Cap 6. Formas y Resistencia. Parte 5

FORMAS Y RESISTENCIA
(Parte 5)
P. Sosa. © 03-2007
En las Figuras siguientes se presentan varios casos de timones en cruz y en X, uno de ellos
corresponde al conjunto de popa del submarino Albacore, provisto de hélices contrarrotativas.
Timones en H
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Timones en X del submarino de la Clase Sodermanland (Kockums) de Suecia. Hélice de 5 palas.
Timones en H de un submarino de la Clase Ohio
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Los timones de dirección y de buceo suelen ir justo detrás de alerones fijos, ya que así van mas
protegidos y además hacen que sean más efectivos. Estos alerones permiten que los timones puedan
apoyar el extremo de sus mechas en ellos, con lo cual se gana robustez, al pasarse de una condición
de voladizo a una de apoyo en los dos extremos, para estas mechas
En algunos proyectos rusos recientes incluso se llega a eliminar el timón de dirección superior, sin que
esté muy claro su objeto, como se muestra en la figura, del la Clase Kilo rusa.
En otros casos se montan timones en H, con unas aletas verticales situadas en el extremo de los
timones de buceo, que pueden servir de base de sensores o sonares verticales, (algunos submarinos
de la Clase Los Angeles, de la Clase Ohio y de la Clase Le Triomphant los llevan).
En otros casos, (Clase SSN Virginia), se instalan aletas fijas en la popa, adicionales al típico montaje
en cruz o en X del grupo de timones de popa, para aumentar la estabilidad de ruta y que pueden ser
útiles para instalar sensores diversos.
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En las Figuras que siguen se presentan las popa y timones de un submarino de la Clase Virginia y un
submarino de la Clase Alfa (URSS) (este último muy veloz, pero que fue ya dado de baja).
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Los timones de buceo de popa, por sí solos, no pueden garantizar la completa maniobrabilidad del
submarino. Son eficaces a velocidades altas y bastaría con ellos, pero a velocidades bajas no son
capaces de gobernar el buque con precisión, incluso el efecto evolutivo puede ser contrario al
pretendido, si la velocidad es muy baja y son necesarios unos timones de buceo en proa.
Dotar al submarino de amplios hidroplanos para asegurar una buena estabilidad de ruta tiene además
una trascendencia mecánica; si la ruta no es mantenida correctamente con los timones a la vía resulta
que hay que estar corrigiéndola continuamente, y eso, aparte de que es un gasto de energía continuo
supone un desgaste prematuro de sus sistemas de control y sus mecanismos de accionamiento. No
obstante en muchos casos se navega con submarinos ligeramente inestables, lo cual beneficia, en un
momento dado, su maniobrabilidad.
Los timones de buceo de proa son unas palas móviles, horizontales, que se sitúan a proa para
mejorar la maniobrabilidad en el plano vertical, a baja velocidad principalmente, forzando la proa a que
se sumerja o ascienda según el giro de estos hacia un lado o hacia el otro, respecto a un eje
horizontal. Su máxima eficacia se obtiene cuando van en le extremo de proa del casco, al generar un
momento mayor, pero como producen ruido hidrodinámico cuando se giran, incluso cuando van a la
vía, se suelen retranquear hacia zonas mas apopadas, para que no perturben demasiado la recepción
del sonar pasivo.
Su implantación en el casco está expuesta a muchas dificultades. La situación ideal sería en los
costados el casco, en la parte mas ancha, en el diametral, para que fuesen normales al mismo, pero
en esta posición sobresalen mucho y están expuestos a golpes. En ciertos casos se han hecho
retráctiles, ya que a alta velocidad no son necesarios, y se evita la resistencia que estos producen al
avance, o abatibles ya que su uso no es permanente, pero si son retráctiles hay que buscar hueco en
el interior del submarino, incluir mecanismos de retracción que sean compatibles con los del giro de la
pala, etc. Hacerlos abatibles es desaconsejable ya que nunca se puede conseguir que, una vez
plagados, sigan las líneas del casco y por consiguiente, son ruidosos.
