Os submarinos são embarcações projetadas e construídas para operarem no difícil ambiente marítimo abaixo da superfície, onde as grandes pressões subaquáticas são o principal desafio aos projetistas, para realizar operações por um período de tempo determinado. O projeto de um submarino consiste numa configuração de casco simples ou duplo que abrigam todos os sistemas e pessoal necessários para o cumprimento de sua missão. Esta, porém, é uma descrição muito simples de uma máquina que requer um esforço de engenharia muito complexo, usado para uma ampla gama de propósitos, como pesquisa submarina, resgate subaquático e guerra submarina; sendo esta última tarefa a mais usual.
Os principais objetivos do projeto de um 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 projeto deve ser aceitável.
Partes de um Submarino
Casco Externo e Casco de Pressão:
A maioria dos projetos de submarinos tem 2 cascos. A parte que abriga todos os espaços habitáveis, armas, sistemas de controle de armas, sala de comunicações e controle, bancos de baterias, maquinário principal e auxiliar, é o casco de pressão. É chamado de casco de pressão porque é projetado para suportar a pressão hidrostática além profundidade máxima de operação do submarino, considerando uma margem de segurança.
O casco de pressão está alojado dentro do casco externo, que não é construído para suportar a pressão, porque, quando em submersão, os espaços entre o casco externo e interno permanecem sempre inundados pela água do mar. Portanto, a pressão hidrostática no casco externo é desprezível.
Tanques de Lastro Principais (MBTs):
Os espaços “inundáveis” são compartimentados em tanques, que na terminologia submarina, são chamados de tanques principais de lastro. A distribuição dos tanques principais de lastro em um submarino depende da forma e interação do casco externo e de pressão. Vamos entender o funcionamento dos MBTs ao analisarmos o processo de submersão e a estabilidade do submarino. Alguns projetos têm MBTs apenas nas regiões dianteira e traseira, e o restante do casco de pressão é nivelado com o casco externo.
Outros projetos têm casco externo e de pressão completamente diferentes, com espaço para lastro entre eles.
Vela:
A vela é a parte hidrodinâmica não resistente à pressão do submarino sobre o casco externo. Seus diferentes tipos de mastros partem de dentro do submarino quando mergulha ou navega logo abaixo da superfície (profundidade de periscópio/snorkel).
Os diferentes mastros usados em um submarino são os mastros de periscópio, comunicações, de radar, de diretor de tiro, etc. Estes são levantados a partir da ponte quando o submarino requer monitoramento de superfície em modo furtivo. O perfil da aleta da ponte em um projeto submarino é sempre em forma de aerofólio, pois atua como um hidrofólio com as velas submarinas apenas com a aleta acima da água. Esta forma reduz o arrasto do submarino. É muito importante manter o arrasto dentro dos limites, para evitar turbilhões e minimizar a assinatura acústica.
Superfícies de Controle:
Quando o submarino está submerso, as mudanças de direção e profundidade são realizadas pelo uso de hidrofólios que atuam como superfícies de controle. Para entender a operação dos hidrofólios, primeiro precisamos conhecer a natureza dos movimentos experimentados por um submarino em condição submersa. Ao contrário de um navio de superfície, os submarinos estão sujeitos a movimentos menores no eixo vertical e à ausência de efeitos de ondas de superfície. Um par de hidrofólios na proa e na popa são usados para controlar estes movimentos de forma independente.
Hidrofólios montados na popa, em número de 2, no plano vertical são usados para mudar a direção lateral do submarino quando em movimento. Estes são basicamente chamados de lemes, tal qual uma nave de superfície. Observe que, ao contrário dos navios, os lemes de um submarino estão à frente do hélice, porque no caso de um navio, o leme requer a saída do hélice para a máxima eficiência. Mas em um submarino, como todo o casco está submerso, o fluxo hidrodinâmico imperturbável incide diretamente na superfície do leme. Se o leme submarino fosse colocado atrás do hélice, o escoamento seria mais turbulento, aumentando a probabilidade de cavitação. Uma coisa importante a notar é que os hidrofólios operam com eficiência ideal apenas em altas velocidades.
Arranjo Geral de um Submarino
Antes de passar a conhecer o funcionamento e as funções dos diferentes sistemas de um submarino, é vital conhecer a distribuição espacial dos principais compartimentos e sistemas ao longo do comprimento e da largura do casco. O casco de pressão e o casco externo são claramente distinguíveis no projeto do submarino. A parte dianteira do casco de pressão abriga os sistemas de armas e sensores. Os sensores são geralmente alojados no espaço inundado entre a frente do casco de pressão e o casco externo. Os sensores são sempre colocados à frente para redução de ruído do fluxo turbulento na popa e obstrução de máquinas em caso de posição de popa. O sistema de armas inclui os tubos de torpedo, seus sistemas de lançamento e os tanques de operação. A parte mais à frente do casco de pressão é usada para armazenar as armas. Elas são carregadas nos tubos de torpedo que estão localizados parcialmente dentro do casco de pressão e se estendem até a periferia mais avançada do casco externo.
A porção de meia nau do casco de pressão é usada para os seguintes propósitos:
Sistemas de Controle do Navio e Armas:
Todos os sistemas do submarino são operados remotamente a partir do centro de comando e controle do navio (CIC). Este "ambiente" abriga todos os sistemas de controle de navegação, disparo de armas, painéis de controle e monitoramento de máquinas, de imersão e submersão, controle de direção, etc. Toda comunicação entre o submarino e a base naval ou qualquer fonte externa de dados é realizada a partir daí. Os submarinos de hoje são automatizados de tal forma que todas as suas operações durante as missões normais de patrulha e guerra podem ser realizadas a partir dali, sem a necessidade da tripulação estar presente em qualquer outro lugar.
- Alojamento e Suporte à Vida: Os módulos de alojamento, sanitários, cozinha, câmaras frias e frigoríficas são colocados no compartimento central do casco de pressão. Esse posicionamento não é apenas benéfico funcionalmente, mas também fornece acesso fácil às partes dianteira e traseira do submarino. Como essa posição também está sob a vela, facilita e evacuação da tripulação em condições de emergência.
- Banco de Baterias: A fonte de energia em um submarino à diesel são as células de hidrogênio. Estas são carregados por alternadores à 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 tem um banco de baterias em mais de um compartimento estanque para redundância. Cada banco de baterias tem capacidade suficiente para suportar todas as operações do submarino durante seu período de patrulha. A ventilação e eliminação do hidrogênio residual do compartimento da baterias é uma prioridade, pois qualquer presença de hidrogênio no compartimento pode levar a explosões.
- Maquinário e Maquinário Auxiliar: O maquinário principal e auxiliar contribui com cerca de um terço do peso do submarino. O maquinário principal consiste nos alternadores diesel principais que são usados para carregar as baterias e seus sistemas associados, a planta de ar condicionado, o sistema principal de ar de alta pressão, etc. O compartimento de máquinas auxiliares é separado do compartimento de máquinas principal por uma antepara estanque. O motor elétrico auxiliar ou econômico, planta auxiliar de CA, sistema auxiliar de ar de alta pressão, etc. estão alojados no compartimento de máquinas auxiliares. Os alternadores a diesel são usados 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 as válvulas dianteiras e traseiras que são usadas para obter estanqueidade do casco de pressão e aberturas externas do casco. No projeto de submarinos diesel-elétricos, a caixa de redução também está localizada no compartimento de propulsão.
Forma de Casco de um Projeto Submarino:
Os primeiros submarinos usavam uma forma de casco muito diferente daquelas usadas nos submarinos modernos. A evolução da forma do casco e as razões por trás disso são, portanto, um aspecto interessante do projeto submarino. A forma ideal de um casco de submarino para arrasto mínimo é a forma hidrodinâmica com uma proa parabólica e uma popa elíptica.
