1 CIENC IA Y T ECNO LOG ÍA CONSIDERACIONES DE “SEAKEEPING” Para los f utu ros b uques de la M arina de Chile. Nicolás Gaya Lazo * Resumen. n térm inos simples, “seakeeping” puede definirse como el comportamiento dinámico de un buque en el mar. Este comportamiento depende de muchos parámetros relacionados con el diseño del buque y las características del mar en las zonas de operación de éste. Por mucho tiem po, las caracter ís ticas d e “s eakeepin g” de un buque fueron consideradas como un “arte” durante el proceso de diseño. Los diferentes planos eran optim izados a partir de pruebas empíricas por diseñadores de vasta experiencia. Durante los años 80, la aplicación de métodos numéricos en el diseño de buques fue posible gracias al desarrollo de las tecnologías computacionales y del m ejoramiento de las aplicaciones de “sof twar e”. Con es tas nuev as herr am ien tas, el anális is del “seakeep in g” s e transformó en uno de los aspectos fundam entales considerados durante todo el proceso de diseño. Las ár eas m arítim as d e responsabilidad d e la Mar ina de Ch ile in clu yen : aguas inter iores, el mar terr itorial, la Zona Económica Exclusiva ( ZEE) y el ár ea marítima internacional de búsqueda y rescate comprendida entre la ZEE y el meridiano 131º W. Considerando las condiciones de m ar en la extensa zona de responsabilidad de la Marina de Chile y usando un modelo para la evaluación prelim inar de “seakeeping”, desarrollado en la Dirección de Programas, Investigación y Desarrollo de la Armada, se sin tetizaron algunas con sid er acion es conv enien tes de ten er en cuen ta par a el dis eño de los futuros buques de la Marina de Chile. Es te tr ab ajo muestr a cómo el “s eak eeping” pu ede inf luen ciar lo s requer imientos de un buque y es una herramienta fundam ental para los diseñadores, ya que entrega un resum en de l as prin cipal es cons id era c iones qu e h an sido em p le adas dur an te años por grupos internacionales de vanguardia en el diseño de buques, y en el diseño de los sistemas de armas y su s plataform as [ 8]. Parámetros y m étricas para e l “seakeeping”. El compor tam ien to d e un buqu e en el mar es analizado norm alm ente en un esp acio tridim en sion a l de e j es perp end icu l are s. Los diferen tes movim i entos de l buque pueden represen tars e por seis gr ados d e lib ertad cono cidos como: lar gad a, arrib ada, sub ida, rolido, cabeceo y gu iñada. Es to hace que los m odelos numér ico s sean p articularm ente com plejo s. Figura 1: Movimientos del buque. Afortunadam ente, los principales efectos sobre los sistemas de un buque son causados normalmente por tr es d e estos gr ados de liber tad: ro lido ( “roll”), cab eceo ( “pi t ch”) y subid a ( “heav e”), lo qu e permi t e una simp lifi ca ción de l prob lem a. E 2 Tabla 1: Criterios d e misión, RMS [ 12]. Ro ll Pitch Nº Va cc (g) Lacc (g) Vv el (m/s) Tránsito cbta. mojada/ hr. - - 30 - - - Tránsito slamming/ hr. - - 20 - - - T r án s i to p er s o n a l e n el p u e n te 4º 1. 5º - 0. 2 0. 1 - Trán sito MSI, 1 Puente (%) - - 20 - - - Emergida hélice/ hr. - - 90 - - - Emergida sonar/ hr. - - 24 - - - Sonar ac t ivo 7. 5º 2. 5º - - - - Lanzamiento torpedo 3.8º 3.8º - - - - Tiro con cañón de proa 3.8º 3.8º - - - 0.5 Lanzam i ento desde VLS 8. 8º 1. 5º - 0. 3 0.35 - Tiro con CIWS 3.8º 3.8º - - - 0.5 Aterrizaje 2 d e he l icóp tero [ 1] 3. 0º 1. 0º - 0. 15 0.25 2. 0 Tran sport e d e he l icóp tero 5. 0º 1. 0º - - - - Recar ga de VLS ( 3/hr) 3. 8º 1. 0º - 0. 15 0.15 - Recar ga manu al d e torpedo 1. 5º 1. 5º - - - - Recar ga d e equip am ien to de soporte 1.8º 1.8º - - - - RAS cbta. m ojada/ hr - - 0. 5 - - - RAS de equ ipos en “pallets ” 2. 2º 2. 