Submarinos são embarcações de propulsão própria que são concebidas e construídas para realizar operações subaquáticas durante um período de tempo estipulado. O projeto submarino consiste em um sistema de casco simples ou duplo que abriga todos os sistemas e mão-de-obra necessários para a realização de sua missão.

Esta, no entanto, é uma descrição muito simples de um produto de engenharia muito complexo, que são utilizados para uma ampla gama de fins como a pesquisa subaquática, resgate subaquático e guerra submarina, sendo este último o mais utilizado.

Nesta série de artigos, vamos estudar o projeto de submarinos navais. Nos primeiros artigos desta série, não entraremos no processo de desenho, mas sim, nos familiarizaremos com o desenho e as funcionalidades de um submarino, suas partes, disposição geral, desenho e disposição estrutural, a estabilidade de um submarino, os sistemas utilizados num submarino, etc.

Após termos estudado estes, seria fácil para nós tocarmos no processo de desenho de um submarino. Embora o processo de desenho seguido por todas as marinhas seja confidencial e diferente uns dos outros, o básico continua o mesmo.

Os objetivos principais do projeto do submarino são:

• O submarino deve atender ao propósito funcional do cliente.
• O projeto deve ser capaz de ser construído com os recursos disponíveis.
• O custo do projecto deve ser aceitável para o cliente.

Partes de um submarino

Casco exterior e casco de pressão:

A maioria dos projectos de submarinos têm dois cascos. O casco que abriga todos os espaços de alojamento, armas, sistemas de controle de armas, sala de comunicações e controle, bancos de baterias, maquinaria principal e auxiliar, é o casco de pressão. Chama-se casco de pressão porque está desenhado para suportar a pressão hidrostática na profundidade máxima operável do submarino.

O casco de pressão está alojado no interior do casco exterior, que não é estanque à pressão. Porquê? Porque, em condições submersas, os espaços entre o casco exterior e o interior permanecem sempre inundados com água do mar. Assim, a pressão hidrostática no casco exterior é insignificante.

Cisternas de lastro principais (MBTs):

Agora, os espaços “inundáveis” são compartimentados em tanques, que em terminologia submarina, são chamados de Tanques de Lastro Principais. A distribuição dos tanques de lastro principais num submarino depende da forma e interacção do casco exterior e de pressão.

Entenderemos o funcionamento dos MBTs depois de tratarmos do processo de submersão de um submarino, e a estabilidade do submarino. Alguns projetos têm MBTs somente nas regiões de frente e de popa, e o resto do casco de pressão é enxaguado com o casco externo.

Outros projetos têm casco externo e de pressão completamente diferentes, com espaço para lastro entre eles. Algumas disposições do MBT são mostradas nas figuras abaixo.

Batadura do navio ou Ponte:

A vela é a parte do submarino de forma aerodinâmica e não resistente à pressão sobre o casco exterior. Os seus diferentes tipos de mastros que são colocados a partir do interior do submarino quando se pratica snorkels ou velas sob a superfície livre.

Os diferentes mastros utilizados num submarino são mastro de periscópio, mastro de comunicações, mastro de radar, mastro de sensor de armas, etc. Estes são levantados a partir da barbatana da ponte quando o submarino requer monitoramento de superfície em modo stealth. A figura 7 mostra a vela em um submarino quando os mastros não estão implantados.

O perfil da barbatana de ponte em um desenho submarino é sempre em forma de aerofólio, já que age como um hidrofólio com as velas do submarino apenas com a barbatana acima da água. Esta forma reduz o arrasto no submarino. É muito importante manter o arrasto dentro dos limites, já que evita os eddies e, posteriormente, minimiza a assinatura acústica do submarino.

Control Surfaces:

Quando o submarino está em estado submerso, as mudanças de direcção e profundidade são efectuadas através do uso de hidroaviões que actuam como superfícies de controlo. Para compreender a aplicação de hidroaviões, precisamos primeiro de conhecer a natureza dos movimentos experimentados por um submarino em estado submerso.

Não como um navio de superfície, os submarinos estão sujeitos a movimentos de agitação e inclinação menores devido à ausência de efeitos de ondas superficiais. Um par de hidroaviões ou barbatanas à proa e à popa são usados para controlar a ondulação e o passo independentemente. Os hidroaviões ou barbatanas são mostrados na Figura 8.

Dois hidroaviões montados à popa no plano vertical são utilizados para mudar a direcção lateral do submarino quando em movimento. Estes são basicamente chamados de lemes. Note que ao contrário dos navios, os lemes de um submarino são à frente da hélice.

