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sábado, 31 de enero de 2015

ASÍ SE GUIA UN TORPEDO

Los torpedos y su sistema de guiado



El torpedo fue una de las armas más sofisticadas del inicio de la SGM, prácticamente todo el mundo los conoce, pero a pesar de todo a veces me parece que en algunos aspectos son un poco desconocidos. Su descripción general y cómo funcionan está descrito y detallado en muchos artículos, en este voy a tratar de describir su sistema de guía que les permite alcanzar su objetivo, pero lo voy a intentar hacer de una manera sencilla usando principios físicos y náuticos básicos y elementales, sin entrar en detalles particulares de los mecanismos diferentes en cada torpedo.

¿Qué es un torpedo?( (2)
Puede parecer absurdo el buscar una definición pero a pesar de todo voy a intentarlo desde mi particular punto de vista:

Un torpedo es un buque submarino sin tripulación que lleva una carga explosiva y está dotado de unos mecanismos autónomos que le permiten navegar en línea recta a una velocidad constante y en un rumbo y profundidad preestablecidos.

Analicemos esta definición, lo primero es que es un buque submarino, no un proyectil y su movimiento se ha de analizar como el de un buque desplazándose en el agua que al no tener tripulación no puede cambiar su trayectoria programada durante la navegación, además hay que tener en cuenta que está sometido a las mismas variantes externas que pueden afectar a un buque como por ejemplo las corrientes.

Lo segundo es que no lleva tripulación por lo tanto sus mecanismos mecánicos (1) autónomos pre programados son los únicos que lo pueden guiar hacia el blanco y por lo tanto son susceptibles de posibles fallos en los mismos, cosa que por desgracia durante la guerra ocurrió en demasiados casos, y además que su programación sea la correcta


¿Cómo calcular la trayectoria?

Como por definición hemos visto que es un buque y lo que buscamos es que colisione con otro buque lo que debemos calcular es el rumbo de colisión para que al producirse esta estalle la carga explosiva del torpedo, ya sea por impacto o por proximidad en el caso de llevar espoleta magnética. También hay que calcular la profundidad de navegación para asegurar el impacto y que los daños sean lo mayores posibles, pero este punto no vamos a tratarlo.

Para poder calcular este rumbo de colisión lo primero que necesitamos saber es el rumbo y velocidad del buque que atacamos, este es uno de los puntos más difíciles y aunque un oficial con experiencia puede llegar a calcularlos con bastante aproximación siempre es un cálculo estimado difícilmente exacto, cuanto mayor exactitud más posibilidades de calcular el rumbo correcto de colisión, pero en el caso habitual de que la estimación del cálculo no sea exacto cuanto más grande sea tiempo tenga el torpedo de navegación mayor será el error y mas difícil el conseguir la colisión.

Lo dicho implica que para tener muchas posibilidades de conseguir un impacto debemos atacar un buque a distancias cortas, normalmente se procura que sean inferiores a una milla (1.852 m.), el BDU aconsejaba a los submarinistas alemanes disparar a menos de 1/2 nm. Para poner un ejemplo un torpedo alemán tipo G7a que tiene una velocidad de 40 nudos con un alcance de 4 nm el atacar a una milla implicaría un tiempo de colisión de 1'50 minutos (90 segundos) durante este tiempo el buque atacado seguirá navegando en el rumbo y velocidad que lleve y es a este punto estimado donde se encontrará a donde deberemos dirigir el torpedo. Para hacernos una idea de la importancia del cálculo de rumbo y velocidad estimados indicar que por ejemplo un error de velocidad de 2 nudos en el buque atacado (3), en el minuto y medio indicado implica un error de cálculo de 150 m., esta distancia es mayor que la eslora de muchos buques, o sea un error de este magnitud haría que el torpedo no alcanzara el blanco a una distancia tan corta como una milla náutica. Si el torpedo usado fuera uno eléctrico tipo G7e cuya velocidad es de 30 nudos con un alcance inferior a las 3 nm. tendríamos una menor velocidad, por lo tanto más tiempo de recorrido y mas posibilidad de error, la solución es procurar atacar a distancias más cortas.

