L’agence fédérale utilise de nouveaux systèmes pour en apprendre davantage sur la prévision des tempêtes, les gaz à effet de serre et les changements atmosphériques.
Vous pouvez les diriger et vous pouvez les récupérer. Dans les études portant sur le vent et la durabilité, les systèmes sans pilote sont de plus en plus prisés pour leur capacité à survivre à des conditions dangereuses pour être réutilisés.
Depuis 2020, la NOAA, la National Oceanic and Atmospheric Administration, a mené un programme d’exploitation des systèmes sans pilote pour soutenir l’utilisation en expansion rapide de ces systèmes dans l’ensemble de l’agence. La NOAA continue d’être un acteur majeur dans ces activités, à la fois par le biais du Centre d’exploitation des systèmes non-équipés de la NOAA à Silver Spring, dans le Maryland, qui répond aux demandes de financement, et par le biais d’autres unités, telles que le Laboratoire des tempêtes violentes en Oklahoma.
Le capitaine Phil Hall, directeur du Centre d’exploitation des systèmes non équipés, a noté que 2021 a été une année chargée. « Nous menons un processus interne de subvention d’examen par les pairs et l’année dernière, nous avons reçu 39 propositions”pour des projets impliquant un chercheur principal de la NOAA et d’autres institutions, telles que les universités. Hall promeut également des subventions par le biais du SBIR (Small Business Innovation Research Program) de la NOAA qui vont aux petites entreprises privées innovantes travaillant à développer des systèmes non conçus pour les applications de recherche de la NOAA.
De nombreux projets financés par le centre contribuent à la durabilité et utilisent des drones pour étudier le vent sous ses formes les plus violentes et les plus douces.
CHASSE AUX OURAGANS
L’interaction violente implique le lancement d’un drone d’un avion habité dans un ouragan, dans le cadre des efforts continus de la NOAA pour déterminer comment des technologies non équipées peuvent améliorer la capacité de prévision. Le concept de lancement dans les tempêtes s’est avéré réalisable à l’aide de drones Coyote Raytheon lancés depuis l’avion Lockheed WP-3D Orion “Hurricane Hunter” de la NOAA contre les ouragans majeurs Edouard (2014), Maria (2017) et Michael (2018). Le Coyote, cependant, était limité en distance et en autres capacités, et un appel a été envoyé via le programme SBIR pour son remplacement.
Comme indiqué dans À L’Intérieur Des Systèmes Sans Pilote en janvier, trois remplaçants potentiels sont sur la liste: Altius-600 de Area-I, Barron Associates Wingsonde et Black Swift Technologies SO. L’Altius-600 a été testé sur un champ à la station aéronavale de Patuxent River dans le Maryland.
« En gros, nous avons effectué quelques missions pour tester la portée et nous avons obtenu des distances de déploiement record de plus de 150 milles marins en air clair”, a déclaré le Dr Joseph Cione, météorologue en chef, nouvelles technologies, du Laboratoire océanographique et météorologique atlantique de la NOAA. « Nous avons également pris des mesures à partir du paquet de charge utile pour le travail de suivi.”
Puis COVID a frappé.
”Nous nous remettons sur la bonne voie maintenant », a poursuivi Cione. » Outre l’analyse continue de la Données de vol d’essai de janvier, nous aimerions résoudre quelques problèmes et être prêt pour les vols d’essai [des trois systèmes] au début de 2022. C’est alors que nous pourrons utiliser l’avion P3 de la NOAA, qui est actuellement occupé par les tempêtes hivernales en Alaska. J’espère que nous volerons dans les ouragans en 2022.”
L’endurance est devenue cruciale. Auparavant, le WP-3D de la NOAA déposait des paquets de capteurs consommables appelés dropsondes, qui renvoyaient certaines données pour de courtes durées. “Ce que nous voulons déterminer, c’est si nous pourrions utiliser le SAMU plus longtemps et à très basse altitude dans l’environnement le plus violent de l’ouragan”, a déclaré Cione. Le drone de plus longue durée, tout en restant consommable, permet des données supplémentaires que les dropsondes ne peuvent pas fournir.
“Nos mesures standard incluent la pression, la température, l’humidité, la vitesse et la direction du vent”, a ajouté Cione. « Nous mesurons également certaines choses que les dropsondes ne font pas, comme la température de surface de la mer. D’ici 2023, nous aimerions également inclure un altimètre laser ou radar qui pourrait nous donner des informations sur la structure des vagues océaniques et nous fournir des mesures verticales plus fines que le GPS seul. Nous espérons également obtenir des mesures de turbulence à haute résolution qui devraient conduire à des améliorations dans nos modèles de prévision.”