Porquê? Porque no caso de um navio, o leme requer a saída da hélice para a máxima eficiência de elevação. Mas num submarino, como todo o casco está submerso, o fluxo aerodinâmico não perturbado incide sobre a superfície do leme.

Se o leme do submarino fosse colocado à ré da hélice, o fluxo sobre o leme seria mais turbulento, aumentando a probabilidade de cavitação.

Uma coisa importante a salientar é que os hidroaviões só operam com uma eficiência óptima a velocidades elevadas.

Disposição geral de um submarino

Antes de passar a conhecer o funcionamento e funções dos diferentes sistemas num submarino, é vital conhecer a distribuição espacial dos principais compartimentos e sistemas ao longo do comprimento e largura do casco. Isto será melhor entendido quando se refere à Figura 9.

O casco de pressão e o casco exterior distinguem-se claramente na figura acima do desenho do submarino. A parte da frente do casco de pressão aloja os sistemas de armas e sensores. Os sensores são normalmente alojados no espaço inundado entre a parte da frente do casco de pressão e o casco exterior.

Sensores são sempre colocados à frente para redução do ruído de fluxo turbulento à popa e obstrução de máquinas em caso de posição à ré. O sistema de armas inclui os tubos de torpedo que alojam os torpedos, o sistema de lançamento de torpedos e os tanques de operação de torpedos.

A parte mais avançada do casco de pressão é usada para armazenar as armas. Eles são carregados nos tubos dos torpedos que estão parcialmente dentro do casco de pressão e se estendem até a parte mais a frente do casco externo.

A parte intermediária do casco de pressão é usada para os seguintes propósitos:

• Sistemas de Controle de Navios e Armas: Todos os sistemas no submarino são operados remotamente a partir do navio e do centro de controle de armas. Este compartimento aloja todos os sistemas de controle de navegação, os sistemas de disparo de armas, painéis de controle e monitoramento de máquinas, sistema de mergulho e surfacing, sistema de controle de direção, etc. Toda a comunicação entre a tripulação do submarino e a base naval ou qualquer fonte externa de dados é realizada a partir deste compartimento. Os submarinos hoje são automatizados de tal forma, que todas as operações em um submarino durante missões normais de patrulhamento e guerra podem ser realizadas a partir deste compartimento, não sendo necessária a presença da tripulação em nenhum lugar fora da sala de controle.

• Alojamento e Suporte de Vida: Os módulos de alojamento, módulos de sanitários, cozinha, quartos frios e frios são colocados no compartimento de meia-nau do casco de pressão. Tal posicionamento não só é benéfico funcionalmente, como também proporciona fácil acesso às partes dianteiras e traseiras do submarino. Como esta posição também está sob a vela, torna a fuga mais viável para a tripulação em condições de emergência.

• Banco de baterias: A fonte de energia de um submarino a diesel são as células de hidrogénio. Estas são carregadas por alternadores a diesel. As baterias compostas por unidades de células de hidrogênio são empilhadas em matrizes e colocadas em um compartimento chamado banco de baterias. Normalmente, um submarino teria um banco de baterias em mais de um compartimento à prova d’água para redundância. Cada banco de baterias tem uma capacidade suficiente para suportar todas as operações do submarino durante o seu período de resistência. A ventilação e eliminação do hidrogénio do compartimento da bateria é uma prioridade máxima, pois qualquer presença de hidrogénio no compartimento pode levar a explosões.

• Maquinaria e Máquinas Auxiliares: As máquinas principais e auxiliares contribuem para cerca de um terço do peso do submarino. As máquinas principais consistem nos alternadores principais a diesel que são utilizados para carregar as baterias e seus sistemas associados, a instalação de ar condicionado, o sistema principal de ar de alta pressão, etc. O compartimento das máquinas auxiliares está separado do compartimento das máquinas principais por uma antepara estanque. O motor elétrico auxiliar ou econômico, a instalação auxiliar de CA, o sistema de ar auxiliar de alta pressão, etc., estão alojados no compartimento de máquinas auxiliares. Os alternadores diesel são utilizados para carregar as baterias, que por sua vez alimentam os motores de propulsão elétrica principal e auxiliar.

• Compartimento de propulsão: Localizado na popa do casco de pressão, este compartimento abriga o motor de propulsão elétrica principal, o eixo de propulsão principal e seus sistemas associados, o eixo de cauda e os gargalos dianteiro e traseiro que são utilizados para alcançar a estanqueidade à água no casco de pressão e nas aberturas exteriores do casco. No projeto de submarinos diesel-elétricos, a caixa de redução também está localizada no compartimento de propulsão.