2º - - - - RAS de m isiles 1.6º 1.6º - - - - VERTREP - - - - - 1.05 La Tabla 1 d emuestr a que muchas de las activ idad es op eracionales tienen lim itacion es r elacionad as con el “s eak eepin g” para asegur ar el r end imiento de los s istem as de armas. Us ando la inform ación entr egada en la Tabla 1 y teniendo en cu enta la r elación directa que existe entre velocidades y aceleraciones (vertical y lateral) con la ubicación de los s is tem as a bordo, se pu ede obtener un criterio general par a ro lido, cabeceo, aceler ación vertical ( Vacc), aceler ación later al ( Lacc) y velocid ad ver tical (Vv el), cons id erando los criterios d e m is ión p ara el aterrizaje d e helicóp teros, qu e es uno d e lo s m ás exigen tes a bordo de los buques de guerra [1]. El comportamiento del buque es estudiado mostrando los parámetros antes mencionados en diagramas polares. Cada diagrama indica la magnitud del parámetro evaluado en diferentes Estados de Mar, a una velocidad dada del buque y considerando las olas desde d if erentes direccion es (r elativas a la pro a d e éste) Figura 2: Diagramas polares para rolido (“roll”) y cabeceo (“pitch”) a 15 nudos en Estado de Mar 5. 3 La figura 2 muestra un ejemplo de estos diagramas para una fragata de 3800 tons. 3 Para un determinado buque, se puede obtener un conjunto de diagramas polares de rolido, cabeceo, aceleración vertical, aceleración lateral y velocidad vertical. Cada diagr ama po lar repr esen tando el compor tam ien to a una d eterm inada v elo cidad. Tras lap ando estos diagramas y aplicando los criterios de m isión, mencionados anteriormente, se puede obtener un diagrama polar simplificado que representa las áreas donde el buque satisface los requerimientos de “seakeeping”. Estas áreas son denominadas como “Operating Envelopes”. La figura 3 muestra un ejemplo del proceso de traslape aplicado a la obtención del “Operating Envelope” de rolido de una Fragata de 3800 toneladas. Figura 3: “Operating Envelope” para rolido obtenido usando procedimiento de traslape (azul). Finalmente, traslapando todos los “Operating Envelopes” individuales (para rolido, cabeceo, aceleraciones ver ticales y later ales y v elo cidad v er tical), es pos ible ob tener un diagrama polar combinado que representa las áreas en las que el buque satisface todos los criterios d e m is ión p lan teados. La f igura 4 mu es tra un ejemp lo d e es te pro ceso de tras lap e cons ider ando ro lido y c abe c eo y par a ve lo cidad es d el buqu e entr e 0 y 25 nudos. Figur a 4: “Combin ed Op erating Envelop e” p ar a rolido y cabeceo (som br eado). El ár ea sombreada d e la f igura 4 r epr es enta apro xim ad amente el 51. 5% d el área cir cu lar to tal entr e 0 y 25 nudos. El área en la qu e el buqu e cum p le con los r equer imien tos de “seakeeping” es llam ada normalmente “Operation Index” [9] o “Combined Operating Envelop e” [ 12]. M odelo para la eva luac ión pre lim ina r de “seakeep ing”. Norm alm ente es muy difícil simu lar el “s eak eep ing” debido a que el comportamiento del buque en el mar depende de muchos factores relacionados con la forma del casco y sus dimensiones, todos aspectos que requieren de un avanzado nivel de desarrollo de la fase de ingeniería básica del buque. Esto implica que se requieren planos y cálculos más refinados. Lam entab lem ente en la práctica, el cliente normalm ente desea tener un a idea preliminar de las “características generales del buque” en etapas tempranas del proceso de in gen iería, al meno s sus dim ensiones. Para h acer frente a es ta com prensib le curiosidad y entregar respuestas con un mayor nivel de precisión, se desarrolló un modelo de evaluación preliminar de “seakeeping” [4] usando las principales características de un buque: eslora entre perpend icu lares ( L pp), manga en la línea de agua (B wl), ca l ado hidros t áti co (T) y coeficiente de bloque (C B). En el caso de buques de guerra como Corbetas, Fragatas y Destructores, se asumió un coeficiente de bloque similar para todos los casos (≈0. 52). Con es te p arám etro estático, se obtuvieron las funciones de transferencia que permiten simular el comportamiento dinám ico del buque en función de las dem ás características dim ensionales (L pp, B wl y T). Aplicando conceptos de an álisis d e s istemas lin eales p ar a un a d e las tres d imens iones involucradas, se puede comprobar que el modelo del buque se comporta de la m isma forma que un filtro electrónico. 