Los submarinos son embarcaciones submarinas autopropulsadas que se diseñan y construyen para realizar operaciones subacuáticas durante un tiempo estipulado. El diseño de los submarinos consiste en un sistema de casco simple o doble que alberga todos los sistemas necesarios y la mano de obra requerida para completar su misión.

Esta, sin embargo, es una descripción muy simple de un producto de ingeniería muy complejo, que se utilizan para una amplia gama de propósitos tales como la investigación submarina, el rescate submarino y la guerra submarina; siendo este último el más utilizado.

En esta serie de artículos, estudiaremos el diseño de los submarinos navales. En los primeros artículos de esta serie, no entraremos en el proceso de diseño, sino que nos familiarizaremos con el diseño y las funcionalidades de un submarino, sus partes, la disposición general, el diseño y la disposición estructural, la estabilidad de un submarino, los sistemas utilizados en un submarino, etc.

Una vez que hayamos analizado estos aspectos, nos será fácil tocar el proceso de diseño de submarinos. Aunque el proceso de diseño seguido por todas las marinas es confidencial y diferente entre sí, los fundamentos siguen siendo los mismos.

Los principales objetivos del diseño de submarinos son:

• El submarino debe atender al propósito funcional del cliente.
• El diseño debe ser capaz de ser construido con los recursos disponibles.
• El coste del proyecto debe ser aceptable para el cliente.

Partes de un submarino

Casco exterior y casco de presión:

La mayoría de los diseños de submarinos tienen dos cascos. El casco que alberga todos los espacios de alojamiento, las armas, los sistemas de control de armas, la sala de comunicaciones y control, los bancos de baterías y la maquinaria principal y auxiliar, es el casco de presión. Se llama casco de presión porque está diseñado para soportar la presión hidrostática a la máxima profundidad operativa del submarino.

El casco de presión está alojado dentro del casco exterior, que no es estanco a la presión. ¿Por qué? Porque, en condiciones de inmersión, los espacios entre el casco exterior y el interior siempre permanecen inundados de agua de mar. Por lo tanto, la presión hidrostática sobre el casco exterior es insignificante.

Tanques principales de lastre (MBT):

Ahora, los espacios «inundables» están compartimentados en tanques, que en la terminología submarina, se denominan tanques principales de lastre. La distribución de los tanques principales de lastre en un submarino depende de la forma y la interacción del casco exterior y de presión.

Entenderemos el funcionamiento de los MBT después de tratar el proceso de inmersión de un submarino, y la estabilidad del mismo. Algunos diseños tienen MBTs sólo en las regiones de proa y popa, y el resto del casco de presión está enrasado con el casco exterior.

Otros diseños tienen casco exterior y de presión completamente diferentes, con espacio para lastre entre ellos. Algunas disposiciones de los MBT se muestran en las siguientes figuras.

Vela o aleta de puente:

La vela es la parte aerodinámica no resistente a la presión del submarino sobre el casco exterior. Sus diferentes tipos de mástiles que se despliegan desde el interior del submarino cuando snorkel o velas justo debajo de la superficie libre.

Los diferentes mástiles utilizados en un submarino son el mástil de periscopio, el mástil de comunicaciones, el mástil de radar, el mástil de sensor de armas, etc. Estos se levantan desde la aleta del puente cuando el submarino requiere vigilancia en la superficie en modo sigiloso. La figura 7 muestra la vela en un submarino cuando los mástiles no están desplegados.

El perfil de la aleta de puente en un diseño de submarino tiene siempre una forma aerodinámica, ya que actúa como un hidrodeslizador con las velas del submarino con sólo la aleta por encima del agua. Esta forma reduce la resistencia del submarino. Es muy importante mantener la resistencia dentro de los límites, ya que evita los remolinos y, por consiguiente, minimiza la firma acústica del submarino.

Superficies de control:

Cuando el submarino está sumergido, los cambios de dirección y profundidad se realizan mediante el uso de hidroplanos que actúan como superficies de control. Para entender la aplicación de los hidroplanos, primero debemos conocer la naturaleza de los movimientos que experimenta un submarino en condiciones de inmersión.

A diferencia de un buque de superficie, los submarinos están sometidos a menores movimientos de oscilación y cabeceo debido a la ausencia de efectos de las olas en la superficie. Un par de hidroplanos o aletas en la proa y en la popa se utilizan para controlar el oleaje y el cabeceo de forma independiente. Los hidroplanos o aletas se muestran en la figura 8.

Dos hidroplanos montados en la popa en el plano vertical se utilizan para cambiar la dirección lateral del submarino cuando está en movimiento. Se denominan básicamente timones. Tenga en cuenta que, a diferencia de los barcos, los timones de un submarino están por delante de la hélice.