Os primeiros submarinos na década de 1940 usaram essa forma para requisitos mínimos de energia e separação de fluxo insignificante ao redor do casco. Mas observou-se que devido ao formato hidrodinâmico, o volume utilizável dentro do casco era insuficiente, pois o raio do casco sofreu uma diminuição acentuada da popa e à frente da região central. Isso não apenas manteve os custos de produção altos, mas também enfraqueceu a possibilidade de incorporar vários níveis de deck. A forma do casco usada nos submarinos modernos (desde o final da década de 1970) é o longo corpo cilíndrico com proa e popa elípticas.
Embora uma mudança da forma hidrodinâmica ideal aumente o arrasto e os requisitos de energia subsequentes, os custos adicionais de combustível durante a vida útil do submarino são compensados pelos baixos custos de produção, uma vez que as seções cilíndricas são muito mais baratas e fáceis de construir. Esta forma também permite a incorporação de vários decks dentro do mesmo volume de casco, garantindo assim um aproveitamento mais funcional. É importante saber que a forma e a geometria do casco é um ponto de partida importante do projeto, pois não apenas ditaria o ponto mencionado, mas também afetaria uma série de outros fatores do submarino, conforme discutido abaixo. Uma forma de casco cilíndrico aumenta a manobrabilidade do submarino devido às maiores forças hidrodinâmicas geradas pela ação dos hidrofólios. Observou-se também que o arrasto total mínimo no casco e as melhores características de manobrabilidade são obtidas para relações Comprimento/Largura que variam de 6 a 8. O diâmetro da seção do casco é calculado principalmente com base no comprimento. E o comprimento é fixado com base no volume de casco de pressão necessário e no deslocamento do submarino. Múltiplos conveses aumentam a usabilidade do volume do casco de pressão, e o número de níveis de convés possíveis em um submarino é decidido principalmente pelo seu diâmetro.
Um submarino com um convés teria 2 níveis dentro de seu casco de pressão. Submarinos com diâmetros de casco variando de 4 a 7 metros estão restritos a um convés. Permitiria 2 níveis acessíveis – abaixo do nível do convés e acima do nível do convés. Decks duplos com 3 níveis acessíveis são possíveis em submarinos com diâmetro de casco variando de 7 a 8 metros. Submarinos diesel-elétricos de grande porte são geralmente dessa dimensão. Os designs de deck triplo e dour deck são usados para diâmetros de casco que variam de 9 a 13 metros. Esses diâmetros grandes são usados principalmente em submarinos movidos a energia nuclear, onde é necessário um grande espaço vertical para a planta nuclear.
Com os aspectos de projeto de submarinos aqui discutidos neste artigo, o ponto a ser extraído é que tendo conhecido as partes e funções do submarino e seus sistemas, a arte e habilidade de um bom projetista reside em tentar alcançar a máxima eficiência volumétrica para um projeto. Existem alguns espaços dentro do submarino que podem ser altamente específicos quanto ao volume (por exemplo, tanques de lastro principais), enquanto alguns podem ter apenas algumas dimensões específicas (por exemplo, banco de baterias). Também haveria casos em que há demandas volumétricas específicas, mas não específicas de forma (por exemplo, tanques de operação de torpedos e tanques principais de lastro). Dependendo de tais demandas, um bom projetista priorizaria as etapas do projeto e os parâmetros que são fixados em cada etapa.
Entendendo a Estabilidade do Submarino
Um dos aspectos mais vitais do projeto submarino é sua estabilidade. Embora possa parecer simples em relação aos navios, o entendimento da estabilidade submarina é mais complexo do que o de aqueles, pois opera tanto em condições à superfície quanto submersas. E os parâmetros de estabilidade de um submarino mudam drasticamente no momento em que um submarino mergulha ou emerge, o que dá origem a um ponto de inflexão.
Os aspectos de estabilidade dos submarinos não foram ainda mencionados para que se pudesse concentrar nas principais partes do submarino . Isso porque, o design em si é um processo complexo e longo que inclui tanto o entendimento quanto a implementação. A característica mais exclusiva da estabilidade do projeto submarino é que, ao contrário dos navios, a estabilidade do submarino é estudada em duas condições:
- Estabilidade à superfície (quando parte do submarino está acima da linha d'água), e
- Estabilidade de submersão (quando o submarino está completamente submerso e nenhuma parte ou apêndices estão acima da linha d'água).
Os fundamentos da flutuação e o Princípio de Arquimedes são usados para chegar à equação da flutuação de um submarino, ou seja, tanto na condição submersa quanto na superfície, o peso do submarino é igual à força de empuxo que atua sobre ele. Isso também implica que, para um submarino submergir, o peso total do submarino deve aumentar. Só então, na condição submersa, a flutuabilidade no volume do submarino acima da linha d'água (na condição à superfície) pode ser equilibrada pelo peso adicional.
Mergulho e Emersão de Submarinos
Para adicionar peso ao submarino a água do mar é admitida nos tanques de lastro (MBTs), e esse peso adicional da água do mar aumenta o peso do submarino, o que permite que mergulhe. Vamos primeiro olhar para as técnicas de mergulho e superfície antes de ir mais longe na estabilidade e entender como esta máquina funciona.
Analisaremos as partes e componentes de um tanque de lastro principal para entender a sequência seguida no mergulho e na superfície. As duas partes vitais dos MBTs são:
- Portas de inundação e
- Saídas de ar
As portas de inundação são aberturas na posição mais inferior do casco externo que permitem que a água entre e saia do tanque. Os tirantes dos respiradouros, um a bombordo e outro a estibordo, são alocados no tanque para o respiradouro principal no topo do casco de pressão. Para que um submarino na superfície mergulhe, a abertura de ventilação na parte superior é aberta. Isso permite que o ar no tanque escape e a água do mar inunde dos portos de inundação abaixo. O peso do lastro agora adicionado ajuda o submarino a mergulhar. A profundidade de operação da maioria dos submarinos modernos é de 300 a 450 metros. Para um submarino emergir dessa profundidade, ele primeiro usa seus hidrofólios para reduzir sua profundidade até 3 a 4 metros abaixo da linha d'água. Uma vez que cruza a essa profundidade, o ar de alta pressão a aproximadamente 15 bares é introduzido no tanque através da válvula de ar. O ar empurra a água para fora do tanque através dos orifícios de inundação. Uma vez que esse peso é perdido, o submarino flutua positivamente e sobe para a condição de superfície.
Estabilidade de Superfície
Um submarino em condição de superfície deve satisfazer os mesmos princípios de estabilidade de um navio comum. O principal requisito na condição de superfície é que ela deve permanecer à tona mesmo após qualquer tipo de dano. O que significa que deve haver um volume significativo do casco acima da linha d'água. Isso é chamado de Reserva de Flutuabilidade (ROB). Compreender o conceito de ROB é vital para um projetista, pois ajuda o projetista a chegar a um valor primitivo do volume necessário de MBTs para um determinado volume de casco de pressão.
O ROB de um submarino é basicamente a razão entre o volume efetivo de todos os MBTs e o deslocamento volumétrico do submarino em condição de superfície. O volume efetivo é o volume total “expirável” dos tanques (ou seja, o volume do tanque que deve ser preenchido para submergir o submarino). E, assim como os navios à superfície, o deslocamento da superfície do submarino é o peso bruto do submarino menos a água deslocada para acomodar a parte submersa do casco. Na condição submersa, a única estrutura que fornece flutuabilidade é o casco de pressão. Assim, o peso do submarino submerso menos a água deslocada é igual à flutuabilidade no casco totalmente pressurizado. A definição e análise de ROB acima nos ajuda a chegar à seguinte relação entre o ROB e o volume de pressão do casco para atingir o volume total soprado de MBT necessário. A quantidade de ROB que precisa ser incorporada em um projeto depende do tamanho do submarino. Submarinos menores terão borda livre menor, portanto, o ROB maior é desejável em submarinos menores do que nos maiores. O ROB em submarinos geralmente varia de 10% a 20%, e o valor pode atingir limites mais altos no caso de submarinos de casco duplo.
