Torpedos de supercavitación

Al igual que otras muchas ideas bizarras, los aparatos submarinos que utilizan la supercavitación aparecieron en la Guerra Fría. En los años 60s, la URSS tenía torpedos relativamente lentos, que dejaban a sus submarinos, de los mejores del mundo, en gran desventaja. Pero en lugar de apresurar el desarrollo de soluciones convencionales, hicieron todo lo contrario. Siguiendo su filosofía de hacerlo todo más grande, pesado y aparatoso, pensaron en adelantarse a los EEUU al desarrollar una idea totalmente radical.

Es necesario repasar algo de física antes de comprender cómo es posible esta idea. El problema que detiene a los torpedos es la resistencia: todo objeto, sin importar su forma, sufre más o menos resistencia cuando se mueve dentro de un fluido (gaseoso como el aire o líquido como el agua de mar). Una de las fuentes de la resistencia es la fricción de la superficie, que es la fuerza que se requiere para superar la delgada capa de fluido que se mueve sobre la superficie del cuerpo en movimiento. Todo esto sucede en la superficie de un avión, por ejemplo, pero el agua tiene el inconveniente de que es muchas veces más densa que el aire, generando mucha más resistencia. Así, toda solución debe ser repensada para aplicarse en otro ambiente.

Peor todavía, la energía que se necesita para superar la resistencia es proporcional al cubo de la velocidad de un objeto. Así que cada mejoramiento de la propulsión, que en teoría agregaría más velocidad al torpedo, no hace más que hacerlo apenas más rápido.

A comienzos de los años 60s, Mikhail Merkulov, trabajando en el Instituto Hidrodinámico de Kiev, se dio cuenta de que la solución estaba en un fenómeno llamado "cavitación". Era en realidad una idea peligrosa. Para cualquier arquitecto naval, la cavitación es una amenaza, y no una aliada.

Cuando un cuerpo se mueve rápidamente dentro de un fluido, la presión en los distintos puntos del cuerpo (supongamos que es una hélice que está girando) se reduce. Cuanto más rápido se mueve el cuerpo, más baja es la presión. Pero cuando la presión se reduce tanto como para igualar la presión del vapor del fluido, el estado líquido no puede mantenerse. Sin tener la suficiente presión como para mantenerse juntas, las moléculas del líquido se vaporizan y forman "cavidades", o burbujas. Su efecto no es inocente: pueden destruir las hélices de un barco, y por eso los arquitectos navales tienen que hacer tantos cálculos en este punto.

En las bombas, turbinas y hélices, la cavitación lleva a dos problemas principales. Las burbujas distorsionan los patrones de flujo, reduciendo así la eficiencia. Por otra parte, eventualmente, las burbujas llegan a regiones de alta presión y colapsan, creando olas de choque microscópicas de gran violencia, lo suficiente como para excavar franjas en el metal expuesto.

Bajo ciertas condiciones, una sola burbuja o supercavidad se puede formar, envolviendo los objetos en movimiento casi por completo. Newton llegó a dibujar los principios básicos en su Principia Mathematica, de 1687. Un cuerpo con supercavitación tiene una resistencia extremadamente baja, porque la fricción sobre su superficie es casi inexistente. En lugar de estar rodeado de agua, se rodea del vapor de agua que se forma en la burbuja. Como el vapor tiene una densidad y viscosidad mucho menor que el agua líquida, el cuerpo puede avanzar mucho más rápido.

Pero no es tan simple: la supercavitación es difícil de obtener.

El cuerpo que quiera usar la supercavitación debe estar moviéndose a una gran velocidad: al menos a 180 km/h, según algunos expertos. Esa es una velocidad muy superior a la de los torpedos actuales. Por otra parte, la forma de la cabeza también tiene que ser diferente: los expertos militares hablan de que, en lugar de ser hidrodinámica, debería ser chata. Así, a grandes velocidades, el fluido es forzado a moverse desde el borde de la cabeza con tanta velocidad, en un ángulo especial, que no toca la superficie del cuerpo.