Concepção de um Submarino:

Os submarinos mais iniciais utilizavam uma forma de casco que era muito diferente daquelas utilizadas nos submarinos modernos. A evolução da forma do casco e as razões por trás dela é, portanto, um aspecto interessante do design de submarinos. A forma mais ideal do casco de um submarino para o mínimo arrasto é a forma aerodinâmica ideal com uma proa parabólica e uma popa elíptica, como mostrado na Figura 10.

Os primeiros submarinos na década de 1940 usavam esta forma para o mínimo de energia necessária e uma separação de fluxo insignificante em torno do casco. Mas foi observado que, devido à forma aerodinâmica, o volume útil dentro do casco era insuficiente, pois o raio do casco viu um decréscimo acentuado a partir de apenas à ré e à frente da região do meio navio. Isto não só manteve os custos de produção elevados como também enfraqueceu a possibilidade de incorporar múltiplos níveis de convés.

A forma do casco utilizada nos submarinos modernos (desde o final dos anos 70) é a forma do corpo médio cilíndrico longo com proa elíptica e popa.

Embora uma mudança da forma aerodinâmica ideal aumente o arrasto e os subsequentes requisitos de potência, os custos adicionais de combustível ao longo da vida útil do submarino são compensados pelos baixos custos de produção, uma vez que as secções cilíndricas são muito mais baratas e fáceis de construir. Esta forma também permite a incorporação de vários conveses dentro do mesmo volume de casco, garantindo assim uma maior utilização espacial.

É importante saber que a forma e geometria do casco de um submarino é um importante ponto de partida do desenho, uma vez que não só ditaria o ponto acima mencionado, mas também afectaria uma série de outros factores do submarino, como discutido abaixo.

Uma forma cilíndrica do casco aumenta a manobrabilidade do submarino devido às maiores forças hidrodinâmicas geradas pela acção hidroplana. Também tem sido observado que o arrasto global mínimo no casco e as melhores características de manobrabilidade são obtidas para relações de Comprimento a Largura variando de 6 a 8,

O diâmetro do submarino é decidido principalmente com base no comprimento. E o comprimento é fixado com base no volume de pressão do casco e deslocamento do submarino. Os conveses múltiplos aumentam a utilidade do volume do casco de pressão, e o número de níveis possíveis de convés num submarino é decidido principalmente pelo seu diâmetro.

Um submarino com um convés teria dois níveis dentro do seu casco de pressão. Os submarinos com casco de diâmetro entre 4 e 7 metros estão restritos a um convés. Permitiria dois níveis acessíveis – abaixo do nível do convés e acima do nível do convés, como mostrado na figura abaixo.

Discos duplos com três níveis acessíveis são possíveis em submarinos com casco de diâmetro entre 7 e 8 metros. Os submarinos diesel-elétricos de grande porte são geralmente desta dimensão.

Discos triplos e projetos de convés dourado são usados para diâmetros de casco variando de 9 a 11 metros e de 11 a 13 metros. Diâmetros tão grandes são usados principalmente em submarinos movidos a energia nuclear, onde é necessário um grande espaço vertical para a usina nuclear.

Com os aspectos de design de submarinos discutidos neste artigo, o ponto discutível a ser extraído é que, tendo conhecido as partes e funções do submarino e seus sistemas, a arte e habilidade de um bom projetista está em tentar alcançar a máxima eficiência volumétrica para um design.

Existem alguns espaços dentro do submarino que podem ser altamente volumétricos específicos (por exemplo, tanques de lastro principais), enquanto alguns podem ter apenas algumas dimensões específicas (por exemplo, banco de baterias). Haveria também casos em que existem exigências volumétricas específicas, mas não específicas da forma (por exemplo, tanques de torpedo e tanques de lastro principais). Dependendo de tais exigências, um bom projetista priorizaria as etapas do projeto e os parâmetros que são fixados em cada etapa.

Um dos aspectos mais vitais do projeto submarino é a sua estabilidade. Embora possa parecer simples em comparação com navios, o entendimento da estabilidade submarina é mais complexo do que o de um navio, já que operaria em ambas as condições, em superfície e submersa.

E os parâmetros de estabilidade de um submarino mudam drasticamente no momento em que um submarino mergulha na água ou ressurge, o que dá origem a um ponto em que o submarino está no ponto de ruptura. Como e porquê é o que vamos discutir no próximo artigo.

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