A análise de estabilidade transversal de um submarino é semelhante à de um navio de superfície, pois ambos seguem os mesmos princípios hidrostáticos. O critério de estabilidade do submarino em condição de superfície é a sua altura metacêntrica (GM).
Quando o submarino emerge, o centro de flutuabilidade (B) muda para uma nova posição (B1). O metacentro (M) se estiver acima do centro de gravidade, cria um momento de endireitamento que traz o submarino de volta à posição vertical.
Os submarinos são muito sensíveis ao peso, pois, durante toda a operação de um submarino, todas as operações devem ser realizadas de tal forma que haja um deslocamento mínimo na posição longitudinal do centro de gravidade. Conforme mostrado na figura abaixo, a menor mudança no centro de gravidade longitudinal causará um momento de compensação que resultará em uma diminuição drástica na área do plano d'água. Como a altura metacêntrica longitudinal será proporcional à área do plano d'água, qualquer momento de corte reduz rapidamente a altura metacêntrica.
Estabilidade Submersa de Submarinos:
Quando os MBTs são soprados e pressionados ao máximo, o submarino mergulha e agora entra em um ambiente de operação que não é familiar para a maioria dos engenheiros e projetistas de navios de superfície. A primeira propriedade de um submarino submerso é sua capacidade de executar movimentos em todas a 6 direções possíveis. As profundidades mínima e máxima permitidas são chamadas de teto e piso. As propriedades acima são semelhantes às de um avião, mas há um aspecto que torna um submarino único, ou seja, ao contrário de um avião, um submarino não depende do movimento para frente para suportar seu peso. As superfície de controle de um submarino são usadas apenas para invocar forças de sustentação que o ajudam a alterar a profundidade. Mas um submarino pode permanecer estático em uma condição submersa sem nenhum movimento para frente e sem a ajuda destas superfícies. Quando o peso do submarino é maior que a sua flutuabilidade, ele afunda até que qualquer ação corretiva seja tomada para reduzir o peso ou aumentar a flutuabilidade. Esta condição é chamada de flutuabilidade negativa .
Da mesma forma, quando o peso é menor que a flutuabilidade, diz-se que o submarino está com flutuação positiva e flutua até que uma ação corretiva seja tomada para aumentar o peso. Mas todos os submarinos em condição submersa operam em uma condição que fica entre as duas acima, de modo que o peso e a flutuabilidade são sempre iguais. O submarino, nesta condição, está em Flutuação Neutra. Como um submarino consegue flutuar de forma neutra, é algo que veremos mais adiante.
Submarino em Condições de Flutuabilidade Positiva, Negativa e Neutra
Os critérios de estabilidade transversal de um submarino mudam significativamente na condição submersa. Como qualquer ângulo de inclinação em um submarino submerso não causa mudança no volume submerso, o centro de flutuabilidade permanece inalterado. Em outras palavras, o metacentro de um submarino submerso coincide com o centro de flutuabilidade. Assim, a altura metacêntrica (GM) é transformada em (BG).
Como mostrado, quando G está abaixo de B, desenvolve-se um momento de endireitamento, que traz o submarino para sua posição vertical, enquanto que, quando G está acima de B, o submarino vira. É por isso que o centro de flutuação de um submarino submerso é sempre mantido acima do centro de gravidade. Ou seja, como a posição de B é fixa para um determinado submarino, é sempre garantido que o G está abaixo de B. Existem tanques e sistemas especiais usados para manter essa condição. O critério de estabilidade de um submarino submerso é BG, e a variação da alavanca de endireitamento GZ com o ângulo de inclinação.
Elementos de Flutuabilidade e Peso
Um fator importante para o projeto de submarinos é a identificação dos elementos de flutuabilidade e peso. Primeiro deve-se identificar o significado de cada um e por que eles são necessários durante o processo de design.
Elementos de Flutuabilidade
Os componentes de um submarino que constituem a sua flutuabilidade total são chamados coletivamente de elementos de flutuabilidade. Para identificá-los, vamos começar com o mais fácil. A maior parte da flutuabilidade atua no casco de pressão e, portanto, todo o volume do casco de pressão é um elemento de flutuabilidade. Mas como os componentes dentro do casco de pressão não estão em contato com a água do mar, eles não contribuem para a flutuabilidade e não podem ser classificados como elementos de flutuabilidade.
O volume deslocado do casco externo (ou seja, o volume deslocado pelas placas de aço do casco externo) também contribui para a flutuabilidade. Observe que o volume delimitado pelo casco externo não está sendo considerado aqui. Em alguns casos, a estrutura de proa e ré que é livremente inundada, pode conter tanques que não estão inundados. Nesses casos, o volume fechado desses tanques externos é considerado como elemento de flutuabilidade. A vela é inundada livremente em condição submersa, e também contém a torre de comando (torre de escape), periscópios e uma série de mastros. O volume ocupado por essas estruturas aumenta a flutuabilidade e, portanto, seus volumes fechados são considerados elementos de flutuabilidade. Na região de proa, parte dos tubos de torpedo estão dentro do casco de pressão, e parte deles está fora do casco de pressão na região livremente inundada. O volume fechado dos tubos de torpedo na região livremente inundada atua como um elemento de flutuação.
O eixo propulsor passa por um tubo que é livremente inundado, portanto, o volume da porção do eixo propulsor na região livremente inundada atua como elemento de flutuação. O volume de flutuação ocupado por todos os apêndices como hélice, lemes, aletas dianteiras, aletas traseiras, conjuntos de sonar, etc. também contribuem para a flutuabilidade. Além disso, quaisquer bolsas de ar criadas nos tanques de lastro também são elementos de flutuabilidade e, portanto, são indesejáveis, pois aumentam inesperadamente a flutuabilidade no submarino, criando assim uma situação de flutuabilidade positiva.
Elementos de Peso
Os componentes de um submarino que contribuem para seu peso total são chamados de elementos de peso. Todo o peso fixo no submarino, conforme listado abaixo, está entre os principais componentes de peso:
- Estrutura de casco de pressão que inclui chapeamento de casco de pressão, estruturas circulares de reforço, tanques, suportes, etc.
- Planta de propulsão principal que inclui os alternadores a diesel, o motor de propulsão elétrico, sistema de eixos, bloco de empuxo, mancais de empuxo, hélice e maquinário associado.
- Baterias armazenadas em bancos de baterias.
- Armas guardadas dentro do submarino.
- Peso de todas as outras máquinas, componentes e acessórios permanentes no submarino.
Além dos elementos de peso fixo, existem elementos de peso variável, ou seja, suas magnitudes mudam com o tempo:
- Peso da tripulação.
- Peso das lojas (por exemplo, água fresca, alimentos, etc.)
- Peso dos consumíveis (óleo diesel, óleo lubrificante, etc.)
- Peso do porão e resíduos sólidos.
- Peso do lastro.
É necessária uma listagem adequada de todos os elementos de peso e flutuabilidade, juntamente com seu peso individual, centro de gravidade, volume fechado e centro de flutuabilidade. Uma vez que todos os elementos de flutuabilidade são listados com seus volumes e centro de volumes, os dados são usados para chegar à flutuabilidade total do submarino e às coordenadas 3D do centro de flutuabilidade. Análise semelhante é feita para todos os elementos de peso para chegar ao CG e peso do submarino. Esses dados são usados para correlacionar a relação de flutuabilidade de peso para um submarino.
