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Cerberus v5

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  • 1. CerberusUn portaviones flexible de coste limitado
  • 2. ¿Por qué un portaviones?• En esta ocasión desde el equipo de RGS3 nos hemos embarcado en el diseño de un buque portaviones. Aunque era una empresa que llevábamos considerando desde hace tiempo, la complejidad que preveíamos en la misma hizo que la fuésemos posponiendo a favor de otros proyectos. Hace unos meses le dimos la luz verde definitiva y ahora os presentamos el resultado.
  • 3. • Como en otras propuestas anteriores, son premisas fundamentales: -Recurrir a soluciones innovadoras pero que hayan sido ya objeto de estudio e incluso utilización en otros proyectos, mostrando su viabilidad. -Buscar una gran flexibilidad de empleo. Los mayores compromisos de diseño se toman en aras de la polivalencia. -Aspirar, pese a todo, a un equilibrio en el precio de adquisición: riesgos en algunos aspectos del proyecto se compensan con soluciones probadas en otros. -Los sistemas incluidos no tienen por que ser los mejores existentes en el mercado, sólo los adecuados y suficientes para las misiones encomendadas. -Priorizar unos costes de mantenimiento y operación, a lo largo de la vida útil del buque, lo más reducidos posible.
  • 4. • Este portaviones no lo proponemos como un posible candidato para la Armada española ni ninguna otra en general, pero si pensamos que podría ser adecuado para marinas de ciertas dimensiones, que aspiren a detentar una mayor capacidad de proyección e intervención exterior y que, por supuesto, dispongan en los próximos años del suficiente potencial inversor. Podríamos pensar en India, Brasil o Corea del Sur.• En Europa, fuera de los países ya dotados o que se van a dotar con portaviones convencionales (Francia y Reino Unido), no parece que ningún otro pueda aspirar en el medio plazo a un buque de estas características, bien por limitaciones de presupuesto o por falta de voluntad política o por ambos motivos (Alemania, Italia o España).• Otra posibilidad sería plantear este proyecto como de colaboración entre varios países del viejo continente para servir de núcleo de una fuerza naval de intervención europea. Podríamos hablar así de una pareja de unidades costeadas de forma conjunta con una participación industrial de cada país proporcional a los recursos invertidos y con dotaciones y grupo aeronaval embarcado también de composición heterogénea. Somos conscientes que tal posibilidad de colaboración es, hoy por hoy, muy remota.
  • 5. En la últimos años han proliferado los proyectos de buques portaeronaves en diversas marinas, después de décadas de relativa atonía en este sector, con la notable excepción de la US Navy.(Imágenes cortesía Military Times, Ships of the World, Shiv Arooy y china-defense-mashup.com)
  • 6. • Cuando iniciamos el diseño del Cerberus, pues así lo hemos bautizado, nos fijamos como objetivo un buque que se moviese en el rango de las 35.000-40.000 t, que tuviese un sistema de propulsión no nuclear, que pudiese sostener un ala embarcada tipo de 36 aeronaves y que ofreciese la suficiente flexibilidad como para poder operar indistintamente medios CATOBAR, STOBAR y STOVL, tripulados o no.• Con estas premisas en mente llegamos a la conclusión de que uno de los factores determinantes para ofrecer dicha flexibilidad era la superficie de cubierta de vuelo disponible y, en menor grado pero también de forma importante, el volumen del hangar y la posibilidad para sostener velocidades en el rango de los 26-28 n.• Pronto descubrimos que esto casaba mal con una configuración monocasco y un desplazamiento que esperábamos no se desviase demasiado de esa cifra de 35.000 t.• Nos aventuramos entonces en el campo de los multicascos, donde ya teníamos alguna experiencia previa (proyecto BEM/Atrevida). De las diferentes posibilidades existentes elegimos un trimarán en configuración DASH-SWAT, diseño sobre el que existe alguna bibliografía disponible en la red.
  • 7. Fases iniciales en el diseño del Cerberus.Ya en las primeras etapas se hizo evidente la necesidad de unincremento en las dimensiones.
  • 8. • Como en todo proyecto, incluso en aquellos en los que se parte de unos supuestos restrictivos, fue difícil evitar un crecimiento del mismo a medida que nos enfrentábamos al diseño detallado o introducíamos nuevos requerimientos que nos fueron pareciendo deseables.• El resultado es el que podéis observar en este documento. Cerberus ha crecido hasta las 45.000 t, sería capaz de sostener 28 n en operaciones aéreas de gran intensidad y en caso de necesidad podría acoger alas embarcadas de hasta medio centenar de aeronaves, incluyendo UAV/UCAV, aunque seguimos manteniendo como ala estándar la de 36 antes apuntada.• Como siempre esperamos que lo disfrutéis y sobre todo que sea fuente de debate y objeto de controversia.