4 Figura 5: Función de transferencia para la dinámica de un buque (una dimensión solam ente). En la figura 5, W(s) representa la transformad a de Lap lace de la s eñal de en tr ada (olas) y θ(s), la transformad a de Lap lace de la s eñal de salida (en este caso el án gu lo de rolido). Con este modelo y el proceso de traslape de diagramas polares descrito anteriormente, es posible obtener el comportamiento preliminar de “seakeeping” de buques de guerr a y con esto, una mejor apro xim ación d e las car acterís ticas dim ens ionales requer id as por los clientes en etapas tem pr anas del proceso d e in gen iería. En la f igura 6 se entrega un esqu em a con lo s pasos de oper ación d e este m odelo. a) Primer paso: cálculo de la dinám ica del buque y condiciones de mar. b) Segundo paso: simulaciones dinámicas a diferentes velocidades y direcciones del oleaje. c) Ter cer paso: cálculo d el “Comb ined Operating Envelop e” ( som breado). Figura 6: Pasos de operación del modelo de evaluación prelim inar de “seakeeping”. Condiciones de mar en las aguas de responsa bilidad chile na. Se m encionó ant er iormente qu e l as a gua s de respons abi l idad Ch ilen a com prenden desde aguas interiores hasta un área m arítima internacional de búsqueda y rescate limitada por el meridiano 131º W (ver figura 7). En esta extensa área la dirección predominante del m ar es sur w este, con cond icion es d e m ar que normalmen te alcan zan el Estado de Mar 5 o super ior. Figura 7: Área marítima Chilena de búsqueda y rescate. Los Estados de Mar pu eden s er tr ansform ado s en datos m ás pr ecisos u tilizando la Tabla 2 y las referencias [10] y [12], por lo que se puede deducir que las alturas y períodos típicos del oleaje en la zona de responsabilidad son los siguientes: Altura típica de la ola: 2.5 – 6.0 [m] Período t ípico d e la o la: 7. 8 – 9. 7 [ seg] 5 Tabla 2: Estados de Mar. Al tura sign ificativ a de l a o la [m ] Período modal de la ola [seg] Es tad o de Mar Nº Rango Medi a Rango Probabl e 0 - 1 0- 0. 1 0. 05 - - 2 0. 1- 0. 5 0. 3 3. 3-12.8 7. 0 3 0. 5- 1. 2 5 0. 88 5. 0-14.8 7. 5 4 1. 25- 2. 5 1. 88 6. 1-15.2 8. 8 5 2. 5- 4. 0 3. 25 8. 3-15.5 9. 7 6 4. 0- 6. 0 5. 0 9. 8-16.2 12. 4 7 6. 0- 9. 0 7. 5 11. 8- 18.5 15. 0 8 9. 0- 14. 0 11.5 14.2- 18.6 16. 4 >8 >14. 0 >14. 0 18. 0- 23.7 20. 0 Es tas condicion es de m ar entr egan las prim eras cons ideracion es a ser tenidas en cuenta durante el complejo proceso de diseño de los nuevos buques de la Marina de Chile. Efectos de la s condiciones de mar so bre los buques de guerra. Usando el modelo de evaluación preliminar de “seakeeping” se obtuvieron las características dinámicas generales de un conjunto de buques de guerra monocasco de diferentes desplazamientos (fragatas y destructores) en Estados de Mar 5 y 6 (límites medios). 4 Para el criterio de misión establecido en la Tabla 1, se obtuvieron los “Combined Oper atin g Envelopes ” gener ales ind icados en la Tabla 3. Ahor a utilizando el porcentaje de “Com bined Oper atin g Env elope” es tab lecido en el “Principles of Naval Architecture” [9] (ver Tabla 4), se obtuvo una tabla general de cumplimiento del criterio de misión considerado (Tabla 5) para buques tipo Destructores y Fragatas con desplazam iento s entr e 2000 y 8000 ton elad as p ara Estados de Mar 5 y 6 (SS 5 y S S 6). (F i g. 8). 6 Tabla 3: “Combined Operating Envelopes”. 