Tanques Exclusivos em um Submarino
Embora alguns dos tanques usados em um submarino sejam semelhantes aos usados em navios de superfície, a maioria deles é diferente e exclusiva dos submarinos e com função específica destas naves, o que os torna um aspecto importante a ser estudado em detalhes.
Para um vislumbre rápido, deve-se saber que um submarino usa um sistema de 4 tanques apenas no processo de disparar um torpedo. Primeiro, examinaremos o plano de tanque de um submarino diesel-elétrico e, à medida que nos familiarizarmos com suas terminologias, estudaremos suas funções, a razão por trás de sua localização e outros aspectos de design relacionados a eles.
Plano de Tanques de um Submarino
Junto com o desenho de disposição geral, o plano do tanque é elaborado para localizar a posição de cada tanque. Seus nomes, juntamente com o fluido a ser carregado neles, são especificados no próprio plano do tanque. A capacidade de cada tanque é listada em um documento separado chamado plano de capacidade do tanque.
Estudamos detalhadamente sobre a finalidade e operação dos tanques de lastro anteriormente, deforma que agora ignoraremos este tópico.
Tanque de Compensação:
Quando um submarino tem flutuabilidade positiva ou negativa, ele toma medidas para manter uma condição de flutuabilidade neutra ajustando seu peso. Isso é feito com a ajuda de um tanque de compensação, um componente incomum aos conceitos tradicionais de projeto de navios.
Os tanques de compensação estão localizados próximo ao centro de gravidade longitudinal do submarino, onde qualquer mudança de peso causada a uma distância significativa do centro de gravidade longitudinal criaria um momento de compensação, o que é indesejado, pois o submarino precisa apenas ajustar seu peso. Ele está localizado dentro do casco resistente à pressão e leva água ou bombeia água para o mar, dependendo da situação a ser enfrentada. O tanque de compensação pode ser esvaziado por uma bomba ou ar de alta pressão (no 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 superior à pressão externa.
As seguintes alterações no peso e no equilíbrio de flutuabilidade são compensadas por tanques de compensação:
- Quando um submarino mergulha em profundidades maiores, ele entra em águas com densidade variável, diferentes daquela na superfície. A densidade específica da água do mar geralmente aumenta de 1,008 para 1,028 com a profundidade. Como a densidade é diretamente proporcional à flutuabilidade, esta aumenta, tornando o submarino positivamente flutuante. Para atingir a flutuabilidade neutra, o tanque de compensação retira a água do mar até que o peso anule a flutuabilidade.
- As diferenças de peso são causadas devido ao consumo de provisões, como víveres, óleo combustível, água doce, óleo lubrificante e outros estoques sólidos. A água é levada para o tanque para compensar este efeito. Uma coisa interessante acontece no caso do consumo de óleo combustível. Nos submarinos, à medida que o óleo combustível se esgota, o volume vago no tanque de óleo combustível é automaticamente preenchido com água do mar, de modo que o óleo combustível sempre flutua na água do mar. Isso é feito para evitar efeitos de superfície livre. Mas como a água ocupa o volume do combustível consumido, o peso do submarino aumenta devido a isso. O tanque de compensação também é usado para compensar essa mudança de peso.
- Em profundidades maiores, a alta pressão externa resulta na compressão do casco de pressão. Isso reduz o volume resistente à pressão do submarino, o que reduz sua flutuabilidade. A flutuabilidade perdida é compensada liberando água do tanque de compensação. Normalmente, para submarinos com profundidade máxima de mergulho de 200 a 350 metros, o volume disponível para esse fim no tanque de compensação varia de 0,3 a 0,4 por cento do volume total do casco de pressão.
Um projetista de submarinos considera 2 condições especiais de carregamento limite para estimar a capacidade do tanque de compensação para um projeto específico. As condições de carregamento estão listadas abaixo:
Caso 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 fresca, lojas, alimentos, são consumidos, mas sobra uma quantidade relativamente suficiente de óleo diesel. A embarcação está navegando em água do mar de densidade máxima, o que significa que a flutuabilidade é maior. Ambas as condições juntas exigem que o tanque de compensação seja preenchido até sua capacidade máxima.
Caso 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 óleo diesel foi 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.
Na realidade, quando um submarino inicia o seu cruzeiro, o volume de água no tanque de compensação situa-se entre os correspondentes aos 2 casos limite. Foi observado por estudos paramétricos, que os tanques de compensação geralmente têm volume de 2,5 a 3 por cento do volume total do casco resistente à pressão do submarino. Esses dados também são usados pelos projetistas nos estágios preliminares do projeto.
Tanques de Guarnição:
Os tanques de compensação são usados para manter o centro de gravidade longitudinal logo abaixo do centro de flutuabilidade, de modo que o submarino possa ser manobrado para uma condição de compensação neutra. Esses tanques são iguais em tamanho e estão localizados dentro do casco de pressão e o mais para a frente e para trás possível para que o momento de compensação causado por eles seja maximizado. O sistema de tanque de compensação consiste em dois pares de tanques, um par na frente (bombordo e estibordo), o outro na popa (bombordo e estibordo).
Esses tanques são interconectados por tubos chamados de linhas de compensação, e o fluido usado é chamado de água de compensação. A água do trim é circulada entre a proa e a popa, dependendo da condição de trim necessária. A circulação é realizada por bombas ou por ar de baixa pressão.
As dimensões do tanque de compensação são estimadas usando as condições limite determinando os casos de carga e as condições de compensação e analisando-as com o método semelhante ao dos tanques de compensação. Os efeitos de corte devido à mudança de peso durante o disparo de torpedos também são levados em consideração. Para fins empíricos, o volume de água de corte necessário é de 0,5 por cento do volume de pressão do casco.
Um uso adicional dos tanques de compensação são suas propriedades multifuncionais. Em tais projetos, os tanques de compensação são fornecidos com portas de inundação. Se, digamos, o trimming dianteiro for necessário, o tanque de trim dianteiro será enchido e os tanques traseiros serão esvaziados. Se o submarino deve reduzir seu peso sem qualquer mudança no trim, então ambos os pares de tanques são esvaziados na quantidade necessária. Este sistema oferece vantagens adicionais em relação à alocação de espaço, pois os submarinos são muito restritivos de espaço.
Tanques negativos ou tanques de mergulho rápido:
Esses tanques são usados como meios auxiliares para mergulhar nas ondas. Quando um submarino mergulha em ondas, a flutuabilidade adicional devido à ação das ondas o impede de mergulhar prontamente e dificulta sua capacidade de mergulhar a uma profundidade maior. À medida que os vales das ondas passam pelo submarino, as partes livres de inundação nos níveis mais altos do convés (na vela e no convés superior) permanecem parcialmente inundadas, resultando em falha no mergulho.
Para combater esse efeito, um tanque com portas de inundação é fornecido em um nível baixo, logo à frente do centro de gravidade do submarino. Inundar este tanque não só adiciona flutuabilidade negativa (ou aumentaria o peso), mas devido à sua posição longitudinal em relação ao CG, também afunda prontamente a proa e ajuda em mergulhos rápidos. Devido a isso, eles também são chamados de tanques de mergulho rápido. Uma vez que o submarino tenha mergulhado e todas as áreas livres de inundação estejam cheias de água, o tanque negativo é drenado rapidamente usando ar comprimido.
Tanques de torpedos:
Os torpedos são disparados 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 que um torpedo é disparado, a perda de peso significativa de uma posição distante do CG do submarino causa um momento de compensação, que se não for evitado, prejudicaria a capacidade de manutenção do curso do submarino. O disparo de um torpedo de um submarino envolve uma sequência de etapas para evitar isto.
