Supercavitación

En ingeniería hidrodinámica, la supercavitación es la generación artificial de una burbuja de cavitación para reducir la resistencia por fricción superficial en un objeto sumergido y permitir el desplazamiento a alta velocidad . Entre sus aplicaciones se incluyen torpedos y hélices , pero, en teoría, la técnica podría extenderse a una embarcación submarina completa.

La cavitación es la ebullición interna de un líquido causada por un flujo rápido alrededor de un objeto. El flujo de fluido alrededor de esquinas pronunciadas requiere gradientes de presión muy grandes y, en particular, presiones muy bajas "más allá de la esquina". En esas zonas, la presión puede caer por debajo de la presión de vapor , momento en el que el líquido hierve.

El potencial de cavitación se mide mediante el número de cavitación adimensional , que es igual a la diferencia entre la presión local y la presión de vapor, dividida por la presión dinámica . A mayor profundidad (o presión en la tubería), el potencial de cavitación disminuye debido a que la presión local se encuentra mucho más alejada de la presión de vapor.

La cavitación se considera generalmente un problema en la ingeniería hidrodinámica, ya que las burbujas de cavitación que se liberan de la superficie implosionan posteriormente. Esta implosión genera pequeños impulsos concentrados que pueden dañar superficies como las hélices de los barcos y los impulsores de las bombas.

Un objeto supercavitante es un objeto sumergido de alta velocidad diseñado para generar y mantener una burbuja de cavitación en su extremo frontal. Esta burbuja se extiende (ya sea de forma natural o mediante la adición de gas generado internamente) más allá del extremo posterior del objeto, impidiendo el contacto entre sus laterales y el líquido. Esta separación reduce considerablemente la fricción superficial del objeto supercavitante.

Una característica clave del objeto supercavitante es la punta, que generalmente tiene un borde afilado alrededor de su perímetro para formar la burbuja de cavitación. ^{[ 1 ]} La punta puede ser articulada y tener forma de disco plano o cono. La forma del objeto supercavitante suele ser delgada para que la burbuja de cavitación lo envuelva. Si la burbuja no es lo suficientemente larga para abarcar el objeto, especialmente a velocidades bajas, se puede agrandar y extender inyectando gas a alta presión cerca de la punta del objeto. ^{[ 1 ]}

La velocidad extremadamente alta necesaria para la supercavitación puede alcanzarse temporalmente mediante proyectiles disparados bajo el agua o que entran en contacto con ella. Para lograr una supercavitación sostenida, se utiliza la propulsión de cohetes, y el gas a alta presión del cohete puede dirigirse a la punta para potenciar la burbuja de cavitación.

La principal dificultad de ingeniería en el diseño de supercavitación es la estabilidad : dado que un vehículo supercavitante completamente encerrado en una burbuja ya no está sumergido, no experimenta fuerza de flotación . Una alternativa consiste en contener el vehículo solo parcialmente en la burbuja, sostenido por una parte trasera sumergida, pero tales situaciones implican un compromiso entre el soporte y el aumento de la resistencia. ^{[ 2 ]}

En principio, los objetos supercavitantes pueden ser manipulados utilizando diversos métodos, entre los que se incluyen los siguientes:

• Aletas de arrastre que se proyectan a través de la burbuja hacia el líquido circundante ^{[ 3 ]}
• La nariz de un objeto inclinado
• Se inyectó gas de forma asimétrica cerca de la nariz para distorsionar la geometría de la cavidad.
• Vectorización del empuje del cohete mediante cardán para una sola boquilla
• Empuje diferencial de múltiples boquillas ^{[ 1 ]}

Las principales aplicaciones de la supercavitación son las hélices supercavitantes y el torpedo supercavitante .

Las hélices supercavitantes se instalan en embarcaciones militares, lanchas de competición de alto rendimiento y barcos de modelismo. Su forma está diseñada para forzar la cavitación en toda la cara frontal a alta velocidad. La cavidad colapsa mucho más allá de la pala, evitando la fragmentación que se produce cuando las hélices convencionales cavitan accidentalmente.

Los torpedos supercavitantes se han utilizado al menos en las armadas soviética (y rusa), estadounidense, alemana e iraní. A pequeña escala, la munición supercavitante se utiliza con armas de fuego submarinas alemanas y rusas ^{[ 4 ]} y otras armas similares. ^{[ 5 ]}

La Armada Soviética desarrolló el primer torpedo supercavitante a gran escala , el VA-111 "Shkval" . ^{[ 6 ] [ 7 ]} El Shkval utiliza propulsión de cohete para alcanzar una velocidad máxima de 386 kilómetros por hora (240 mph; 208 nudos) , superando la velocidad de los torpedos convencionales por al menos un factor de cinco. Su desarrollo comenzó en 1960 bajo el nombre en clave "Шквал" (Tormenta). El VA-111 Shkval ha estado en servicio (exclusivamente en la Armada Soviética, luego rusa ) desde 1977, con la producción en masa comenzando en 1978. Se desarrollaron varios modelos, siendo el más exitoso, el M-5, completado en 1972. De 1972 a 1977, se realizaron más de 300 lanzamientos de prueba (el 95% de ellos en el lago Issyk Kul ).  

