Esta es la tercera parte de la serie de diseño de submarinos. Por favor, lea los dos primeros aquí – Introducción al diseño de submarinos y Entendiendo el diseño de submarinos.

Aunque algunos de los tanques utilizados en un submarino son similares a la utilizada en los buques de superficie, la mayoría de ellos son diferentes y únicos a la naturaleza de la operación de un submarino, lo que hace que sea un aspecto importante para ser estudiado en detalle.

Para un vistazo rápido, ¿sabía usted por qué un submarino utiliza un sistema de cuatro tanques sólo en el proceso de disparo de un torpedo?

Primero veremos el plano de tanques de un submarino eléctrico diésel y a medida que nos vayamos familiarizando con su terminología, estudiaremos sus funciones, el porqué de su ubicación y otros aspectos de diseño relacionados con ellos.

Plano de tanques de un submarino:

Junto con el plano de disposición general, se prepara el plano de tanques para localizar la posición de cada uno de ellos. Sus nombres, junto con el fluido que se va a transportar en ellos, se especifica en el propio plano de tanques. La capacidad de cada tanque se recoge en un documento aparte denominado plano de capacidad de tanques.

La siguiente figura muestra el plano de tanques de un submarino eléctrico diésel de doble casco.

Hemos estudiado sobre el propósito y el funcionamiento de los tanques de lastre en detalle en el artículo sobre la estabilidad de los submarinos, por lo tanto, este tema será omitido en este artículo.

Tanque de compensación:

¿Recuerda haber discutido cómo cuando un submarino es positiva o negativamente boyante, toma acciones para mantener una condición de flotabilidad neutral mediante el ajuste de su peso? Esto se consigue con la ayuda de un tanque de compensación, un componente poco común en los conceptos tradicionales de diseño de buques.

Los tanques de compensación están situados en el centro de gravedad longitudinal del submarino o en sus proximidades (consulte la figura 1). ¿Por qué? Porque, cualquier cambio de peso causado a una distancia significativa del centro de gravedad longitudinal crearía un momento de ajuste, que no es deseado, ya que el submarino sólo necesita ajustar su peso. Está situado dentro del casco resistente a la presión y toma agua o bombea agua al mar en función de la situación a la que se deba hacer frente.

El tanque de compensación puede ser vaciado por una bomba o por aire a alta presión (en caso de que el funcionamiento sea poco ruidoso), pero para que el aire a alta presión sea una opción viable, la estructura del tanque debe ser resistente a la presión hasta el punto de poder soportar una presión interna superior a la externa.

Las siguientes alteraciones en el equilibrio del peso y la flotabilidad se compensan con tanques de compensación:

• Cuando un submarino se sumerge a mayores profundidades, entra en aguas que tienen una densidad diferente a la de la superficie. La gravedad específica del agua de mar suele aumentar de 1,008 a 1,028 con la profundidad. Como la densidad es directamente proporcional a la flotabilidad, ésta aumenta, lo que hace que el submarino tenga flotabilidad positiva. Para conseguir una flotabilidad neutra, el tanque de compensación toma agua del mar hasta que el peso anule la flotabilidad.

• Las diferencias de peso se deben al consumo de provisiones, fuel-oil, agua dulce, aceite lubricante y otras provisiones sólidas. El agua se introduce en el tanque para compensar el efecto. En el caso del consumo de fueloil ocurre algo interesante. En los submarinos, a medida que se consume el fuel, el volumen vacante en el tanque de fuel se llena automáticamente con agua de mar, de manera que el fuel siempre flota en el agua de mar. Esto se hace para evitar los efectos de superficie libre. Pero como el agua ocupa el volumen del combustible consumido, el peso del submarino aumenta debido a esto. El tanque de compensación también se utiliza para compensar este cambio de peso.

• En profundidades mayores, la alta presión externa provoca la compresión del casco de presión. Esto reduce el volumen resistente a la presión del submarino, lo que reduce su flotabilidad. La pérdida de flotabilidad se compensa liberando agua del tanque de compensación. Normalmente, para los submarinos que tienen una profundidad máxima de inmersión de 200 a 350 metros, el volumen disponible para este fin en el tanque de compensación oscila entre el 0,3 y el 0,4 por ciento del volumen total del casco de presión.

El diseñador de un submarino considera dos condiciones especiales de carga de borde para estimar la capacidad del tanque de compensación para un diseño particular. Las condiciones de carga se enumeran a continuación:

Caso de carga 1: Al final de un crucero muy largo y lento en agua de mar con densidad máxima. Al final de un crucero muy largo y lento, todos los consumibles como el agua dulce, las provisiones y los alimentos se han agotado, pero queda una cantidad relativamente suficiente de gasoil. El buque navega en agua de mar de máxima densidad, lo que significa que la flotabilidad es mayor. Ambas condiciones requieren que el tanque de compensación se llene al máximo de su capacidad.

