Diseño y Construcción de un Buque de Guerra moderno

Entrevista Cope + Galicia lunes 15/02/21 a las 1310h:

Los buques militares se construyen para llevar a cabo a diferentes operaciones en condiciones extremas, tanto meteorológicas como de otra índole. Este fin exige que durante su construcción se deban tener en cuenta todas las condiciones a las que estos barcos se deberán enfrentar en el futuro. Por ello, la gestión del programa de construcción será un apartado de vital importancia para que el producto final obtenido cumpla con todas las expectativas creadas inicialmente. Se debe destacar que, si ya de por sí el proyecto de construcción de cualquier buque es un proceso complejo, con muchos agentes involucrados en el mismo, en el caso de los barcos de guerra esta dificultad se agrava, ya que este tipo de buques deberán poseer una capacidad de supervivencia, no exigible al resto de naves.

Introducción:

Existen muchas definiciones del buque de guerra, pero en todas ellas se indica que son un tipo de barcos que pertenecen a las marinas de guerra de los estados y que ostentan signos exteriores distintivos de los buques de sus respectivas nacionalidades. En ellos el oficial al mando, su comandante, será un oficial de la armada correspondiente.

El proceso de diseño del buque de guerra se inicia con la fase de viabilidad, consistente en la toma de una serie de decisiones encaminadas a la búsqueda de la solución que presente la mejor relación entre las características del buque y su coste. Para ello será necesario conocer de antemano cuáles serán los requisitos operativos que deberá cumplir el buque, y además deberemos disponer de una base de datos de buques similares contemporáneos que proporcionen información actualizada sobre las relaciones principales de las características de los buques, relacionadas con el desplazamiento, eslora, manga, puntal y calado, entre otras magnitudes.

Dentro de estos requisitos exigidos existirán algunos que serán de obligado cumplimiento, otros que serán optativos, y algunos de ellos tendrán diferentes alternativas posibles seleccionables. También habrá que conocer cuáles serán los datos de mayor relevancia en el proceso de dimensionamiento del buque, entre los que se encontrarán la autonomía (millas navegables que podrá realizar el buque sin necesidad de tener que entrar en puerto), la velocidad máxima, la velocidad económica (asociada al requisito de autonomía), la capacidad (tamaño mínimo del buque necesario para poder ubicar el sistema de combate y la dotación, cumpliendo con las características específicas impuestas), los estándares de habitabilidad, las condiciones de supervivencia y vulnerabilidad, los márgenes de construcción, y el payload (la carga de pago que exige la identificación de sistemas como los de comunicaciones, armas, munición, aeronaves, etcétera).

Junto con los requisitos anteriores se deberán definir, en caso de existir, las restricciones al diseño que se vayan a fijar en el proyecto, tales como un calado máximo del buque para acceso a determinados puertos, o limitaciones en manga para el paso por canales.

Espiral del diseño del proyecto de viabilidad:

Estudiando al buque de guerra como el conjunto de requisitos antes indicados, enfocados en la búsqueda del éxito y la eficacia en el combate contra una amenaza, nos damos cuenta de que para conseguir tal fin necesitaremos enfrentarnos a diferentes ramas de la ingeniería y la tecnología naval. Entre ellas deberemos integrar, y prestar atención dentro del buque, su estructura, la maquinaria, sus formas y los sistemas de armas.

En esta primera fase se deberá realizar un análisis de las posibles alternativas que puedan cumplir los objetivos, y de sus costes. Este proceso iterativo, nos indicará los pasos a seguir en esta fase, y estará influenciado por:

• Las misiones asignadas (objetivos tácticos a llevar a cabo frente a la amenaza).
• El estudio de las posibles soluciones.
• El estudio de sistemas de combate capaces de cumplir las misiones asignadas.
• El estudio inicial del apoyo logístico y coste del ciclo de vida de los sistemas seleccionados.