En ce moment, Cione travaille avec des entrepreneurs pour préparer les vols. L’intégrateur principal des ensembles de capteurs est la société finlandaise Vaisala et les petites sondes de turbulence seront probablement de Black Swift Technologies à Boulder, au Colorado.
SPIRALES ET ÉCHANTILLONS DE PLANEURS
Alors que la recherche sur les ouragans se penche sur les caractéristiques du vent, d’autres projets examinent le contenu de l’air lui-même. Ils peuvent faire des efforts inhabituels pour le faire, comme larguer un planeur sans pilote depuis un ballon.
L’échantillonnage des gaz à effet de serre peut être un outil important alors que les scientifiques travaillent à la préservation de l’atmosphère; l’utilisation de ballons météorologiques a été un outil important dans cet effort. Pourtant, « nous jetons les instruments chaque fois que nous lançons un ballon”, a déclaré le Dr Colm Sweeney, du programme aéronautique des Laboratoires de recherche sur le système terrestre de la NOAA. « Nous sommes également limités dans la qualité de mesure que nous pouvons obtenir avec des instruments jetables. C’est ce qui nous a poussés à développer un système de planeur.”
Sweeney est le chercheur principal de ce système – le projet de planeur HORUS (High-Altitude Operational Returning Uncrewed System), une nouvelle technologie pour l’échantillonnage de l’air à haute altitude et la récupération des instruments.
Le système a été testé en vol en mai dernier au Centre de recherche en vol Armstrong de la NASA à la Base aérienne Edwards en Californie.
HORUS, nommé d’après un dieu égyptien dont le nom se traduit par “celui qui est au-dessus”, est un planeur personnalisé avec des ailes fixes portables de six pieds qui porte un système d’échantillonnage d’AirCore. La partie « haute altitude » vient du fait qu’elle est lancée à partir d’un ballon météorologique standard, s’élevant jusqu’à une hauteur de 90 000 pieds. Une fois que le ballon apparaît, le planeur peut descendre pour un atterrissage en douceur, en prenant des mesures en cours de route. Selon la NOAA, le planeur est le premier du genre capable de renvoyer une charge utile scientifique de grande capacité de 10 livres et d’autres instruments de la stratosphère.
Pendant le vol d’essai, le ballon a transporté la cellule HORUS et l’a relâchée à 75 000 pieds. Le planeur, préprogrammé à un point d’atterrissage, a dévalé en spirale au-dessus de lui jusqu’à ce qu’à 1 000 pieds, un parachute se déploie pour l’atterrir à quelques mètres de l’endroit où il a décollé. Lors du test, il a également pu travailler à travers des vents de 60 nœuds qu’il a rencontrés à 40 000 pieds.
En route, HORUS a pu collecter un ”noyau » d’air verticalement lors de sa descente, pour être mesuré ensuite pour les gaz à effet de serre tels que le dioxyde de carbone, le méthane et le protoxyde d’azote.
Alors que le planeur est orientable et programmable à un endroit, il n’a pas de propulsion; d’où le parachute. En fait, Sweeney a déclaré“ « Plus il tombe vite, plus il est facile de diriger.”
Sweeney a indiqué que le concept peut être utilisé pour de nombreux types d’instruments à vent et que les mesures peuvent être prises en montée comme en descente. Les mesures du vent impliquent généralement l’utilisation du GPS pour déterminer le mouvement.
Les ballons et les parachutes fonctionnent selon un ensemble de réglementations différent de celles de la FAA. Lorsque HORUS vole en planeur, même sans propulsion, il peut ne pas tomber complètement sous les réglementations sur les ballons et les parachutes. Sweeney a déclaré qu’il était en pourparlers avec la FAA, discutant d’un “moyen de le faire fonctionner.”
AIR AU-DESSUS DE LA MER
Patricia Quinn, chercheuse principale du Groupe de chimie atmosphérique du Laboratoire d’environnement marin du Pacifique de la NOAA, lève également les yeux.
Elle examine les particules d’aérosols dans l’air et a mesuré le carbone noir pour déterminer son rôle dans le réchauffement de l’Arctique; ses dépôts sur la neige et la glace augmentent la fonte. « Nous sommes les personnes qui effectuent les mesures qui aident à améliorer les simulations et les modèles informatiques de notre climat », a-t-elle déclaré.