  • 9. ¿Por qué un casco trimarán?• El recurso a una configuración multicasco puede parecer arriesgado para una plataforma de este valor y dimensiones y sin duda lo es. Existen, sin embargo, un buen número de buques funcionando con configuraciones catamarán, SWATH, SES y trimarán, entre otras. Esto es así especialmente en el sector civil, pero también en número creciente en el militar.• Los procesos constructivos se conocen, así como el comportamiento real de las embarcaciones, con sus puntos fuertes y débiles. Existen además una cantidad ingente de estudios y trabajos al respecto, incluyendo numerosos ensayos tanto virtuales como en canales de pruebas.• Pese a esto, resulta obvio que su aplicación a un portaviones (empresa ya de por si dificultosa) resulta un reto no al alcance de cualquier constructor, y lo lógico será encontrar mayores problemas e incertidumbres que si se optase por un diseño más tradicional.• Asumiendo ese riesgo, pasamos a enumerar algunos pros y contras de la opción escogida.
  • 10. Tanto en el sector civil como en el militar los multicascos son hoy en día una realidadconsolidada (Imágenes cortesía US Navy, Ships-Technology y Wikipedia).
  • 11. • La solución DASH-SWAT (Small Waterplane Trimaran) combina parte de las características de un trimarán convencional con otras de un catamarán SWATH (Small Waterplane Twin Hull).• Los cascos del DASH-SWAT ofrecen menor superficie de planeo que un trimarán tradicional o un monocasco pero de forma menos acusada a como lo haría un catamarán-SWATH, pues los cascos están sumergidos a menor profundidad relativa que en este último. Se consigue aprovechar así parte de las magnificas cualidades de los SWATH en cuanto a tenida en la mar, especialmente con mal tiempo, pero mitigando otras como la mayor resistencia al avance.• El principal efecto conseguido es el de una gran estabilidad tanto longitudinal como transversal, factor esencial en un portaviones. La resistencia al cabeceo también se ve reforzada gracias al empleo de proas negativas (tumblehome) en los tres cascos.• Respecto a un trimarán convencional se ve aumentada la resistencia de fricción, lo que se hace más evidente a velocidades a partir de los 25 n. En cualquier caso resulta inferior a la que correspondería a un monocasco de similar eslora y desplazamiento. Al considerarse un buen compromiso el valor de 28 n sostenidos en estados de mar hasta SS5, finalmente se ha preferido la opción DASH-SWAT.
  • 12. • Es bien conocida la ventaja que ofrecen los multicascos en materia de volumen y superficie disponibles en la obra muerta para una eslora dada. Esto resulta un factor muy atractivo para un portaviones, que es, en lo esencial, más un transporte de “cargas voluminosas” que uno de “cargas pesadas” (por ej. vehículos, aunque estos sean aeronaves). En ese sentido un diseño trimarán resulta tan adecuado para un buque portaeronaves como lo pueda ser para un Ro-Ro. El Cerberus es deudor, entre otros, de proyectos como el HALSS del CCD- TT (Imágenes cortesia del CSC Advanced Marine Center).
  • 13. • En el lado negativo, con respecto a un monocasco tradicional, la maniobralidad (radio de giro) se ve disminuida, pero se ha considerado un factor de menor importancia en un portaaviones.• Para un desplazamiento dado la fracción del mismo correspondiente al peso de la estructura es mayor, en consecuencia la capacidad de carga en peso es algo menor (no así en volumen, donde es bastante superior) que la que correspondería a un buque convencional. Con todo, los valores de carga de municiones y combustible son muy respetables. Además, la mayor eficiencia hidrodinámica permite con menos combustible conseguir autonomías similares o superiores a las de otros diseños más tradicionales.• El volumen disponible bajo la línea de flotación se distribuye de una forma menos óptima que en un monocasco, pero gracias a la madurez de la soluciones propulsivas “todo-eléctricas” es posible acomodar los elementos más voluminosos (motores) de forma satisfactoria.• La gran manga en la flotación (combinación de los 3 cascos) hace que el buque tenga a su disposición un menor número de gradas adecuadas para entrar en dique seco.• Ya se comentó antes la mayor complejidad constructiva y de diseño de un casco de estas características.