El proceso del diseño del buque se inicia con la definición del conjunto de requisitos necesarios y se desarrolla a través de una serie de actividades sometidas a comprobaciones intercaladas en el proceso, que confirman la validez de la espiral del proyecto a través de los resultados obtenidos hasta ese momento. De esa manera, si se satisface el criterio de comprobación, el proceso continúa hasta la siguiente comprobación. Pero si, por el contrario, el resultado de la comprobación fuera no satisfactorio, se procedería a la modificación y actualización de los datos.

Las comprobaciones se llevan a cabo en diferentes partidas, y una de las más importantes es la referente a la obtención de los coeficientes hidrodinámicos preliminares. Dentro de ellos cobra vital importancia la comprobación del coeficiente prismático, ya que es el que presenta mayor influencia en la distribución de los volúmenes internos y en la potencia propulsora del buque. De la misma manera, las dimensiones principales de eslora, manga, puntal y calado deben calcularse de forma que se cumpla con el volumen requerido, pero al mismo tiempo cumpliendo los requisitos de desplazamiento, estabilidad, resistencia estructural, y comportamiento hidrodinámico en la mar.

Para la determinación del peso del buque, es decir de su desplazamiento, se necesitará la estimación del peso en rosca y del peso muerto. La localización del centro de gravedad también será un dato muy importante para poder justificar la viabilidad de la estabilidad del buque en esta fase del diseño mediante la estimación de la altura metacéntrica (GM). Finalmente, la estimación de la potencia propulsora necesaria para alcanzar la velocidad requerida y poder cumplir el criterio de la autonomía, podrá obtenerse a partir de programas de predicción de potencia.

Proyecto del diseño preliminar:

La finalidad de esta fase del proyecto consiste en que el astillero presente opciones que sean viables para cumplir los objetivos tácticos fijados. Para ello se debe estudiar si alguno de los sistemas seleccionados precisa el desarrollo de nuevas tecnologías, y en caso afirmativo su coste, así como otras alternativas posibles.

En esta fase del proyecto ya no se modificarán las dimensiones del buque, y se deberá disponer de la siguiente información:

• Vista de perfil del buque con la disposición de las cubiertas y mamparos estancos, en el que se sitúen los sensores y armas, el domo del sonar, las aletas estabilizadoras, los ejes propulsores y cualquier otro detalle significativo.
• Configuraciones del sistema de combate, del de mando y control, del sistema de comunicaciones, y de los sistemas propios de la plataforma como son los de distribución de energía eléctrica, sistemas de casco y máquinas, seguridad interior, defensa “NBQ”, y sistemas de desmagnetización.
• Disposición en planta por cubiertas.
• Características principales siguientes: eslora, manga, calado, puntal, desplazamiento, velocidad y autonomía.
• Alternativas de: maquinaria propulsora, hélices, generadores eléctricos y aletas estabilizadoras.
• Dotación (tripulación).
• Análisis estructural para determinar la distribución de los esfuerzos estructurales y las vibraciones.
• Estudios de estabilidad del buque intacto y después de averías.
• Estudios de compartimento del buque en la mar.
• Estimación de pesos indicando el desplazamiento del buque en rosca, y el desplazamiento máximo.
• Posición estimada del centro de gravedad del buque.
• Estudios de supervivencia y vulnerabilidad.
• Coste del ciclo de vida y del ALI (apoyo logístico integrado).

Definición de los subsistemas:

Los subsistemas principales de un buque de guerra incluyen los siguientes:

• Mando y control: identifica los componentes electrónicos principales.
• Sistemas auxiliares: subsistema que define las características de los sistemas de contraincendios, agua refrigerada, ventilación, etcétera. Estos sistemas también incluyen sistemas de estabilizadores de aletas, amarre y remolque, empujadores de proa, etcétera.
• Equipo y Habilitación: define el tipo de espacios de habilitación y el estándar de habitabilidad.
• Armamento: subsistema que fija el número y tipo de cañones o lanzadores necesarios.
• Cargas Variables: elementos que afectarán al desplazamiento y a las condiciones de carga.

