Variable-buoyancy pressure vessel

A variable-buoyancy pressure vessel system is a type of rigid buoyancy control device for diving systems that retains a constant volume and varies its density by changing the weight (mass) of the contents, either by moving the ambient fluid into and out of a rigid pressure vessel, or by moving a stored liquid between internal and external variable-volume containers. A pressure vessel is used to withstand the hydrostatic pressure of the underwater environment. A variable-buoyancy pressure vessel can have an internal pressure greater or less than ambient pressure, and the pressure difference can vary from positive to negative within the operational depth range, or remain either positive or negative throughout the pressure range, depending on design choices.

Variable buoyancy is a useful characteristic of any mobile underwater system that operates in mid-water without external support.^[1] Examples include submarines, submersibles, benthic landers, remotely operated and autonomous underwater vehicles, and underwater divers.

Several applications only need one cycle from positive to negative and back to get down to depth and return to the surface between deployments; others may need tens to hundreds of cycles over several months during a single deployment, or continual but very small adjustments in both directions to maintain a constant depth or neutral buoyancy at changing depths. Several mechanisms are available for this function; some are suitable for multiple cycles between positive and negative buoyancy, and others must be replenished between uses. Their suitability depends on the required characteristics for the specific application.

Mobile underwater systems that operate in mid-water without external support need variable buoyancy,^[1] and as such these systems are a major research topic in the field of underwater vehicles.^[2] Examples include submarines, submersibles, benthic landers, remotely operated and autonomous underwater vehicles,^[3] and ambient-pressure and single-atmosphere underwater divers.^[4]

Un submarino puede alcanzar un equilibrio cercano cuando está sumergido, pero carece de estabilidad inherente en profundidad. La estructura sellada del casco a presión suele ser ligeramente más compresible que el agua y, por consiguiente, pierde flotabilidad a medida que aumenta la profundidad. ^{[ 5 ]} Para un control preciso y rápido de la flotabilidad y el asiento en profundidad, los submarinos utilizan tanques de control de profundidad ( DCT ), también llamados tanques rígidos (debido a su capacidad para soportar mayor presión) o tanques de asiento . Estos son recipientes a presión de flotabilidad variable. La cantidad de agua en los tanques de control de profundidad se puede controlar para cambiar la flotabilidad del recipiente, de modo que se mueva hacia arriba o hacia abajo en la columna de agua, o para mantener una profundidad constante a medida que cambian las condiciones externas (principalmente la densidad del agua), y se puede bombear agua entre los tanques de asiento para controlar el asiento longitudinal o transversal sin afectar la flotabilidad. ^{[ 6 ]}

La profundidad operativa de los vehículos submarinos se puede controlar controlando la flotabilidad —modificando el peso total o el volumen desplazado— o mediante empuje vectorial. La flotabilidad se puede controlar cambiando el peso total del vehículo a volumen constante ^{[ 7 ]} o cambiando el volumen desplazado a un peso constante del vehículo. La flotabilidad resultante se utiliza para controlar la velocidad de cabeceo y la profundidad de vuelo estacionario ^{[ 7 ]} , y en los planeadores submarinos se utiliza una flotabilidad neta positiva o negativa para impulsar el movimiento hacia adelante.

El sistema de buceo Avelo utiliza un recipiente a presión de flotabilidad variable, que es a la vez el cilindro principal de gas respiratorio y el compensador de flotabilidad para buceo , con una unidad de bomba y válvula de descarga alimentada por batería recargable que se puede desmontar del cilindro. ^{[ 4 ] [ 8 ]}

Se han considerado sistemas de flotabilidad variable para el control de profundidad de la generación eléctrica de turbinas de corriente oceánica amarradas . ^{[ 9 ]}

El tipo de sistema de flotabilidad variable más adecuado para una aplicación depende de la precisión de control requerida, la cantidad de cambio necesaria y el número de ciclos de cambio de flotabilidad necesarios durante un despliegue. ^{[ 10 ]}

Se han utilizado varios tipos de sistemas de flotabilidad variable, que se describen brevemente a continuación. Algunos se basan en un recipiente a presión relativamente incompresible y son prácticamente estables ante variaciones de la presión hidrostática.