Por eso, en un cuerpo supercavitatorio, solamente la cabeza causa una resistencia significativa, ya que es la única parte que está en contacto real con el agua líquida. Sin embargo, estamos ante una paradoja: cuanto más chata sea la cabeza, más alta será la resistencia. Es por eso que hay que conseguir un punto medio, y las mejores cabezas serían las que están ligeramente curvadas.

El asunto es que la resistencia total se reduce enormemente una vez que se alcanza un régimen de supercavitación, y luego aumenta linealmente con la velocidad (y no geométricamente). Mucha de la teoría todavía no está en papel, ya que se trata de cálculos muy complicados y fórmulas que no pueden experimentarse en laboratorios. Sin embargo, muchos creen que es así.

Marshall Tulin, que luego fue director del Laboratorio de Ingeniería Oceánica en la Universidad de California en Santa Bárbara, propuso utilizar la supercavitación para reducir el arrastre en los hidrofoils, doblando así su velocidad. Pero luego la idea se desechó, ya que estos aparatos no se hicieron muy famosos. Todo el proyecto desapareció.

Pero cuando el trabajo de Tulin fue visto por Merkulov, él se dio cuenta de que la supercavitación podía crear un torpedo extremadamente rápido. A pesar de todo, como siempre sucede en estos casos, había un problema: si solamente la cabeza del torpedo tocaba el agua, las hélices convencionales no iban a funcionar, ya que no sirven de nada si rotan dentro del vapor. Era necesario inventar una nuevo forma de propulsión submarina.

La solución era simple pero radical: montar un motor cohete en la parte de atrás. Los cohetes funcionan incluso en el espacio exterior, ya que no necesitan aire ni ningún otro fluido para iniciar y mantener su combustión. Además, dan una potencia bastante grande con poco combustible.

Como siempre, la idea era simple, pero muy difícil de llevar a la práctica. Además de todos los problemas generales, había un par de problemas particulares. El primero: lograr la estabilidad del torpedo. El segundo, encontrar los materiales lo suficientemente fuertes como para impedir que la cabeza del torpedo se destruyera frente a las enormes presiones del agua.

Por otra parte, a la velocidad en que se movía, la burbuja no podía ser lo suficientemente grande como para envolver a todo el torpedo. Así que se decidió que debía ser diseñado de manera que generara una burbuja artificial, haciendo que parte del impulso del cohete saliera a través de la cabeza. Esto hace que, si el objeto no es lo suficientemente rápido, se cree una especie de "ventana" por donde pueda pasar.

 

El "Shkval" ruso

Según algunos expertos, los prototipos de este torpedo soviético aparecieron en los 80s, pero todavía necesitaban mucho trabajo. De acuerdo a estos mismos expertos, se necesitó cerca de una década para hacer que se pudiera producir un torpedo eficaz. En 1995 Rusia reveló la existencia de un misil submarino de enorme velocidad, del tipo no guiado, que no tenía equivalentes en Occidente. Se lo llamó BA-111 "Shkval", refiriéndose a una violenta tormenta de viento que suele traer nieve. El modelo había estado en servicio desde hacía unos años. La idea era que al dispararlo el buque blocado no tuviera tiempo de realizar maniobras evasivas, o que estas fueran de escasa utilidad.

Se considera al Shkval como un arma de venganza, es decir, un arma que se lanza de manera paralela a un torpedo enemigo (pero obviamente en sentido contrario). En los proyectos anteriores (del cual se cree se deriva esta maravilla rusa), la idea permitía forzar al buque lanzador o al torpedo una maniobra evasiva, logrando entonces cortar los cables de los avanzados torpedos hiloguiados (que gracias a esto pueden evitar las contramedidas).

Una de las pocas, sino la única, fotografía conocida del torpedo de supercavitación ruso.

Aparentemente disparado desde un tubo de torpedo convencional de 533 mm, el Shkval tiene un alcance relativamente corto, de cerca de 7,5 kilómetros. Sin embargo, hay que tener en cuenta que a esta distancia, su velocidad lo hace mortal. El torpedo deja el tubo a 50 nudos (cerca de 100 km/h), para luego pasar a los 360 km/h (unos 100 metros por segundo, o 230 millas/hora o 200 nudos). Esta velocidad es tres o cuatro veces más rápida que los torpedos convencionales; los 7 kilómetros serían recorridos en poco más de un minuto.