O tubo de torpedo é uma estrutura cilíndrica resistente à pressão que possui uma porta na frente (porta de vante) e outra na popa (porta culatra). Um submarino geralmente tem vários tubos de torpedo e pode disparar mais de 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 alagada livre que leva ao ponto mais à frente do casco externo onde está localizada a porta frontal. A porção do tubo na região livre inundada é submetida à pressão externa e é reforçada externamente para protegê-la da flambagem.
Disparando os Torpedos
Primeiro passo: Primeiro, a porta traseira é aberta e o torpedo é carregado no tubo. Uma vez que a porta traseira é fechada, a água do Weapon Round Tank (WRT) é admitida no espaço entre o torpedo e as paredes internas do tubo. O volume de WRT é suficiente para fornecer água suficiente para disparar todos os torpedos, sem necessidade de recarga. A localização dos WRTs é sempre logo acima ou abaixo dos tubos de torpedo. Por quê? Se os WRTs estivessem localizados longitudinalmente longe dos tubos de torpedo, o deslocamento da água do WRT para os tubos de torpedo teria causado momentos de compensação indesejados, fazendo com que o submarino se compensasse pela proa.
Passo Dois: A porta da frente sempre abre no sentido externo, mas não pode ser aberta nesta fase, pois em grandes profundidades a pressão externa é maior que a pressão interna. Assim, a água dentro do tubo do torpedo é pressurizada para que as pressões interna e externa se equalizem. Feito isso, a porta da frente é aberta hidraulicamente e o torpedo é disparado.
Passo Três: Uma vez que o torpedo é disparado, o espaço dentro do tubo de 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. Para evitar um momento de corte, água adicional deve ser absorvida para compensar a diferença de peso. Essa quantidade adicional de água é levada para outro tanque chamado Air Inboard Vent (AIV), localizado logo abaixo ou acima dos tubos de torpedo.
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 Torpedo Operating Tank (TOT) e, em seguida, outro torpedo é introduzido no tubo seco. O TOT está localizado de forma a evitar qualquer deslocamento longitudinal do peso. O volume do TOT é suficiente para transportar toda a água necessária para ser drenada do tubo de torpedo se todos os torpedos forem disparados.
Tanques flutuantes:
À medida que o submarino mergulha ou sobe, sua capacidade de manutenção de 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 parados. Nesse caso, é necessário um equilíbrio constante da equação peso-flutuabilidade. Esse equilíbrio pode ser alcançado por um sistema controlado por sensor dedicado a um tanque especial onde a água pode ser absorvida quando o submarino sobe e a água do mesmo tanque pode ser bombeada quando o submarino afunda. Essa troca de água é rápida e deve ser realizada de forma contínua. Daí um tanque especial chamado Hover Tank localizado fora do casco de pressão, é utilizado para atender a esta finalidade. A razão por trás de sua localização no casco externo (ao contrário de um tanque de compensação).
No entanto, nos casos em que o submarino deve ser projetado para pairar próximo à superfície, o sistema de pairar precisa ser mais robusto para compensar os efeitos desestabilizadores da ação das ondas. Os outros tipos de tanques usados em um submarino são tanques de óleo combustível, tanques de óleo lubrificante, tanques de óleo de lodo, tanques de porão e tanques de água doce. Eles não foram discutidos aqui, pois sua operação e finalidade são semelhantes às dos navios de superfície. No entanto, é importante que um projetista realize estudos paramétricos das capacidades dos tanques de vários projetos existentes antes de chegar parametricamente a uma estimativa de capacidade e planejar os tanques de um novo projeto.
Diferentes Sistemas em um Submarino
Entre os sistemas necessários para a operação de um submarino e a conclusão de sua missão, alguns têm uma notável semelhança com aqueles usados em navios de superfície, enquanto outros sistemas são projetados exclusivamente para o ambiente em que um submarino opera.
Deve-se notar que um típico submarino diesel-elétrico teria mais de 150 sistemas ao todo, alguns dos quais são usados para atender aos principais sistemas a bordo.
Principais Sistemas Usados à Bordo
Os sistemas primários em um submarino são os seguintes:
- Sistema de propulsão
- Sistema de mergulho e emersão
- Sistema de geração e distribuição de energia
- Sistema de ar comprimido
- Sistema hidráulico
- Sistema de controle de direção
- Ar condicionado e sistema de ventilação
- Sistema de refrigeração
- Sistemas de eixos (um subsistema do sistema de propulsão principal)
- Sistema de refrigeração a água
- Estação de tratamento e ejeção de lixo
- Sistema de óleo lubrificante
- Sistema de óleo diesel
- Entrada de ar diesel e sistema de exaustão
- Sistema de combate a incêndio
- Sistema de lubrificação centralizado
- Mastros e periscópios
- Sistema de gerenciamento de listas e cortes
- Sistema de disparo de mísseis e torpedos
- Sistemas de indicação e instrumentação
- Sistema de rede de energia e iluminação
- Sistema de medição de profundidade e eco
- Sistema de telefonia de potência de som
- Intercomunicador / Sistema de comunicação interna
- Sistemas de radar e sonar
- Sistema de monitoramento de radiação
- Sistema de isolamento de casco de pressão
Sistema de Propulsão:
O sistema de propulsão está alojado na seção traseira do submarino e os principais componentes são discutidos abaixo.
Hélice: Os submarinos usam principalmente hélices de 5 pás com alta inclinação para reduzir a cavitação e os efeitos das forças de empuxo desequilibradas que atuam como forças de excitação para a vibração longitudinal do sistema de eixo. Um hélice de diâmetro maior com baixa RPM permite maior eficiência propulsiva.
Motor Elétrico Principal de Propulsão (EPM): A planta de propulsão é distribuída em 2 compartimentos estanques. A planta principal de propulsão elétrica está localizada no primeiro compartimento da planta de propulsão. É acionado pela energia elétrica produzida pelas baterias. Um motor alimentado por CC é sempre usado, pois mais perdas de potência são observadas em motores CA.
- Um acoplamento pneumático é usado para conectar o volante do motor de propulsão principal com o eixo da linha que leva ao próximo compartimento.
- Os termômetros são colocados nas extremidades dianteira e traseira do EPM para medir a temperatura do óleo combustível e do óleo lubrificante. Com base nessas temperaturas, a vazão dos líquidos de refrigeração do óleo é constantemente ajustada para atingir o valor definido.
Motor Econômico/Motor de Resistência: Em condições normais de cruzeiro e guerra, o submarino opera em diferentes modos de velocidade do motor de propulsão principal. Para aumentar a resistência do submarino, quando tal necessidade surge, o submarino precisa economizar no consumo de combustível. Nesse cenário, o hélice é acionado pelo motor econômico. O motor de resistência está localizado no segundo compartimento da usina de propulsão, de modo que qualquer um dos 2 motores pode ser acionado em caso de inundação em um dos compartimentos.
Sistema de Propulsão de Dutos:Alguns submarinos têm um sistema de propulsão de dutos adicional para redundância. Os túneis canalizados, um em cada lado de bombordo e de estibordo, são livremente inundados e providos de uma hélice de sucção acionada por motores de propulsão auxiliares individuais (bombordo e estibordo). A operação dessas hélices de duto induziria uma sucção de água da vigia dianteira do tunner, e o jato de água é ejetado do lado traseiro do túnel, resultando em movimento para frente do submarino. A operação de ambas as hélices canalizadas simultaneamente em diferentes velocidades também é usada para manobrar o submarino na direção horizontal. Este sistema é usado quando a operação silenciosa é uma necessidade primordial em zonas de guerra, pois a assinatura acústica do submarino com sua principal planta de propulsão em uso é consideravelmente maior.