Estimación de autonomía:

La autonomía requerida del buque generalmente aparece definida en la Especificación de Contrato (EC) del barco, en millas náuticas y velocidad. Los datos de partida para la estimación de la autonomía suelen ser los siguientes:

• El cálculo se realiza en la condición de Plena Carga Contractual y no se consideran elementos remolcados.
• Estimación de la potencia efectuada con el buque en condición de pruebas, en aguas profundas, con el casco limpio, en un estado de mar de escala uno, y con un viento inferior a dos en la escala Beaufort.
• Uso de consumos específicos de la maquinaria proporcionados por los fabricantes.

Influencia de las firmas en la supervivencia del buque de guerra:

En el momento de evaluar la capacidad de supervivencia de un buque de guerra durante el proceso de su diseño se deben tener en cuenta los siguientes aspectos:

• Susceptibilidad: la probabilidad de recibir impactos que dependerá del espectro de energía emitido y/o reflejado.
• Vulnerabilidad: grado de deterioro alcanzado tras un ataque que dependerá del nivel de compartimentado, tipo de estructura, etcétera.
• Siniestralidad: probabilidad de destrucción después de recibir un impacto.

Los conceptos de susceptibilidad y vulnerabilidad contribuyen de manera directa a la siniestralidad y supervivencia del buque, del modo que la siniestralidad se obtiene del producto resultante de la susceptibilidad por la vulnerabilidad. Para conseguir una baja susceptibilidad o detectabilidad habrá que minimizar la cantidad de energía emitida y/o reflejada por el buque con el fin de reducir su influencia en el entorno, surgiendo de esta forma el concepto de firma.

Las firmas de un buque de guerra son las siguientes:

• Firma radar: relacionada con la energía de tipo electromagnético reflejada por la obra muerta y superestructura del buque.
• Firma acústica: relativa a la energía vibratoria de la maquinaria transmitida desde la obra viva al mar.
• Firma magnética: asociada a los campos magnéticos generados por la estructura del buque.
• Firma infrarroja: correspondiente a la radiación electromagnética emitida en la franja infrarroja del espectro.
• Firma eléctrica: generada por corrientes eléctricas producidas entre elementos metálicos unidos por un electrolito (agua de mar).
• Firma de presión: producida por el efecto Bernouilli del agua fluyendo desde su proa hacia su popa.

La tecnología stealth, también conocida como LOT (Low Observability Technology), consiste en la instalación de contramedidas a bordo de buques con el fin de hacerlos invisibles a detectores radar, infrarrojos, etc.

Márgenes de diseño:

En el diseño de los buques de guerra es necesario considerar márgenes apropiados que cubran las consecuencias de posibles cambios en el diseño, o errores, que puedan aparecer durante el desarrollo del proyecto. Asimismo, se debe disponer de márgenes de futuro que puedan absorber las actualizaciones que se puedan producir durante la vida del buque.

Los márgenes de diseño y construcción se van consumiendo durante las fases de construcción del buque y no se mantienen una vez que el buque es entregado. Los márgenes no consumidos durante esa fase de la construcción pasarán a formar parte del margen de futuro crecimiento. El margen de adquisición, que se establece para compensar un incremento del peso y KG (altura del centro de gravedad del buque), desde los estudios iniciales conceptuales hasta la entrega del buque, se subdivide en:

• Margen de la “Fase de Definición del Proyecto”: es la reserva incluida para tener en cuenta los incrementos en peso y KG asociados a esta fase de definición.
• Margen del “Proyecto de Detalle”: es la reserva incluida con el fin de absorber las desviaciones que se presenten entre los pesos estimados al final de la Fase de Definición y los pesos finales que resulten de cálculos sobre planos de trabajo o de pesadas en báscula.
• Margen de “Construcción”: es la reserva destinada a absorber las diferencias entre el peso calculado de los planos y el peso real del buque. Se consumirá tras la experiencia de estabilidad del buque.
• Margen de “Modificaciones de Contrato”: la misión de este margen consiste en poder absorber las variaciones de peso producidas por las modificaciones al contrato por parte del cliente.