• Tanques de flotabilidad/lastre a presión ambiente (inestables con los cambios de profundidad), como los tanques de lastre principales de un submarino o un compensador de flotabilidad inflable para buceadores . ^{[ 6 ] [ 4 ]} Estos no son recipientes a presión, ya que el contenido está a presión ambiente.

• Sistema de descarga de peso de masa variable. Este es generalmente un sistema mediante el cual se descarga lastre de mayor densidad que el entorno, y una vez descargado, el lastre se pierde. El sistema es simple y apropiado para vehículos que solo necesitan realizar un número muy limitado de ajustes de flotabilidad durante un despliegue. Es un método común para lograr flotabilidad positiva en una emergencia, ya que es simple configurar un mecanismo de descarga a prueba de fallos. También es posible un sistema análogo para liberar material fijo de baja densidad. ^{[ 10 ] : 21} Estos tampoco son recipientes a presión, ya que los pesos o boyas incompresibles se almacenan a presión ambiente.

• Sistema de masa variable con inundación de tanque unidireccional. Se trata simplemente de un tanque vacío que puede soportar la presión de trabajo externa y que puede inundarse parcial o totalmente mediante una válvula de control. El tanque puede vaciarse de nuevo en la superficie para inmersiones posteriores, pero no mientras esté bajo presión durante una inmersión. ^{[ 10 ] : 24}

• Sistema de aceite bombeado de masa constante y volumen variable. Este método consume más energía, pero es repetible indefinidamente mientras haya energía disponible, ya que no descarga ningún consumible. Una bomba de desplazamiento positivo transfiere el aceite almacenado en un recipiente de volumen variable dentro de un depósito a presión lleno de gas a un recipiente externo de volumen variable, aumentando incompresiblemente el volumen desplazado del vehículo. El retorno puede transferirse mediante una diferencia de presión controlada por una válvula, o también mediante bombeo. ^{[ 10 ] : 24}

• • Sistema de volumen variable y masa constante, lleno de aceite y accionado por pistón. Su funcionamiento es muy similar al del sistema de bombeo de aceite, pero el almacenamiento interno se realiza en un cilindro con un pistón que disminuye o aumenta su volumen mediante un accionamiento mecánico, generalmente impulsado por un motor eléctrico. En efecto, el pistón actúa como una bomba. ^{[ 10 ] : 25}

• Sistema de flotabilidad variable por bombeo de agua. El agua ambiente se introduce y se extrae del recipiente a presión para modificar la densidad total del recipiente y, por consiguiente, del vehículo del que forma parte. En una dirección, esta transferencia puede realizarse por diferencia de presión, pero en al menos una dirección debe bombearse. El proceso es repetible mientras haya energía, ya que el lastre se extrae del entorno. ^{[ 10 ] : 22}

• Vehículo submarino autónomo : vehículo submarino no tripulado con sistema de guiado autónomo. 
• Tanque de lastre – Compartimento para almacenar lastre líquido 
• Plataforma bentónica : plataforma para realizar mediciones en el lecho marino. 
• Compensador de flotabilidad (buceo) – Equipo para controlar la flotabilidad de un buceador 
• Motor de flotabilidad : dispositivo que altera la flotabilidad de un cuerpo para proporcionar propulsión. 
• Sumergible : pequeña embarcación capaz de navegar bajo el agua. 
• Vehículo submarino operado a distancia : dispositivo móvil submarino con cable operado por una tripulación remota. 
• Planeador submarino : tipo de vehículo submarino autónomo 
• Propulsión de flotabilidad variable : uso de un motor de flotabilidad para proporcionar propulsión.