Cascos de submarinos

Soy un interesado de la historia naval, con un énfasis en el costado técnico de la misma. En los últimos tiempos me encontré con algunos sitios webs que proveen información primaria muy valiosa sobre la construcción y operación de submarinos, manuales y planos originales de los submarinos alemanes y estadounidenses de la 2da guerra y periodo inmediato posterior.

Corte de Casco de Submarino Type XXI

Soy un interesado de la historia naval, con un énfasis en el costado técnico de la misma. 

En los últimos tiempos me encontré con algunos sitios webs que proveen información primaria muy valiosa sobre la construcción y operación de submarinos, manuales y planos originales de los submarinos alemanes y estadounidenses de la 2da guerra y periodo inmediato posterior.

Decidí con ello recopilar información de áreas especificas (cascos, maquinas, tanques, etc…) y compararlas entre si.

Esfuerzo de una estructura circular sometida a presión

La ecuación para calcular esto, sin tener en cuenta los refuerzos de la estructura, cuadernas, etc.., es:

esfuerzo  = (presión * radio) / espesor

Donde:

• -esfuerzo en N/mm2
• -presión en Mpa (1 megapascal = 10 bar)
• -espesor en mm

Haciendo un pasaje de términos también se puede calcular, para un material que soporta determinado esfuerzo, hasta que presión se puede someter la estructura:

presión = (espesor * radio) / esfuerzo

Esto en realidad no es aplicable a una estructura compleja como un submarino, pero se puede usar como una estimación.

Tipo VIIC

El Tipo VIIC es un submarino de casco simple con tanques laterales, estos ocultan solo una parte de la circunferencia del casco de presión. El casco de presión del Tipo VII consiste de 7 segmentos de sección circular:

• -uno central de forma cilíndrica de 4.7 m de diámetro
• -a proa de este 3 de forma troncocónica que afinan progresivamente el casco
• -a popa del central otros 3, también troncocónicos

Los segmentos troncocónicos no tienen sus ejes alineados con el cilíndrico, sino se inclinan progresivamente hacia arriba de manera la parte superior del conjunto presente una superficie aproximadamente recta sobre la cual se ubica la cubierta. El espesor de la chapa es de 18 mm en el cilindro central, disminuyendo levemente en los segmentos ubicados hacia los extremos. Las cuadernas son internas al forro.

Los tanques principales de lastre son 3:

-el número 1 a popa, externo al casco de presión con una capacidad de 25.15 m3

-el número 5 a proa, también externo, con una capacidad de 30.7 m3

-el número 3, situado dentro del casco de presión, en la sección cilíndrica central debajo de la sala de control, con una capacidad de 47.75 m3. El piso de la sala de control es curvo para resistir la presión transmitida por el lastre.

El Tipo VIIC desplaza en superficie a plena carga 769 t, sumergido 871 t. Para sumergirse necesita lastrarse con 102 t de agua. Los 3 tanques principales de lastre tienen un volumen combinado de 103.6 m3. 

La Kriegsmarine dictaba dos aspectos del diseño:

-como los tanques principales de lastre externos no tenían el mismo espesor de chapa que el casco de presión, estos podían ser dañados por cargas de profundidad con mayor facilidad que el casco de presión. La Kriesgmarine requería que el Tipo VII pudiera emerger aún en el caso de que ambos tanques de lastre externos no pudieran vaciarse por haber sido perforados, vaciando el tanque número 3 podría emerger, aunque flotando mas bajo en el agua. Una carga de profundidad para dañar el tanque número 3 necesitaría romper el casco de presión, lo que de todas maneras llevaría a la perdida del submarino.

-no se permitían tanques de combustible externos al casco de presión, un tanque dañado por una carga de profundidad haría que el submarino dejara una delatora estela de combustible. La excepción de esto eran los tanques combinados de lastre y combustible 2 y 4. Estos tanques estaban ubicados en los tanques laterales y tenían el mismo espesor de chapa que el casco de presión.

El acero usado para el forro del casco de presión era St 52, con una resistencia de 360 N/mm2. Para un diámetro de 4.7 m y un espesor de 18 mm, se puede estimar una profundidad de colapso de 270 m, lo que tiene una buena correlación con la profundidad alcanzada por el U-331 después de torpedear al HMS Barham en el Mediterráneo. Para los diseñadores el casco resistía hasta 250 m, y como la Kriegsmarine usaba un factor de seguridad de 2.5, los manuales indicaban 100 m.

Corte de un Tipo VII con las secciones del casco de presión

Corte de un Tipo VII a la altura de la sección cilíndrica central, abajo el tanque principal de lastre 3 con su superficie curva, encima la sala de control, a los costados del casco los tanques laterales.

Clase Balao

La clase Balao es una mejora de la clase Gato, empleando mejor material. Es un submarino de doble casco parcial. El casco de presión se compone de:

-una larga sección central de forma cilíndrica de 16 pies de diámetro, rodeada totalmente del doble casco, entre ambos se alojan tanques principales de lastre y de combustible. Las cuadernas en esta sección son externas al forro del casco de presión.

-en la cuaderna 35 se ubica un mamparo, hacia proa de este no hay doble casco, el casco de presión queda expuesto. En esta sección el casco de presión no es circular, va adoptando una forma elíptica en los costados y arco superior, mas pronunciada cuanto mas a proa, su parte inferior es una cubierta plana debajo de la cual está el tanque principal de lastre 1. Las cuadernas son internas al forro.

-hacia popa de la cuaderna 107 se ubica una sección similar a la anterior,  debajo de la cubierta plana se ubica el tanque principal de lastre 7.

Los constructores de la USN nomenclaban la chapa naval no por su espesor sino por peso, es decir el número de chapa correspondía con el peso en libras de un pie cuadrado de una chapa de ese espesor. Los espesores utilizados eran:

-casco de presión en la zona del doble casco 35# (21.8 mm)

-casco exterior en la zona del doble casco 20.4# (17 mm)

-casco de presión en los extremos de proa y popa 37.5# (23.3 mm)

-forro exterior de los tanques de lastre 1 y 7 20.4# (17 mm)

-cubierta plana sobre los tanques de lastre 1 y 7 30.6# (19 mm)

En todos los casos el acero utilizado era HTS (High Tensile Steel) de 50.000 psi (333 N/mm2), cambiado durante la guerra a 45.000 psi (300 N/mm2) debido a la escasez de algunos materiales estratégicos.

El estimado de profundidad de colapso, tomando la sección central circular con 21.8 mm de espesor y el acero HTS de 45.000 psi, da 260 m, apenas 10 m menos que el Tipo VII. Sin embargo estos submarinos tenían una profundidad de operación de 400 pies (122 m), como la USN usaba un margen se seguridad de 1.5, una profundidad teórica de colapso de 600 pies (182 m), casi 100 m menos que el Tipo VII.

Era esto causado por la falta de de circularidad del casco de presión en las secciones de proa y popa, sumado a la configuración plana de las cubiertas de los tanques de lastre 1 y 7? Según las fuentes la limitación se debía a dos factores:

-la bomba de achique de los tanques internos de compensación (para que cumplan su función el agua debería poder eliminarse hacia el exterior para que efectivamente reste del peso de la nave) no podía vencer una presión exterior superior a los 400 pies

-las empaquetaduras de los ejes de hélices, timones, periscopios, etc…y pasa cascos varios no estaban diseñados para presiones mayores

Luego de modificados en el programa GUPPY, la profundidad de operación se mantuvo igual, siendo las modificaciones tan extensivas ambas limitantes se podrían haber eliminado, es llamativo que no se haya hecho.

Sin embargo el SS-342 Chopper (clase Balao) sufrió un percance durante una maniobra en inmersión, en la cual quedo vertical y su proa (justo la parte que parece la más débil del diseño) paso los 310 m de profundidad, recuperándose luego el sub con daños menores.

Sección de un Balao a la altura de la cuaderna 44, con la sección circular
del casco de presión, externo a este el doble casco

Sección a la altura de la cuaderna 26, sala de torpedos de proa, se nota la falta de
circularidad del casco y la cubierta plana debajo de la cual se ubica el tanque principal de lastre 1

Clase Tang

El primer diseño de posguerra de la USN, siguiendo los lineamientos de los Tipo XXI alemán. Es un diseño de doble casco parcial, aunque el casco de presión queda expuesto solo en una muy corta sección a proa y a popa. El casco de presión es totalmente circular, la sección central es de 18 pies de diámetro, abandonándose tanto la sección elíptica en los extremos como los tanques de lastre debajo de la cubierta plana. La chapa utilizada para el casco de presión es 51# (31.7 mm), no tengo datos de la resistencia del acero utilizado, pero asumiendo 50.000 psi (333 N/mm2), el estimado de profundidad de colapso da 340 m. Estos submarinos tenían una profundidad de operación de 700 pies (213 m), con un margen de 1.5, una de colapso según los diseñadores de 1100 pies (335 m), muy cercano a lo calculado.

 

Sección del Tang a la altura de la cuaderna 30, con la sección circular del casco de presión, externo a este el doble casco

Sección a la altura de la cuaderna 25, sala de torpedos de proa, donde se mantiene la circularidad del casco de presión

Autor: Marcelo Malara 

Fuentes:

Tipo VII, planos y manuales originales

http://www.uboatarchive.net/

Clase Balao, planos originales del USS Pampanito

http://www.maritime.org/tech/drawings/index.htm

Clase Tench, planos originales

http://hnsa.org/doc/plans/ss563.pdf