2000- 3000 tons 3000- 4000 tons 4000- 5000 tons 5000- 6000 tons 6000- 7000 tons 7000- 8000 tons Tabla 4: Criterio de porcentaje para “Combined Operating Envelopes”. SS 5 SS 6 ≥ 40% ≥ 27% Tabla 5: Cumplimiento criterio de misión (aterrizaje de helicóptero). Capacidad aterrizaje helicóptero Desp lazamie nto SS 5 SS 6 2000-3000 tons U 5 U 3000-4000 tons D U 4000-5000 tons D U 5 5000-6000 tons D D 6000-7000 tons D D 7000-8000 tons D D Figur a 8: Fragata Clase “Leand er” (≈3200 tons.) preparándose para reaprovisionamiento en el mar. 7 De la Tabla 5 y las condiciones de mar descritas para las aguas de responsabilidad Chilena, se puede deducir que los futuros buques de guerra de la Marina de Chile deben desplazar más de 4000 toneladas, idealmente sobre 5000 toneladas, para garantizar operaciones sin restricciones al menos en las aguas de responsabilidad, dados los criterios es tab lecidos en la T abla 1. Condiciones de mar a lrededo r de l mundo. La Tabla 1 m ues tra que los sistemas d el buqu e son af ectados por lo s par ám etros de “seakeeping” y con ello, las capacidades de interoperación del buque. Con la intención de obtener las consideraciones relacionadas con capacidades de interoperación en aguas internacionales para los futuros buques de guerra de la Marina de Ch ile, a continu ación s e utilizar án los r esu ltados entr egados en la Tab la 5 y se an alizarán las condiciones de mar en dichas aguas. Las condiciones de mar alrededor del mundo han sido estudiadas por muchos años por razones de seguridad y para el diseño de buques. Estas bases de datos se han obtenido de estimaciones, mediciones en largos periodos de tiempo y estudios teóricos, complementados con experiencias del servicio a bordo. Esta información permite elaborar mapas de las condiciones de mar alrededor del mundo para mostrar aquellas áreas oceánicas donde, por ejemplo, su comportamiento supere cierto valor de Estado de Mar. Figura 9: Áreas oceánicas donde Estados de Mar 6 o superiores son normalm ente alcanzados ( achuradas). Los m ap as d e la f igura 9 m u es tran aqu ellas áreas dond e las cond iciones de mar son iguales o superiores al Estado de Mar 6 6 [ 10]. Se pued e apreciar que estas ár eas r epr es entan una extensa zona en los océanos del mundo. A partir de las condiciones de mar mostradas en la figura 9 y el resumen de anteceden tes en tr egado en la Tabla 5, es pos ible d edu cir que p ara tener capacidades d e operación m undial sin r es triccion es s e requ ieren buques de gu err a con desp lazamien tos superiores a las 5000 toneladas. Tendenc ia de lo s buques de guerra. A partir de información de libre acceso (Jane’s Fighting Ships [7] y otras publicaciones), es posible verificar la tendencia de los buques de guerra de las diferentes Marinas alrededor del mundo. Los resultados de este análisis se indican en el siguiente resumen: Amér ica: Sólo las marinas de EE. UU. y Canadá tienen capacidades de operación mundial sin restricciones. Es importante mencionar aquí que si bien países como Chile y Perú tienen plataform as con desplazam ien tos suficientes par a proveer buenas car acter ís ticas d e “s eak eeping”, és tas son mu y an tiguas y están pron tas a ser decom isionad as. África: No se encontraron plataformas con capacidades de operación mundial sin restricciones. As ia: Se es tima que casi tod as las Mar inas de primer n ivel de este con tinente tienen capacidades de operación mundial sin restricciones. Europa: Prácticamen te tod as las Mar inas de prim er nivel de es te contin en te s e en cuentran construyendo buques de guerra con desplazamientos sobre las 5000 toneladas, incluso 8 buques sobre 6000 y cerca de 8000 toneladas. Esto confirma que estas Marinas están haciendo importantes esfuerzos para lograr capacidades de operación mundial sin restricciones. Oceanía: No se encontraron plataformas con capacidades de operación mundial sin restricciones. Conc lusiones. Las capacidades de operación mundial sin restricciones de los buques de combate dependen, en tre otros factores, de las car acterísticas din ámicas d e la plataform a en la qu e ser án instalados los sistemas de arm as. Las aguas de responsabilidad Chilena demandan altas exigencias respecto de “s eak eeping”, d ebiendo cons iderars e buqu es con desplazam ientos sobre las 4000 toneladas (idealmente sobre 5000 toneladas para interoperar a nivel mundial), de tal