutenzione della stazione. Questi veicoli superficiali non trainati (USV) possono mantenere la posizione vicino a caratteristiche oceanografiche focalizzate (ad esempio, il bordo di un eddy) per settimane in fine.

Piattaforme di strumenti di galleggiamento (FLIP)

Il FLIP della Marina Militare (piattaforma degli strumenti di galleggiamento) è un unico veicolo di ricerca che può "flipare" da orizzontale a verticale, affondando la maggior parte del suo scafo sottomarina per stabilità. FLIP originariamente utilizzato solo un timone e un elica per il transito, ma in seguito retrofit con piccoli propulsori elettrici azimutati per un posizionamento fine quando in modalità verticale.

Programma di perforazione e perforazione dell'oceano

I vessilli come la risoluzione JOIDES (ora in pensione) e il Chikyu hanno usato sistemi DP con propulsori multipli per mantenere la posizione mentre perforano il fondale per recuperare i nuclei sedimenti e rocciosi. Il Chikyu, gestito dall'Agenzia Giappone per la Scienza e la Tecnologia della Terra Marine (JAMSTEC), utilizza sei propulsori (due azimuth e quattro tunnel) per tenere la posizione entro 1 metro mentre perforazione in profondità di precisione superando 2500 metri.

Sviluppo e tendenze future

L'evoluzione della tecnologia del propulsore è strettamente legata alle tendenze più ampie della robotica marina, dell'energia rinnovabile e della navigazione autonoma.

Sistemi di propulsione elettrici e ibridi

I propulsori elettrici con motori magneti permanenti ad alta efficienza stanno diventando standard, offrono un controllo preciso della coppia, una bassa firma acustica e la capacità di recuperare energia attraverso una frenata rigenerativa.

Controllo artificiale e predittivo

Invece di reagire alla deriva, i sistemi AI possono anticipare gruppi d'onda o di raffiche e propulsori di preposizione per annullare le forze prima di spostare la piattaforma. Le prime prove di Kongsberg e dell'Università di Southampton hanno mostrato fino al 30% di riduzione dell'attività del propulsore e del consumo di carburante, mantenendo l'accuratezza della posizione.

Integrazione energetica rinnovabile

I pannelli solari, le turbine eoliche e i convertitori di energia ad onda sono stati testati su piattaforme di ricerca per fornire potenza supplementare per i propulsori. Una piattaforma autonoma SAIL (Solar-Assisted Long-Endurance) potrebbe raccogliere energia durante i periodi di sole e utilizzarla per ricaricare le batterie, quindi impiegare propulsori per la manutenzione della stazione di notte.

Trasmettitori per Piccole Piattaforme

I propulsori miniaturizzati, compresi i propulsori microazimuth e le unità a bordo, sono stati sviluppati per gli alianti subacquei autonomi e per i piccoli AUV. Questi propulsori permettono ai veicoli di salire e tenere la posizione durante le ispezioni ravvicinate delle strutture subacquee o durante il campionamento delle colonne d'acqua.

Acustica Silenzio e Stealth

La ricerca marina si concentra sempre più sugli effetti del rumore antropogenico, i produttori di propulsori progettano unità più silenziose. La Delft University of Technology e la Rolls-Royce (oggi Kongsberg) hanno sviluppato condotti ugelli “serrati” e lame di elica scheggiate che riducono la cavitazione e il rumore tonale.

Conclusioni

I traslochi hanno rivoluzionato il modo in cui operano le piattaforme di ricerca marine, trasformandole da navi derivate in strumenti di precisione che possono tenere la posizione contro le forze inesorabili dell'oceano.Dai propulsori azimut e prurito su navi di grandi dimensioni a micro-fiori sui veicoli autonomi, questi dispositivi forniscono la manovrabilità e la stabilità necessarie per condurre la scienza oceanografica innovativa. L'integrazione di sistemi di posizionamento dinamico con avanzati di propulstori di propulsori ha permesso ai ricercatori