BATIUSP - O Desenvolvimento do Primeiro Veículo Submarino Tripulado Brasileiro

Paulo M. Tupinambá , Jose Mario C. de Souza e Afrânio R. de Mesquita

Setembro 1979



RESUMO

Este trabalho descreve o projeto, a fabricação bem como os testes preliminares de um batiscafo denominado BATIUSP, primeiro veículo submarino tripulado desenvolvido em território nacional, o qual é capaz de conduzir um tripulante, em total segurança e em condições atmosféricas, até a profundidade de 150m, em missões de observação e resgate.



SUMÁRIO

    1. Introdução e Objetivos do Programa BATIUSP

    2. As Premissas Iniciais para o Desenvolvimento do Programa

    3. O Sistema Batiusp – Descrição Geral

    4. O Vaso de Pressão

    5. O Sistema de Respiração de Ciclo Fechado

    6. O Sistema de Comunicação

    7. O Cálculo Resumido dos Principais Componentes Mecânicos

    8. Os Testes de Mar

    9. Bibliografia

    10. Principais Empresas que Participaram do Programa

    11. Figuras

 

    1. INTRODUÇÃO E OBJETIVOS DO PROGRAMA BATIUSP

No período de Janeiro a Julho de 1979, o IOUSP, através do seu N.Oc. Prof. W Besnard, participou, na região equatorial adjacente ao litoral norte brasileiro, do FGGE (First Global GARP Experiment), programa oceanográfico em cooperação internacional. No terceiro e último cruzeiro oceanográfico do programa houve a ruptura de uma manilha do sistema de ancoragem de um marégrafo com a conseqüente perda do instrumento oceanográfico em questão (marégrafo de fundo fabricado pela AANDERAA modelo TG 2A) o qual continha, em seus registros magnéticos, informações de fundamental importância para o programa como um todo.

A região na qual se deu o acidente, junto aos Penedos de São Pedro e São Paulo, dificultava sobremaneira quaisquer soluções de resgate do equipamento perdido em função da profundidade (aproximadamente 120m), tipo de fundo (pedregoso e acidentado) bem como da distancia da costa (cerca de 515 milhas).

Foi nesse cenário que teve origem o Programa BATIUSP, tendo como objetivos principais:

      Recuperar equipamentos e instrumentação de pesquisa perdidos na zona eufótica.

      Servir como veículo de apoio durante a instalação de "moorings" instrumentados na plataforma continental do Estado de São Paulo, dentro da programação do subprojeto Hidrodinâmica Costeira, biênio 1980-1981.

      Desenvolver a tecnologia submarina no IOUSP, principalmente nas áreas de:

Norteado por esses objetivos e com o suporte financeiro da FINEP (Financiadora de Estudos e Projetos) através do Projeto de Hidrodinâmica Costeira, do MEC (Ministério da Educação e Cultura) e do próprio IOUSP (apoio logístico), o programa culminou, após um período de desenvolvimento extremamente reduzido (cerca de quatro meses), com os testes bem sucedidos do primeiro veículo submarino tripulado produzido em território nacional.

 

    2. AS PREMISSAS INICIAIS PARA O DESENVOLVIMENTO DO PROGRAMA

Algumas restrições básicas para o projeto surgiram imediatamente, a saber:

      a. Orçamento disponível extremamente reduzido.

      b. Opção por um veículo não autônomo e operado vinculado à embarcaçãode apoio através de um cabo umbilical tornando desnecessários motores, lastros móveis, baterias estanques, navegação e comunicação acústicas, os quais exigiriam um prazo relativamente longo e um volume maior de recursos para a execução do projeto.

      c. O sistema deverá comportar futuras alterações visando torná-lo um submersível autônomo.

      d. O sistema deve ser operável a partir de embarcações de pequeno porte (20m, 30 ton), o que pode ser assegurado através de uma limitação no peso máximo do submersível o qual foi fixado da forma seguinte:

      e. Profundidade de trabalho em torno de 150 m, permitindo operações sobre, praticamente, toda a plataforma continental brasileira.

Considerando essas premissas a forma tubular com tampos rebordeados foi escolhida em detrimento da esférica a qual, embora sendo mais eficiente do ponto de vista estrutural, acarretaria o inconveniente de um maior volume interno para acomodar o tripulante implicando em maior flutuação e na necessidade de um lastro proporcionalmente maior excedendo os limites do projeto seja em termos de peso como de custo.

Testes realizados com um tubo protótipo de madeira revelaram que as dimensões mínimas capazes de alojar um tripulante com os equipamentos necessários eram:

Um calculo preliminar da espessura de parede necessária para que um cilindro não reforçado com essas dimensões resista à pressão externa de 15 atm leva a valores tão grandes quanto 3/4'' ou 1'' implicando em pesos da ordem de 800kg apenas para o cilindro. Dessa maneira, como meio de otimizar a relação peso / resistência, tornou-se clara a necessidade de utilização de anéis de reforço na estrutura do BATIUSP. Deste modo, os anéis, com seu grande momento de inércia, garantiriam principalmente a inexistência da instabilidade elástica, enquanto a chapa do casco asseguraria principalmente a resistência em termos do escoamento de membrana, como será detalhado mais à frente. Com essa solução viabilizou-se uma relação adequada peso - resistência.

