La teoría submarina es una rama de la teoría de barcos que estudia la navegabilidad de un submarino (submarine) y sus características en comparación con un barco de superficie ( buque ) .
Al igual que la teoría general del buque, incluye los apartados principales: flotabilidad , estabilidad , propulsión y cabeceo . A veces, por referencia a la física general, se generalizan en la dinámica y estática de la nave. Además, cuenta con secciones: insumergible , navegabilidad , manejo , botadura. Dado que el submarino se caracteriza por dos posiciones principales: superficie y bajo el agua, esta navegabilidad, con la excepción del lanzamiento, también se divide en superficie y bajo el agua.
Por primera vez, los fundamentos de la teoría del buceo se publicaron en 1578 en la obra del inglés William Burne . [una]
La flotabilidad de superficie de un submarino, similar a la flotabilidad de un barco de superficie, se caracteriza por un margen de flotabilidad . Es decir, la relación entre los volúmenes estancos por encima de la línea de flotación (WL) y el volumen estanco total, y se expresa como un porcentaje.
Por ejemplo, si el volumen total del submarino es de 3000 m³ y la parte de la superficie es de 600 m³, entonces el margen de flotabilidad:
W = 600/3000 * 100 = 20%La misma relación se puede expresar en desplazamientos . Para este ejemplo, en agua destilada (1 m³ = 1 t), el desplazamiento será
D n \u003d 3000 - 600 \u003d 2400 t,y el desplazamiento de su volumen total es D p = 3000 toneladas.Entonces
W \u003d (D p - D n ) / D p * 100La flotabilidad bajo el agua es fundamentalmente diferente de la flotabilidad en la superficie. Para sumergir completamente un bote en el agua, debe llevar su peso al peso del agua desplazada por su volumen total. En otras palabras, extinguir la reserva de flotabilidad al 0% al recibir carga adicional ( lastre ), en la práctica, agua fuera de borda. Desde el punto de vista de la física, también se puede considerar que el barco reduce su volumen, dejando que el mar circundante entre en el casco . En la teoría de los submarinos, se adopta el primer enfoque: el agua de lastre se considera propiedad del barco, es decir, carga. Y dicen que el desplazamiento en superficie es menor que el submarino. En nuestro ejemplo, 2400/3000 toneladas Como puede ver, el margen de flotabilidad se puede expresar como la relación entre los desplazamientos en la superficie y bajo el agua.
Sin embargo, si lleva más carga de la que pesa un submarino completamente sumergido (crea flotabilidad negativa ), no flotará bajo el agua, sino que se hundirá; continuará hundiéndose hasta que llegue al suelo o se derrumbe. Por lo tanto, es vital que la flotabilidad subacuática teórica sea precisamente neutra : 0%. Para un barco de superficie, esta condición límite se equipara a una pérdida de flotabilidad; para un submarino, es una norma diaria.
La flotabilidad se ve obviamente afectada por el peso del cuerpo sumergido y la densidad del agua. Dado que en la práctica ni uno ni otro se mantienen constantes (el barco tiene flotabilidad residual ), mantener la flotabilidad neutra del submarino bajo el agua requiere correcciones. Se producen por bombeo/recepción de lastre, lo que se denomina señal submarina , o estabilización de profundidad.
En la práctica, la recepción de lastre requiere tiempo y energía. Por tanto, la regla de oro de un buque de superficie: “cuanta más reserva, mejor” es contraria a las exigencias técnicas. Intentan limitar el margen de flotabilidad constructiva. Por lo general, es del 8 al 30 % para los submarinos (según el proyecto), en comparación con el 50 al 60 % o más para los barcos de superficie. Un margen más pequeño es contrario a los requisitos de insumergible, uno más grande: la velocidad de descenso / ascenso y la limitación de las dimensiones estructurales.
Los principios de estabilidad de la superficie de un submarino también son similares a los de un barco de superficie. Del mismo modo, se distinguen la estabilidad estática y dinámica .
Una característica de la estabilidad lateral del submarino es que su casco , por razones de resistencia, tiene una sección transversal circular. Por lo tanto, con un aumento en el balanceo, los cambios en el área de la línea de flotación efectiva son insignificantes (es decir, la estabilidad de la forma no aumenta). El momento de restauración con un rollo creciente cambia poco. La altura metacéntrica inicial h también es pequeña .
Tanto la estabilidad de la superficie transversal como longitudinal del submarino se ve afectada por la presencia de una gran cantidad de carga líquida, por regla general, que tiene superficies libres , en lastre auxiliar y tanques especiales. Todos ellos reducen el margen de estabilidad dinámica. A diferencia de un barco de superficie, donde intentan dejar la menor cantidad posible de superficies libres, un submarino, por su propio diseño, está obligado a tenerlas.
Por esta razón, el margen de estabilidad dinámica en superficie de un submarino es menor que el de un buque de superficie. Es decir, los submarinos, por regla general, resultan más enrollados en la superficie.
La estabilidad submarina es fundamentalmente diferente de la estabilidad en la superficie. Bajo el agua, el volumen sumergido es generalmente constante. El CV no se mueve. Por lo tanto, no puede surgir un momento restaurador del tipo de superficie. En una posición sumergida, se requiere un equilibrio estable. Es decir, el CG debe estar debajo del CG . Luego, cualquier balanceo o asiento crea un par de fuerzas que enderezan el barco. En este caso, no hay estabilidad de forma, solo hay estabilidad de peso . Sin embargo, cualquier desplazamiento del CG afecta a la posición del barco en el water- landing .