Como lo indica los procesos explicados anteriormente, el torpedo ruso lograría su velocidad gracias a un cohete sólido, produciendo una corriente de burbujas de gran presión desde la nariz. En el caso de que llevara una cabeza nuclear táctica con espoleta de tiempo, ni siquiera necesitaría golpear el blanco. Para colmo, no parece existir hasta ahora una contramedida evidente, lo que pone al resto de las fuerzas navales en aparente desventaja. El Shkval no tiene un sistema de guía que pueda ser interferido o confundido: solamente un piloto automático. Sin embargo, los rusos han dado a publicidad una variante con sistema de guía, que cambia de velocidad para facilitarla.

Un prototipo del Shkval modernicdo fue exhibido en Abu Dhabi en 1995, pero luego se lo descartó. Se diseñó un modelo mejorado, que tenía una cabeza no nuclear convencional y un sistema de guía, lo que mejoraba mucho su eficacia. Las primeras pruebas de este torpedo se llevaron a cabo en la primavera de 1998 por parte de la Flora Rusa del Pacífico.

Se creó entonces una oficina para vender y publicitar el Shkval-E; Rusia comenzó a vender su versión convencional, no nuclear, en la exhibición IDEX 1999 en Abu Dhabi. El sistema requiere que el sistema lanzador determine los parámetros del blanco (velocidad, distancia y vector), para luego alimentarlo al piloto automático del misil. Luego del lanzamiento, no se puede cambiar la trayectoria ya que el misil no tiene un sistema de guía.

Sin embargo, el problema vuelve hacia el torpedo superrápido, que es en cambio un arma ofensiva de gran potencia. Es también un arma mucho más complicada, y muchos se preguntan por sus límites, especialmente por su velocidad máxima. A pesar de que los científicos militares no dejan ver sus cálculos ni los datos logrados en la realidad, no hay en teoría una velocidad límite específica. Los soviéticos vieron al Shkval como el comienzo, y no como el final.

Todo esto no ha dejado de generar respuestas por parte de otros países, particularmente de Estados Unidos. El 5 de abril de 2000 Edmond Pope y un cómplice ruso fueron arrestados en Moscú bajo cargos de espionaje científico militar. Pope era un capitán retirado de la US Navy que había trabajado en inteligencia naval por mucho tiempo, lo cual no hacía más que escabrosa la situación. Según indicaron las autoridades rusas, Pope había estado buscando información sobre los planes del misil submarino; de hecho el arresto se dio durante una conversación con un científico ruso que había trabajado en el proyecto. Al poco tiempo se arrestó también a Daniel Kiely, encargado de un laboratorio de investigaciones de la universidad de Pennsylvania, laboratorio que había desarrollado torpedos para la US Navy por mucho tiempo. Su testimonio no hizo más que dificultar la posición de Pope.

No es nada extraño que EEUU esté interesado en obtener datos de esta tecnología, además todo indica que ellos mismos están experimentando con estos conceptos. Un arma de este tipo puede desnivelar un combate futuro, y de una manera drástica.

 



 

La alternativa estadounidense

Para la época en la que el Shkval apareció, los EEUU ya había comenzado su propio programa de aparatos supercavitatorios. Se concentraba en otro tipo de arma: balas submarinas.

Las balas convencionales, una vez que entran al agua, se ven detenidas por la resistencia y quedan a la deriva cuando han penetrado el agua hasta un metro aproximadamente. Los expertos del departamente creado para ese proyecto se dieron cuenta de que, teniendo un proyectil diseñado de otra manera, la supercavitación podía hacer que esa distancia se aumentara, y que la velocidad fuera al mismo tiempo muy grande.

Esta idea se probó en 1997, apenas unos años luego del éxito del torpedo de supercavitación ruso. Un proyectil sin propulsión propia, con una cabeza chata especialmente diseñada, y disparado desde un arma submarina, rompió la barrera del sonido en el agua: 5.400 km/h, o 1,5 km/s. Claro que, careciendo de una propulsión secundaria que la mantuviera acelerando, el proyectil rápidamente bajó su velocidad. Pero demostró que la idea funcionaba y la supercavitación era posible.

