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ROV e la Tecnologia Marina
La costruzione e l'esercizio di un ROV richiedono numerose competenze, che spaziano dalla naval meccanica all'elettronica, ma condite sempre da un pizzico di "piede marino"
di Giorgio Bruzzone
Assistente di Ricerca presso il Reparto Robotica presso l'Istituto per l'Automazione Navale di Genova del Consiglio Nazionale delle Ricerche
per gentile concessione dell'editore e del curatore della rubrica l'ing. Gianmarco Veruggio
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Verranno identificati in questo numero i principali problemi relativi alle tecnologie iperbariche, con particolare riferimento ai veicoli subacquei da lavoro (ROV), dalla loro progettazione fino alla pianificazione della logistica di supporto. I ROV finora presi in considerazione in questa Rubrica sono per lo più veicoli 'open frame', ossia formati da moduli stagni installati su un telaio e collegati elettricamente da una rete di cavi e connettori subacquei. Il telaio è una struttura tubolare in acciaio inox o in lega leggera e i moduli sono fissati ad esso per mezzo di morsetti o di fasce elastiche; inoltre alcune parti del telaio sono smontabili per essere facilmente sostituite con altre adatte a contenere strumentazione diversa (payload intercambiabile). I principali moduli, ciascuno dei quali costituisce una parte vitale del veicolo sono: il modulo dove risiede l'elettronica di controllo ed il modulo di alimentazione; i propulsori (in genere da 2 a 10); diversi apparati sensoriali (bussola, sonar e così via) e gli eventuali moduli per le batterie e per gli strumenti da lavoro. Ciascuno di questi e alloggiato in un contenitore (pressure vessel, canister o bottle) che ne garantisce l'impermeabilità fino alla profondità massima prefissata di lavoro. Generalmente i contenitori sono cilindrici, una forma che offre un buon compromesso tra capacita, resistenza alla pressione ed economicità di costruzione |
Per dimensionare il progetto, si dovrà tenere conto della profondità massima di lavoro, delle caratteristiche del materiale e del processo costruttivo dato che, al contrario della pressione interna che tende a distendere geometricamente il contenitore e ne sollecita i materiali alla trazione, la pressione applicata esternamente a un cilindro tende a deformarne irregolarmente la struttura, compromettendone la stabilita geometrica fino al rischio dell'implosione. I materiali scelti per la costruzione dei ROV sono generalmente leghe leggere o acciai inossidabili. Le leghe di titanio - dal titanio quasi puro al titanio legato con alluminio e vanadio - offrono, dal punto di vista strutturale, moltissimi vantaggi definiti dall'ottimo rapporto carico di rottura/ peso e da un buona resistenza alla corrosione. D'altra parte sono molto costose e di difficile lavorazione: si pensi, ad esempio, che la saldatura del titanio deve essere effettuata in camera saturata da gas inerte; inoltre, essendo materiali inizialmente riservati all'uso in campo militare e avionico sono tuttora piuttosto difficili da reperire. Le leghe leggere a base di alluminio, dall'anticorodal all'ergal, sono senz'altro più economiche e semplici da lavorare ma anche meno resistenti, più instabili e di facile corrodibilità in caso di immersione prolungata. Col tempo infatti l'anodizzazione si scalfisce e si deteriora. Tutto sommato, quindi, tenendo conto dei costi/benefici, I'acciaio inox, quando non si avranno troppi problemi di peso, rappresenterà sempre una buona soluzione. |
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Due parole sulla complessa lavorazione dei materiali indicati. Per i contenitori di forma cilindrica e grande diametro si dovrà utilizzare lamiera di considerevole spessore (da 5 a 15 mm e oltre) calandrata e saldata; alle estremità del cilindro sono collocati i due coperchi, uno dei quali normalmente saldato e spesso a forma di cupola per incrementarne la resistenza e l'altro rimovibile con tenuta iperbarica e tipicamente utilizzato per l'alloggiamento dei connettori. Rendere stagno e ispezionabile un contenitore sottoposto a pressione esterna e sempre un problema di non facile soluzione; tra i vari metodi, il più impiegato e la tenuta tramite 'o-ring', anelli di gomma cosiddetti per la loro sezione circolare, posti tra le superfici da sigillare seguendo schemi e tabelle di tolleranza che dipendono dal diametro del cilindro e dallo spessore della lamiera. L'accoppiamento tra coperchio e cilindro può essere effettuato con flangia e guarnizione di testa o con innesto concentrico con guarnizione di taglio tra i due cilindri. In entrambi i casi gli o-ring dovranno essere contenuti in gole ricavate sul coperchio e sporgere leggermente all'esterno; quando il coperchio e inserito, gli anelli devono riempire le gole e premere sulla superficie interna del cilindro. |