manera de m aximizar las capacidad es oper acionales al m enos en esta zona d e r esponsab ilid ad. Se mencionó que las Marin as Europ eas de pr imer nivel s e en cuentr an cons truyendo nuevos buques de guerr a con d esp lazam iento s sobre 5000 toneladas, in clu so buques sobr e 6000 y has ta cerca d e las 8000 ton elad as. Es te esfuerzo demu estra que p ara lo grar capacidad es oper acion ales a niv el m undial sin res triccion es s e requ ier en buques con desp lazam ientos mayor es. El fenóm eno de la globalización y las obligaciones internacionales asumidas por el Gobierno de Chile han generado tareas bastante demandantes para la Marina. Los intereses internacionales y nacionales se pueden encontrar lejos de nuestras costas. Las rutas m arítim as pued en cruzar a tr av és de áreas que requ ier an cap acid ades operacion ales sin restricciones para poder ser protegidas. A la fecha, la protección de estas áreas se encuentra res trin gid a só lo a un grupo d e Mar inas en el m undo. En caso d e un conflicto a gr an escala o bien de una amenaza terrorista, las rutas marítimas regulares podrían ser cerradas y el tráfico marítimo desviado a zonas donde se requieran altas exigencias de “seakeeping” donde, por el momento, sólo es posible brindar una limitada protección. El resum ido anális is con tinen tal mu es tra qué Marin as tien en capacidades de operación mundial sin restricciones y cuáles aún no pueden satisfacer las actuales demandas provenientes del fenómeno de la globalización. En este escenario globalizado es posible hablar de “fronteras para la interoperación” [6]. Estas fronteras constituyen un gran desafío para la Marina de Chile y para todas aquellas Marinas cuyas misiones requieran de capacidades de operación mundial sin restricciones. BIBLIOG RAFÍ A 1. Brown, D.K. “The future British Surface Fleet, Options for Medium-Sized Navies”, Conw ay Mar itim e Press, 1991. 2. Couser, P. “Se ake epin g An al ysi s for Prel imin ar y Des ign ” . (www.formsys.com/Maxsurf/MSProductRange/SKPaper-Jul00.pdf) 3. Darin g Class-Typ e 45 (w ww. type45. com) 4. Gaya, N. “Diseño de Modelo para Evaluación de Seakeeping”, Documento interno de la Dirección de Programas Investigación y Desarrollo de la Armada en el que se describe el diseño del modelo para evaluación preliminar de “seakeeping”, 2002. 9 5. Gaya, N. “Evaluación de Seakeeping”, Documento interno de la Dirección de Progr amas Inves tigación y Des arro llo de la Armad a en el que s e des crib e la evalu ación d e diferentes buques de guerra bajo el punto de vista del “seakeeping”, 2002. 6. Gaya, N. “Fron teras par a Interop eración en el Mar”, exposición ef ectu ada dur ante EXPONAVAL 2002 (www.exponaval.cl). 7. Jan e’s Fi gh tin g Ships 2002- 2003 (ht tp:/ /online. janes.com) 8. Jeffery, R. Entrevista personal, 10/24/02 9. Lewis, E. “Prin ciples of Naval Ar ch itecture”, Vo lume 3, Th e Society of Nav al Architects and Marine Engineers, 1989. 10. Lloyd’s Register of Shipping, “Rules and Regulations for the Classification of Naval Ships”, Jan 2002. 11. “Principles of Naval Architecture”, The Society of Naval Architects and Marine En gin eers, 1968. 12. STANAG 4154 Edition 3, “Common Procedures for Seakeeping in the Ship Design Process”, NATO Stand ardization Agreement, unclassif ied, 1998 _________________________________________________________________________ NOTAS * Tte. 1º Ingeniero Naval Electricista. 1. MSI: “Motion Sickness Incidence”. Este parám etro evalúa el porcentaje de dotación m areada. 2. Sin sis tem a d e recup eración. 3. El Es tado d e Mar 5 fu e cons ider ado con altura med ia s ign ificativa de la o la ( 3.25 m) y el período de modal de ola más probable (9.7 seg). 4. Límites medios significa altura media de la ola y período de ola m ás probable de la Tabla 2. 5. Los desplazamien tos d e lo s lím ites super ior es cumplirían, p ero u tilizando es tab ilizadores. 6. Par a m ás informa c ión re spec to de l Es tado d e Mar 6, ver Tabl a 2.