”Pendant des années, nous avons travaillé au large des navires“, a-t-elle déclaré, « et maintenant nous essayons de développer un SAMU capable de faire des profils verticaux au-dessus des navires. Nous voulons voir ce qui se passe au-dessus ainsi qu’à la surface.”
Le SAMU de choix ici est le L3 Latitude LLC FVR-55 avec un équipage de trois personnes. Latitude, qui fait maintenant partie de L3Harris, a commencé comme une société distincte et a reçu une subvention SBIR de la NOAA. Le quadrirotor hybride décolle d’un poste de pilotage construit au-dessus de deux conteneurs sur le fantail d’un navire.
“À l’heure actuelle, nous avons deux charges utiles qui examinent les aérosols et nous travaillons avec un autre bénéficiaire du programme SBIR de la NOAA sur le développement ultérieur de la charge utile”, a déclaré Quinn.
”Nous n’avons toujours pas utilisé nos charges utiles dans un sens opérationnel », a-t-elle déclaré, bien que certains vols d’essai aient décollé sur un champ de tir militaire à l’extérieur de Tucson. » Nous avons appris que nos charges utiles sont opérationnelles et que nous pouvons aller au moins à 10 000 pieds.”
“Nous espérons qu’en février ou mars 2022, nous pourrons sortir sur un navire et faire un profilage vertical.”
IMPRIMANTE 3D À VENT 3D
Alors que ces projets étudient le vent et l’atmosphère sous diverses formes, un autre projet de la NOAA prend une toute nouvelle dimension.
Nous avons l’habitude de penser au vent mesuré horizontalement — en miles, kilomètres ou nœuds par heure. Mais connaître les dimensions verticales du vent peut également être important. Cette année, au Laboratoire national des tempêtes sévères de la NOAA et au Cooperative Institute for Severe and High-Impact Weather Research and Operations (CIWRO, un accord de coopération entre la NOAA et l’Université d’Oklahoma), un nouvel algorithme a été développé qui a permis à un drone inhabituel de fournir des mesures de vent en 3D.
Tom Galarneau, chercheur au CIWRO, a observé que “l’ajout de la troisième dimension des mesures fournit une vue de la façon dont le vent mélange les masses d’air dans l’atmosphère.”Son équipe utilise des drones pour étudier les parties les plus basses de l’atmosphère, jusqu’à 5 000 pieds au-dessus du sol. « L’utilisation d’avions sans pilote nous aide à combler une lacune observationnelle”, a-t-il noté.
Très tôt, son équipe s’est rendu compte qu’elle avait besoin d’un drone très spécifique, avec une ouverture pour canaliser le vent vers des capteurs de température et d’humidité à l’intérieur du corps du drone. En 2018, ils ont créé la première Coptersonde imprimée en 3D – ajoutant des pales d’hélicoptère et une batterie au corps imprimé. Les mesures prises incluent, a déclaré Galarneau“ « la température, l’humidité et, surtout, le vent.”
La capacité de mesurer le vent 3D a été développée cette année lorsque le chercheur du CIWRO Antonio R. Segales Espinosa a développé un algorithme avancé qui utilisait les mouvements et les forces physiques du drone. ”Il n’y a pas de capteurs de vent dédiés », a expliqué Segales Espinosa. « Nous mesurons plutôt le mouvement, l’inclinaison et la poussée de la Coptersonde, qui sont combinés dans un modèle dynamique pour fournir le vecteur de vent 3D.
« La raison pour laquelle nous examinons le mouvement vertical de l’air est qu’il peut vous donner une estimation de la façon dont l’atmosphère évolue et se mélange entre ses couches. Toutes ces mesures visent à en apprendre davantage sur le changement climatique et la durabilité avec une plus grande précision et une sensibilisation accrue à l’aide d’une solution rentable ”, a déclaré Espinosa.
L’électronique à l’intérieur du Coptersonde comprend des capteurs de température fabriqués par International Met Systems, des capteurs d’humidité d’IST AG et une carte de pilote automatique CubePilot. ”Le logiciel Cube est open source, nous pouvons donc développer nos propres algorithmes en plus des leurs », a déclaré Segales Espinoza.
Galarneu et Espinoza ont tous deux souligné les avantages du SAMU dans leur travail: réutilisabilité, récupérabilité et possibilité de cibler l’emplacement des échantillons souhaités.
Alors que nous espérons dépasser COVID, la NOAA s’assure que la recherche éolienne continuera à innover.