Veamos que ocurre a distancias de ataque superiores, siguiendo con un torpedo tipo alemán G7a vemos que su alcance máximo teórico es de 6.5 nm y a este alcance su velocidad es de 30 nudos. Supongamos que atacamos un blanco situado a 6 nm, el tiempo de recorrido a los indicados 30 nudos es de 12 minutos, en ese tiempo el buque atacado si avanza a 20 nudos habrá recorrido 4 nm, si la velocidad fuera de 10 nudos el recorrido será de 2 nm, y un error en la velocidad calculada de 2 nudos como se ha indicado anteriormente implica en el caso de un tiempo de recorrido de 12 minutos un error del punto de impacto de 720 m. Y siempre teniendo en cuenta que el rumbo estimado del buque atacado es el correcto y no ha cambiado en ese tiempo.

Si hablamos de distancias superiores como las máximas de un torpedo japonés tipo 93 que teóricamente puede llegar a unas 22 nm a unos 33 nudos implica un tiempo de recorrido antes de la "posible" colisión de unos 40 minutos, si el buque atacado se desplaza a unos 15 nudos ha avanzado unas 10 nm siempre que mantenga su rumbo y los calculados sean exactos, las posibilidades de colisión son bajísimas, casi imposibles. Pero además hay que tener en cuenta que un observador situado a 10 m. sobre el nivel de la mar tiene el horizonte a 6 nm, si está situado a 20 m. de altura la línea del horizonte estará a poco mas de 8.5 nm, o sea un buque situado a 22 nm en la práctica no se vería, todo lo mas la punta de sus superestructuras sobresaliendo de la línea del horizonte, lo que en la práctica es insuficiente para calcular rumbo y velocidad, ¿cómo se puede atacar un buque que no se ve?.

Y a todo esto hay que tener en cuenta que si la velocidad teórica del torpedo se cumple, cualquier posible fallo en la maquinaría y/o mezclas de combustible y comburente puede variarla ligeramente, pero lo suficientemente para errar los cálculos. Además como un torpedo es un buque está sometido a las mismos incidencias de navegación que estos y si por ejemplo hay una corriente en la profundidad de navegación esta afectará a la trayectoria pudiendo provocar variaciones en rumbo y/o velocidad.

De todo lo dicho creo queda claro que las posibilidades de colisión de un torpedo con el buque atacado son altas a distancias cortas pero disminuyen a medida que aumenta la distancia y cuando estas son elevadas las posibilidades son muy bajas y la única manera de obtener una colisión es emplear muchos torpedos en un amplio abanico, y aún así siguen siendo bajas.

Finalmente indicar que el ángulo de disparo es constante sea cual sea la distancia al buque blanco, es decir si disparamos con un ángulo beta, y el rumbo y velocidad del blanco son correctas siempre lo alcanzaremos sin importar la distancia, en la siguiente figura podemos verlo de una manera gráfica:


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En la misma podemos ver que desde el submarino se dispara el torpedo a un barco B con un ángulo beta sea cual sea su distancia B1, B2, B3 ó B4 el ángulo de impacto alfa es constante y la colisión se produce en C1, C2, C3 ó C4 sin importar la distancia, en principio esta solo se necesita para calcular el tiempo de recorrido, , y/o programar la velocidad para que el alcance sea suficiente.


El GIROSCOPO, el timonel del torpedo


Todo buque necesita un timonel que mantenga el rumbo, y como por definición "Un torpedo es un buque submarino sin tripulación" necesitará un timonel, y al no tener tripulación este deberá ser mecánico, este timonel mecánico es el GIROSCOPO.


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Un buen timonel lleva el buque de una manera suave, lo siente bajo sus pies y se adelanta a sus reacciones, un mal timonel actúa con retraso y sus reacciones son mas bruscas, un buen timonel mantiene el buque con unas curvas suaves sobre la línea del rumbo, sería la línea marrón de la figura, un mal timonel efectúa curvas más anchas y bruscas , sería la línea amarilla de la figura. En un buque de superficie esto representa brusquedad y bandazos muy molestos (4) , en un torpedo un conjunto de giróscopo no muy bueno representaría un freno que reduciría su velocidad, pues cada vez que damos timón si el ángulo es muy elevado provoca un freno que reduce la velocidad, un timón suave con poco ángulo es un freno suave que influye poco en la velocidad. Un timón con mucho ángulo brusco en un torpedo que navegara a 40 nudos diría por mi experiencia en navegación que la velocidad podría disminuir en 2-3 nudos, esto representaría llegar tarde a la colisión con el buque blanco.

Comento esto pues aunque no lo he leído en ningún sitio, estoy convencido que había giróscopos buenos y otros no tan buenos y esto se podía notar en su funcionamiento. . Los giróscopos eran unas piezas mecánicas de mucha precisión, el problema estaba en que solo se podía hacer una prueba de funcionamiento en taller, pero una vez montado y ajustado en el torpedo ya no se podía calibrar, eran piezas de un solo uso, cualquier defecto en construcción o montaje no se podía detectar, los mecánicos de torpedos eran operarios muy cualificados y debían trabajar con extremo cuidado y precisión.