En 1994, la Armada de los Estados Unidos comenzó el desarrollo del Sistema Rápido de Desminado Aerotransportado (RAMICS), un sistema de desminado marino inventado por C Tech Defense Corporation. C Tech propuso un proyectil supercavitante estable tanto en el aire como en el agua. ^{[ 8 ] [ 9 ]} En 2000, en el Campo de Pruebas de Aberdeen , proyectiles RAMICS disparados desde un helicóptero de ataque Sea Cobra en vuelo estacionario destruyeron con éxito una serie de minas submarinas activas. En marzo de 2009, Northrop Grumman completó la fase inicial de pruebas del RAMICS para su introducción en la flota. ^{[ 10 ]}

Estados Unidos también publicó información sobre torpedos antibuque supercavitantes en 2004, ^{[ 11 ]} lo que llevó a varias armadas a seguir su ejemplo rápidamente . En 2006, el fabricante de armas alemán Diehl BGT Defence anunció su propio torpedo supercavitante , el Barracuda, ahora llamado oficialmente Superkavitierender Unterwasserlaufkörper ( en español: proyectil submarino supercavitante ). Según Diehl, alcanza velocidades superiores a 400 kilómetros por hora (250 mph; 220 nudos) . ^{[ 12 ]} Ese mismo año, Irán afirmó haber probado con éxito su primer torpedo supercavitante, el Hoot (Ballena), entre el 2 y el 3 de abril de 2006. Algunas fuentes han especulado que se basa en el torpedo supercavitante ruso VA-111 Shkval , que viaja a la misma velocidad. ^{[ 13 ]} El ministro de Asuntos Exteriores ruso, Serguéi Lavrov, negó haber suministrado la tecnología a Irán. ^{[ 14 ]}  

En 2004, la DARPA de EE. UU. también anunció el programa Underwater Express, un programa de investigación y evaluación para demostrar el uso de la supercavitación para una aplicación de embarcación submarina de alta velocidad. El objetivo final de la Armada de EE. UU. es una nueva clase de embarcación submarina para misiones litorales que pueda transportar pequeños grupos de personal naval o carga militar especializada a velocidades de hasta 100 nudos. ^{[ 15 ]} La DARPA adjudicó contratos a Northrop Grumman y General Dynamics Electric Boat a finales de 2006, aunque Electric Boat tuvo dificultades para construir incluso un modelo a escala . ^{[ 16 ]} Para 2014, Juliet Marine Systems tenía un prototipo de barco llamado Ghost , un catamarán supercavitante , ^{[ 17 ]} lo que impulsó a la Armada china a intentar construir el suyo propio. ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]} Dos años después, la I+D continuó en EE. UU. ^{[ 21 ]}

En 2025, la empresa surcoreana ADD comenzó las pruebas de su propio vehículo submarino supercavitante. ^{[ 22 ]}

Inicialmente se pensó que el desastre del submarino Kursk había sido causado por un torpedo supercavitante Shkval defectuoso, ^{[ 23 ]} aunque evidencia posterior apunta a un torpedo 65-76 defectuoso .

Se sospecha que el hundimiento del carguero ruso MV Ursa Major, a 16 millas náuticas (30 km) de la costa de España el 23 de diciembre de 2024, se debió a un torpedo supercavitante; se produjo un agujero de 50 centímetros (20 pulgadas) en el casco. El buque transportaba componentes de reactores nucleares a Corea del Norte , y se desconoce quién fue el responsable. ^{[ 24 ]}  

• Fusil anfibio APS
• Pistola subacuática SPP-1
• Hélice supercavitante

• Oficina de Investigación Naval (14 de junio de 2004). Mecánica y conversión de energía: armamento submarino de alta velocidad (supercavitante) (D&I). Recuperado el 12 de abril de 2006 de la página principal de la Oficina de Investigación Naval.
• Savchenko YN (s.f.). CAV 2001 - Cuarto Simposio Anual sobre Cavitación - Instituto Tecnológico de California. Recuperado el 9 de abril de 2006, archivado en Wayback Machine.
• Hargrove, J. (2003). Supercavitación y tecnología aeroespacial en el desarrollo de vehículos submarinos de alta velocidad. En 42.ª Reunión y Exposición de Ciencias Aeroespaciales de la AIAA . Universidad de Texas A&M.
• Kirschner et al. (octubre de 2001) Investigación y desarrollo de la supercavitación. Tecnologías de Defensa Submarina
• Miller, D. (1995). Supercavitación: ir a la guerra en una burbuja. Jane's Intelligence Review . Recuperado el 14 de abril de 2006 de Defence & Security Intelligence & Analysis | Jane's 360
• Graham-Rowe y Duncan. (2000). Más rápido que una bala. NewScientist , 167(2248), 26–30.
• Tulin, MP (1963). Flujos supercavitantes: teoría de pequeñas perturbaciones. Laurel, Md, Hydronautics Inc.
• Niam JW (dic. 2014), Simulación numérica de supercavitación

• Grupo de Investigación sobre Supercavitación de la Universidad de Minnesota
• El "Barracuda" de Diehl BGT Defence: un torpedo supercavitante alemán.
• Programa DARPA Underwater Express
• Global Security.org sobre la supercavitación
• Cómo construir un arma supercavitante, Scientific American