Sistema de Geração e Distribuição de Energia:
Os geradores primários de energia em um submarino diesel-elétrico são os alternadores a diesel. Um projeto típico normalmente teria 2 conjuntos DA, um para bombordo e estibordo cada, classificados para atender aos seguintes propósitos:
1. Para recarregar as baterias que são descarregadas após uma operação submersa. A potência necessária para carregar as baterias é regida pela capacidade das células, pela corrente máxima de carga e pela corrente de recarga das baterias. É por isso que o tempo necessário para que as baterias sejam carregadas depende da especificação das baterias, não dos alternadores a diesel. As baterias não são classificadas com base na velocidade máxima, mas com base na velocidade de cruzeiro contínua única.
As baterias são colocadas em pisos escalonados e o acesso aos compartimentos das baterias é feito por meio de um carrinho colocado logo abaixo do deck das baterias. O operador abre a escotilha da bateria e deita-se no carrinho enquanto desliza na direção longitudinal para obter acesso a todas as baterias para verificações regulares e manutenção.
2. Para abastecer a carga orgânica em condições submersas, de superfície e de ""stand by". A carga orgânica de um submarino inclui a necessidade de energia nos espaços de acomodação, câmaras frias, sistemas de armas, sensores, auxiliares, etc.
3. Para impulsionar o submarino em condição de "stand by". Um submarino diesel-elétrico precisa funcionar apenas com geradores a diesel periodicamente, ou seja, neste caso o EPM não é alimentado pelas baterias, mas pelos alternadores a diesel. Esta situação geralmente surge quando as baterias estão sendo carregadas. O submarino então colaca-se à profundidade de snorkel e navega apenas à 4 ou 5 metros abaixo da superfície. Ele levanta seu mastro snorkel da ponte, que emerge da superfície da água para permitir a entrada de ar (o que é um requisito importante para o funcionamento do gerador a diesel).
Atualmente, no entanto, alguns modernos submarinos diesel-elétricos têm sistemas de propulsão independentes do ar instalados (AIP), onde o ar pode ser fornecido aos motores diesel a partir do ar liquefeito armazenado em garrafas de ar dentro do submarino. Isso permite a operação submersa, reduzindo os riscos de detecção.
Uma propriedade interessante de um submarino é sua razão de indiscrição, que é definida como a razão entre o tempo total de aspiração atmosférica e o tempo total de operação do submarino. Como o tempo total de aspiração é o tempo necessário para carregar as baterias, a expressão para a razão de indiscrição pode ser escrita como:
Como os projetistas preferem reduzir o tempo de aspiração para reduzir as chances de detecção, o foco principal da escolha das baterias para um submarino é no sentido de reduzir a taxa de indiscrição. Normalmente, os submarinos diesel-elétricos modernos sem propulsão AIP possuem taxas de indiscrição que variam de 0,2 a 0,3.
Sistema de Ar Comprimido ou de Alta Pressão (HP):
Este é um sistema crítico para um submarino porque o ar em alta pressão requer uma grande quantidade de energia que pode ser usada para obter a saída máxima em tempo mínimo. O ar é comprimido por compressores de 5 estágios e armazenado a 450 bares de pressão. Ele é ainda reduzido para pressões de 150 bares e 45 bares para uma série de propósitos, conforme discutido abaixo:
- Para subida de emergência à superfície para salvar a vida da tripulação. Os tanques de lastro são soprados com ar de pressão de 450 bares para causar uma redução imediata da profundidade resultando em emersão.
- Também é usado para iniciar a ação normal de emersão do submarino, mas nestes casos, é usado ar de 15 bares/HP.
- O ar comprimido também é utilizado para esvaziar os tanques de compensação e regulagem, esvaziar completamente os tanques principais de lastro quando emerso, dar partida nos motores diesel, soprar as válvulas inferiores entupidas com areia , acionamento do apito, etc.
- Inundação e drenagem de tubos de torpedos e tanques de compensação de armas.
Sistema de Controle de Direção:
O sistema de direção de um submarino é composto por superfícies de controle – um leme e 2 pares de hidrofólios. Um par de aletas está localizado na popa e o outro na vela ou proa. O leme é usado para controlar o movimento de guinada e os hidrofólios são usados para alterar os ângulos de compensação.
Os sistemas de direção são controlados hidraulicamente e operados centralmente a partir do console de direção da sala de navegação. Portas de controle local também são fornecidas na quilha e na popa, para situações de emergência.
Tratamento de Lixo e Sistema Ejetor:
Os resíduos sólidos biodegradáveis gerados a bordo (cozinha) e os resíduos sólidos humanos são transferidos para o sistema de tratamento de lixo, onde o tratamento ultravioleta e bacteriano do lixo o decompõe. A matéria decomposta é então armazenada em pacotes decomponíveis unificados, que são lançados do submarino para o mar pelo sistema ejetor de lixo. Esse sistema geralmente está localizado próximo ao centro de gravidade longitudinal do submarino, de modo que a ejeção dos pacotes de lixo não causaria momentos de trimagem adversos.
Sistema de Detecção:
Vários sistemas de detecção são usados em submarinos e os dados recebidos são processados e enviados ao sistema de controle de armas.
Periscópios: Para sua operação, os submarinos devem operar próximos à superfície, pois tem que operar em sua profundidade de snorkel e elevar seu periscópio acima da superfície do mar para detectar o inimigo.
Geralmente, existem 2 tipos de periscópios usados – Periscópio de Busca e Periscópio de Ataque. Um periscópio de busca é usado para atender aos propósitos de navegação, enquanto um periscópio de ataque é especialmente projetado para que os dados recebidos possam ser usados para alimentar o sistema de controle de armas. O periscópio de busca é fornecido com mais recursos ópticos do que o periscópio de ataque, de modo que pode ser efetivamente usado para manter uma visão clara no crepúsculo e no escuro. A forma e a altura do periscópio de ataque são projetadas para serem menos perceptíveis quando o periscópio é levantado. É auxiliado por um sistema de controle de elevação que mantém a altura visível do periscópio constante, apesar dos movimentos de elevação do submarino. Um periscópio é usado para os seguintes propósitos:
1. Para observar o tráfego marítimo.
2. Observar o movimento aéreo.
3. Para estimar distâncias em tempo real para engajamento com o inimigo.
4. Obter entrada de alcance estimado para o sistema de controle de fogo.
5. Para realizar a navegação celeste em condição submersa.
Sistemas de Radar: Um submarino usa sistemas de radar quando em condição de superfície ou enquanto aspira na profundidade de periscópio/snorkel. Como as ondas de radar não podem se propagar na água, a antena do radar é levantada através do mastro do radar, acima da superfície da água. O radar pode ser usado para detectar navios e qualquer outro objeto de superfície até o alcance do horizonte.
Semelhante aos periscópios, existem 2 tipos de sistemas de radar – radar de navegação e radar de ataque. A antena de radar de navegação e um receptor de sinal rotativo em sua ponta estão contidos em um mastro separado que pode ser içado e abaixado hidraulicamente. Observe que, quando levantadas, essas estruturas de mastro estão sujeitas à pressão hidrostática externa, portanto, todos os mastros de um submarino são estruturas resistentes à pressão. A antena do radar de ataque é posicionada junto com o periscópio de ataque, para que ambos possam ser utilizados em conjunto. No entanto, como o radar é uma fonte de energia, o uso do radar como dispositivo primário de detecção pode denunciar o submarino, permitindo a detecção de sua posição antes de receber a posição do inimigo.
Sistemas de sonar ativo: Os sistemas de sonar são usados para detectar acusticamente navios de superfície e movimento de outros submarinos, e fornecem mais discrição a um submarino quando comparado a um sistema de radar. O sistema de sonar ativo opera com o mesmo princípio de um radar. As matrizes de transdutores de sonar rotativos estão localizadas em várias posições fora do casco.