Sobre la línea de rumbo


Como hemos dicho anteriormente la trayectoria de un torpedo no es recta si no que va zigzagueando sobre la línea de rumbo, afirmaciones parecidas las encontrareis en todos los artículo que tratan sobre torpedos, sin embargo esta afirmación no es del todo cierta.

Si bien un torpedo gracias al mecanismo de guía del giróscopo debe mantener el rumbo, este no asegura que se mantenga siempre sobre la línea de rumbo original, para explicarme mejor me remito al siguiente dibujo:



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En el mismo podemos apreciar que el torpedo inicia su trayectoria sobre la línea de rumbo azul oscuro, tiene una desviación que es corregida por el giróscopo, sin embargo podemos ver que cuando termina de ajustar el rumbo, la línea azul claro está sobré una línea paralela a la inicial y con el mismo rumbo que esta, en la práctica pocas veces la corrección de rumbo terminara en la misma línea inicial, lo usual es que sea como en este caso en una línea paralela al mismo, esto en realidad no representa un problema importante pues al ser el mismo rumbo las posibilidades de colisionar con el blanco son las mismas, aunque el impacto esté ligeramente desplazado.


El efecto giroscópico

Tras esta introducción pasemos a intentar ver los principios en que se basa el funcionamiento de un giróscopo para comprenderlo mejor. El principio es que un disco girando en el espacio tiende a mantenerse siempre en el mismo plano de giro, en la figura vemos como el disco (dorado) del giroscopio mantiene su plano estable a pesar de moverse el soporte del mismo en tres dimensiones.


Imagen


En la vida real un ejemplo del efecto giroscopio lo tenemos en las ruedas de una bicicleta o una moto, al girar tienden a mantenerse en el mismo plano, por eso una bicicleta o moto si no aplicamos ninguna fuerza externa se mantiene vertical (5).

Aprovechando este principio básico se crearon los giróscopos que inicialmente mantenían el rumbo de los torpedos y que posteriormente se aplicaron por ejemplo a cohetes como las V1 y V2 y aún hoy en día giróscopos electrónicos evolucionados de los antiguos de los torpedos guían a los misiles más modernos.





Funcionamiento básico del giróscopo


Ahora vamos a ver de una manera básica como se aplica este concepto en el giróscopo de un torpedo, básicamente es un volante de inercia, que no puede tener un gran diámetro pues debe caber en el interior de un torpedo que es un espacio normalmente reducido pero que es proporcionalmente muy ancho por lo que tiene un peso relativamente elevado para su diámetro, peso este que normalmente oscila alrededor del los 3/4 de kilo, este volante está situado transversalmente al eje de crujía del torpedo lo que implica que el eje de dicho volante coincide en dirección, aunque no acostumbra a estar en el, con el eje de crujía, en la figura del dibujo podemos ver la situación del volante, en rojo y de su eje en naranja, por comodidad lo he colocado en el eje de crujía.


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Como hemos dicho el volante al girar tiende a permanecer en el mismo plano en el espacio, así si el torpedo cambia su rumbo como vemos en la figura inferior del dibujo, podemos observar que el volante permanece en el mismo plano que en el dibujo superior , también vemos que su eje ha dejado de estar en la misma dirección del eje del de crujía. Al desplazarse el eje se mueve sobre un circulo dentado y desplaza una palanca que debe dar una inclinación al timón para recuperar el rumbo, como por si solo el giróscopo no tiene suficiente fuerza para girar el timón lo que hace es accionar un servomecanismo para tener suficiente fuerza, la unión del eje con los mecanismos del timón la he pintado de verde, pero solo a título indicativo de su existencia, en cada tipo de torpedo será diferente. De esta manera en cada cambio de rumbo del torpedo al mantener su plano de giro el volante del giróscopo provocará un giro del timón para que torpedo vuelva a el rumbo inicial pre programado.

Ahora bien el problema es con que fuerza movemos el servomecanismo que acciona el timón, en los torpedos "convencionales" con motor térmico nos encontramos que tenemos un gran depósito de aire comprimido, de ahí cogemos la fuerza y el timón será accionado por un pistón neumático con la fuerza del aire comprimido del depósito. En los torpedos eléctricos al no tener un depósito de aire y tener abundante energía eléctrica se recurre a servomotores eléctricos para dicha función.