Caso 2: Al final de un crucero muy corto y rápido en agua de mar con densidad mínima. En esta condición, los consumibles se han agotado parcialmente y el gasóleo se ha consumido por completo. Como la densidad del agua de mar es mínima, la flotabilidad es menor. En tal caso, el agua requerida en el tanque de compensación sería mínima.

En el caso real, cuando un submarino comienza su crucero, el volumen de agua en el tanque de compensación está entre los correspondientes a los dos casos límite. Se ha observado mediante estudios paramétricos, que los tanques de compensación suelen tener un volumen del 2,5 al 3 por ciento del volumen total de resistencia a la presión del submarino. Estos datos también son utilizados por los diseñadores en las etapas preliminares de diseño.

Tanques de compensación:

Los tanques de compensación se utilizan para mantener el centro de gravedad longitudinal justo debajo del centro de flotación, de modo que el submarino pueda ser maniobrado hasta una condición de compensación neutral. Estos tanques son de igual tamaño, y están ubicados dentro del casco de presión y tan adelante y atrás como sea posible para que el momento de trimado causado por ellos sea maximizado (observe los tanques de trimado en la Figura 1). El sistema de tanques de trimado consiste en dos pares de tanques, uno a proa (babor y estribor) y otro a popa (babor y estribor).

Estos tanques están interconectados por tuberías llamadas líneas de trimado, y el fluido utilizado se llama agua de trimado. El agua de trimado circula entre el de proa y el de popa dependiendo de la condición de trimado requerida. La circulación se lleva a cabo mediante bombas o mediante aire a baja presión.

Las dimensiones del tanque de trimado se estiman utilizando las condiciones de borde que determinan los casos de carga y las condiciones de trimado y analizándolas con el método similar al de los tanques de compensación. También se tienen en cuenta los efectos de trimado debidos al desplazamiento del peso durante el disparo de los torpedos. A efectos empíricos, el volumen de agua de trimado necesario es el 0,5 por ciento del volumen del casco de presión.

Una utilidad adicional de los tanques de trimado es su carácter multifuncional, ya que pueden utilizarse como tanque de trimado y de compensación. En estos diseños, los tanques de compensación están provistos de puertos de inundación. Si, por ejemplo, se requiere un trimado de proa, entonces el tanque de trimado de proa se llena y los tanques de popa se vacían. Si el submarino debe reducir su peso sin ningún cambio en el trimado, entonces ambos pares de tanques se vacían hasta la cantidad requerida. Este sistema ofrece ventajas adicionales en cuanto a la distribución del espacio, ya que los submarinos son muy restrictivos en cuanto a espacio.

Tanques negativos o tanques de inmersión rápida:

Estos tanques se utilizan como medio auxiliar para sumergirse en olas. Cuando un submarino se sumerge en las olas, la flotabilidad añadida debida a la acción de las olas le impide sumergirse rápidamente y dificulta su capacidad para sumergirse a una mayor profundidad. Cuando las olas pasan por el submarino, las partes de inundación libre en los niveles superiores de la cubierta (en la vela y en la cubierta superior) permanecen parcialmente inundadas, lo que hace que no se pueda sumergir.

Para combatir este efecto, se proporciona un tanque con puertos de inundación en un nivel bajo, justo por delante del centro de gravedad del submarino. Véase su ubicación en la figura 1. La inundación de este tanque no sólo añadiría flotabilidad negativa (o añadiría peso), sino que debido a su posición longitudinal con respecto al CG, también recorta la proa y ayuda en la inmersión rápida. Por ello, también se denominan tanques de inmersión rápida. Una vez que el submarino se ha sumergido y todas las zonas de inundación libres están llenas de agua, el tanque negativo se vacía rápidamente utilizando aire comprimido.

Torpedos:

Los torpedos se disparan desde los tubos de torpedos que se encuentran en la sección delantera de un submarino. El peso de cada torpedo, en general, es de aproximadamente 4 a 5 toneladas. Por lo tanto, una vez que se dispara un torpedo, la pérdida de un peso significativo desde una posición alejada del CG del submarino provoca un momento de ajuste, que si no se evita, dificultaría la capacidad de mantener el rumbo del submarino. El disparo de un torpedo desde un submarino implica una secuencia de pasos para evitar lo anterior.

