Supercavitación

Un objeto (negro) encuentra un líquido (azul) a alta velocidad. La presión de líquido detrás del objeto se reduce por debajo de la presión de vapor del líquido, formando una burbuja de vapor (una cavidad) que abarca el objeto y reduce la arrastre.

Supercavitación es el uso de una burbuja de cavitación para reducir el arrastre por fricción de la piel en un objeto sumergido y permitir altas velocidades. Las aplicaciones incluyen torpedos y hélices, pero en teoría, la técnica podría extenderse a toda una embarcación submarina.

Principio físico

La cavitación es la formación de burbujas de vapor en un líquido causada por el flujo alrededor de un objeto. Las burbujas se forman cuando el agua se acelera alrededor de las esquinas afiladas y la presión cae por debajo de la presión de vapor. La presión aumenta con la desaceleración y el agua generalmente reabsorbe el vapor; sin embargo, las burbujas de vapor pueden implosionar y aplicar pequeños impulsos concentrados que pueden dañar superficies como hélices de barcos e impulsores de bombas.

El potencial de formación de burbujas de vapor en un líquido viene dado por el número de cavitación adimensional. Es igual a la presión local menos la presión de vapor, dividida por la presión dinámica. A profundidades crecientes (o presiones en las tuberías), el potencial de cavitación es menor porque la diferencia entre la presión local y la presión de vapor es mayor.

Un objeto supercavitante es un objeto sumergido de alta velocidad que está diseñado para iniciar una burbuja de cavitación en su nariz. La burbuja se extiende (ya sea de forma natural o aumentada con gas generado internamente) más allá del extremo de popa del objeto y evita el contacto entre los lados del objeto y el líquido. Esta separación reduce sustancialmente el arrastre por fricción de la piel sobre el objeto supercavitante.

Una característica clave del objeto supercavitante es la nariz, que normalmente tiene un borde afilado alrededor de su perímetro para formar la burbuja de cavitación. La nariz puede estar articulada y tener la forma de un disco o cono plano. La forma del objeto supercavitante es generalmente delgada, por lo que la burbuja de cavitación envuelve el objeto. Si la burbuja no es lo suficientemente larga para abarcar el objeto, especialmente a velocidades más bajas, la burbuja puede agrandarse y extenderse inyectando gas a alta presión cerca de la nariz del objeto.

La altísima velocidad requerida para la supercavitación puede alcanzarse temporalmente mediante proyectiles disparados bajo el agua y proyectiles que ingresan al agua. Para la supercavitación sostenida, se utiliza la propulsión de cohetes y el gas del cohete a alta presión se puede dirigir a la nariz para mejorar la burbuja de cavitación. En principio, los objetos supercavitantes se pueden maniobrar utilizando varios métodos, incluidos los siguientes:

• Arrastre aletas que proyectan a través de la burbuja en el líquido circundante (pág. 22)
• Una nariz de objeto inclinado
• Gas inyectado asimétricamente cerca de la nariz para distorsionar la geometría de la cavidad
• Vectorización de cohetes a través de gimbaling para una sola boquilla
• Propulsión diferencial de varias boquillas

Aplicaciones

La Armada rusa desarrolló el torpedo de supercavitación VA-111 Shkval, que utiliza propulsión de cohete y supera la velocidad de los torpedos convencionales en al menos un factor de cinco. NII-24 comenzó a desarrollarse en 1960 con el nombre en clave "Шквал" (Chubasco). El VA-111 Shkval ha estado en servicio (exclusivamente en la Marina Rusa) desde 1977 y la producción en masa comenzó en 1978. Se desarrollaron varios modelos, siendo el más exitoso el M-5, completado en 1972. De 1972 a 1977, más Se realizaron 300 lanzamientos de prueba (95% de ellos en el lago Issyk Kul).

En 2006, el fabricante de armas alemán Diehl BGT Defense anunció su "propio" torpedo supercavitante, el Barracuda, ahora oficialmente llamado Superkavitierender Unterwasserlaufkörper (inglés: proyectil submarino supercavitante). Según Diehl, alcanza velocidades superiores a los 400 kilómetros por hora (250 mph).

