Система сосудов под давлением с переменной плавучестью — это тип жесткого устройства управления плавучестью для систем дайвинга, которое сохраняет постоянный объем и изменяет свою плотность путем изменения веса (массы) содержимого, либо путем перемещения окружающей жидкости в жесткий сосуд под давлением и из него, либо путем перемещения хранимой жидкости между внутренними и внешними контейнерами с переменным объемом. Сосуд под давлением используется для выдерживания гидростатического давления подводной среды. Сосуд под давлением с переменной плавучестью может иметь внутреннее давление больше или меньше давления окружающей среды , а разница давлений может изменяться от положительного до отрицательного в пределах рабочего диапазона глубины или оставаться либо положительной, либо отрицательной во всем диапазоне давлений, в зависимости от выбора конструкции.
Переменная плавучесть является полезной характеристикой любой мобильной подводной системы, которая работает в толще воды без внешней поддержки. [1] Примерами являются подводные лодки , батискафы , бентосные модули , дистанционно управляемые и автономные подводные аппараты и подводные водолазы .
Некоторым приложениям требуется только один цикл от положительного до отрицательного и обратно, чтобы опуститься на глубину и вернуться на поверхность между развертываниями; другим могут потребоваться десятки или сотни циклов в течение нескольких месяцев во время одного развертывания или постоянные, но очень небольшие корректировки в обоих направлениях для поддержания постоянной глубины или нейтральной плавучести при изменении глубины. Для этой функции доступно несколько механизмов; некоторые подходят для нескольких циклов между положительной и отрицательной плавучестью, а другие должны пополняться между использованиями. Их пригодность зависит от требуемых характеристик для конкретного приложения.
Мобильные подводные системы, работающие в толще воды без внешней поддержки, нуждаются в переменной плавучести, [1] и как таковые эти системы являются основной темой исследований в области подводных транспортных средств . [2] Примерами являются подводные лодки, батискафы, бентосные посадочные модули, дистанционно управляемые и автономные подводные аппараты, [3] а также подводные водолазы, работающие под давлением окружающей среды и в одной атмосфере. [4]
Подводная лодка может близко приближаться к равновесию при погружении, но не иметь собственной устойчивости на глубине. Герметичная конструкция корпуса под давлением обычно немного более сжимаема, чем вода, и, следовательно, будет терять плавучесть с увеличением глубины. [5] Для точного и быстрого управления плавучестью и дифферентом на глубине подводные лодки используют цистерны контроля глубины ( DCT ), также называемые жесткими цистернами (из-за их способности выдерживать более высокое давление) или дифферентными цистернами . Это сосуды под давлением с переменной плавучестью. Количество воды в цистернах контроля глубины можно контролировать, чтобы изменять плавучесть судна так, чтобы оно перемещалось вверх или вниз в толще воды, или для поддержания постоянной глубины при изменении внешних условий (в основном плотности воды), и воду можно перекачивать между дифферентными цистернами для управления продольным или поперечным дифферентом, не влияя на плавучесть. [6]
Глубину работы подводных аппаратов можно контролировать, управляя плавучестью — изменяя либо общий вес, либо вытесненный объем — или векторной тягой. Плавучестью можно управлять, изменяя общий вес аппарата при постоянном объеме, [7] или изменяя вытесненный объем при постоянном весе аппарата. Результирующая плавучесть используется для управления скоростью вертикальной качки и глубиной зависания, [7] а в подводных планерах положительная или отрицательная чистая плавучесть используется для движения вперед.
В системе подводного плавания Avelo используется сосуд высокого давления с переменной плавучестью, который одновременно является основным баллоном для дыхательного газа и компенсатором плавучести акваланга , с насосом, работающим на аккумуляторной батарее, и блоком сбросного клапана, который можно снять с баллона. [4] [8]
Системы переменной плавучести рассматривались для контроля глубины привязной турбины, генерирующей электроэнергию с помощью океанских течений . [9]
Тип системы переменной плавучести, наиболее подходящий для конкретного применения, зависит от требуемой точности управления, необходимого объема изменений и количества циклов изменения плавучести, необходимых во время развертывания. [10]
Было использовано несколько типов систем переменной плавучести, которые кратко описаны здесь. Некоторые из них основаны на относительно несжимаемом сосуде под давлением и почти стабильны при изменении гидростатического давления.
Плавучий резервуар, который находится внутри прочного корпуса транспортного средства, как в подводной лодке, будет подвергаться внутреннему давлению транспортного средства, поэтому внешние нагрузки давления на резервуар могут быть относительно низкими. В этом случае перемещение балластной воды в резервуар может не потребовать откачки, хотя насос с положительным вытеснением все еще может быть полезен для точного контроля объема принятой воды. Сброс балластной воды происходит против внешнего давления, которое будет зависеть от глубины, и, как правило, потребует значительной работы. [6]
Если плавучий резервуар напрямую подвергается воздействию гидростатического давления окружающей среды, внешняя нагрузка из-за глубины может быть высокой, но если внутреннее давление газа достаточно велико, разница давлений будет ниже, и сосуд под давлением не подвергается высоким чистым внешним нагрузкам давления, которые могут вызвать неустойчивость изгиба, что может позволить снизить вес конструкции. В крайнем случае внутреннее давление достаточно велико, чтобы быстро выбросить водяной балласт на максимальной рабочей глубине, как в случае интегрированного водолазного баллона и устройства управления плавучестью Avelo. Насос используется для перемещения окружающей воды в сосуд под давлением против внутреннего давления, сжимая газ дальше пропорционально уменьшению объема, поэтому весь внутренний объем недоступен для удержания балласта, поскольку, хотя газ уменьшится в объеме, всегда останется некоторый объем газа. Вода и воздух в сосуде под давлением могут быть разделены мембраной или свободным поршнем, чтобы предотвратить откачку воздуха в некоторых направлениях и предотвратить растворение воздуха в балластной воде под высоким давлением. [10] [4]