Förra veckan, forskare vid Sandia National Laboratories flög en bunden ballong och ett obemannat flygsystem, i dagligt tal känd som en drönare, tillsammans för första gången för att få arktiska atmosfärstemperaturer med bättre platskontroll än någonsin tidigare. Förutom att tillhandahålla mer exakta data för väder- och klimatmodeller, att effektivt kunna driva UAS i Arktis är viktigt för nationell säkerhet.

"Använda UAS i fjärrkontrollen, hårda miljöer i Arktis kommer att ge möjligheter att härda tekniken på sätt som är direkt överförbara till behoven av nationell säkerhet när det gäller robusthet och tillförlitlighet, sa Jon Salton, en robotchef på Sandia. "I sista hand, Att integrera de specialiserade operativa och avkänningsbehov som krävs för arktisk forskning kommer att överföras till en mängd olika nationella säkerhetsbehov."

Information om atmosfärens temperatur är avgörande för att förutsäga vädret, övervaka hårt väder och förbättra klimatmodeller. Till skillnad från bundna ballonger eller väderballonger, UAS kräver inte helium, en icke förnybar resurs, och kan ta fart med mindre förberedelser. Således, de kan startas från mer avlägsna platser. De flesta flygplatser samlar redan in atmosfärstemperaturprofiler två gånger om dagen, men att byta till UAS med distribuerade temperatursensorer skulle vara bättre eftersom de skulle kunna återanvändas och flyga oftare, sa Sandia atmosfärsforskare Dari Dexheimer.

Ballonger kan flyga i timmar, UAS kan flyga till exakta platser

Sedan 2015, Dexheimer har regelbundet flugit bundna ballonger ut ur Sandias dedikerade arktiska luftrum på Oliktok Point, den nordligaste punkten av Alaskas Prudhoe Bay. Dessa 13 fot höga ballonger bär distribuerade temperatursensorer för att samla in arktiska atmosfäriska temperaturprofiler, eller luftens temperatur på olika höjder över marken, bland andra atmosfäriska sensorer. Testet tidigare den här månaden var första gången Sandia har flugit en oktokopter på himlen ovanför Oliktok Point.

"UAS och ballongen kompletterar verkligen varandra genom att UAS har en kortare flygtid, men det är mycket mer spatialt varierande. Den tjudrade ballongen kan sitta uppe länge, ger dig mycket data, men det är inte lätt mobilt, sade Dexheimer. Ballongen blåses av vinden, till gränserna för tjudet, men UAS kan riktas till exakta GPS-koordinater.

Tidigare i sommar, Dexheimer och UAS flygteam, ledd av Diane Callow, testade den gemensamma UAS-ballonguppsättningen på Sandia. De övervann en rad tekniska utmaningar, inklusive att ta reda på hur man bäst säkrar och rullar ut den långa fördelade temperatursensorkabeln på fyra fotbollsplaner samtidigt som de såg till att den inte trasslar in sig i UAS:s rotorer.

De utarbetade också logistiken för att driva ballongen och systemet samtidigt. För att undvika att stöta ihop eller trassla ihop kablarna, ballongen var förankrad i vinden och UAS höll sig minst 100 fot bort från den.

Coola sensorer för cool vetenskap

Den distribuerade temperatursensorn är en fiberoptisk kabel som är tjock för pasta av änglahår. Genom att se hur ljuset böjer sig i kabeln, Dexheimer kan beräkna temperaturen för den delen av molnet. Denna mätning har en upplösning på 1 meter, och hon skickar en ljuspuls var 30:e sekund. Detta ger Dexheimer och klimatmodellerare en oöverträffad detaljnivå på atmosfärens temperatur.

Förutom temperatursensorn, den tjudrade ballongen har speciella sensorer för underkylt flytande vatten. Underkylt flytande vatten är rent vatten som förblir en vätska under sin fryspunkt eftersom det inte har något att kristallisera på. Det är viktigt eftersom moln som innehåller mycket underkylt flytande vatten beter sig annorlunda än vanliga moln, stannar kvar i dagar och till och med agerar som en filt för att värma ytan nedanför. Bättre förståelse för dessa typer av blandade fasmoln är viktigt för mer exakta klimatmodeller.

Sensorerna är vibrerande trådar på vilka underkylt flytande vatten kan frysa. När isen byggs upp, vibrationen saktar ner, och detta berättar forskarna hur mycket underkylt flytande vatten som finns i den delen av molnet. För projektets nästa steg, teamet hoppas kunna lägga till dessa underkylda flytande vattensensorer till ett fastvingat UAS och flyga UAS in i molnen. De hoppas få se hur mycket UAS isar upp, bestämma hur man kan mildra effekterna av isbildning och så småningom samla in användbar data om molnförhållanden med mer rumslig kontroll än vad ballongen kunde få.

Både molntemperaturen och innehållet av underkylt flytande vatten kan jämföras mellan UAS och ballongen samt med data från markbaserade Atmospheric Radiation Measurement-sensorer även vid Oliktok Point. Sandia förvaltar ARM North Slope of Alaska som en del av ARM Climate Research Facility, en nationell vetenskaplig användaranläggning som finansieras genom Department of Energys Office of Science.

"Vår förmåga att driva UAS såväl som tjudrade ballongoperationer i Arktis, och vår förmåga att kombinera dessa mätningar och datormodellering på innovativa sätt, tillåter oss att verkligen använda Oliktok-anläggningen för den nationella säkerheten och vetenskapssamhällena, sa Lori Parrott, chef för atmosfärsvetenskap på Sandia.

Sandia är inte den enda institutionen som använder Oliktok Point för att testa UAS under extrema arktiska förhållanden; andra institutioner flyger också UAS-system på Oliktok. Till exempel, University of Alaska Fairbanks Alaska Center for Unmanned Aircraft Systems Integration flög sina UAS på Oliktok Point i somras genom ett samarbetsavtal för forskning och utveckling med Sandia. De har en testanläggning vid Toolik Lake cirka 130 mil söderut, men tillgången till det begränsade luftrummet Sandia förvaltar över Beauforthavet vid Oliktok är ovärderlig, sa Parrott.

Diskussioner pågår med andra potentiella användare över flera federala myndigheter. Parrott sa, "Det 700 mil långa begränsade luftrummet som Sandia förvaltar för DOE har strategisk betydelse eftersom det kan tillåta forskare att utföra experiment och övningar över arktiska vatten utan risk för flygplan som styrs av människor. Flyg för sök- och räddningsövningar, datainsamling om is eller atmosfäriska förhållanden, eller testa teknik, annars skulle det vara mycket svårt att genomföra."

Projektet som kombinerar UAS och bundna ballonger stöddes av Sandia intern finansiering.