Recipiente a presión de flotabilidad variable

Un sistema de recipiente a presión de flotabilidad variable es un tipo de dispositivo rígido de control de flotabilidad para sistemas de buceo que mantiene un volumen constante y varía su densidad al cambiar el peso (masa) del contenido, ya sea moviendo el fluido ambiental dentro y fuera de un recipiente a presión rígido, o moviendo un líquido almacenado entre contenedores internos y externos de volumen variable. Un recipiente a presión se utiliza para soportar la presión hidrostática del entorno submarino. Un recipiente a presión de flotabilidad variable puede tener una presión interna mayor o menor que la presión ambiental , y la diferencia de presión puede variar de positiva a negativa dentro del rango de profundidad operativa, o permanecer positiva o negativa en todo el rango de presión, según las opciones de diseño.

La flotabilidad variable es una característica útil de cualquier sistema submarino móvil que opera en aguas intermedias sin apoyo externo. ^[1] Los ejemplos incluyen submarinos , sumergibles , aterrizadores bentónicos , vehículos submarinos autónomos y operados a distancia y buzos submarinos .

Varias aplicaciones solo necesitan un ciclo de positivo a negativo y viceversa para llegar a la profundidad y regresar a la superficie entre despliegues; otras pueden necesitar decenas a cientos de ciclos a lo largo de varios meses durante un solo despliegue, o ajustes continuos pero muy pequeños en ambas direcciones para mantener una profundidad constante o una flotabilidad neutra a profundidades cambiantes. Hay varios mecanismos disponibles para esta función; algunos son adecuados para múltiples ciclos entre flotabilidad positiva y negativa, y otros deben reponerse entre usos. Su idoneidad depende de las características requeridas para la aplicación específica.

Los sistemas submarinos móviles que funcionan en aguas intermedias sin apoyo externo necesitan flotabilidad variable, ^[1] y como tales, estos sistemas son un tema de investigación importante en el campo de los vehículos submarinos . ^[2] Los ejemplos incluyen submarinos, sumergibles, módulos de aterrizaje bentónicos, vehículos submarinos autónomos y operados de forma remota, ^[3] y buzos submarinos de presión ambiental y de atmósfera única. ^[4]

Un submarino puede acercarse mucho al equilibrio cuando está sumergido, pero no tiene estabilidad inherente en profundidad. La estructura sellada del casco a presión suele ser ligeramente más compresible que el agua y, en consecuencia, perderá flotabilidad con el aumento de 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 duros (debido a su capacidad para soportar una mayor presión) o tanques de ajuste . 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 buque 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 ajuste 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 (ya sea modificando el peso total o el volumen desplazado ) o mediante un empuje vectorial. La flotabilidad se puede controlar modificando el peso total del vehículo a un volumen constante ^[7] o modificando el volumen desplazado a un peso constante del vehículo. La flotabilidad resultante se utiliza para controlar la velocidad de elevación 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 de presión de flotabilidad variable, que es a la vez el cilindro de gas respirable principal y el compensador de flotabilidad del buceo , con una unidad de bomba y válvula de descarga alimentada por batería recargable que es desmontable del cilindro. ^{[4] [8]}

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

El tipo de sistema de flotabilidad variable más adecuado para una aplicación depende de la precisión del control requerido, la cantidad de cambio necesario y la cantidad de ciclos de cambio de flotabilidad necesarios durante una implementación. ^[10]

Se han utilizado varios tipos de sistemas de flotabilidad variable, que se describen brevemente en este artículo. Algunos se basan en un recipiente a presión relativamente incompresible y son casi 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 el compensador de flotabilidad de un buzo inflable . ^{[6] [4]} Estos no son recipientes a presión, ya que el contenido está a presión ambiente.

• Sistema de masa variable con descarga de peso. Generalmente, se trata de un sistema mediante el cual se descarga un lastre de mayor densidad que el entorno y, una vez descargado, se pierde el lastre. El sistema es sencillo 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 sencillo disponer 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 tanque de inundación 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 nuevamente en la superficie para inmersiones posteriores, pero no mientras esté bajo presión durante una inmersión. ^{[10] : 24}

• Sistema de volumen variable y masa constante con aceite bombeado. Este método consume más energía, pero se puede repetir indefinidamente mientras dure la energía, ya que no descarga ningún consumible. Una bomba de desplazamiento positivo transfiere el aceite almacenado en un recipiente de volumen variable dentro de un recipiente a presión lleno de gas a un recipiente externo de volumen variable, lo que aumenta de manera incompresible el volumen desplazado del vehículo. La transferencia de retorno puede realizarse por diferencia de presión controlada por una válvula, o también por bombeo. ^{[10] : 24}

• • Sistema de volumen variable y masa constante lleno de aceite accionado por pistón. Funciona de manera muy similar al sistema de aceite bombeado, pero el almacenamiento interno está en un cilindro con un pistón que disminuye o aumenta su volumen mediante un accionamiento mecánico, normalmente accionado por un motor eléctrico. En efecto, el pistón actúa como una bomba. ^{[10] : 25}

• Sistema de flotabilidad variable con agua bombeada. El agua ambiental se introduce y se extrae del recipiente a presión para cambiar la densidad general del recipiente y, por lo tanto, del vehículo del que forma parte. En una dirección, esta transferencia puede ser posible por diferencia de presión, pero en al menos una dirección debe ser bombeada. El proceso es repetible mientras haya energía, ya que el lastre se extrae del entorno. ^{[10] : 22}

Un tanque de flotabilidad que se encuentra dentro del casco presurizado del vehículo, como en el caso de un submarino, estará expuesto a la presión interna del vehículo, por lo que las cargas de presión externa sobre el tanque pueden ser relativamente bajas. En este caso, la transferencia de agua de lastre al tanque puede no requerir bombeo, aunque una bomba de desplazamiento positivo puede ser útil para controlar con precisión el volumen de agua admitida. La descarga de agua de lastre se realiza contra la presión externa, que dependerá de la profundidad, y generalmente requerirá un trabajo significativo. ^[6]

Si el tanque de flotabilidad está expuesto directamente a la presión hidrostática ambiental, la carga externa debido a la profundidad puede ser alta, pero si la presión interna del gas es lo suficientemente alta, la diferencia de presión será menor y el recipiente a presión no está sujeto a altas cargas de presión externa neta que pueden causar inestabilidad por pandeo, lo que puede permitir un peso estructural menor. En el caso extremo, la presión interna es lo suficientemente alta como para expulsar rápidamente el lastre de agua a la profundidad operativa máxima, como en el caso del cilindro de buceo integrado y el dispositivo de control de flotabilidad Avelo. Se utiliza una bomba para mover el agua ambiental hacia el recipiente a presión contra la presión interna, comprimiendo aún más el gas en proporción a la disminución del volumen, por lo que todo el volumen interno no está disponible para contener el lastre, ya que aunque el gas disminuirá en volumen, siempre habrá algo de volumen de gas restante. El agua y el aire en el recipiente a presión pueden estar separados por una membrana o pistón libre para evitar el bombeo de aire en algunas orientaciones y para evitar que el aire se disuelva en el agua de lastre bajo alta presión. ^{[10] [4]}

• Vehículo submarino autónomo  – Vehículo submarino no tripulado con sistema de guía autónomo
• Tanque de lastre  : Compartimento para contener el lastre líquido
• Aterrizador bentónico  : plataforma para realizar mediciones en el fondo 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  : un dispositivo móvil submarino atado 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.