Especialmente un barco bajo el agua es sensible a las fuerzas longitudinales que provocan el asiento. Los momentos de vuelco que surgen en este caso ( m kr ), en ausencia de estabilidad de forma, a menudo superan los de enderezamiento y son peligrosos para el barco. Las fuerzas de Arquímedes no son suficientes para compensarlas y se requiere una intervención artificial. Se lleva a cabo por desplazamiento longitudinal de la carga, denominado trimado . [2]
La estabilidad durante la inmersión (ascenso) es un caso especial en el que los principales parámetros que determinan la estabilidad son variables. Hay una transición de equilibrio inestable (posición en la superficie) a estable (posición bajo el agua). Se acompaña de una disminución temporal de la estabilidad. La altura del CV (Z c ) sobre el plano principal aumenta con la profundidad, la altura del CG (Z g ) primero disminuye, luego crece, la altura del metacentro (Z m , no debe confundirse con la altura metacéntrica) crece, luego decrece y vuelve a crecer.
Su influencia conjunta se describe mediante el diagrama de flotabilidad y estabilidad inicial del submarino. Dos puntos singulares del diagrama: I - coincidencia de CV y CG. El momento de restauración está determinado únicamente por el momento de estabilidad de la forma. II - pasar bajo el agua de un casco duradero . El metacentro se funde con el CV, la altura metacéntrica es mínima.
Al bucear y ascender, hay más que nunca (excepto en casos de daños) superficies libres, en los tanques del lastre principal. Por tanto, el margen de estabilidad dinámica del submarino es mínimo.
La propulsión de superficie y submarina de los submarinos difiere mucho. Para un submarino, como para un buque de superficie, son válidas las dependencias de la resistencia con respecto a la velocidad. La resistencia es proporcional al cuadrado de la velocidad:
X = f* V²donde V es la velocidad, f es el factor de proporcionalidad.
La potencia requerida es proporcional al cubo de la velocidad de la hélice ( característica del tornillo ):
N e \ u003d m * w³donde m es el coeficiente, w es la velocidad de rotación.
La propulsión de superficie se caracteriza por la presencia de resistencia de onda ( Xin ), resistencia de forma ( Xf , ver coeficiente de arrastre de forma ) y resistencia de fricción ( Xt ) . A toda velocidad en la superficie, la resistencia de las olas alcanza el 50 - 60% del total. La propulsión submarina es diferente en el sentido de que no hay resistencia de las olas X en \u003d 0 (a partir de una profundidad igual a la mitad de la longitud del barco).
Por lo tanto, es imposible crear un caso que satisfaga ambos modos. Además, un compromiso satisfactorio también es imposible. Por lo tanto, la forma del casco está optimizada para un modo más característico.
Históricamente, hay dos períodos. El primero, cuando los motores submarinos y de superficie estaban completamente separados. Los submarinos eran en su mayoría diésel-eléctricos y pasaban la mayor parte del tiempo en la superficie. Los submarinos de esta época tenían una superestructura y un casco ligero con contornos que acercaban el barco a un barco de superficie. La velocidad de superficie de estos submarinos era, en un caso típico, más bajo el agua.
Con la llegada del esnórquel (RDP), el límite entre los motores submarinos y de superficie se desdibuja, y con la llegada de la energía nuclear , los barcos reciben un solo motor. La posición de la superficie se vuelve poco característica. Por lo tanto, la forma del casco está completamente optimizada para viajes submarinos. Desde la década de 1960, ha estado cerca de la hidrodinámica ideal : en forma de lágrima, con un alargamiento relativo L / B = 6 ÷ 7. La resistencia a la forma se minimiza. La parte principal (85 - 90%) es la resistencia a la fricción. Dichos barcos son capaces de alcanzar una mayor velocidad bajo el agua que en la superficie.
Los submarinos se caracterizan principalmente por cabeceo superficial. En la posición de superficie, todas las consideraciones aplicables al balanceo de un buque de superficie se aplican al submarino. Aunque el barco, como un barco de superficie, tiene los 6 grados de libertad , el balanceo y el cabeceo tienen la mayor influencia en él .
La diferencia entre el balanceo de un submarino es una gran amplitud . Según la experiencia operativa, puede alcanzar Θ = 60°, con ondas de 5 - 6 puntos. [3]
El cabeceo submarino del submarino es algo perceptible solo en la capa cercana a la superficie. Afecta la operación de submarinos que utilizan dispositivos retráctiles, principalmente RDP, y las condiciones para el lanzamiento de misiles desde una posición sumergida. Por lo tanto, estamos hablando de profundidades de buceo desde 10 m ( profundidad de periscopio ) hasta 45 m (profundidad inicial).
La inundación del cabezal RDP afecta significativamente la ventilación del submarino e impone requisitos a los equipos que dependen del flujo de aire. Pero para la teoría de los submarinos, cabecear a profundidad de periscopio es similar a la superficie.
Desde la década de 1960 , se vienen realizando estudios sobre el balanceo en superficie de los submarinos. [4] Los resultados se reducen a lo siguiente: