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Hidroplanos de vante: na vela ou no casco?

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Pela primeira vez em sua história o Brasil terá um submarino com hidroplano de vante na vela. Quais as vantagens e desvantagens desse arranjo?

por Guilherme Poggio

Submarinos, assim como os aviões, possuem liberdade de movimento nos três eixos. Nas aeronaves o movimento de arfagem (movimento de subida ou descida) se dá com o uso de controles de voo chamados profundores. A superfície de controle dos submarinos análoga aos profundores dos aviões são os hidroplanos. Juntamente com os tanques de lastro eles são responsáveis pela variação de profundidade, assim como pela manutenção do submarino em determinada cota.

Salvo raras exceções os submarinos possuem dois conjuntos de hidroplanos sendo um de ré (na popa) e outro de vante (na proa). Os hidroplanos de ré são muito maiores e mais efetivos no controle do submarino. Para certas situações, como o submarino totalmente mergulhado e navegando acima de 12 nós, somente os hidroplanos de ré são necessários para o controle de profundidade.

Os hidroplanos de vante são necessários para que o submarino mantenha a profundidade de forma precisa em cota periscópica e em baixa velocidade. Eles auxiliam melhor os hidroplanos de ré no controle da proa do submarino. Também são importantes quando há a necessidade de se mergulhar rapidamente e neste caso, quando mais próximos da proa e da água, melhor.

O emprego dos hidroplanos para mergulhar ou variar a cota batimétrica se dá conjuntamente com o emprego dos tanques de lastro. Na situação “A” o submarino encontra-se na superfície. No início do mergulho (situação “B”) tanto os hidroplanos de vante como os de ré são posicionados para baixo. Assim que o submarino atinge o ângulo de mergulho (situação “C”) desejado somente os hidroplanos de vante são mantidos para baixo (hidroplanos de ré em posição neutra). No processo de nivelamento (situação “D”) para navegar a determinada cota, tanto os hidroplanos de ré como os de vante são posicionados para cima. Uma vez atingida a cota desejada (situação “E”) os hidroplanos voltam para a posição neutra. (clique na imagem para ampliar)

Avanços na US Navy

Desde a introdução dos hidroplanos de vante, os projetistas deram preferência para a sua instalação no casco e o mais próximo possível da proa. Mas na década de 1950, já na era nuclear, os americanos decidiram inovar.

A segunda classe de submarinos nucleares de ataque da US Navy, a classe Skipjack, revolucionou o desenho dos cascos hidrodinâmicos dos submarinos norte-americanos. Esta foi a primeira classe de submarinos que incorporou os hidroplanos de vante na vela desde a construção da embarcação.

Na verdade as novidades introduzidas no desenho do Skipjack foram previamente testadas nos submarinos convencionais da classe Barbel. Uma das modificações feitas nos Barbel foi a mudança dos hidroplanos de vante do casco para a vela.

Segundo os estudos da US Navy, esta mudança reduziu dramaticamente o ruído gerado pela operação do hidroplano na água. Este ruído afetava diretamente a operação do sonar passivo do casco (instalado na proa).

Mas com os hidroplanos na vela a US Navy criou outro problema para ela. Este arranjo dificultava ou mesmo impedia a emersão do submarino no Ártico. Dependendo da espessura do gelo os hidroplanos não conseguiam romper ou eram demasiadamente danificados. Sendo assim, foram introduzidos a partir da classe Sturgeon hidroplanos rotacionáveis na vela.

O USS Salt Lake City pertence à primeira geração de submarinos da classe Los Angeles. Os hidroplanos da vla destes navios eram tão grandes e pesados que não podiam ser rotacionados. FOTO: USN

Na classe Los Angeles os hidroplanos foram considerados muito grandes para serem rotacionados e por este motivo as versões Flight I e Flight II não eram capazes de emersão no gelo. Na versão Flight III os hidroplanos de vante no casco voltaram a ser instalados no casco. No ano de 1993 o primeiro submarino dessa classe realizou sua primeira emersão em camada de gelo.

O submarinos que sucederam os Los Angeles na US Navy (Seawolf e Virgínia) voltaram a empregar o hidroplano de vante no casco e não mais na vela.

A classe Seawolf voltou a ser projetada com os hidroplanos de vante no casco. O mesmo ocorreu com a classe seguinte (Virginia). FOTO: USN

No resto do mundo

Os franceses passaram a adotar o hidroplano de vante na vela a partir do seu primeiro submarino nuclear, o Le Redoutable (um SLBM). Essa característica também foi aplicada aos SSN da classe Rubis. O primeiro projeto de submarino convencional francês com o hidroplano de vante na vela foi o Scoperne. No entanto, para o caso dos Barracuda (futuros SSN da Marinha Francesa) os hidroplanos voltaram para o casco.

A Alemanha, quebrando uma longa tradição de hidroplanos de vante no casco, acabou adotando o hidroplano na vela para a Classe TR 1700 (construídos pela Thyssen Nordseewerke para a Argentina) e para o Tipo 212. No entanto, na versão de exportação deste último projeto (a Classe 214) a HDW manteve o hidroplano de vante no casco.

Na imagem acima o Gotland, submarino projetado e construído na Suécia. A próxima geração de submarinos suecos também terá hidroplanos na vela. FOTO: USN

Os suecos também dão preferência para hidroplanos na vela. Este é o caso das classes Södermanland e Gotland atualmente em atividade no país escandinavo. A próxima geração de submarinos suecos (A26) também possuirá hidroplanos na vela.

No extremo oriente todos os modernos submarinos japoneses adotaram os hidroplanos na vela. Isto ocorre desde o lançamento da classe Uzushio, cujo projeto se beneficiou dos avanços tecnológicos promovidos pela classe norte-americana Barbel (mencionada mais acima).

O Narushio (SS 595) é um dos onze submarinos da classe Oyashio construídos para a Marinha do Japão. Desde a década de 1960 os submarinos japoneses são projetados com os hidroplanos de vante na vela. FOTO: USN

Na Marinha Chinesa todos os submarinos atualmente em serviço e projetados localmente possuem hidroplanos na vela. Esta regra vale para submarinos convencionais, nucleares de ataque e lançadores de mísseis balísticos.

Críticas

Uma das principais críticas aos hidroplanos na vela é que a presença deles naquele confinado espaço rouba lugar de mastros extras. A experiência também mostrou que os hidroplanos na vela ficam muito próximos da turbulência gerada pela superfície do mar e muito distantes da proa para promover um bom controle do submarino em condições rasas. 

As operações de mergulho também são mais lentas e menos manobráveis, pois os hidroplanos na vela levam mais tempo para entrarem em contato com a água. Em alguns casos, como nos IKL, mesmo na superfície os hidroplanos de vante ficam mergulhados (porém retraídos).

Os submarinos SBR serão os primeiros submarinos na história da Marinha do Brasil a possuírem hidroplanos de vante na vela. Em função disso ela poderá comparar na prática as vantagens e as desvantagens deste arranjo.

Submarinos da classe Scorpene possuem os hidroplanos de vante na vela e esta por sua vez fica localizada bem à vante do navio.

 

38 COMMENTS

  1. Meio off-topic, mas alguém pode me apontar onde eu posso ver a planta completa do EBN de Itaguaí, a versão completa da segunda imagem nessa matéria?
    http://www.naval.com.br/blog/2018/06/14/prosub-as-instalacoes-para-receber-o-submarino-nuclear/

    E 2 perguntas de leigo sobre submarinos:

    Submarinos com lançamento vertical de mísseis, seja de cruzeiro ou balísticos possuem redução na profundidade máxima pelo fato de terem mais entradas em suas estruturas?

    E no caso dos novos submarinos brasileiros, inclusive o nuclear, eles usaram os tubos de torpedo para dispararem os mísseis de cruzeiro, nesse caso como é feito o armazenamento dos mísseis dentro do submarino? Ele pode carregar a mesma quantidade de armamento de um vertical? Ou essa escolha acarreta na redução dos mísseis carregados?

    Estou quase 1 ano acompanhando a trilogia, e só tenho agradecer aos especialistas daqui por aumentarem meu conhecimentos sobre os assuntos. Obrigado a todos.

    • Jorge Augusto, a imagem de todo o complexo de Itaguaí está numa das recentes matérias publicadas, a da visita às obras do submarino Riachuelo. E tem na matéria abaixo também:

      http://www.naval.com.br/blog/2018/01/18/prosub-o-complexo-de-itaguai-visto-de-cima/

      “…no caso dos novos submarinos brasileiros, inclusive o nuclear, eles usaram os tubos de torpedo para dispararem os mísseis de cruzeiro, nesse caso como é feito o armazenamento dos mísseis dentro do submarino?”

      Do mesmo jeito que os torpedos, em prateleiras horizontais, das quais são levados aos tubos por um sistema de carregamento automatizado.

  2. Submarinos com lançamento vertical de mísseis, seja de cruzeiro ou balísticos possuem redução na profundidade máxima pelo fato de terem mais entradas em suas estruturas?

    Via de regra o aumento de apêndices no casco de pressão tende a reduzir a resistência do mesmo. Também é preciso lembrar que o lançamento dessas armas não ocorre a grande profundidade, mas sim perto da cota periscópica.

  3. De uma forma geral parece que os hidroplanos posicionados a vante do casco oferecem um desempenho hidrodinamico muito melhor. No minimo podem ter uma superficie menor do que se posicionados na vela (menor peso e menor arrasto); certamente propiciam manobras mais precisas e rapidas. Por que entao na vela? Pelo que diz o texto, parece que a principal razao seria a tentativa de reduzir a interferencia sonica com os hidrofones e sonares; faz sentido mas acredito que com o submarino submerso abaixo da profundidade de telescopio sua influencia é menor. Assim parece que os submarinos voltados para operaçoes em aguas mais rasas devem possuir hidroplanos na vela (veja a classe Gotland sueca), enquanto que os destinados a “aguas azuis” deveriam possui-los a vante do casco. Acho que esta segunda opçao seria o caso do SNBR…

  4. Voltando à questao: se os hidroplanos sao posicionados na proa do casco, tanto podem ser fixados mais acima quanto bem embaixo (vide IKLs); acredito que sendo embaixo é muito melhor, seja de um ponto de vista de arranjo fisico inclusive do mecanismo que os aciona seja quanto à menor interferencia com os tubos de torpedos/misseis e, principalmente, quanto à sua açao hidrodinamica . Mais um ponto a favor do projeto alemão….sem choro e sem vela rsrsrsr

  5. Sans plurier monsier: o Scorpene é tambem excelente, ha muitos pontos a seu favor, tirando os hidroplanos e o tal do escotilhao que ferra com o projeto estrutural.

  6. Esse negócio de perguntar se o SBR Riachuelo ou SBN Álvaro Alberto terão lançadores verticais de mísseis virou uma brincadeirá de mal gosto.
    Procurem ler as matérias do Prosub.

  7. Os 23 últimos “Los Angeles” referidos no texto como “Flight III” com lemes no casco
    também podem retrair os mesmos.
    .
    E só como curiosidade, todos os SSBNs da US Navy desde o USS George Washington,
    apresentam lemes na vela…houve uma exceção o USS Daniel Webster, mas, durante um
    período de manutenção os lemes foram colocados na vela e assim deverá continuar
    ocorrendo com a futura classe de SSBNs Columbia o primeiro dos quais deverá ser entregue
    dentro de 10 anos.
    .
    Aparentemente ao menos para SSBNs a US Navy vê uma ligeira vantagem em se ter lemes na vela para se obter um melhor nivelamento do submarino quando do lançamento dos mísseis.

  8. Prezado Dalton : tambem me parece exatamente isso pois, como os misseis sao lançados abaixo do nivel periscopio, os hidroplanos na vela favorecem a estabilidade pois estao mais proximos aos silos verticais. A variaçao da quantidade de movimento ao serem lançados os misseis deve representar uma instabilidade relativamente grande , o que, considerando as oscilações com componentes verticais, seriam aparentemente mais controlaveis pelas superficies de controle dos hidroplanos na vela. Acho….

    • Pelo menos é uma “desculpa” Rommelqe para a US Navy e a marinha francesa adotarem em seus SSBNs…já britânicos e os russos ao menos quanto aos seus novos SSBNs, preferem os lemes montados no casco …então talvez a diferença não seja assim tão grande.

  9. Caro Bardini: obrigado, mais uma vez, pela exçelente postagem. Os hidroplanos retrateis precisam de servomotores que permitam posiciona-los dentro do casco e outro conjunto que execute o movimento em torno do eixo ortigonal ao eixo longitudinal do casco. ASSim, aparentemente, a melhor localizaçao é logo a montante da vela, parte de cima, ate porque , pelo mesmo motivo que postei acima, é uma posiçao que oferece um melhor controle nos lançamentos verticais. Concordas? Abs

  10. Ah, mais uma coisa: os hidroplanos retrateis eliminam os problemas quanto a interferencia no sonar quando navegando na superficie, mas na posiçao dos russos, nao favorece mergulhos mais rapidos. Pelo jeito eles sao instalados fora do casco interno, e nao representam um grande problema estrutural quanto às pressoes externas. Mas sua massa nao é desprezivel, assim como o acionamento hidraulico do mecanismo duplo nao deve ser aparentemente dificil, mas de qq modo constitui um ponto a mais de preocupaçao…

  11. olhando as fotos do Ingur postadas pelo Bardini, parece que este modelo nao possui silos verticais. Com isso os principais motivos quanto à localização dos hidroplamos retrateis seriam ditados por um conjunto de fatores que incluiriam: layout interno, comportamento hidrodidamico, assinatura sonica e interferencia com sonar.

  12. Rommelqe…
    .
    só para complicar…8 dos “Los Angeles” , SSNs 719 – 725 mais o 750, possuem lemes na vela e 12 silos verticais de mísseis adiante da vela.

  13. Acho que depende muito do projeto do submarino, pra se dizer qual a melhor posição. Por exemplo: para colocar um hidroplano no casco de um SBR, o que teria de ser modificado no desenho do casco de pressão e no arranjo interno?
    .
    O SBR não tem silo vertical, logo não existe necessidade por toda essa estabilidade. Mísseis podem ser lançados pelos tubos de torpedos.
    Aliás, nem acho que o problema maior seja estabilidade. Acho que a questão toda se baseia no tocante em facilitar o projeto do casco de pressão e a geração de vórtices, que consequentemente produz ruídos e vibrações. Talvez essa última questão explique algumas classes de submarino “esconderem” os hidroplanos no casco.

    • Caro Bardini: concordo basicamente. Mas sendo o mecanismo de acionamento dos hidroplanos, de uma forma geral, posicionados externamente ao casco resistente, há uma variação na forma hidrodinâmica e não na estrutura básica. Se olharmos os IKL eles possuem na proa aquele “queixo de cachalote” que, aparentemente, não só motivou seus projetistas a se basearem nesse cetáceo (aliás o cachalote pelo que me lembro, não seria propriamente um cetáceo), como também foi criado com a missão de alojar os hidroplanos.
      Concordo que nenhum dos franceses abrasileirados tem o “problema” causado por misseis com lançamento verticais.
      Quando me refiro à estabilidade não estamos pensando apenas no lançamento dos misseis e eventual interferência na trajetória daquele que tenha sido lançado em determinado instante. A questão que vejo referente à estabilidade, nos subs com silos verticais, estaria mais relacionada a oscilações “nos pisos” que poderiam, pelo menos ao meu ver, comprometer alguns dos sistemas de bordo, incluindo instrumentação, visada de periscópio, posição de armamentos eventualmente sendo aprontados para lançamento (por exemplo de torpedos de vante) e outras do gênero.
      Mas talvez o mais importante papel dos hidroplanos seria impedir oscilações de baixa frequência na direção de deslocamento do sub quando submerso. Esta influencia pode consumir alguma energia adicional, reduzindo, principalmente nos subs convencionais, a autonomia. Nesta função hidroplanos na vela ou no casco seriam equivalentes, daí um dos motivos para otimiza-los segundo outros aspectos. Faz sentido?

  14. Faz sentido. Depois de tudo que foi publicado sobre o aço do casco de pressão, pra que mexer? Por que mexer? Coloca na vela e não estressa o casco.

    Pra descer a profundidades maiores, coloca no casco e esconde. Nao altera essa história de vórtices, ruídos e vibrações. E contribui para a rigidez do casco já que retraído faz parte dele.

    O submarino provoca vórtices na ondulação do casco na vante? É um efeito desejável? Nesse caso os hidroplanos diminuem esse efeito? Ou o efeito da rotação dos hidroplanos provoca vórtices?

    Mas se precisa mergulhar rápido faz sentido ficar na vante. Pra subir rápido também. Aguas mais rasas não bota nem na vela nem na vante. Põe entre. Estabiliza o sub.

    Vou ler mais a respeito.