Essas matrizes emitem ondas sonoras que, se refletidas de um obstáculo subaquático, são recebidas como 'pings de sonar' distinguíveis. As ondas sonoras recebidas também são convertidas em formato eletrônico para serem exibidas na tela do sonar ativo no console. Para evitar perturbações, o posicionamento das matrizes é muito dependente da forma do casco, de modo que sejam colocados em posições onde o escoamento ao redor do casco seja menos turbulento, longe da esteira da hélice, devendo ter distância suficiente de grandes máquinas como geradores a diesel e EPM
A desvantagem dos sonares ativos é que os pings emitidos pela matriz podem ser facilmente detectados pelo inimigo dentro do alcance do sonar, revelando assim a posição do submarino. Portanto, embora todos os submarinos estejam equipados com sistemas de sonar ativos, eles evitam usá-lo quando a furtividade é uma necessidade primordial.
Sonar Passivo: Este é o sistema de detecção mais importante usado em submarinos. Consiste em um conjunto de hidrofones de sonar que detecta apenas ruído externo e reflete o sinal para o painel de controle do sonar na forma de pings.
Os hidrofones estão dispostos de forma circular na cúpula do submarino, a fim de evitar anomalias direcionais. Os hidrofones podem ser dispostos de 2 maneiras:
1. Matriz circular na cúpula, matriz linear nas laterais (matriz lateral).
2. Arranjo tipo ferradura com carenagem. O arranjo e o circuito esquemático de um sonar passivo tipo ferradura são mostrados na figura abaixo.
O alcance de um sistema de sonar passivo depende do clima acústico, ou seja, da salinidade, temperatura, densidade da água do mar; as condições das ondas, direção das correntes, presença de vida marinha, etc.
A discussão de sistemas em um submarino é um tema que vai além do escopo deste artigo. Pode-se conceituar a vastidão e complexidade desse aspecto do projeto de submarinos quando dito que o projeto, desenvolvimento e integração desses sistemas em um submarino requer uma forte colaboração de engenheiros mecânicos, engenheiros eletricistas e eletrônicos, especialistas em instrumentação e arquitetos navais. O desenvolvimento de versões melhores de cada um desses sistemas é um processo contínuo e depende de como a marinha de cada país aborda o desenvolvimento de sua frota de submarinos.
Estruturas de um Submarino
Aproximadamente 40% do foco e prioridade em todo o processo de projeto do submarino é dado ao seu projeto estrutural. O processo completo de projeto de sua estrutura também ocupa grande parte do tempo, pois não está relacionado apenas a fatores de resistência, mas também a um nexo de aspectos funcionais que estão inter-relacionados a ele.
O projeto estrutural sempre começa com o processo de identificação das cargas a que a estrutura estaria submetida. As cargas em um submarino durante sua missão podem ser classificadas da seguinte forma:
1. Carregamento Devido à Pressão de Mergulho:
A profundidade é um dos critérios de projeto estrutural mais importantes e decisivos. O casco de pressão é o principal elemento estrutural do submarino e foi projetado para suportar a pressão hidrostática externa. Ele é projetado para uma profundidade de colapso específica, na qual a falha completa é esperada dentro de uma faixa muito estreita. A profundidade de colapso é calculada multiplicando a profundidade máxima de operação (MOD) ou profundidade de serviço com um fator de segurança. A pressão hidrostática nesta profundidade é considerada como a pressão de projeto para todos os cálculos de pressão do casco.
No projeto usual, são usados fatores de segurança de 1,5, e os submarinos projetados para tais limites não devem ficar abaixo da profundidade de serviço. Considerando que, em projetos que permitem fatores de segurança mais altos, como 2,5, eles podem mergulhar mais fundo do que a profundidade de serviço, mas apenas em condições de emergência.
2. Cargas de choque:
Um submarino é projetado para suportar as cargas geradas por detonações submarinas (por exemplo, explosões de minas, pressões geradas pelo estouro de grandes bolhas de gás submarinas).
A física das explosões submarinas é um assunto muito interessante, pois é notavelmente único quando comparado a uma explosão no ar, onde uma bola de explosão é criada e como ela se contrai e explode novamente, para liberar uma nuvem de bolhas de gás.
No instante da explosão, uma onda de choque é criada, que aplica pressão radial para fora na água ao redor do ponto de explosão. Essa bola de explosão se expande até o ponto em que a pressão interna na parede interna da bola se torna igual à pressão hidrostática externa devido à água ao seu redor. Agora que a bola se expandiu, a pressão em seu centro é menor que a pressão externa. Isso é o que faz com que ele se contraia e imploda. Esta implosão gera uma nuvem de bolhas de gás que se expandem radialmente. O mesmo processo de contração, implosão e expansão se repete em série até que a energia da explosão seja completamente dissipada. O diâmetro e magnitude de cada explosão recorrente é menor que o anterior.
O estudo, portanto, nos ajuda a concluir que, quando um submarino é submetido a uma explosão, ele deve ser capaz de resistir não a uma, mas a uma série de ondas de choque. Também foi observado durante os testes, que devido a cada contração da nuvem de explosão, o submarino tende a ser sugado em direção ao centro da nuvem de explosão. O pior cenário é uma explosão sob um submarino, em que a sucção é para baixo, e se causada na profundidade máxima de serviço, pode resultar na sucção do submarino para profundidades maiores, causando risco adicional à estrutura devido à pressão hidrostática limite.
Além da carga de choque direta transmitida pela explosão, cada onda de choque de uma única explosão submarina faz com que uma onda de vibração se propague ao longo do casco de pressão. Cargas vibratórias não apenas reduzem a vida em fadiga, mas podem causar ressonância, resultando em grandes falhas estruturais.
3. Outras cargas:
Como um navio de superfície, um submarino em condição de superfície está sujeito a cargas de flexão longitudinais, forças de cisalhamento transversais em estruturas transversais e cargas de torção causadas devido à ação das ondas.
Cargas locais como vibrações longitudinais e de torção são causadas pela ação do motor. A estrutura deve ser projetada de modo que o nível de vibração esteja dentro dos limites.
Força do casco de pressão:
O casco de pressão cilíndrico em condição de mergulho é submetido a esforços de compressão longitudinal . Esta tensão longitudinal é de metade da magnitude da tensão circular ou da tensão circunferencial.
A seguinte expressão para a tensão longitudinal no casco de pressão é usada para obter a espessura necessária do casco e os escantilhões dos reforços necessários para evitar a falha do casco de pressão por flambagem.
A tensão longitudinal, portanto, é uma função da pressão externa, do raio do casco resistente à pressão e da espessura da placa do casco. Agora, qual é o papel de um projetista de submarinos com essa equação? O raio do casco de pressão é uma entrada do cliente, ou seja, o raio do submarino é especificado junto com uma faixa, e isso significaria que o raio do casco de pressão é uma entidade fixa para todo o projeto estrutural.
A pressão hidrostática na profundidade do colapso é considerada como a pressão externa neste cálculo. Como a profundidade do colapso também é especificada no contrato, ela permanece fixa. A variável restante na espessura do casco de pressão. Agora, a tensão de compressão longitudinal máxima no casco de pressão é determinada pela resistência ao escoamento do material usado. O que um projetista calcula para um determinado material é a espessura mínima necessária para manter a tensão dentro dos limites.
As seguintes observações podem ser feitas a partir da relação acima:
* Para um MOD fixo, um submarino com diâmetro maior requer uma placa de casco de pressão mais espessa do que um submarino com diâmetro menor.
* A espessura mínima do casco de pressão necessária para um submarino pode ser reduzida usando material com maior resistência ao escoamento. Uma espessura menor seria vantajosa na redução do peso, mas pode ter um custo mais elevado.
