Submarinos más sigilosos

21-06-2023 | Publicado por Joaquín Martí

Submarino sigiloso

El sigilo y la detectabilidad son cuestiones críticas al diseñar un submarino. Este post está basado en otro publicado por Dassault Systèmes sobre el tema.

Un buen diseño de submarino debe ser capaz de soportar las presiones de la profundidad, las tensiones de las olas y los impactos del combate. Debe moverse silenciosamente con poca resistencia al arrastre y minimizar su sección transversal de radar (RCS, por sus siglas en inglés).

Sus sistemas hidráulicos, eléctricos, térmicos, de ventilación y mecánicos son críticos para la seguridad y deben funcionar de forma fiable durante meses. Todo ello entraña equipos de diseño grandes, con múltiples grupos de diversos especialistas que deben trabajar juntos.

El enfoque unificado de modelado y simulación (MODSIM) lo permite, a la par que acorta el proceso de desarrollo necesario para producir un submarino que cumpla con los requisitos de sigilo sin comprometer otros objetivos.

La detectabilidad de un submarino depende de varios factores. La firma de ruido del submarino es la base para su detección mediante sonar pasivo. Este ruido no proviene sólo de las vibraciones y ruido de su maquinaria interna, el propio diseño del casco afecta al ruido producido por el flujo turbulento de agua, especialmente alrededor de superficies de control.

Otro factor importante es su RCS. Cuando las ondas de radar chocan con la embarcación, se reflejan y dispersan; hay que minimizar las reflexiones hacia el receptor pues son las que permiten la detección. Además, para embarcaciones sumergidas próximas a la superficie, la hidrodinámica da lugar a un patrón complejo de deformaciones de la superficie libre. Ambos efectos deben tenerse en cuenta, por lo que arquitectos navales, ingenieros de radar y expertos en dinámica de fluidos computacional (CFD) deben trabajar juntos.

El proyecto comienza por construir un modelo CAD con CATIA, con parámetros que permiten la optimización posterior, y poniéndolo a disposición de la simulación en la plataforma 3DEXPERIENCE. El comportamiento dinámico del submarino se modeliza con la aplicación Dymola Behavior Modeling (DBM), que genera modelos multicuerpo a partir de datos de CAD y aporta capacidades de visualización y animación en 3D. Esto genera un modelo multicuerpo, incluidas las superficies de control, que permite estudiar el comportamiento hidrodinámico en diferentes condiciones. Los resultados se comparan con los requisitos y, si no se cumplen, se modifican los parámetros y la topología del modelo hasta lograr el comportamiento deseado.

Una vez optimizadas la geometría y las superficies de control, se puede estudiar la estela hidrodinámica con SIMULIA Fluid Dynamics Engineer, que emplea un solver Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) de última generación para simular el flujo, incluida la turbulencia. La interfaz entre agua y aire, donde se forma la estela superficial, se resuelve con la formulación multifase Volume of Fluid (VOF). Los contornos de igual VOF son los datos que requiere la siguiente etapa de la simulación.

Se utiliza un modelo de disparo y rebote (shooting-and-bounding ray, SBR) con el Solver Asintótico de CST Studio Suite para estudiar la RCS, que es un método probado para analizar superficies rugosas periódicas y aleatorias. El método SBR de CST Studio Suite incluye efectos de sombras y múltiples trayectorias para una mayor precisión, lo que lo convierte en una herramienta muy eficaz para la evaluación de la RCS en entornos marítimos.

Los contornos de igual VOF de la superficie libre se traducen directamente en una malla en CST Studio Suite a través de la plataforma 3DEXPERIENCE.

La plataforma representa la única fuente de la verdad, recopilando todos los datos de simulación, que son accesibles a todos los miembros del equipo, reduciendo así el riesgo de errores y preservando la trazabilidad.

Por otra parte, los periscopios y mástiles optrónicos originan perturbaciones hidrodinámicas y turbulencia. A ciertas velocidades generan un flujo inestable y una empinada onda aguas arriba, onda que es identificable por radar u observación visual. Para abordar este problema, pueden agregarse aletas al periscopio que interfieren con el desarrollo de la onda, parametrizadas para poder optimizar sus dimensiones e inclinación.

MODSIM hace posible que los ingenieros desarrollen diseños de manera más rápida y eficiente. Para un submarino, permite hacer un análisis completo de la RCS, abarcando múltiples disciplinas. La unificación de CAD y CAE implica que los datos de diseño del submarino se pueden convertir fácilmente en un modelo listo para la simulación, y la integración de las distintas herramientas de simulación en la plataforma 3DEXPERIENCE hace posible combinar simulaciones de sistemas, electromagnéticas y de fluidos y capturar la compleja interacción entre la dispersión de ondas de radar y las estelas hidrodinámicas.

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