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Supercavitación

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  #1 (permalink)  
Old 07-14-2007
Ricardo De Castro Aquino
 

Posts: n/a
Supercavitación
por Steven Ashley
Traducción y adaptación de Miquel Pontes




Naves submarinas que avanzan encerradas en bolsas de gas que eliminan
la resistencia al avance del agua... Los nuevos sistemas de propulsión
diseñados para los submarinos les permite moverse mucho más rápidamente que
sus equivalentes convencionales, empleando la misma cantidad de energía.



uando el submarino ruso K-141 Kursk se hundió en Agosto de 2000, se
difundieron rumores sobre si las causas de las misteriosas explosiones que
enviaron el navío al fondo del mar de Barents estaban relacionadas con las
pruebas de un nuevo torpedo de alta velocidad.

Algunos meses más tarde, cuando el empresario americano Edmond Pope fue
arrestado en Moscú bajo cargos de espionaje, se dijo que había estado
intentando comprar los planos de un torpedo de alta velocidad.

Aunque los detalles de ambos casos no han sido desvelados, hay evidencias
de que ambos incidentes giran entorno a una increible y poco conocida
tecnología que permite desplazamientos de alta velocidad para las naves
submarinas que la empleen, así como para las armas que estas naves
transportan.

Estas velocidades son del orden de cientos de kilómetros por hora e incluso
superando la velocidad del sonido en el agua, mientras que la mejor
tecnología submarina actual permite desplazamientos hasta un máximo de 140
kilómetros por hora.


Prototipo de torpedo con tecnología de supercavitación

Queda claro que las grandes potencias navales del mundo están desarrollando
completos arsenales de armas innovadoras y flotas de naves submarinas
capaces de operar a velocidades sin precedentes.

Esta capacidad de obtener altas velocidades se basa en un fenómeno físico
llamado supercavitación. Este efecto de mecánica de fluidos ocurre cuando
se forman burbujas de vapor en la estela de los cuerpos sumergidos cuando
existe un flujo de agua a alta velocidad.

El truco de la supervelocidad submarina reside en rodear el objeto o nave
de una nube de gas renovable de forma que el agua casi no esté en contacto
con la superficie del objeto, reduciendo así de manera drástica la
resistencia al avance que presenta el agua.

La supercavitación supone el mayor salto en la tecnología naval producido
desde hace muchos años, análogo en algunos aspectos a la transición de los
aviones de hélice hacia los reactores e incluso hacia los cohetes y
misiles.


Proyectil supercavitacional mostrando las ondas de presión a su paso.


Aunque los recursos económicos dedicados a la tecnología de la
supercavitación son oficialmente modestos (del orden de 50 millones de
dólares en los EE.UU., por ejemplo), pero la lista del armamento que se
beneficiaría de esta tecnología es inmensa y a la vez intranquilizadora;
incluye proyectiles submarinos de alta velocidad para la destrucción de
minas o torpedos ya disparados, barcos e incluso aviones en vuelo rasante y
helicópteros.

Otras posibilidades incluyen torpedos de alta velocidad disparados contra
barcos o contra torpedos anti-torpedo, e incluso contra "interruptores de
conflicto de medio alcance", grandes armas diseñadas para forzar el fin de
un conflicto entre dos submarinos.

También se distinguen en el futuro pequeños barcos de superficie
ultrarrápidos, así como misiles submarinos capaces de albergar cabezas
nucleares diseñadas para neutralizar formaciones enteras de portaviones.

Algunos expertos navales creen que los sistemas basados en supercavitación
pueden cambiar completamente la naturaleza de la guerra submarina, de la
típica estrategia del gato y el ratón entre grandes submarinos, hacia algo
parecido a los combates aereos, en donde habría furiosas peleas entre
pequeños "cazas" submarinos de corto alcance, que dispararían balas
submarinas contra el enemigo, tras haber salido de una especie de
portaviones submarino.

Otros expertos especulan con la posibilidad de torpedos o misiles
submarinos de largo alcance y varias etapas, disparados con cabezas
nucleares. Estos ingenios serían una réplica efectiva a la estrategia de
misiles de defensa del proyecto "Guerra de las Galaxias" del Gobierno
americano. Estos dispositivos podrían ser disparados desde un submarino,
salir a la superficie cerca de sus objetivos y detonar su carga letal antes
de que ningún sistema de alerta aérea o espacial pudiera reaccionar.

Sorprendentemente, ahora sabemos que ha existido al menos un arma submarina
basada en la supercavitación desde hace bastantes años.


El torpedo de supercavitación "Shkval"

En 1977, después de más de una década de investigación y desarrollo, la
armada soviética presentó en secreto un torpedo propulsado a reacción
llamado "Shkval" que podía "volar" por el agua a 100 metros por segundo
(unos 360 kilómetros por hora). Este torpedo navega dentro de una "cavidad"
gaseosa generada por él mismo.

Aunque este misil submarino con cabeza nuclear es rudimentario y poco
efectivo en algunos aspectos, algunas noticias aparecidas en los años 90
obligaron a las potencias militares de Occidente a tomar nota sobre la
tecnología de la supercavitación.