  • 14. Existen un número significativo de estudios que propugnan el empleo de trimaranes en buquesde gran porte. Es de suponer que a medida que maduren los procedimientos constructivos y sesigan recogiendo datos favorables de su uso en proyectos más pequeños se empiece a asumirel reto de incorporar esta solución en buques mayores (Imágenes cortesía de Austal, CCD-TT yNPS Monterey).
  • 15. • Como resumen, a la hora de decantarnos por un casco trimarán DASH-SWAT valoramos sus excelentes cualidades de estabilidad, volumen de carga y superficie de pista disponible, así como la posibilidad de poder desarrollar velocidades sostenidas por encima de los 25 n con una potencia motriz de entre un 65 y un 80 % de la que se necesitaría con un monocasco clásico.
  • 16. Características generales del Cerberus• El Cerberus desplaza 45.000 t a plena carga, mide casi 260 m de eslora y supera los 70 de manga en la cubierta de vuelo. El calado es de hasta 10 m en la quilla central.• La generación de energía corre a cargo de una planta integrada toda- eléctrica en torno a un grupo de 2 turboaltenadores y dos de 2 dieselalternadores. Estos se distribuyen bajo la isla (los TA) y en cada uno de los cascos laterales (los DA). Estos elementos proporcionan hasta 85 MW de potencia.• La exhaución de gases se canaliza exclusivamente a través de la isla.• La propulsión es asegurada por 4 motores eléctricos de imanes permanentes (APM de Converteam, o similares) de 15 MW cada uno. Dos están en el casco central y uno en cada uno de los casco laterales. Estos motores mueven otros tantas hélices de paso fijo de 4 palas.• La velocidad máxima sostenida en estados de mar hasta SS5 es de 28 n. Son posibles puntas de velocidad por encima de los 29 n.• 2 pods auxiliares orientables de 1,5 MW aseguran la maniobra de precisión en puerto y propulsión de emergencia en caso de avería en los grupos principales.
  • 17. Planta de energía del Cerberus.El casco central acoge dos motores eléctricos, así como el cuadro principal de conversión eléctrica;cada casco lateral incorpora un motor eléctrico y un grupo de 2 dieselalternadores; el de babor,además, incluye los generadores auxiliares.Los dos turbogeneradores se alojan bajo la isla en el nivel de la cubierta de hangar.Dos propulsores orientables de emergencia y maniobra se disponen a proa y popa.
  • 18. • El Cerberus puede navegar 9.000 mn a 20 n con operaciones aéreas de poca intensidad o, por ejemplo, 2500 mn a 24 n, sosteniendo una media de 90 salidas diarias (4 días).• Aloja hasta 1250 personas en sus instalaciones propias con unos estándares de confort muy altos (camaretas de 4 para marinería, dobles para suboficiales y oficiales e individuales para oficiales de mayor graduación).• La tripulación propia del buque es de 450; otros 600 conforman una UNAEMB capaz de operar 40 aeronaves; una reserva de 200 para un estado mayor embarcado y un destacamento de infantería de marina.• En funciones de “Commando Carrier” se pueden acoger hasta 600 infantes en módulos habitación containerizados dispuestos en el hangar. Aun así queda espacio en el mismo para entre 8 y 15 helicópteros, dependiendo del modelo, o bien otro tipo de cargas, como vehículos ligeros y material susceptible de ser helitransportado.• Así mismo, Cerberus puede convertirse en un buque de gran capacidad para la asistencia en caso de catástrofes y crisis humanitarias. Las instalaciones orgánicas de hospital y enfermería ocupan 650 m2, sin menoscabo de su ampliación mediante módulos especializados.
  • 19. Cerberus dispone sus áreas de habitabilidad aproa, distribuidas en 4 cubiertas.Aparte de esto, el hangar puede acomodarpersonal adicional en número variable mediantemódulos habitación containerizados, así comootros tipos de carga.