Las balas con supercavitación están siendo empleadas por la US. Navy. La idea es tirotear minas navales para destruirlas, pero utilizando un arma montada en un helicóptero. En la actualidad, como se mencionó antes, las balas tradicionales no pueden hacer ese trabajo ya que se desvían apenas pasado el metro de profundidad. El RAMICS (Rapid Airborne Mine Clearance System, Sistema Rápido de Limpieza de Minas Aerotransportado) utiliza un cañón Gatling de 20 mm, del tipo convencional. LA principal ventaja de este sistema es que hay que rediseñar el proyectil, pero no el arma que lo dispara.

Con sus cabezas aplastadas, las balas salen del cañón, guiado por laser, cuando el helicóptero está a una altura segura de 350 metros sobre la superficie del agua. Luego de chocar con ella, logran viajar sin desviarse unos 12 metros, siendo capaces en ese trayecto de destrozar una mina submarina. Todo eso, teniendo en cuenta que luego de atravesar 12 metros de agua, tiene que tener suficiente energía cinética como para atravesar la mina o al menos dañarla lo suficiente como para que explote.

Tal parece que el sistema ya ha sido probado en tierra y en el agua, utilizando un helicóptero Cobra. Es una solución muy barata para deshacerse de un arma muy peligrosa, cuya remoción siempre es lenta y costosa.

 

El desarrollo iraní

Y no solamente ellos se preocuparon por desarrollar un arma similar. A finales de marzo de 2006 se conoció la noticia mundialmente de que Irán había probado con éxito lo que ellos denominan el misil submarino más veloz del mundo. En los videos difundidos por CNN y otras cadenas se puede ver cómo el misil en cuestión es arrojado al agua de punta, mientras el motor se enciende, y deja una veloz estela en la superficie del agua. Este primer lanzamiento fue en el Golfo Pérsico, en el marco de una maniobras militares. Las autoridades se enorgullecieron entonces de ser uno de los dos países del mundo en poseer esta tecnología, además de su velocidad, que rondaría los 100 metros por segundo. Según dijeron, esto era mejor que los 25 m/s de los modelos rusos, que sin embargo reportan una velocidad similar a la del modelo iraní.

Desde ese momento se discute sobre la posibilidad de que Rusia haya exportado parte de la tecnología a Irán. Es poco probable que este país haya logrado desarrollar un aparato tan sofisticado en tan poco tiempo; además, teniendo otros campos armamentísticos en los cuales aplicarse, ¿para qué gastar dinero en un arma tan exótica, que aunque pueda ser mortífera, nunca ha sido probada a gran escala ni en combate? Si Rusia no transfirió la información o experiencia necesaria, es posible que ésta haya salido de cientíicos ex-soviéticos que hayan vendido sus secretos a esta nación árabe.

 

Barracuda, el proyecto alemán

Este país también está investigando la tecnología de la supercavitación para torpedos. En su caso el proyecto se llama Barracuda. Una de sus mayores ventajas, sobre todo con respecto al modelo ruso, es que parece capaz de efectuar maniobras, ya que sus superficies de control no están en la cola, sino que forman parte de la nariz móvil. Como esta parte es la única que toca el agua, es capaz de moverse para cambiar el curso del torpedo.

 

El futuro

Hay gran cantidad de obstáculos en el camino del desarrollo de semejante aparato. Es posible que todavía se requiera un sistema de propulsión potente pero compacto. Una solución propuesta es la del cohete que tenga como combustible el aluminio. Usaría al agua como su oxidante, de manera que no necesitaría llevar una reserva de oxígeno. El único problema es que el aluminio es que el combustible que no reacciona y se quema, se recubre rápidamente de una capa de óxido de aluminio, que inhibe cualquier otra reacción química posterior. Para evitar esto, se piensa en un sistema que inyecte aluminio en polvo en un vórtice de agua, lo que mantendría a la mezcla en movimiento y en reacción constante.

Más allá de todos estos problemas (y muchos más que seguramente están clasificados) es evidente que la tecnología de supercavitación está madurando a gran ritmo, de manera que es bastante probable que el día de mañana sea una tecnología aceptada y utilizada por muchos.

 

 


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