    • Caro Esteves: os hidroplanos na maior parte dos casos ( até onde pude ver) são posicionados externamente ao casco resistente, seja nas velas, seja no corpo principal. Assim, não há uma interferência estrutural importante, pois, claro, como qualquer outro vaso de pressão, quanto menor a quantidade de aberturas no casco resistente melhor.
      Essa “história de vórtices, ruídos e vibrações” tem que ser melhor lida e ouvida. Os hidroplanos, ao contrario do casco em si, para serem úteis (impor ação que mude a direção de translado) requerem que sejam submetidos a circulação hidráulica, o que, tipicamente, resulta nestes fenômenos hidroelasticodinâmicos (iteração entre o fluído, as estruturas e a assinatura sônica do sub). Quando o hidroplano esta no casco e o sub na superfície, a pressão da água no hidroplano é relativamente baixa, propiciando a formação de vórtices e cavitação mais intensos. Esses ruídos é que interferem, conforme citado na matéria, nos sinais captados pelo sonar, normalmente posicionado no queixo da proa, o que teria levado aos projetistas transferir esse mecanismo para a vela.
      Leia bastante. Depois conta a história pra nós. Abs

      • É isso mesmo. Os hidroplanos são instalados fora do casco resistente, seja na vela seja no casco. Deve-se lembrar que os hidroplanos retráteis montados no casco ocupam um bom espaço interno e isso é levado em consideração pelos projetistas.

  15. Caro Dalton, 19-06, às 16:09 : entendo que distribuir os silos a jusante e a montante da vela contribui para uma otimização do lay-out, com uma distribuição de volumes e massas mais balanceada, assim como com um melhor manejo quanto à sequência de lançamento dos misseis. No caso dos Los Angeles citados, posicionar os hidroplanos na vela parece ter sido uma solução de compromisso uma vez que nas zonas acima do casco resistente e perto da raiz da vela estariam ocupadas, preferencialmente, pelos bocais de saída dos silos. Também, contrapondo alguns pontos de vista que externei acima, os hidroplanos localizados na vela “mais a vante” (naqueles projetos em que os seus concebedores nitidamente procuraram posiciona-la mais para perto da proa possível) parecem impor um comportamento mais adequado quando manobrando totalmente submerso, principalmente quanto à arfagem.
    Lembrando também que a estabilidade desejada quanto à impedir um movimento de ondulação, seja na direção paralela ao eixo longitudinal do casco seja naquela ortogonal ao mesmo, é uma função da relação entre o diâmetro e o comprimento do casco. Tal relação tem um valor ótimo, conforme já colocado aqui no Naval, da ordem de 5 a 6. Nos Los Angeles “cheios de misseis” o comprimento do casco é bem grande, assim manter a vela mais a montante ajuda na estabilidade de translado “horizontal” e com hidroplanos na mesma, na estabilidade vertical. É o que me parece.

  16. Caros leitores do Naval, em especial o Esteves: uma refrencia muito legal é a seguinte:
    “Simulation and control of submarines”, Erik Lind & Magnus Meijer, Lund University, www. lup.lub.lu.se. Vale a pena estudar! Alias, se nao me engano, essa referencia ja havia sido citada aqui no Naval tempos atras. Abs

  17. Agregando outras referencias:
    “Simulation of submarine Manouevring”, Sebastian Thuné, thesis for master degree Royal Institute of Technology, Sweden, jun 2015; “Submarine Hull Design”, Volker Bertran, DNV GL copyright 2013’ que cita tambem: design perfeito (pag50); “conceptionSubmarine Design”, Roy Burcher and Lavir Rydil; “Pratical Ship Hydrodynamics” Volker Bertrand.
    Boa leitura.

  18. Muito boa materia!

    De fato, dependendo das caracteristicas do que se deseja priorizar, vale mais alocaro o hidroplano na vela ou no casco. Alguns colocam até mesmo no limite inferior do casco.

    Quando vi isto, me lembrei do projeto 1231 em que o hidroplano na realidade era um hidrofoil.

    Até de passa tempo jas fiz uns desenhos destes.

    Acho que existe espaço hoje em dia para equipamentos assim.

  19. Sei que já escrevi e estou repetindo isto.

    Mas imaginem estes submersiveis equipados com 120 GLSDBs cada.

    Uma seçao de 40 ton num pequenpo barco destes seria mais do que o suficiente para levar tamanho poder de saturação a 120 km de distancia em um casco de deslocamento muito pequeno e de forma bem stealth.

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