Cuando están colocados a la altura del eje del buque los torbellinos que inducen van a parar hasta los
timones de popa, por lo cual estos funcionan en un campo de flujo menos ordenado. Si se ponen sobre
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el casco, en vez de ponerlos centrados habría que situarlos en la parte inferior del mismo para
desligarlos de los timones de popa. En algunos casos (Clase HDW 209) se han dispuesto de forma
que el de Br sirve para hacer ascender la proa y el de Er para hacerla descender, aunque este método
produce cierto efecto de escora, en las maniobras.
Para obviar estos inconvenientes se suelen colocar en la parte alta de la superestructura, pero al deber
insertarse sobre la superficie inclinada de la misma, se crean unas cuñas que producen torbellinos y
ruidos.
En la Figura que sigue se presenta una disposición general de un submarino del tipo TR-1700 (de
Thyssen Nordseewerke). Obsérvese que los timones de buceo de proa van implantados en el casco
ligero de proa y son replegables.
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Para evitar estos inconvenientes se ha recurrido a instalar unos salientes en la superestructura a modo
de “hombros”, con lo cual los timones ya atacan de forma casi normal a la zona del casco donde se
asientan, pero a base de deformar mucho las formas de proa. Como ejemplo, en las Figuras anexas se
puede observar los timones de un submarino de la Clase Dolphin, israelita, que lleva unos timones
implantados sobre la superestructura de proa. En este caso el problema es menor ya que la
superestructura es muy rectangular, con los costados laterales casi verticales. Unos submarinos con
unos hombros muy señalados son los de la Clase Vanguard, de Gran Bretaña. Ver Figuras anexas.
Los timones de buceo de proa cuando van sobre le cuerpo principal del casco producen un momento
de giro que puede ser importante, colaborando con los de buceo de popa. En muchas construcciones,
ante la dificultad de situarlos es este cuerpo, que exige crear unos salientes u hombros nocivos para
las formas, como ya hemos dicho, se sitúan sobre la vela, en sus costados. Ver Figuras anexas.
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La solución de instalar los timones sobre la vela, es la más limpia desde el punto de vista
hidrodinámico, y no afecta demasiado al ruido que puedan tomar los sensores de la proa, pero es
necesario que la situación longitudinal de la vela lo permita, es decir la vela debe estar muy
adelantada, relativamente cercana a la proa. Eso es común en bastantes submarinos convencionales
y, sobre todo, en los nucleares. No tienen que ser replegados ya que nos sobresalen por los costados,
en la mayor parte de los casos. Se sitúan a media altura. Hay constructores que los sitúan en la parte
más gruesa de la vela, lo ideal, mientras que otros los sitúan cerca del borde de ataque de la misma,
esta última solución pensando posiblemente en que estén lo mas a proa posible.
En esta configuración se acepta que no produzcan momento de giro sino unas fuerzas verticales que,
al estar cercanas al punto neutral, hacen que el buque cambie de cota sin que el submarino se incline
demasiado longitudinalmente. Son muy adecuados, por ejemplo, para mantener la cota periscópica.
Los submarinos actuales no tienen necesidad de maniobrar demasiado deprisa en el plano vertical, por
lo que los timones de buceo en la vela son suficientes para navegar con comodidad. Además los
alerones horizontales (de popa) se suelen dimensionar muy grandes para que estabilicen mucho en el
plano vertical y así evitar que las inmersiones o emersiones sean demasiado violentas. Incluso se llega
a poner topes mecánicos o eléctricos en los timones de buceo de popa, que se van aplicando o
desbloqueando según sea la velocidad del submarino, para evitar maniobras intempestivas.
En cuanto a su resistencia, su estructura debe ir muy bien insertada en el casco principal, ya que son
estrechos y están sometidos a grandes fuerzas en su plano. El forro, en su zona de contacto con el
cuerpo principal suele dotarse de unos radios de acuerdo, que pueden oscilar entre 60 y 120 mm. Si se
construyen huecos, y está su interior en comunicación con el mar, no están solicitados a la presión
externa, pero pueden sufrir problemas de oxidación interior al ser difícil la revisión y el mantenimiento
de la pintura. Si se rellenan con algún mortero, este debe ser lo suficientemente rígido para que pueda
soportar la presión de inmersión sin aplastarse.
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6.8.-Otros apéndices
Otros apéndices que hay que considerar son los relativos a todos aquellos equipos o aparatos que
pueden sobresalir del casco de forma permanente u ocasional, como pueden ser el sonar interceptor,
algunos sonares de flanco, los cabrestantes o las bitas, que pueden distorsionar el flujo y producir
ruido, y que se deben insertar en el submarino mediante carenados suaves o ser abatibles.
