Esta é a terceira parte da série de design de submarinos. Por favor leia as duas primeiras aqui – Introdução ao desenho de submarinos e Entendendo o desenho de submarinos.

Embora alguns dos tanques usados num submarino sejam semelhantes aos usados em navios de superfície, a maioria deles são diferentes e exclusivos da natureza da operação de um submarino, o que faz com que seja um aspecto importante a ser estudado em detalhe.

Para um vislumbre rápido, você sabia por que um submarino usa um sistema de quatro tanques apenas no processo de disparar um torpedo?

Primeiro vamos analisar o plano do tanque de um submarino eléctrico a diesel e à medida que nos familiarizarmos com as suas terminologias, estudaremos as suas funções, a razão da sua localização, e outros aspectos de desenho relacionados com eles.

Plano do tanque de um submarino eléctrico a diesel:

Durante o desenho de arranjo geral, o plano do tanque está preparado para localizar a posição de cada tanque. Os seus nomes, juntamente com o fluido a ser transportado neles, são especificados no próprio plano do tanque. A capacidade de cada tanque está indicada num documento separado chamado plano de capacidade do tanque.

A figura seguinte mostra o plano do tanque de um submarino eléctrico diesel de casco duplo.

Estudamos em detalhe a finalidade e operação dos tanques de lastro no artigo sobre estabilidade submarina, daí que este tópico será pulado neste artigo.

Cisterna de compensação:

Lembrar-se de como quando um submarino é positiva ou negativamente flutuante, toma medidas para manter uma condição de flutuabilidade neutra, ajustando seu peso? Isto é conseguido com a ajuda de um tanque compensador, um componente incomum aos conceitos tradicionais de desenho de navios.

Cisternas compensadoras estão localizadas no centro de gravidade longitudinal do submarino ou nas proximidades do mesmo (ver Figura 1). Porquê? Porque qualquer alteração no peso causada a uma distância significativa do centro de gravidade longitudinal criaria um momento de corte, o que é indesejável, já que o submarino só precisa ajustar o seu peso. Está localizado dentro do casco resistente à pressão e leva água ou bombeia água para o mar dependendo da situação a enfrentar.

O tanque de compensação pode ser esvaziado por uma bomba ou ar de alta pressão (em caso de operação com baixo ruído), mas para que o ar de alta pressão seja uma opção viável, a estrutura do tanque deve ser resistente à pressão na medida em que possa suportar uma pressão interna maior que a pressão externa.

As seguintes alterações de peso e equilíbrio de flutuabilidade são compensadas pela compensação dos tanques:

• Quando um submarino mergulha a maiores profundidades, entra em águas de densidade variável em relação à superfície. A gravidade específica da água do mar normalmente aumenta de 1.008 para 1.028 com a profundidade. Como a densidade é directamente proporcional à flutuabilidade, a flutuabilidade aumenta, tornando assim o submarino positivamente flutuante. Para conseguir uma flutuabilidade neutra, o tanque compensador retira água do mar até o peso cancelar a flutuabilidade.

• As diferenças de peso são causadas pelo consumo de provisões, óleo combustível, água doce, óleo lubrificante e outras provisões sólidas. A água é levada para dentro do tanque para compensar o efeito. Uma coisa interessante acontece no caso do consumo de óleo combustível. Nos submarinos, à medida que e quando o óleo combustível é consumido, o volume vazio no tanque de óleo combustível é automaticamente preenchido com água do mar, de modo que o óleo combustível flutua sempre na água do mar. Isto é feito para evitar efeitos de superfície livres. Mas como a água absorve o volume do combustível consumido, o peso do submarino aumenta devido a isso. O tanque compensador também é utilizado para compensar esta mudança de peso.

• A profundidades mais profundas, a alta pressão externa resulta em compressão do casco de pressão. Isto reduz o volume resistente à pressão do submarino, o que reduz a sua flutuabilidade. A perda de flutuabilidade é compensada pela libertação de água do tanque de compensação. Normalmente, para submarinos com profundidade máxima de mergulho de 200 a 350 metros, o volume disponível para este fim no tanque de compensação varia de 0,3 a 0,4% do volume total do casco de pressão.

Um projetista de submarino considera duas condições especiais de carga de borda para estimar a capacidade do tanque de compensação para um determinado projeto. As condições de carga estão listadas abaixo:

Load-Case 1: No final de um cruzeiro muito longo e lento em água do mar com densidade máxima. No final de um cruzeiro muito longo e lento, todos os consumíveis como água doce, armazéns, alimentos são consumidos, mas sobra uma quantidade relativamente suficiente de óleo diesel. O navio navega em água do mar de densidade máxima, o que significa que a flutuabilidade é maior. Ambas as condições em conjunto requerem que o tanque de compensação seja enchido até a sua capacidade máxima.

