Vorige week, onderzoekers van Sandia National Laboratories vlogen met een vastgebonden ballon en een onbemand luchtsysteem, in de volksmond bekend als een drone, voor het eerst samen om arctische atmosferische temperaturen te krijgen met een betere locatiecontrole dan ooit tevoren. Naast het verstrekken van nauwkeurigere gegevens voor weer- en klimaatmodellen, het effectief kunnen exploiteren van UAS's in het Noordpoolgebied is belangrijk voor de nationale veiligheid.

"UAS's bedienen in de afstandsbediening, de ruwe omgevingen van het Noordpoolgebied zullen kansen bieden om de technologieën te verharden op manieren die direct overdraagbaar zijn naar de behoeften van de nationale veiligheid in termen van robuustheid en betrouwbaarheid, " zei Jon Salton, een Sandia-roboticamanager. "Uiteindelijk, het integreren van de gespecialiseerde operationele en detectiebehoeften die nodig zijn voor Arctisch onderzoek zal worden overgedragen naar een verscheidenheid aan nationale veiligheidsbehoeften."

Informatie over de temperatuur van de atmosfeer is van cruciaal belang voor het voorspellen van het weer, het monitoren van zwaar weer en het verbeteren van klimaatmodellen. In tegenstelling tot vastgebonden ballonnen of weerballonnen, UAS's hebben geen helium nodig, een niet-hernieuwbare hulpbron, en kan met minder voorbereiding van start gaan. Dus, ze kunnen worden gelanceerd vanaf meer afgelegen locaties. De meeste luchthavens verzamelen al twee keer per dag atmosferische temperatuurprofielen, maar overschakelen naar UAS's met gedistribueerde temperatuursensoren zou beter zijn omdat ze herbruikbaar zouden zijn en vaker zouden kunnen vliegen, zei Sandia atmosferische wetenschapper Dari Dexheimer.

Ballonnen kunnen uren vliegen, UAS kan naar precieze locaties vliegen

sinds 2015 Dexheimer heeft regelmatig vastgebonden ballonnen gevlogen vanuit Sandia's speciale Arctische luchtruim op Oliktok Point, het noordelijkste punt van de Prudhoe-baai in Alaska. Deze 13 meter hoge ballonnen dragen gedistribueerde temperatuursensoren om arctische atmosferische temperatuurprofielen te verzamelen, of de temperatuur van de lucht op verschillende hoogten boven de grond, onder andere atmosferische sensoren. De test eerder deze maand was de eerste keer dat Sandia een octocopter in de lucht boven Oliktok Point heeft gevlogen.

"Het UAS en de ballon vullen elkaar echt aan omdat het UAS een kortere vliegtijd heeft, maar het is veel ruimtelijker divers. De vastgebonden ballon kan lang opblijven, geeft je veel gegevens, maar het is niet gemakkelijk mobiel, " zei Dexheimer. De ballon wordt opgeblazen door de wind, tot de grens van de ketting, maar de UAS kan naar nauwkeurige GPS-coördinaten worden geleid.

Eerder deze zomer, Dexheimer en het UAS-vluchtteam, geleid door Diane Callow, testte de gezamenlijke UAS-ballonopstelling bij Sandia. Ze overwonnen een reeks technische uitdagingen, waaronder het uitzoeken hoe de vier voetbalveld lange gedistribueerde temperatuursensorkabel het beste kan worden vastgezet en opgerold, terwijl ervoor wordt gezorgd dat deze niet verstrikt raakt in de rotors van de UAS.

Ze werkten ook de logistiek uit om de ballon en het systeem tegelijkertijd te bedienen. Om te voorkomen dat u tegen elkaar aanbotst of dat de kabels in de war raken, de ballon was met de wind mee vastgebonden en de UAS bleef er minstens 30 voet vanaf.