La superestructura, en su línea de contacto con el casco principal es una fuente de torbellinos. Lo que
conviene hacer es integrarla, de forma permanente, con la estructura de la proa y de popa. Hay una
zona central, que al deber ser desmontable no se puede hacer insertada totalmente en el casco, sino
sobrepuesta, debiéndose tener una abertura muy pequeña en la línea de contacto, pero suficiente para
que el agua atrapada en el interior de la superestructura pueda drenarse con facilidad. La
superestructura, al tener una longitud apreciable, se construye por secciones que deben estar muy
bien ensambladas entre si, a efectos de no tener rugosidades o discontinuidades producidas por los
intersticios entre secciones, protuberancias, etc. que podrían aumentar el coeficiente de fricción y,
sobre todo, producir ruidos indeseables.
Los orificios practicados para la esclusa de basuras o del ancla deben ser obturados correctamente,
para que no se creen discontinuidades que podrían dar lugar a ruidos. En los submarinos monocasco
el orifico del lanza-basuras es especialmente difícil de taponar mediante una tapa abatible porque
apenas hay sitio y hay que alterar sustancialmente el paso de casco.
Los cabrestantes, las bitas y otros elementos de amarre deben diseñarse para que sean abatibles o
replegables y, además, los orificios que dejan en cubierta queden obturados por tapas de la suficiente
rigidez, para que no vibren o se muevan al paso del agua.
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Las rejillas de los orificios de vaciado de los tanques de lastre y las rejillas de aireación de la
superestructura deben ser consideradas con especial atención. Para que no se creen flautas y otros
ruidos al paso del agua, se diseñan como las persianas, con una distancia entre pletinas que debe
estudiarse con detenimiento. Para evitar que su frecuencia de resonancia, si se produce, sea la misma
se disponen estas a intervalos irregulares.
En snorkel, con los mástiles desplegados, si estos no están bien carenados, la resistencia
suplementaria que estos desarrollan puede ser importante. Por lo cual estos se dotan de unas
carcasas o carenados de formas hidrodinámicas. No se deben realizar demasiado alargados (t/c=2,5 a
3) para que no ocupen demasiado. Hay que tenerlos en cuenta para la disposición general de la vela.
En la figura se pueden observar algunos de estos mástiles carenados, que van pintados con colores de
camuflaje.
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En inmersión conviene que todos los orificios situados en el techo de la vela, como pueden ser los del
abrigo de navegación y los de los mástiles deben ser obturados de forma efectiva, objetivo este que
demanda mucho esfuerzo de diseño, ya que el asunto no es fácil. Las tapas del abrigo de navegación
suelen consistir en unas planchas conformadas que pueden ser instaladas/desmontadas y cerradas
por los mismos operadores o vigías, cuando abandonan el puesto, pero para los mástiles las
soluciones no son excesivamente sencillas. Como se observa en al Figura siguiente, correspondiente a
un submarino soviético, el puente alto dispone de parabrisas, y este, junto con el foso, puede ser
centro de una turbulencia importante, a alta velocidad, si no se tapa convenientemente. Obsérvense
también los orificios del techo de la vela, sin obstruir.
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En muchos casos los submarinos van recubiertos por paneles anecoicos (aislantes del ruido o antisonar) de diversa naturaleza que van simplemente pegados sobre el forro, dejando muchas ranuras
entre ellos y discontinuidades en la superficie, como se muestra en la Figura de mas arriba, de un
submarino ruso. En algunos casos estos llegan a desprenderse y pueden ser el origen de una fricción
suplementaria, aunque ese es problema menor.
Debido a las protuberancias y discontinuidades que existen en la superficie exterior de los submarinos,
aunque estas hayan sido reducidas hasta el máximo grado practicable, la resistencia al avance,
respecto aun casco perfectamente liso (que es rugoso a la escala microscópica y que ya exige corregir
el coeficiente de fricción con el término ∆Cf), se incrementa en un 5% aproximadamente.