Load-Case 2: No final de um cruzeiro muito curto e rápido em água do mar com densidade mínima. Nesta condição, os consumíveis foram parcialmente consumidos, e o gasóleo é totalmente consumido. Como a densidade da água do mar é mínima, a flutuabilidade é menor. Nesse caso, a água necessária no tanque de compensação seria mínima.

No caso real, quando um submarino inicia seu cruzeiro, o volume de água no tanque de compensação está em algum lugar entre os correspondentes às duas caixas fronteiriças. Tem sido observado por estudos paramétricos, que os tanques de compensação normalmente têm um volume de 2,5 a 3% do volume total de resistência à pressão do submarino. Estes dados também são utilizados pelos projetistas nas fases preliminares de projeto.

Tanques de compensação:

Tanques de compensação são utilizados para manter o centro de gravidade longitudinal logo abaixo do centro de flutuação, de forma que o submarino possa ser manobrado até uma condição neutra de compensação. Estes tanques são iguais em tamanho, e estão localizados dentro do casco de pressão e o mais à frente e atrás possível para que o momento de desbaste causado por eles seja maximizado (note os tanques de desbaste na Figura 1). O sistema de tanques de acabamento consiste em dois pares de tanques, um à frente (bombordo e estibordo), o outro à ré (bombordo e estibordo).

Estes tanques são interligados por tubos chamados linhas de acabamento, e o fluido utilizado é chamado de água de acabamento. A água de guarnição é circulada entre a frente e a popa, dependendo da condição de guarnição necessária. A circulação é feita por bombas ou por ar de baixa pressão.

As dimensões do tanque de guarnições são estimadas usando condições de borda determinando as caixas de carga e as condições de guarnição e analisando-as com o método similar ao dos tanques de compensação. Também são considerados os efeitos do corte devido ao deslocamento do peso durante a queima dos torpedos. Para fins empíricos, o volume de água de corte necessário é de 0,5% do volume do casco de pressão.

Um uso adicional de tanques de corte é as suas propriedades multi-funcionais, onde pode ser usado como tanque de compensação e de corte. Em tais projetos, os tanques de guarnição são fornecidos com portas de inundação. Se, por exemplo, for necessário o corte frontal, então o tanque de guarnição frontal é enchido e os tanques de popa são esvaziados. Se o submarino tiver de reduzir o seu peso sem qualquer alteração nos acabamentos, então ambos os pares de tanques são esvaziados até à quantidade necessária. Este sistema oferece vantagens adicionais em relação à alocação de espaço, já que os submarinos são muito restritivos em termos de espaço.

Cisternas Negativas ou Tanques de Mergulho Rápido:

Estas tanques são usados como meio auxiliar para mergulhar em ondas. Quando um submarino mergulha em ondas, a flutuabilidade acrescida devido à acção das ondas impede-o de mergulhar rapidamente e dificulta a sua capacidade de mergulhar a uma profundidade mais profunda. À medida que os canais de ondas atravessam o submarino, as partes livres de inundação nos níveis mais altos do convés (na vela e no convés superior) permanecem parcialmente inundadas, resultando em falha de mergulho.

Para combater este efeito, um tanque com portas de inundação é fornecido a um nível baixo, logo à frente do centro de gravidade do submarino. Não a sua localização na Figura 1. A inundação deste tanque não só acrescenta flutuabilidade negativa (ou aumenta o peso), mas devido à sua posição longitudinal em relação ao GC, também apara a proa e ajuda no mergulho rápido. Devido a isso, eles também são chamados de tanques de mergulho rápido. Uma vez que o submarino tenha mergulhado e todas as áreas de inundação livre estejam cheias de água, o tanque negativo é drenado rapidamente usando ar comprimido.

Torpedo Tanques:

Torpedos são disparados a partir de tubos de torpedo que estão localizados na seção dianteira de um submarino. O peso de cada torpedo, em geral, é de aproximadamente 4 a 5 toneladas. Assim, uma vez disparado um torpedo, a perda de peso significativa de uma posição afastada do CG do submarino provoca um momento de corte, que se não for evitado, prejudicaria a capacidade de manutenção do percurso do submarino. O disparo de um torpedo de um submarino envolve uma sequência de passos para evitar o acima mencionado.