Lanzamiento del volante

Otro problema que se plantea es como lanzar a girar el volante del giróscopo, en los primeros modelos se recurría a un gran muelle que al disparar el torpedo lo lanzaba a girar a una elevada velocidad, del orden de unas 10.000 rpm. sin embargo este sistema tenía el problema de una duración limitada en el tiempo de giro del volante, aunque se asegura que un volante lanzado puede mantener su inercia de giro más de 1/2 hora, en los primeros torpedos de corto recorrido esto no era un gran problema pero en la época de la SGM en que los tiempos de recorrido de los torpedos aumentaron considerablemente al aumentar su alcance el sistema ya no era válido. Para solucionarlo se busco una solución más sencilla, para ello se volvió a recurrir al uso del aire comprimido que tenemos almacenado en gran cantidad, así en la parte exterior del volante se hicieron unas muescas de forma variable según el modelo, al chocar potente chorro de aire comprimido sobre las mismas dotaban al volante de una elevada velocidad de giro que podía mantener mientras había presión de aire comprimido, esto nos aseguraba el tener funcionando el giróscopo asegurado durante todo el tiempo de recorrido, además simplificaba la construcción del giróscopo y permitía hacerlos de tamaño más reducido.

Nuevamente nos encontramos con el problema de los torpedos eléctricos que no tenía aire comprimido, en estos se recurría a pequeños motores eléctricos alimentados por la baterías para asegurar el giro.


Imágenes de giróscopos

Creo que este pequeño trabajo estaría incompleto sin mostrar algunas imágenes de algunos giróscopos de torpedos. En esta primera imagen vemos una colección de varios giróscopos, son giróscopos antiguos en que el lanzamiento del volante se hacía por muelle, podemos ver que la superficie de los volantes es lisa, los fuertes muelles que lanzaban el volante y además la llave usada "dar cuerda" es decir tensar el muelle.


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En la siguiente imagen podemos ver un primer plano de otro giróscopo, parece que es de un torpedo alemán G7a, en la superficie del volante podemos ver las ranuras contra las que al chocar el aire comprimido le imprimirá el movimiento, , se puede apreciar que al no tener el muelle de lanzamiento su tamaño es más reducido que los de la foto anterior.


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Finalmente vemos otra imagen de un giróscopo, este es más sofisticado y tiene la posibilidad de variar el rumbo tras su lanzamiento, o sea que el tubo lanzador no debe estar alineado con el rumbo a seguir para colisionar con el objetivo, he marcado la escala de la rueda dentada para programar el nuevo rumbo. También podemos ver que las ranuras en el volante para que lo lance el aire comprimido son diferentes del anterior, estas son circulares.



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Espero que este pequeño artículo basado en principios básicos y elementales haya ayudado a conocer mejor los torpedos y su sistema de guiado al blanco, de todas maneras si se quiere conocer mejor el funcionamiento de un torpedo recomiendo el artículo de http://www.u-historia.com "El torpedo" del Capitán de Corbeta Joaquín Mª Perry, al que podéis acceder por el siguiente camino u-historia > técnica > artículos históricos > 2 > El torpedo. Otro artículo aconsejable es "Adquisición de datos para soluciones de tiro en los uboot" que podéis localizar en el mismo sitio que el anterior.


Epílogo

No podía terminar sin mostrar el resultado de lo que pasaría en el caso de que nuestro giróscopo funcionara bien y nuestros cálculos de rumbos fueran correctos, un motivo de satisfacción para unos, pero para otros unos momentos dramáticos y de pánico.


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1.- Estamos en una época anterior a la electrónica, por eso los elementos de control eran exclusivamente mecánicos.

2.- Nos referimos a los torpedos clásicos de recorrido lineal del principio de la SGM.

3.- Dos nudos equivalen a 3,74 km/hora, como soy un poco "vago" para mis cálculos uso una velocidad de 3,6 km/hora ya que a esta velocidad un segundo equivale a un metro de recorrido.

4.- Se explica la anécdota del capitán que comiendo con sus oficiales en el comedor, tras varios bandazos del buque que desplazaron los platos por la mesa gritó, "Quien es el timonel, que lo arresten"

5.- A veces hay cosas que en la realidad rompen las aparentemente inmutables leyes de la física por ejemplo la moto Honda nº 93 de "Marc Marquez


Fuente fotos giróscopos: http://iaaforum.org/forum3/index.php?si ... a1517c86f3


ARTÍCULO ORIGINAL PUBLICADO EN: Blog de Stephen Maturin

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