6.9.- Conclusiones
Como conclusión y respecto a las formas de un submarino convencional, del tipo monocasco, el más
extendido, hay que tener en cuenta las siguientes consideraciones:
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El submarino va a navegar el 98% de su tiempo operativo a velocidades entre 4 y 10 nudos,
por lo que optimizar las formas para una alta velocidad puede requerir un esfuerzo que no está
demasiado justificado. Por este motivo habría que de dar la preferencia a otros apartados
como la disposición y tamaño de los sonares, el rendimiento de la propulsión, la disposición de
los mástiles y el lanzamiento de las armas, pero sin descuidar las directivas destinadas a evitar
los ruidos hidrodinámicos derivados de las formas. Por consiguiente la forma de la proa puede
ser relativamente gruesa con radios de acuerdo amplios. Su longitud puede ser del orden de
1,2 a 1,6 veces el diámetro máximo del casco. Coeficiente prismático de 0,75 a 0,80
El volumen de la forma de la superestructura de proa, (de la que hay que deducir el volumen
ocupado por el domo de cierre del casco resistente, de proa) es la suma del volumen ocupado
por los tanques de lastre de proa, por los extremos externos de los tubos y sus mecanismos
(turbo-bomba si las lleva), las válvulas de ventilación, por el sonar cilíndrico (con sus ventanas
para escucha por el través), el de algún otro sonar pequeño, por ancla y la caja de cadenas y
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de algunos accesorios y zonas de agua de libre circulación, entre la parte delantera de los TLT
y el casco, el agua que contornea los sonares, el ancla en su estiba, etc. No es solo una
cuestión de volúmenes, hay que hacer una disposición preliminar para ver como se acopla
todo.
La compatibilidad de espacios entre el sonar de proa y los TLT no ha sido resuelta totalmente.
El tamaño y la posición del sonar de proa, cilíndrico o esférico, sigue estando constreñido por
la existencia, también en la proa, de los TLT, sus mecanismos y accesorios externos.
El coeficiente prismático de la forma de proa debe subordinarse a la buena operación del
sonar pasivo, es decir este debe estar situado a proa de la zona de transición para la velocidad
máxima que se tome como objetivo. En algunos casos se recurre a crear un abultamiento en la
zona donde se encuentra el sonar, que puede ser por encima o por debajo de los TLT, con lo
cual el casco deja de ser de revolución. No obstante, si la deformidad no es excesiva es un
modo práctico de ganar espacio, en submarinos muy pequeños, y así obtener un buen espacio
para alojar el sonar. Numerosos submarinos han recurrido a esta técnica, aunque no sea lo
ideal. El sonar dispondrá de un espacio para unos bafles en la parte de atrás, cunado va
incluido en el casco principal.
Hay que verificar como atacan los TLT a la superficie de las formas. Unos tubos lanzatorpedos
muy tangenciales exigirán portas muy alargadas y de difícil operación. Estas portas deben
estar muy bien niveladas y ajustadas con el resto de forro, es decir que las ranuras no sean
muy grandes y con desniveles, respecto al forro.
Los paños superficiales de la proa estarán exentos de juntas y ranuras, serán lisos y estarán
pulidos preferentemente. Es aconsejable construirlos usando materiales compuestos, por su
mayor adaptabilidad y por el hecho de que al haber sido laminados sobre molde, suelen estar
bastante bien terminados superficialmente. Las ventanas de sonar conviene que sean
permeables al ruido. La laminación debe estar, por consiguiente, exenta de partículas
extrañas, poros y burbujas de aire.
La parte cilíndrica central, (casco resistente), su diámetro y su longitud, (sin contar los
eventuales conos reductores en las secciones de popa) viene forzada por las necesidades de
la disposición y por cuestiones constructivas. La parte cilíndrica puede ser llegar a ser del
orden del 50 % de la eslora total.
La forma de popa está compuesta por la parte del casco que se extiende entre la parte
cilíndrica central y el extremo de la hélice. Cuando se emplean reducciones del casco
resistente hacia popa (mediante troncos de cono) la forma en que estos se reducen debe
respetar un trazado adecuado, que puede estar representado por una línea quebrada inscrita
(o promediada, o circunscrita) en una curva continua que no tenga cambios curvatura
exagerados y que partiendo de la parte cilíndrica llegue hasta la hélice pasando por las zonas
tronco-cónicas. En realidad esta curva puede ser la obtenida para un cuerpo de popa del tipo
albacore, de una longitud cercana a 3 o 3,6 D.