O casco de pressão absorve todas as forças na direção longitudinal sem a necessidade de reforços de anéis transversais. No entanto, a casca é enrijecida por enrijecedores de anel que podem absorver as tensões circunferenciais originadas devido às cargas de flambagem. Os reforços do anel (geralmente perfis T) são soldados ao casco de pressão e todo o sistema atua como uma unidade.
O casco de pressão pode falhar de 3 modos, e a probabilidade de ocorrência de cada modo depende da disposição dos enrijecedores, conforme discutido abaixo:
Modo de falha 1: O primeiro modo de falha ocorre quando os enrijecedores do anel apresentam escantamento alto e são colocados muito próximos uns dos outros. Isso resulta no escoamento da placa do casco entre 2 quadros consecutivos. O escoamento ocorre sobre a circunferência da casca entre dois pórticos e, portanto, também é chamado de flambagem simétrica, como mostra a imagem abaixo.
Modo de falha 2 : Este modo de falha ocorre quando o escalonamento dos quadros é muito baixo e eles são colocados muito distantes um do outro, ou seja, no caso de espaçamento de quadros maior. A placa de concha, neste caso, dobra-se em forma de onda ao longo da circunferência entre 2 quadros consecutivos. Uma fivela será direcionada para dentro, enquanto a próxima será direcionada para fora, conforme mostrado na figura esquemática abaixo.
Observe que o número de ondas criadas no caso acima é 5, portanto, é chamado de flambagem de 5 lóbulos. O número de lóbulos criados pode variar de 2 a 5, dependendo do espaçamento entre os enrijecedores e a tensão. A figura a seguir mostra uma imagem real da flambagem da casca entre os quadros.
Modo de falha 3 : O primeiro e o segundo modo de falha foram falhas locais, e qualquer ocorrência desse tipo não representaria ameaça imediata à integridade da estrutura completa do casco de pressão. Mas a falha no modo 3 envolve a flambagem do casco de pressão em todo o seu comprimento, e isso faz com que os anéis transversais se curvem para fora do eixo, conforme mostrado na imagem abaixo. O efeito se estenderia ao comprimento do casco de pressão entre duas estruturas transversais pesadas, como anteparas ou armações de teia pesada. Isso também é chamado de colapso total do casco de pressão. Isso é causado devido à resistência inadequada do material, ou quando o submarino mergulha em profundidades maiores que a profundidade de colapso.
Além dos 3 modos de falha acima, alguns outros modos de falha para um casco de pressão são discutidos abaixo:
- A instabilidade geral do casco de pressão, armações circulares, anteparas e conveses causadas por soldagem imprópria ou cálculos impróprios de escanteamento podem levar a falhas locais ou falhas que se estendem a uma série de armações.
- A flambagem instantânea pode ocorrer na antepara elíptica dianteira (cúpula) ou na antepara cônica traseira, pois essas formas estão sujeitas a cargas compressivas variadas.
- Baixas tensões de ciclo na estrutura do casco de pressão podem levar ao desenvolvimento de trincas seguidas de propagação de trincas.
- Falhas devido à concentração de tensões em regiões de descontinuidade de forma, por exemplo: a junção entre a seção cilíndrica do casco de pressão com as extremidades cônica de popa e elíptica de vante está sujeita a altas tensões.
A figura a seguir resume a natureza das falhas às quais um casco de pressão está propenso e seus efeitos na geometria da estrutura.
Fato rápido: O casco de pressão dos submarinos pode ser reforçado internamente ou externamente. Mas o enrijecimento externo é preferível devido às seguintes razões:
1. Observou-se que os enrijecedores externos com a mesma rigidez que os enrijecedores internos fornecem 5% mais resistência do que os últimos.
2. Uma vez que o enrijecimento externo ocupa o espaço entre o casco de pressão e o casco externo, muito espaço útil pode ser obtido dentro do casco de pressão.
Mas alguns projetos, especialmente onde o casco de pressão é ele próprio o casco externo na maior parte do comprimento do submarino, o enrijecimento interno continua sendo a única opção.
Assim como um navio de superfície tem um desenho de meia nau e desenhos de componentes estruturais em todos os pórticos transversais, a figura a seguir mostra os componentes estruturais de um submarino de casco duplo em uma seção que contém a vela. A metade direita do desenho é o arranjo em um quadro comum, e a parte à esquerda da linha central é um quadro de teia (geralmente em 3 a 5 espaços de quadro).
Penetrações do Casco de Pressão:
O casco de pressão é uma estrutura fechada à pressão com pressão atmosférica dentro de seu volume fechado. Mesmo assim, é necessário fornecer meios para passar de dentro para fora em ambas as condições, na superfície e submersa. Para este fim, escotilhas circulares (torre de comando no centro, uma escotilha à frente e à ré, cada) são fornecidas para acesso do pessoal. São fornecidas penetrações para acesso de tubulações e cabos que conectam equipamentos que estão alojados fora do casco de pressão, mas são acionados por dentro.
A antepara da cúpula elíptica dianteira também possui várias penetrações, sendo as primárias para a passagem de tubos de torpedo e as secundárias para acesso às tubulações para os tanques de compensação de armas. As penetrações em uma antepara dianteira de um submarino são mostradas na figura abaixo.
Estas são estruturas muito críticas porque são descontinuidades inevitáveis o casco de pressão, e as bordas das penetrações (sejam circulares ou elípticas) tornam-se pontos de alta concentração de tensões. Portanto, os processos de soldagem de penetrações de casco de pressão são altamente escrutinados e geralmente mais de um tipo de ensaio não destrutivo (END) é realizado nas soldas de penetrações de casco de pressão.
Classe de Estruturas em um Submarino:
As estruturas submarinas são amplamente categorizadas em três tipos, dependendo do efeito que sua falha teria no submarino.
Estruturas Classe I: São as estruturas que, se danificadas, tornariam o submarino completamente incapaz de realizar qualquer operação ou permanecer à tona, além de representarem ameaça à segurança do pessoal. A estrutura primária completa do casco de pressão (o casco e os reforços) é estrutura de Classe I. Os requisitos mais rigorosos de END são seguidos para a certificação da qualidade dessas estruturas. O casco de pressão também é pré-testado para sua pressão de projeto, criando vácuo dentro dele, antes que outros equipamentos estruturais sejam colocados nele.
Estruturas Classe II: Essas estruturas, se danificadas ou sofrerem uma falha completa, apenas prejudicariam uma parte da capacidade do submarino de cumprir sua missão. Embora os danos às estruturas da Classe II não tornem o submarino inativo, isso afetaria um sistema ou parte de um sistema que desempenha uma função vital no submarino. Esses danos geralmente são reparáveis a bordo ou por meio de doca seca do submarino. Estruturas de classe II também são ditadas por padrões rigorosos de END. Exemplos disso são tanques de lastro, tanques de compensação, tanques de regulação e compensação, penetrações de casco de pressão.
Estruturas de Classe III: Danos a estruturas de Classe III não representariam ameaça ou teriam efeito desprezível sobre a navegabilidade do submarino. Tais danos podem ser reparados enquanto o submarino estiver em operação. Exemplo de estruturas de Classe III são braquetes de joelho, suportes de equipamentos, etc.
Para concluir, o projeto e análise de estruturas submarinas é um processo muito mais complexo que o de estruturas de navios devido às improbabilidades de cargas de choque entrarem em vigor. Toda empresa de projeto de submarinos realiza extensas análises de elementos finitos para uma combinação de casos de carga aos quais a estrutura pode estar sujeita. O que deixa espaço de pesquisa nesse campo é que os submarinos não são projetos testados como muitos navios de superfície. Cada design é novo, dependendo da marinha e de outros requisitos inter-relacionados do projeto, e isso deixa os designers com muito espaço para melhorar o próximo.