Los márgenes usuales utilizados en un buque de guerra son los siguientes:

Conclusiones:

El diseño de un buque de guerra va a estar muy influenciado por las exigencias de las misiones que deban cumplir, por la capacidad de supervivencia y por su peso. El desplazamiento de un buque, su peso, es un dato vital en el proyecto del buque de guerra, por lo que este valor va a estar presente durante todo el proceso de construcción del buque. Durante este proceso se deberán ir analizando progresivamente todos los márgenes existentes mediante un control exhaustivo de la actualización del peso del buque. Este control durante toda la construcción ayudará a que no se produzcan desagradables sorpresas al final de la construcción, momento en que sería muy dificultosa y cara la marcha atrás para la corrección.

Bibliografía recomendada:

1. DIC-JAL. Instrucciones para el control de pesos en los buques de la Armada durante las Fases de Proyecto y Construcción. 1978.
2. GONZÁLEZ LÓPEZ, P. Técnicas de Construcción Naval. 2005.
3. MARTINEZ DE CASTRO, F. Construcción Naval: estrategia, planificación, fabricación y control. 2019.
4. MEIZOSO FERNÁNDEZ, M; GARCÍA GARCÉS, JL. Desplazamiento. Cálculo iterativo del peso en rosca y peso muertol. 2000.
5. VILLA CARO, R. Control de pesos durante la construcción de buques. Revista General de Marina. Julio 2015.
6. VILLA CARO, R. El proyecto de diseño de un buque de guerra. PROA A LA MAR. Diciembre 2020.

Para finalizar me gustaría realizar dos recomendaciones para poder complementar la entrada de esta semana:

1. Lectura del artículo publicado en la revista de la RLNE “PROA A LA MAR”, de mi autoría, indicado en las referencias bibliográficas de arriba y titulado El proyecto de diseño de un buque de guerra. Se puede consultar en las páginas “90-91” del siguiente enlace:

Proa a la mar 179 by Real Liga Naval Española – issuu

• Asistencia a la conferencia que tendrá lugar el próximo miércoles 24 de febrero a las 18h00m titulada: Buques del futuro: fragatas F-110, por streaming desde Exponav. Todos los interesados podrán conectarse por el enlace que aparece en la página web de la Cátedra Cosme Álvarez de los Ríos. Aquí pueden ver el punto de enlace y las instrucciones:

Conferencia en directo – Cátedra Cosme Álvarez de los Ríos (catedracosmealvarez.com)

Esta actividad dentro del ciclo de conferencias de la cátedra consistirá en una jornada en colaboración con Exponav en la que intervendrán por parte de Navantia D. Juan Ignacio Silvera Vez (Director de Programa de Productos Inteligentes) y D. Francisco Vílchez (Director de Ingeniería y Desarrollo de Producto y Procesos), junto a D. Lucas F.M. da Silva (Catedrático del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Oporto) experto en uniones adhesivas, ya que será en las F-110 donde por primera se van a realizar este tipo de uniones. El plan de la jornada será el siguiente:

JORNADA: BUQUES DEL FUTURO: FRAGATAS F-110

• Ponencia 1 (60 minutos): F-110: La revolución tecnológica ya está en marcha. Impartida por Juan Ignacio Silvera Vez (Navantia) y por Francisco Vílchez (Navantia).
• Ponencia 2 (30 minutos): Investigación y desarrollo de procesos avanzados de uniones adhesivas. Impartida por D. Lucas F.M. da Silva (Catedrático del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Oporto).
• Clausura del ciclo de conferencias 2020-21 por los directores de la cátedra.

¡HASTA LA PRÓXIMA!