No hay duda de que hay retos significativos más allá de los detalles
técnicos y que deben ser afrontados antes de que estas tecnologías se hagan
realidad. Temas de medio ambiente y navegación deberán ser considerados
previamente, por poner un ejemplo.

Probablemente el mayor problema que se presenta sea el obtener fondos
suficientes para el desarrollo y construcción de los primeros sistemas
marinos de supercavitación. De todas formas, es evidente a lo largo de la
historia que la tecnología militar obtiene los fondos necesarios cuando las
otras vías de financiación no funcionan.

"Como se han construido muy pocos de estos aparatos hasta ahora, en muchos
aspectos estamos al nivel del primer vuelo del aeroplano de los hermanos
Wright" -dice Robert Kuklinski, ingeniero y científico especializado en
hidrodinamia en el Naval Undersea Warfare Center (NUWC) de Rhode Island, el
principal laboratorio de investigación sobre supercavitación de los EEUU-
"pero a diferencia de ellos, ahora sabemos mucho más sobre los principios
físicos subyacentes y sobre la tecnología, de lo que sabían aquellos
pioneros del vuelo".

Fundamentos de Supercavitación

Propulsar un cuerpo bajo el agua necesita gran cantidad de energía, como
bien saben los nadadores. Desplazarse rápidamente aún consume más energía
pues la resistencia al avance del agua contra la piel aumenta con la
velocidad. Nadar completamente sumergido necesita mucha más energía, pues
el agua opone una resistencia mil veces mayor que el aire.

Los arquitectos navales y los ingenieros marinos batallan constantemente
con estos problemas al diseñar los cascos de los barcos, en un intento por
minimizar la fricción del agua, instalando poderosos motores que propulsen
sus naves.

Puede ser chocante, por tanto, descubrir que los científicos y los
ingenieros han hallado una nueva forma de evitar la resistencia al avance
del agua, lo que permite desplazarse a alta velocidad.

En general la idea es la de minimizar la superfície húmeda del cuerpo en
movimiento encerrándolo en una burbuja de gas de baja densidad.

"Cuando un fluido se mueve rápidamente alrededor de un objeto, la presión
en el flujo disminuye, especialmente en el lado trasero del cuerpo",
explica Marshall P. Tulin, director del Ocean Engineering Laboratory de la
Universidad de California, y pionero en la teoría de flujos
supercavitacionales.

"Conforme aumenta la velocidad, se llega a un punto en que la presión del
flujo iguala la presión de vapor del agua, momento en que el fluido
experimenta un cambio de fase y se vuelve gas: vapor de agua". En otras
palabras, cuando la presión del agua ya no es suficiente para mantener
juntas las moléculas que componen el líquido elemento, éstas se disocian
formando un gas.


Cavitación natural en las puntas de las hélices


"Bajo ciertas circunstancias, especialmente en las aristas afiladas, el
flujo de agua puede contener cavidades de presión más o menos constante
rellenas de vapor de agua y aire en su estela. Es lo que se conoce como
cavitación natural," dice Tulin.

"La cavidad depende de la forma del objeto para que se mantengan las
condiciones de presión constante en sus alrededores, pero también depende
de la presión interna de la cavidad y de la fuerza de la gravedad," nos
explica.

Los arquitectos navales y los ingenieros marinos intentan evitar la
cavitación a toda costa, puesto que distorsiona el flujo de agua que
alimenta las bombas, turbinas y hélices de forma que estos elementos no
funcionan correctamente. También puede darse el caso de la formación de
violentas ondas de choque, por la rápida compresión de las burbujas de
vapor generadas, que erosionan las superficies de metal del casco de las
naves.

La supercavitación es la versión extrema de la cavitación en la que se
forma una única burbuja de manera que envuelve el objeto en desplazamiento
casi completamente.

A velocidades mayores de 50 metros por segundo, los cavitadores de punta
roma y los sistemas de inyección de gas producen unas bolsas de gas de baja
densidad (conocidas como supercavidades). En objetos largos y asimétricos,
las supercavidades toman la forma de elipsoides alargados que comienzan por
delante del objeto en movimiento y alcanzan su estela, la longitud de la
cual depende de la velocidad del cuerpo.

Las cavidades elípticas resultantes se cierran pronto bajo la presión del
agua circundante, por lo que la estela del objeto en movimiento es un área
caracterizada por flujos complejos e inestables.

La mayor parte de las dificultades encontradas en el modelado matemático de
las supercavidades vienen precisamente de lo que Tulin denomina "the mess
at the rear" (el lío de atrás) de las cavidades, conocido como la zona de
cierre o de compactación. En realidad, las presiones en las cavidades de
gas no son constantes, hecho que complica bastante el análisis.

Una vez modelizados, en cuanto el agua toca el cavitador, los dispositivos
supercavitacionales pueden navegar en el interior de alargadas burbujas de
gas con un rozamiento mínimo.

http://marenostrum.org/navegacion/supercavitacion/






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