¿Por qué? Porque en el caso de un barco, el timón requiere la salida de la hélice para obtener la máxima eficiencia de elevación. Pero en un submarino, dado que todo el casco está sumergido, el flujo sin perturbaciones incide sobre la superficie del timón.

Si el timón del submarino se colocara a la popa de la hélice, el flujo sobre el timón sería más turbulento, aumentando la probabilidad de cavitación.

Una cosa importante a tener en cuenta es que los hidroplanos funcionan con una eficiencia óptima sólo a altas velocidades.

Disposición general de un submarino

Antes de pasar a conocer el funcionamiento y las funciones de los diferentes sistemas de un submarino, es vital conocer la distribución espacial de los principales compartimentos y sistemas a lo largo y ancho del casco. Esto se entenderá mejor si nos referimos a la Figura 9.

El casco de presión y el casco exterior se distinguen claramente en la figura anterior del diseño del submarino. La parte delantera del casco de presión alberga los sistemas de armas y los sensores. Los sensores se suelen alojar en el espacio inundado entre la parte delantera del casco de presión y el casco exterior.

Los sensores se colocan siempre en la parte delantera para reducir el ruido del flujo turbulento en la popa y la obstrucción de la maquinaria en caso de posición en la popa. El sistema de armas incluye los tubos de torpedos que albergan los torpedos, el sistema de lanzamiento de torpedos y los tanques de operación de torpedos.

La parte más adelantada del casco de presión se utiliza para almacenar las armas. Se cargan en los tubos de torpedos que se encuentran parcialmente dentro del casco de presión y se extienden hasta la periferia más a proa del casco exterior.

La parte central del casco de presión se utiliza para los siguientes fines:

• Sistemas de control del buque y de las armas: Todos los sistemas del submarino se manejan a distancia desde el centro de control de buques y armas. Este compartimento alberga todos los sistemas de control de navegación, los sistemas de disparo de armas, los paneles de control y monitorización de la maquinaria, el sistema de inmersión y salida a la superficie, el sistema de control de dirección, etc. Toda la comunicación entre la tripulación del submarino y la base naval o cualquier fuente de datos externa se realiza desde este compartimento. Hoy en día, los submarinos están tan automatizados que todas las operaciones de un submarino durante las patrullas normales y las misiones de guerra pueden llevarse a cabo desde este compartimento, sin necesidad de que la tripulación esté presente en ningún lugar fuera de la sala de control.

• Alojamiento y soporte vital: Los módulos de alojamiento, los módulos de aseo, la cocina y las cámaras frigoríficas están situados en el compartimento central del casco de presión. Esta posición no sólo es beneficiosa desde el punto de vista funcional, sino que también proporciona un fácil acceso a las partes de proa y popa del submarino. Dado que esta posición también se encuentra bajo la vela, hace que el escape sea más factible para la tripulación en condiciones de emergencia.

• Banco de baterías: La fuente de energía en un submarino diésel son las pilas de hidrógeno. Éstas se cargan mediante alternadores diésel. Las baterías compuestas por unidades de células de hidrógeno se apilan en conjuntos y se colocan en un compartimento llamado banco de baterías. Normalmente, un submarino tiene un banco de baterías en más de un compartimento estanco para que haya redundancia. Cada banco de baterías tiene una capacidad suficiente para soportar todas las operaciones del submarino durante su periodo de resistencia. La ventilación y eliminación del hidrógeno del compartimento de baterías es una prioridad absoluta, ya que cualquier presencia de hidrógeno en el compartimento puede provocar explosiones.

• Maquinaria y maquinaria auxiliar: La maquinaria principal y auxiliar contribuyen a cerca de un tercio del peso del submarino. La maquinaria principal consiste en los alternadores diésel principales que se utilizan para cargar las baterías y sus sistemas asociados, la planta de aire acondicionado, el sistema principal de aire de alta presión, etc. El compartimento de la maquinaria auxiliar está separado del compartimento de la maquinaria principal por un mamparo estanco. El motor eléctrico auxiliar o económico, la planta auxiliar de CA, el sistema auxiliar de aire de alta presión, etc., se alojan en el compartimento de maquinaria auxiliar. Los alternadores diésel se utilizan para cargar las baterías, que a su vez alimentan los motores eléctricos de propulsión principales y auxiliares.

• Compartimento de Propulsión: Situado en la popa del casco de presión, este compartimento aloja el motor eléctrico de propulsión principal, el eje de propulsión principal y sus sistemas asociados, el eje de cola y los prensaestopas de proa y popa que se utilizan para conseguir la estanqueidad en las aberturas del casco de presión y del casco exterior. En el diseño de los submarinos diésel-eléctricos, la caja de engranajes de reducción también se encuentra en el compartimento de propulsión.

Forma del casco de un submarino de diseño:

Los submarinos más iniciales utilizaban una forma del casco muy diferente a la de los submarinos actuales. La evolución de la forma del casco y las razones que la motivan es, por tanto, un aspecto interesante del diseño de submarinos. La forma más ideal del casco de un submarino para minimizar la resistencia es la forma aerodinámica ideal con una proa parabólica y una popa elíptica, como se muestra en la figura 10.

Los primeros submarinos de la década de 1940 utilizaban esta forma para obtener un requisito de potencia mínimo y una separación de flujo insignificante alrededor del casco. Pero se observó que, debido a la forma aerodinámica, el volumen utilizable dentro del casco era insuficiente, ya que el radio del casco experimentaba un pronunciado descenso desde la popa y la proa de la región del centro del barco. Esto no sólo mantenía los costes de producción elevados, sino que también debilitaba la posibilidad de incorporar múltiples niveles de cubierta.

La forma del casco utilizada en los submarinos modernos (desde finales de la década de 1970) es el cuerpo medio cilíndrico largo con proa y popa elípticas.

Aunque el cambio de la forma aerodinámica ideal aumenta la resistencia y los consiguientes requisitos de potencia, los costes adicionales de combustible durante la vida útil del submarino se ven compensados por los bajos costes de producción, ya que las secciones cilíndricas son mucho más baratas y fáciles de construir. Esta forma también permite la incorporación de múltiples cubiertas dentro del mismo volumen del casco, por lo que garantiza un mayor uso del espacio.

Es importante saber que la forma y la geometría del casco de un submarino es un punto de partida importante del diseño, ya que no sólo dictaría el punto antes mencionado, sino que también afectaría a una serie de otros factores del submarino como se discute a continuación.

Una forma de casco cilíndrica aumenta la maniobrabilidad del submarino debido a las mayores fuerzas hidrodinámicas generadas por la acción del hidroplano. También se ha observado que la mínima resistencia global en el casco y las mejores características de maniobrabilidad se obtienen para relaciones de eslora a manga que van de 6 a 8.

El diámetro del submarino se decide principalmente en función de la eslora. Y la eslora se fija en función del volumen del casco de presión requerido y del desplazamiento del submarino. Las cubiertas múltiples aumentan la utilidad del volumen del casco de presión, y el número de niveles de cubierta posibles en un submarino se decide principalmente por su diámetro.

Un submarino con una cubierta tendría dos niveles dentro de su casco de presión. Los submarinos con diámetros de casco que van de 4 a 7 metros están restringidos a una cubierta. Permitiría dos niveles accesibles – por debajo del nivel de la cubierta y por encima del nivel de la cubierta, como se muestra en la figura siguiente.

Las cubiertas dobles con tres niveles accesibles son posibles en submarinos con diámetros de casco que van de 7 a 8 metros. Los submarinos diésel-eléctricos de gran tamaño suelen tener estas dimensiones.

Las cubiertas triples y los diseños de cubiertas duras se utilizan para diámetros de casco que van de 9 a 11 metros y de 11 a 13 metros. Estos diámetros tan grandes se utilizan sobre todo en los submarinos de propulsión nuclear en los que se requiere un gran espacio vertical para la central nuclear.

Con los aspectos del diseño de submarinos tratados en este artículo, el punto discutible que se extrae es que habiendo conocido las partes y funciones del submarino y sus sistemas, el arte y la habilidad de un buen diseñador radica en tratar de conseguir la máxima eficiencia volumétrica para un diseño.

Hay algunos espacios dentro del submarino que pueden tener un volumen muy específico (por ejemplo, los tanques principales de lastre), mientras que otros pueden tener sólo unas dimensiones específicas (ejemplo, el banco de baterías). También habría casos en los que hay demandas volumétricas específicas, pero no de forma específica (por ejemplo, tanques de operación de torpedos y tanques principales de lastre). En función de estas exigencias, un buen diseñador priorizaría las fases del diseño y los parámetros que se fijan en cada fase.

Uno de los aspectos más vitales del diseño de un submarino es su estabilidad. Aunque pueda parecer simple en comparación con los barcos, la comprensión de la estabilidad de un submarino es más compleja que la de un barco, ya que funcionaría tanto en condiciones de superficie como de inmersión.

Y los parámetros de estabilidad de un submarino cambian drásticamente en el momento en que un submarino se sumerge en el agua o sale a la superficie, lo que da lugar a un punto en el que el submarino se encuentra en el punto de flotación. Cómo y por qué es lo que discutiremos en el próximo artículo.

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Etiquetas: diseño de submarinos