  • 20. • Los principales sensores se agrupan en la única isla, a saber: -1 radar MFR activo en banda S de 4 antenas fijas, S4R o similar. -1 radar de superficie LPI en banda X, Aries o similar. -4 iluminadores para misiles ESSM en banda X, Mount o similares. -2 radares de navegación, Sperry Marine o similares. -1 radar de control de aproximación Aries PAR. -2 postes optrónicos, Argus o similares. -IFF de antena fija de tipo-XII. -Sistema integrado de guerra electrónica, con componentes CME y MAE. -Alertador láser, COLDS-NG o similar. -TACAN, comunicaciones satelitales y aéreas, Link-11, 16 y 22, etc.• Se prevén también 8 lanzadores de señuelos pasivos SRBOC, o similares, y 2 de señuelos activos Nulka, repartidos por el perímetro de la cubierta.• Se contaría con un sistema de señuelo antitorpedo remolcado Nixie, o similar, y sistema generador de burbujas Prairie-Masker.
  • 21. • Los sistemas de autodefensa “hardkill” se articulan en 3 niveles: -Un nivel de defensa de área local (hasta 30 mn) en base a un módulo VL Mk-41 de 8 celdas para 32 misiles ESSM. -Un nivel de defensa próxima (hasta 10 mn) en base a dos lanzadores Mk-49 para un total de 42 misiles RAM Block-I o Block-II. -Un nivel de defensa perimetral y frente amenazas asimétricas en base a 4 cañones de 25-30 mm en afuste Mk-38 Mod.2, 4 amt. de 12,7 mm en afuste Mini-Typhoon o similar, además de 3 cañones de agua, generadores acústicos (LADS), reflectores y posiciones de tiro para armas de accionamiento manual. Imagen que muestra la disposición de los sistemas de armas en la sección de proa del Cerberus.
  • 22. Imagen que muestra la disposición delos sistemas de armas en la sección depopa del Cerberus.Aunque una escolta adecuada esesencial en este tipo de unidades, sugran valor hace que resulte deseableasegurar unos niveles mínimos deautoprotección.
  • 23. • El centro de información de combate y control de operaciones se encuentra en la zona más protegida del buque y se compone de 22 consolas.• Otras 18 consolas se distribuyen entre el puente, el puesto de gestión de tráfico y la sala de control de plataforma. Todas están integradas por el sistema de combate.
  • 24. Las operaciones aéreas• La razón de ser de un portaviones es servir a la necesidad de lanzar y recoger aeronaves, de cuantos más tipos mejor, y asegurar el soporte de las mismas de la forma más satisfactoria posible.• Con Cerberus se ha pretendido llevar esto a la máxima expresión pero renunciando a las dimensiones y potencias de otras soluciones.• Por este motivo se ha pretendido maximizar el volumen y superficie disponibles, para lo que la configuración multicasco se ha considerado la más adecuada.
  • 25. • Las principales características de la cubierta de vuelo son: -Superficie total de más de 14.000 m2. -Una sola isla lo más compacta posible. -Dos elevadores de gran tamaño (340 m2) y capacidad (60 t), uno en cada banda del buque para aumentar la disponibilidad. -Dos líneas de catapultas de 90 m, estando situadas de manera que sea posible simultanear un lanzamiento con un apontaje frenado por cables. -Una pista oblicua de 9º de inclinación y 200 m de longitud. -Una rampa de ayuda al despegue de 10º de gradiente con dos sendas de carrera de 150 m cada una. Esta rampa no es imprescindible para los despegues con catapulta, pero resulta de gran utilidad para las operaciones con aparatos STOVL y STOBAR (la tecnología EMALS permitirá integrar catapultas en superficies con una ligera curvatura). -Tres áreas de aparcamiento, dos a estribor y una a babor, que permiten acomodar al menos 12 cazabombarderos sin interferir con ninguna de las catapultas ni con la pista oblicua. -Tres elevadores de armas de 10 t. Dos conectan la cubierta de vuelo con los pañoles de armas, con parada en el hangar, mientras que el tercero conecta directamente la cubierta con el hangar. Uno de ellos, además, tiene parada en la cubierta de hospital.
  • 26. • Dos catapultas EMALS (Electro-Magnetic Launch Sistem) se sitúan una a proa y otra a babor.• El apontaje sobre pista oblicua está asistido por un sistema de frenado AAG (Advanced Arresting Gear).• Toda la cubierta esta reforzada para permitir la toma en vertical de aviones STOVL tipo Harrier y F-35B, así como convertiplanos Osprey.