El tubo de torpedo es una estructura cilíndrica resistente a la presión que tiene una puerta en la proa (puerta de boca) y otra en la popa (puerta de culata). Un submarino suele tener varios tubos lanzatorpedos y puede disparar más de un torpedo simultáneamente. Aproximadamente un tercio de la longitud de un tubo lanzatorpedos está dentro del casco de presión, y el resto se encuentra fuera del casco de presión, en la región libre inundada que conduce al punto más adelantado del casco exterior, donde se encuentra la puerta delantera. La parte del tubo que se encuentra en la región de inundación libre está sometida a presión externa, y está reforzada externamente para protegerla del pandeo.

Primer paso: Primero, se abre la puerta de popa, y se carga el torpedo en el tubo. Una vez cerrada la puerta de popa, se admite agua del Weapon Round Tank (WRT) en el espacio entre el torpedo y las paredes interiores del tubo. El volumen del WRT es suficiente para proporcionar el agua necesaria para disparar todos los torpedos, sin necesidad de rellenarlos. La ubicación de los WRT es siempre justo por encima o por debajo de los tubos de los torpedos. ¿Por qué? Si los WRTs estuvieran situados longitudinalmente lejos de los tubos de torpedos, el desplazamiento del agua del WRT a los tubos de torpedos habría causado momentos de trimado no deseados, haciendo que el submarino se trimara por la proa.

Segundo paso: La puerta delantera se abre siempre en dirección al exterior, pero no puede abrirse en esta fase, porque a grandes profundidades la presión externa es mayor que la interna. Por lo tanto, el agua dentro del tubo del torpedo se presuriza para que las presiones interna y externa se igualen. Una vez hecho esto, la puerta frontal se abre hidráulicamente y se dispara el torpedo.

Tercer paso: Una vez disparado el torpedo, el espacio dentro del tubo del torpedo que estaba ocupado por el torpedo es automáticamente ocupado por el agua de mar que se inunda.

Paso Cuatro: Aunque el volumen del torpedo dentro del tubo del torpedo es ocupado por el agua de mar, el peso del agua de mar es menor que el del torpedo. Para evitar un momento de desbaratamiento, hay que introducir agua adicional para compensar la diferencia de peso. Esta cantidad adicional de agua se toma en otro tanque llamado Válvula de Aire Interior (AIV), que se encuentra justo debajo o encima de los tubos del torpedo.

Paso cinco: Ahora, para recargar otro torpedo en el mismo tubo, primero se cierra la puerta frontal del tubo, mientras se inunda el tubo. El agua en el tubo se drena primero a otro tanque llamado Tanque de Operación de Torpedos (TOT), y luego se introduce otro torpedo en el tubo seco. El TOT está situado de forma que se evite cualquier desplazamiento longitudinal del peso. El volumen del TOT es suficiente para transportar toda el agua requerida para ser drenada fuera del tubo de torpedo si todos los torpedos son disparados.

Tanques de maniobra:

A medida que el submarino se sumerge o se eleva, su capacidad de mantener la profundidad se ve desafiada debido a los cambios de densidad y los efectos de compresibilidad resultantes. En muchas operaciones de sigilo, se requiere que los submarinos navales se mantengan a una profundidad fija mientras están estacionados. En este caso, se requiere un equilibrio constante de la ecuación peso-buqueza. Este equilibrio puede lograrse mediante un sistema controlado por sensores dedicado a un tanque especial en el que se puede tomar agua cuando el submarino sube, y se puede bombear agua del mismo tanque cuando el submarino se hunde. Este intercambio de agua es rápido y debe realizarse de forma continua. De ahí que se utilice un tanque especial llamado Hover Tank, situado en el exterior del casco de presión, para atender este propósito. La razón de su ubicación en el casco exterior (a diferencia del tanque de compensación, que está dentro del casco de presión) es mantener su contenido a la presión ambiental del mar para que sea posible la entrada y salida continua de agua.

Sin embargo, en los casos en que el submarino se diseñe para flotar cerca de la superficie, el sistema de flotación debe ser más robusto para compensar los efectos desestabilizadores de la acción de las olas.

Los otros tipos de tanques que se utilizan en un submarino son los de combustible, aceite lubricante, lodos, sentinas y agua dulce. No se han discutido aquí ya que su funcionamiento y propósito son similares a los de los buques de superficie. Sin embargo, es importante que un diseñador lleve a cabo estudios paramétricos de las capacidades de los tanques de varios diseños existentes antes de llegar a una estimación paramétrica de la capacidad y plan para los tanques de un nuevo diseño.

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