Coole sensoren voor coole wetenschap

De gedistribueerde temperatuursensor is een pasta-dikke glasvezelkabel van engelenhaar. Door te zien hoe licht in de kabel buigt, Dexheimer kan de temperatuur van dat deel van de wolk berekenen. Deze meting heeft een resolutie van 1 meter, en ze stuurt elke 30 seconden een lichtpuls. Dit geeft Dexheimer en klimaatmodelleurs een ongekend detailniveau over de temperatuur van de atmosfeer.

Naast de temperatuursensor, de vastgebonden ballon draagt ​​speciale onderkoelde vloeibare watersensoren. Onderkoeld vloeibaar water is zuiver water dat onder het vriespunt vloeibaar blijft omdat het niets heeft om op te kristalliseren. Het is belangrijk omdat wolken met veel onderkoeld vloeibaar water zich anders gedragen dan normale wolken, dagen blijven hangen en zelfs als een deken fungeren om het oppervlak eronder te verwarmen. Een beter begrip van dit soort gemengde fasenwolken is belangrijk voor nauwkeurigere klimaatmodellen.

De sensoren zijn trillende draden waarop onderkoeld vloeibaar water kan bevriezen. Terwijl het ijs zich ophoopt, de trilling vertraagt, en dit vertelt onderzoekers hoeveel onderkoeld vloeibaar water er in dat deel van de wolk aanwezig is. Voor de volgende stappen van het project, het team hoopt deze onderkoelde vloeistofwatersensoren toe te voegen aan een UAS met vaste vleugels en de UAS de wolken in te vliegen. Ze hopen te zien hoeveel de UAS bevriest, bepalen hoe de effecten van ijsvorming kunnen worden beperkt en uiteindelijk nuttige gegevens verzamelen over bewolkingsomstandigheden met meer ruimtelijke controle dan de ballon zou kunnen krijgen.

Zowel de wolkentemperatuur als het gehalte aan onderkoeld vloeibaar water kunnen worden vergeleken tussen het UAS en de ballon, evenals met gegevens van sensoren voor atmosferische stralingsmeting op de grond, ook op Oliktok Point. Sandia beheert de ARM North Slope of Alaska-site als onderdeel van de ARM Climate Research Facility, een nationale wetenschappelijke gebruikersfaciliteit gefinancierd door het Department of Energy's Office of Science.

"Ons vermogen om UAS's en gekoppelde ballonoperaties in het noordpoolgebied uit te voeren, en ons vermogen om die metingen en computermodellering op innovatieve manieren te combineren, stelt ons in staat om de Oliktok-faciliteit echt te gebruiken voor de nationale veiligheids- en wetenschappelijke gemeenschappen, " zei Lori Parrott, manager atmosferische wetenschappen bij Sandia.

Sandia is niet de enige instelling die Oliktok Point gebruikt om UAS's te testen in extreme Arctische omstandigheden; andere instellingen vliegen ook UAS-systemen op Oliktok. Bijvoorbeeld, het Alaska Center for Unmanned Aircraft Systems Integration van de University of Alaska Fairbanks heeft deze zomer zijn UAS's op Oliktok Point gevlogen via een coöperatieve onderzoeks- en ontwikkelingsovereenkomst met Sandia. Ze hebben een testfaciliteit bij Toolik Lake ongeveer 130 mijl naar het zuiden, maar toegang tot het beperkte luchtruim dat Sandia beheert boven de Beaufortzee bij Oliktok is van onschatbare waarde, zei Parrot.

Er zijn besprekingen gaande met andere potentiële gebruikers bij meerdere federale agentschappen. Papegaai zei, "Het 700 mijl lange beperkte luchtruim dat Sandia beheert voor DOE is van strategisch belang omdat het wetenschappers in staat kan stellen experimenten en oefeningen uit te voeren boven de Arctische wateren zonder risico voor door mensen bestuurde vliegtuigen. Vluchten voor zoek- en reddingsoefeningen, gegevensverzameling op ijs of atmosferische omstandigheden, of testtechnologie, zou anders zeer moeilijk uit te voeren zijn."

Het project dat UAS's en vastgebonden ballonnen combineert, werd ondersteund door interne financiering van Sandia.