Se le tolleranze sono rispettate, il metodo e efficiente e sicuro in quanto è la stessa pressione idrostatica a mettere in pressione la gomma contro il metallo; il problema e assicurarsi che la pressione o la temperatura non provochino deformazioni strutturali tali da far uscire l'accoppiamento dalle specifiche progettuali con inevitabile allagamento del comparto e probabile distruzione della componentistica contenuta. Per quanto riguarda i moduli di propulsione, generalmente di dimensioni poco superiori al motore elettrico, questi possono essere riempiti d'olio, utilizzando motori senza spazzole (brushless), o lasciati in aria. L'albero motore che esce dal cilindro deve essere sigillato tramite una tenuta dinamica che permetta elevate velocità di rotazione senza consumarsi eccessivamente e la scelta della tenuta dipenderà dal tipo di motore. Una tecnica molto utilizzata per i motori in aria e l'accoppiamento di due materiali, ad esempio, ceramica e grafite, che hanno una superficie di contatto levigatissima e che, utilizzando l'acqua stessa, favoriscono la formazione di un film di lubrificante che aumenta l'impenetrabilità. Ultimamente, visto l'enorme progresso della tecnologia della miniaturizzazione dei motori e dei servoazionamenti e la contemporanea riduzione dei costi, la tendenza e pero quella di progettare moduli riempiti d'olio. |
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Canister realizzato dal CNR-IAN nell'ambito del Progetto EC MAS3 C7970083 ARAMIS. Il cilindro di titanio, sigillato da due o-ring di taglio o certificato per 1000 m di profondità, contiene l'elettronica di controllo di un payload strumentale |
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In questo caso la pressione interna viene mantenuta uguale a quella esterna tramite compensatori, e si possono usare tenute più semplici come cortechi o guarnizioni a labbro. In base alla scelta del motore si dovrà decidere quindi il tipo di elica che garantisca il massimo rendimento in funzione della potenza elettrica, dello spazio a disposizione e della forza di spinta richiesta. Poiché difficilmente si troverà l'elica adatta già pronta, generalmente la si dovrà progettare ad hoc verificandone successivamente le prestazioni mediante test di laboratorio e al vero. Anche il collegamento del ROV con la superficie e un aspetto cruciale del sistema. Distinguiamo tra veicoli progettati per lavorare entro e oltre certe profondità. In acque relativamente basse, e possibile utilizzare un cavo, contenente i fili necessari al funzionamento del veicolo (comunicazioni, alimentazione, segnali), avvolto su un verricello elettrico/idraulico provvisto di slip-ring (giunto rotativo per i contatti elettrici). Il cavo deve risultare anch'esso neutro in modo da disporsi verso l'alto e non sbilanciare l'assetto del veicolo, una condizione che si raggiunge inserendo all'interno del cavo una certa quantità di materiale più leggero dell'acqua (resina espansa poco comprimibile) così da contrastare il peso del rame contenuto |
Ma oltre una certa profondità, I'eccessiva quantità di cavo svolto in mare renderebbero il veicolo ingestibile, a causa dell'effetto della corrente marina, analogo a quello del vento su una vela. In tal caso, il sistema di controllo ed i motori del veicolo sarebbero impegnati in gran parte a contrastare i disturbi dovuti alla trazione del cavo, lasciando così solo un piccolo margine di potenza per la missione. In questo caso, nell'attesa che si rendano disponibili veicoli da lavoro privi di cavo ombelicale, la soluzione più diffusa é il "garage". Si tratta di un pesante telaio, contenente il ROV ed un piccolo verricello, che viene calato dalla nave mediante un robusto cavo rinforzato. Il peso del garage mantiene teso il cavo principale fino nei pressi del fondo, dopodiché il piccolo verricello sottomarino svolge un cavo più sottile per consentire al ROV un raggio d'azione di circa trecento metri. Il metodo é molto efficace ma richiede una logistica assai più pesante e soprattutto una nave dotata di un sistema di posizionamento dinamico in grado di mantenere con precisione la posizione del garage nella ristretta zona di lavoro prescelta. |
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