O tubo torpedo é uma estrutura cilíndrica resistente à pressão que tem uma porta à frente (Porta do chanfro) e uma à popa (Porta da brecha). Um submarino normalmente tem vários tubos de torpedo e pode disparar mais do que um torpedo simultaneamente. Cerca de um terço do comprimento de um tubo de torpedo está dentro do casco de pressão, e o restante está localizado fora do casco de pressão, na região livre inundada que conduz ao ponto mais à frente do casco exterior onde se encontra a porta dianteira. A parte do tubo na região de alagamento livre está sujeita a pressão externa, e é endurecida externamente para protegê-lo de encurvamento.

Passo Um: Primeiro, a porta de popa é aberta, e o torpedo é carregado para dentro do tubo. Uma vez fechada a porta traseira, a água do Tanque Redondo de Arma (WRT) é admitida no espaço entre o torpedo e as paredes internas do tubo. O volume do WRT é suficiente para fornecer água suficiente para disparar todos os torpedos, sem necessidade de reabastecimento. A localização dos WRTs é sempre logo acima ou abaixo dos tubos dos torpedos. Por quê? Se os WRTs estivessem localizados longitudinalmente longe dos tubos de torpedo, o deslocamento de água do WRT para os tubos de torpedo teria causado momentos indesejados de corte, fazendo com que o submarino aparasse pela proa.

Passo 2: A porta frontal abre sempre no sentido externo, mas não pode ser aberta nesta fase, porque a grandes profundidades a pressão externa é maior do que a pressão interna. Assim, a água dentro do tubo torpedo é pressurizada para que as pressões internas e externas se equalizem. Uma vez feito isto, a porta frontal é aberta hidraulicamente e o torpedo é disparado.

Passo Três: Uma vez que o torpedo é disparado, o espaço dentro do tubo do torpedo que foi ocupado pelo torpedo é automaticamente ocupado pela água do mar que inunda.

Passo Quatro: Embora o volume do torpedo dentro do tubo do torpedo seja ocupado pela água do mar, o peso da água do mar é menor que o do torpedo. A fim de evitar um momento de corte, é necessário levar água adicional para compensar a diferença de peso. Esta quantidade adicional de água é levada para outro tanque chamado Air Inboard Vent (AIV), que está localizado logo abaixo ou acima dos tubos dos torpedos.

Passo Cinco: Agora, para recarregar outro torpedo no mesmo tubo, primeiro a porta frontal do tubo é fechada, enquanto o tubo é inundado. A água no tubo é drenada primeiro para outro tanque chamado Tanque de Operação de Torpedo (TOT), e depois é introduzido outro torpedo no tubo seco. O TOT está localizado de forma a evitar qualquer deslocamento de peso longitudinal. O volume do TOT é suficiente para transportar toda a água necessária para ser drenada para fora do tubo do torpedo se todos os torpedos forem disparados.

Cisternas de flutuação:

As e quando o submarino mergulha ou sobe, a sua capacidade de manter a profundidade é desafiada devido a mudanças na densidade e efeitos de compressibilidade resultantes. Em muitas operações furtivas, os submarinos navais são obrigados a pairar a uma profundidade fixa enquanto estão parados. Neste caso, é necessário um equilíbrio constante da equação de flutuabilidade de peso. Este equilíbrio pode ser alcançado por um sistema controlado por sensores dedicado a um tanque especial onde a água pode ser levada quando o submarino sobe, e a água do mesmo tanque pode ser bombeada para fora quando o submarino afunda. Esta troca de água é rápida, e é necessária para ser realizada de forma contínua. Assim, um tanque especial chamado Hover Tank, localizado fora do casco de pressão, é usado para atender a esta finalidade. A razão da sua localização no casco exterior (ao contrário de um tanque de compensação, que está dentro do casco de pressão) é manter o seu conteúdo à pressão ambiente do mar para que seja possível a entrada e saída contínua de água.

No entanto, nos casos em que o submarino deve ser concebido para pairar perto da superfície, o sistema de pairar precisa de ser mais robusto para compensar os efeitos desestabilizadores da acção das ondas.

Os outros tipos de tanques utilizados num submarino são tanques de óleo combustível, tanques de óleo lubrificante, tanques de óleo de lamas, tanques de porão e tanques de água doce. Eles não têm sido discutidos aqui, pois sua operação e propósito são semelhantes aos dos navios de superfície. No entanto, é importante que um projetista realize estudos paramétricos das capacidades de tanques de vários projetos existentes antes de chegar parametricamente a uma estimativa de capacidade e plano para os tanques de um novo projeto.

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