  • 27. • Las principales características del hangar son: -Más de 4600 m2 de superficie y 750 m2 adicionales de talleres para las aeronaves, incluyendo un área para trabajos de mantenimiento de tercer escalón. -Una altura útil en toda su superficie de 7,2 m, con un sistema de gestión y movimiento de cargas que sirve tanto a las operaciones de mantenimiento de las aeronaves como al trasiego de módulos y sistemas containerizados. En todo el hangar se pueden realizar trabajos de mantenimiento de primer y segundo escalón. -División en dos zonas separadas por un mamparo antiincendios, cada una servida por uno de los elevadores. -Capacidad para acoger unas 24 aeronaves de diversos tipos, dejando una vía de tránsito ininterrumpida entre ambos ascensores.• El ala embarcada típica la constituyen 36 aeronaves (24 cazabombarderos, 4 aparatos AEW y 8 helicópteros medios) con 24 en el hangar y 12 estacionadas en la cubierta de vuelo, sin invadir ninguna de las áreas de despegue y apontaje.• Dependiendo del tipo de aeronaves y su disposición a bordo se pueden conformar alas embarcadas de hasta 50 o más aparatos.• 4200 m3 de pañoles de armas (600 t de municiones), 2900 t de combustible de aviación (JP5) y más de 2400 t de diesel marino (DFM).
  • 28. El hangar esta divididoen dos zonas por unmamparo antiincendios.Aquí se muestra con unahipotética versión navaldel EF-2000. Incluso deun aparato como este,sin sistema de plegadode alas, se podrían alojar16 unidades, amén de 2aviones AEW Hawkeye y6 helicópteros utilitarios.
  • 29. • El Cerberus se ha diseñado con vistas a ofrecer la mayor flexibilidad de uso posible. Esto incluye la posibilidad de operar con fluidez un rango muy amplio de medios, incluyendo UAVs y UCAVs, helicópteros pesados, etc.
  • 30. • Consideraciones sobre los sistemas de catapultaje y apontaje: -El recurso a 2 catapultas electromagnéticas y a un sistema de cables de frenado eléctrico en lugar de hidráulico permite ahorrar el espacio que de otra forma tendría que dedicarse a una compleja canalización de líquidos y gases, así como al sistema de generación de vapor. -Por el contrario hay que dimensionar en consecuencia la planta eléctrica. Esto se puede hacer de forma más óptima y eficiente en un buque IFEP (Integrated Full Electric Propulsion) como es el Cerberus. -Con la propulsión a su máxima potencia nominal aun se dispone de un remanente de al menos 25 MW. -La potencia media precisa para cada una de las catapultas es de unos 5 MW y otros 3 MW para el sistema de apontaje. Suponiendo un régimen de operaciones aéreas de gran intensidad y velocidades sostenidas de 26-28 n, restarían 12-15 MW de potencia eléctrica para las otras funciones del buque. -Tanto las EMALS como el AAG son equipos en desarrollo, con los riesgos inherentes a una tecnología en ciernes. Hacia 2015 ambos sistemas deberían de estar embarcados en el primero de los CVN de la clase Ford. -Podemos confiar que en el periodo 2020-2025 estarán suficientemente maduros como para incorporarlos en nuestra propuesta sin demasiadas incertidumbres en lo que respecta a su rendimiento y operatividad.
  • 31. Distribución de los diferentes depósitos de fluidos en el Cerberus.Todo el cielo del hangar está recorrido por unsistema de gestión de cargas que permite movercon precisión desde contenedores acomponentes de las aeronaves.
  • 32. • Resultado de los valores enumerados, Cerberus podría sostener 3 días continuos de operaciones aéreas de gran intensidad, a una media de 124 salidas diarias (372 salidas totales), y navegando a velocidades de entre 26 y 28 n antes de precisar repostaje por parte de las unidades de apoyo.• Escenarios menos exigentes que el anterior serían por ejemplo el que contempla hasta 9 días de operaciones continuadas, a razón de 44 salidas diarías, y navegando a 22 n de media, con puntas de 26-28 n cuando se requiriese.
  • 33. Cerberus se ha diseñado con vistas a permitir la operación de cualquier modelo de aeronave naval,presente o futura, independientemente de sus rutinas de despegue y apontaje.
  • 34. Conclusiones• Creemos que Cerberus es un concepto que permite obtener el mayor rendimiento posible de un desplazamiento, eslora y potencia limitados. A cambio exige asumir las complicaciones y riesgos inherentes a un diseño innovador. Superados estos, entendemos que permite obtener unas capacidades que en un casco convencional precisarían, cuando menos, de un 50 % más de desplazamiento y otro tantos de potencia instalada. El coste del ciclo de vida a lo largo de 40 años compensaría sobradamente el desembolso inicial correspondiente a los gastos de desarrollo y construcción.

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