El volumen del extremo de popa debe ser suficiente para contener, (descontado el volumen del
domo de cierre por popa del casco resistente), los tanques de lastre, la línea de ejes, los
mecanismos de los timones, las válvulas de ventilación, eventualmente algunas botellas de
aire comprimido, y un pequeño volumen de agua de libre circulación (en proximidad del cono
de la hélice).
En forro del casco, en la zona más cercana a la hélice conviene que sea de curvatura cero, es
decir que sea un cono perfecto, de revolución. El ángulo de este cono no interesa que supere
los 17º de semi-apertura. Este ángulo dicta la forma general de la popa, en la práctica, desde
la hélice hasta el domo de popa del casco resistente. Cuando se usan algoritmos basados en
el polinomio de sexto grado, este parámetro no es un dato de entrada y por consiguiente no es
fácil de controlar, salvo comprobándolo después de obtener el resultado. Este ángulo de cono
determina el valor de la estela y de la succión, o sea, del rendimiento de casco que es un
factor esencial en el rendimiento de la propulsión.
La superestructura tiene que estar muy bien integrada con el casco principal y abrazarlo sin
discontinuidades. Son importantes los contactos suaves con los extremos de proa y de popa,
que deben estar en perfecta continuación de las formas y preferiblemente estar integrados con
el resto del casco. Los cabrestantes, bitas y alavantes deben poder deslizarse hacia la interior
del casco y para que no queden orificios, estar provistos de tapas. Las cubiertas debe estar
libres de obstáculos. Dispondrán de un buen junteo entre paneles y poseerán agujeros o
rejillas de aireación construidos con mitras a reducir el ruido.
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La vela se sitúa donde mas convenga, por motivos de la disposición general, aunque las
situaciones adelantadas son los mas adecuadas.
Su tamaño conviene que sea lo mas reducido posible, por lo que exige un estudio adecuado
de las diversas disposiciones posibles de los mástiles que debe contener en su interior. En
este aspecto, aparte de las consideraciones sobre las interferencias mecánicas y electrónicas
hay que comprobar que el tubo de aire del snorkel está lo suficientemente alejado de los
escapes para que no aspire humo o se vea perturbado por la ola que la salida de humos la
mar provoca.
La relación anchura/longitud de la vela no conviene que pase de 0,20. El mayor espesor de la
vela debe situarse a una abscisa del 30-35 % de su longitud. La forma de las secciones se
puede tomar de un perfil NACA o similar. La altura estará dictada por los mástiles. El techo
conviene que sea abombado o semicircular. Todos los orificios de paso de las antenas
deberán disponer de tapas, si ello es practicable.
El forro de pié de vela deberá estar dotado de un radio de acuerdo con las superestructura,
con un radio mayor en la zona de proa o formando una cuña pronunciada.
Los timones de dirección y de buceo, de popa, en las ejecuciones en cruz deberán disponer de
partes fijas, (alerones) a efectos hidrodinámicos y de resistencia mecánica.
Deberán estar lo suficientemente alejados del plano de la hélice (distancia > D).
Las ejecuciones en cruz son más sencillas que las ejecuciones en X aunque estas tienen una
mayor capacidad de producir momento de giro, al colaborar las 4 palas en cualquier
movimiento (direcciones YY o ZZ).
Los timones de buceo de proa son imprescindibles, deben tener un dimensionamiento
generoso, aunque solo sean necesarios cuando el submarino navega a baja velocidad.
Los timones de buceo operan en unas mejores condiciones hidrodinámicas cuando están
situados en el cuerpo central, y centrados con el mismo, pero así sobresalen mucho del casco,
por lo que están expuestos a golpes, salvo que sean retráctiles. Si se sitúan en las partes altas
del cuerpo central existe el problema de su implantación tangencial (hombros) y del ruido
propio que pueden inducir (respecto al sonar). La implantación en la vela es la mas practica ya
que permite que trabajen un una zona de flujo poco perturbado y están menos expuestos a
golpes. Producen un menor momento de giro que los situados a proa y deben ser mas
grandes. Su operación, a baja velocidad, si están situados correctamente, permite cambiar de
cota sin un asiento apreciable del submarino.
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