En 1994, la Armada de los Estados Unidos comenzó a desarrollar el Sistema de remoción de minas aerotransportado rápido (RAMICS), un sistema de remoción de minas marinas inventado por C Tech Defense Corporation. El sistema se basa en un proyectil supercavitante estable tanto en el aire como en el agua. Los proyectiles RAMICS se han producido en diámetros de 12,7 milímetros (0,50 pulgadas), 20 milímetros (0,79 pulgadas) y 30 milímetros (1,2 pulgadas). El diseño balístico terminal del proyectil permite la destrucción explosiva de minas marinas a una profundidad de hasta 45 metros (148 pies) con una sola ronda. En 2000, en Aberdeen Proving Ground, los proyectiles RAMICS disparados desde una cañonera Sea Cobra en el aire destruyeron con éxito una variedad de minas submarinas vivas. En marzo de 2009, Northrop Grumman completó la fase inicial de las pruebas RAMICS para su introducción en la flota.

Irán afirmó haber probado con éxito su primer torpedo de supercavitación, el Hoot (ballena), el 2 y 3 de abril de 2006. Algunas fuentes han especulado que se basa en el torpedo de supercavitación ruso VA-111 Shkval, que viaja a la misma velocidad.. El ministro de Relaciones Exteriores de Rusia, Sergey Lavrov, negó haber suministrado la tecnología a Irán.

En 2004, DARPA anunció el programa Underwater Express, un programa de investigación y evaluación para demostrar el uso de la supercavitación para una aplicación de embarcaciones submarinas de alta velocidad. El objetivo final de la Marina de los EE. UU. es una nueva clase de embarcaciones submarinas para misiones costeras que puedan transportar pequeños grupos de personal de la marina o carga militar especializada a velocidades de hasta 100 nudos. DARPA otorgó contratos a Northrop Grumman y General Dynamics Electric Boat a fines de 2006. En 2009, DARPA anunció el progreso en una nueva clase de submarino:

El diseñador del submarino, Electric Boat, está trabajando en un modelo de escala de un cuarto para ensayos marítimos frente a la costa de Rhode Island. Si los ensayos tienen éxito, Electric Boat comenzará la producción en un submarino de 100 pies a gran escala. Actualmente, el submarino más rápido de la Marina sólo puede viajar a 25 a 30 nudos mientras está sumido. Pero si todo va según el plan, el Underwater Express acelerará a lo largo de 100 nudos, permitiendo la entrega de hombres y material más rápido que nunca.

Un prototipo de nave llamado Ghost utiliza supercavitación para propulsarse sobre dos puntales con bordes afilados. Fue diseñado para operaciones sigilosas por Gregory Sancoff de Juliet Marine Systems. El barco navega suavemente en aguas picadas y ha alcanzado velocidades de 29 nudos.

Representación artística de una hélice supercavitadora en operación

Según los informes, la Marina de China y la Marina de los EE. UU. están trabajando en sus propios submarinos supercavitantes utilizando información técnica obtenida en el torpedo de supercavitación ruso VA-111 Shkval.

Una hélice supercavitante utiliza la supercavitación para reducir la fricción de la superficie del agua y aumentar la velocidad de la hélice. El diseño se utiliza en aplicaciones militares, barcos de carreras de alto rendimiento y modelos de barcos de carreras. Funciona completamente sumergido con palas en forma de cuña para forzar la cavitación en toda la cara delantera, comenzando por el borde de ataque. Dado que la cavidad colapsa muy por detrás de la pala, la hélice supercavitante evita el daño por astillado causado por la cavitación, que es un problema con las hélices convencionales.

La munición supercavitante se usa con armas de fuego submarinas alemanas (Heckler & Koch P11) y rusas, y otras armas similares.

Presuntos incidentes

Inicialmente se pensó que el desastre del submarino Kursk había sido causado por un torpedo supercavitante Shkval defectuoso, aunque la evidencia posterior apunta a un torpedo 65-76 defectuoso.