La semaine dernière, des chercheurs des laboratoires nationaux de Sandia ont fait voler un ballon captif et un système aérien sans pilote, familièrement connu sous le nom de drone, ensemble pour la première fois pour obtenir les températures atmosphériques de l'Arctique avec un meilleur contrôle de la localisation que jamais. En plus de fournir des données plus précises pour les modèles météorologiques et climatiques, être en mesure d'exploiter efficacement des UAS dans l'Arctique est important pour la sécurité nationale.

"Utiliser des UAS dans la télécommande, les environnements difficiles de l'Arctique offriront des opportunités de durcir les technologies de manière directement transférable aux besoins de la sécurité nationale en termes de robustesse et de fiabilité, " a déclaré Jon Salton, un responsable robotique de Sandia. "Finalement, l'intégration des besoins opérationnels et de détection spécialisés requis pour la recherche dans l'Arctique se traduira par une variété de besoins de sécurité nationale. »

Les informations sur la température de l'atmosphère sont essentielles pour prédire le temps, surveiller les phénomènes météorologiques violents et améliorer les modèles climatiques. Contrairement aux ballons captifs ou aux ballons météo, Les UAS ne nécessitent pas d'hélium, une ressource non renouvelable, et peut décoller avec moins de préparation. Ainsi, ils peuvent être lancés à partir d'emplacements plus éloignés. La plupart des aéroports collectent déjà des profils de température atmosphérique deux fois par jour, mais il serait préférable de passer aux UAS avec des capteurs de température distribués car ils seraient réutilisables et pourraient voler plus fréquemment, a déclaré le scientifique atmosphérique de Sandia, Dari Dexheimer.

Les ballons peuvent voler pendant des heures, L'UAS peut voler vers des emplacements précis

Depuis 2015, Dexheimer a régulièrement fait voler des ballons captifs hors de l'espace aérien arctique dédié de Sandia sur Oliktok Point, le point le plus septentrional de Prudhoe Bay en Alaska. Ces ballons de 13 pieds de haut transportent des capteurs de température distribués pour collecter les profils de température atmosphérique de l'Arctique, ou la température de l'air à différentes hauteurs au-dessus du sol, entre autres capteurs atmosphériques. Le test effectué plus tôt ce mois-ci était la première fois que Sandia faisait voler un octocoptère dans le ciel au-dessus d'Oliktok Point.

"L'UAS et le ballon se complètent vraiment en ce sens que l'UAS a un temps de vol plus court, mais c'est beaucoup plus diversifié dans l'espace. Le ballon captif peut rester en place longtemps, vous donnant beaucoup de données, mais ce n'est pas facilement mobile, " dit Dexheimer. Le ballon est soufflé par le vent, aux limites de l'attache, mais l'UAS peut être dirigé vers des coordonnées GPS précises.

Plus tôt cet été, Dexheimer et l'équipe de vol UAS, dirigé par Diane Callow, testé la configuration conjointe UAS-ballon à Sandia. Ils ont surmonté une série de défis techniques, notamment en déterminant comment sécuriser et dérouler au mieux le long câble du capteur de température distribué sur quatre terrains de football tout en s'assurant qu'il ne s'emmêle pas dans les rotors de l'UAS.

Ils ont également élaboré la logistique du fonctionnement du ballon et du système en même temps. Pour éviter de se cogner ou d'emmêler les câbles, le ballon était attaché sous le vent et l'UAS est resté à au moins 100 pieds de lui.

Des capteurs cool pour une science cool

Le capteur de température distribué est un câble à fibre optique en cheveux d'ange épais. En voyant comment la lumière se plie dans le câble, Dexheimer peut calculer la température de cette partie du nuage. Cette mesure a une résolution de 1 mètre, et elle envoie une impulsion lumineuse toutes les 30 secondes. Cela donne à Dexheimer et aux modélisateurs climatiques un niveau de détail sans précédent sur la température de l'atmosphère.

En plus du capteur de température, le ballon captif porte des capteurs spéciaux d'eau liquide surfondue. L'eau liquide surfondue est de l'eau pure qui reste un liquide en dessous de son point de congélation car elle n'a rien sur quoi cristalliser. C'est important parce que les nuages ​​contenant beaucoup d'eau liquide surfondue se comportent différemment des nuages ​​normaux, rester pendant des jours et même agir comme une couverture pour réchauffer la surface en dessous. Une meilleure compréhension de ces types de nuages ​​à phases mixtes est importante pour des modèles climatiques plus précis.

Les capteurs sont des fils vibrants sur lesquels l'eau liquide en surfusion peut geler. Au fur et à mesure que la glace s'accumule, la vibration ralentit, et cela indique aux chercheurs combien d'eau liquide surfondue est présente dans cette partie du nuage. Pour les prochaines étapes du projet, l'équipe espère ajouter ces capteurs d'eau liquide surfondue à un UAS à voilure fixe et faire voler l'UAS dans les nuages. Ils espèrent voir à quel point l'UAS gèle, déterminer comment atténuer les effets du givrage et éventuellement collecter des données utiles sur les conditions nuageuses avec plus de contrôle spatial que le ballon ne pourrait en obtenir.

La température du nuage et la teneur en eau liquide surfondue peuvent être comparées entre l'UAS et le ballon, ainsi qu'avec les données des capteurs de mesure du rayonnement atmosphérique au sol également à Oliktok Point. Sandia gère le site ARM North Slope of Alaska dans le cadre de l'ARM Climate Research Facility, une installation scientifique nationale pour les utilisateurs financée par le Bureau des sciences du ministère de l'Énergie.

"Notre capacité à exécuter des UAS ainsi que des opérations de ballon captif dans l'Arctique, et notre capacité à combiner ces mesures et la modélisation informatique de manière innovante, nous permet de vraiment mettre l'installation d'Oliktok au service de la sécurité nationale et des communautés scientifiques, " a déclaré Lori Parrott, responsable des sciences de l'atmosphère chez Sandia.

Sandia n'est pas la seule institution à utiliser Oliktok Point pour tester les UAS dans des conditions arctiques extrêmes; d'autres institutions utilisent également des systèmes UAS à Oliktok. Par exemple, l'Alaska Center for Unmanned Aircraft Systems Integration de l'Université d'Alaska Fairbanks a fait voler ses UAS à Oliktok Point cet été dans le cadre d'un accord de recherche et de développement en coopération avec Sandia. Ils ont une installation d'essai à Toolik Lake à environ 130 milles au sud, mais l'accès à l'espace aérien restreint que Sandia gère au-dessus de la mer de Beaufort à Oliktok est inestimable, dit Parrott.

Des discussions sont en cours avec d'autres utilisateurs potentiels dans plusieurs agences fédérales. Parrott a dit, « L'espace aérien restreint de 700 miles de long que Sandia gère pour le DOE a une importance stratégique car il peut permettre aux scientifiques de mener des expériences et des exercices au-dessus des eaux arctiques sans risque pour les aéronefs à pilotage humain. Des vols pour des exercices de recherche et de sauvetage, collecte de données sur les glaces ou les conditions atmosphériques, ou tester la technologie, serait autrement très difficile à mener.

Le projet combinant UAS et ballons captifs a été soutenu par un financement interne de Sandia.