Adicionalmente, decidiu-se pela colocação de dois visores, um frontal e outro inferior, além de uma escotilha com fecho interno e externo.

Dessa forma, delineou-se a configuração geral do veículo do sistema como exibido no croquis da Figura 1.

  1. O SISTEMA BATIUSP – DESCRIÇÂO GERAL

Basicamente, o conjunto completo (ver Figuras 2A) pode ser decomposto nos seguintes sistemas:

      a. VEÍCULO

      b. SISTEMA DE SUSTENTAÇÃO

      c. SISTEMA DE COMUNICAÇÃO

A seguir passaremos a descrever com mais detalhe apenas os sub sistemas principais do BATIUSP.



  1. O VASO DE PRESSÃO

O vaso de pressão foi construído em aço inoxidável tipo AISI304 segundo as normas da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) e da American Society for Mechanical Engineering (ASME - Divisão 1, Seção VIII, 1977).

A configuração final do vaso pode ser vista na Figura 3.




      a. MATERIAL

      b. FABRICAÇÃO DO CILINDRO COM ANEIS DE REFORÇO

      c. TAMPOS TORISFÉRICOS

      d. ABERTURAS

      e. VISORES

      f. ESCOTILHA

      g. VEDAÇÃO

    5. SISTEMA DE RESPIRAÇÃO FECHADO

Com vistas a viabilizar uma maior autonomia para o BATIUSP um sistema de respiração de ciclo fechado foi especialmente desenvolvido para atender às necessidades respiratórias do operador, a saber, o suprimento de oxigênio e a eliminação do gás carbônico.

A troca do oxigênio e do dióxido de carbono entre o sangue e as células do corpo é feita em direções contrárias. O oxigênio, sendo continuamente utilizado nos tecidos, está nestes últimos a uma pressão parcial menor do que no sangue. O gás carbônico, por putro lado, está sendo produzido dentro desses mesmos tecidos como subproduto do metabolismo celular e, portanto, a sua pressão parcial nas células do corpo é maior do que na corrente sanguínea.

Em termos fisiológicos as taxas com as quais o oxigênio pode ser suprido e o gás carbônico removido dos tecidos do corpo humano dependem de vários fatores:

Em regime de descanso, cerca de 0,5 litro por minuto de oxigênio é utilizado pelos tecidos enquanto que durante um exercício, um máximo de 3,5 litros por minuto de oxigênio poderá ser necessário.

A flexibilidade do sistema respiratório para adequar-se a esses limites de demanda é baseada na variabilidade dos ritmos respiratório e cardíaco, bem como dos acréscimos nos diferenciais das pressões parciais do oxigênio e do dióxido de carbono durante o exercício.

Assim, enquanto que a taxa de troca desses gases respiratórios e a quantidade total trocada por unidade de volume sanguíneo dependem principalmente das respectivas diferenças nas pressões parciais (uma vez que o tempo gasto em contato com o sangue nos tecidos capilares é suficiente para garantir o equilíbrio dinâmico completo nos dois sentidos), é o aumento no volume de fluxo sanguíneo através desses tecidos (em função de um ritmo respiratório e cardíaco mais acelerado) que garantirá a demanda necessária quando os tecidos estão mais ativos e a necessidade de oxigênio é maior,.

Um excesso de gás carbônico nos tecidos pode causar sérios danos. No ar fresco existe somente 0,033% desse gás em volume, correspondendo a 0,00033 app (atmosferas de pressão parcial). Confusão e sonolência se tornam mais relevantes em níveis de 0,10 a 0,15 app. Acima de 0,15 app espasmos musculares e rigidez podem ocorrer. Outros efeitos que podem surgir são dores de cabeça, náuseas e loucura.

O aumento de dióxido de carbono na mistura de ar estimula o centro respiratório a aumentar a taxa de respiração. Gás carbônico a 0,02 app, geralmente aumentará o ritmo respiratório notavelmente.

Foi assumido, para a operação normal do BATIUSP, um limite no nível de CO2 equivalente a 0,01 app ou 1% em volume.

De maior tolerância são as variações na pressão parcial de oxigênio.

Oxigênio pode ser tóxico ao corpo quando respirado a altas pressões parciais. Uma pressão parcial entre 0,2 a 0,5 app é considerada ótima. Pressões parciais entre 0,5 a 1,2 app podem ser toleradas durante pequenos períodos de tempo, geralmente menores do que 4 horas.

Para o caso do BATIUSP, o objetivo é manter o nível de O2 na faixa de 0,2 a 0,5 app ou 20% a 50% em volume.

O Sistema de Ciclo Fechado empregado no BATIUSP bem como na maioria dos veículos submarinos tripulados (submarinos militares, por exemplo) baseia-se no fato de que apenas uma pequena parte do oxigênio do ar inspirado é absorvida pelo corpo, sendo que grande parte é novamente liberada na atmosfera através do ar exalado. Dessa forma, sistemas abertos tendem a ser ineficientes uma vez que liberam o ar expirado no meio aquoso ou de volta para a atmosfera. Acrescente-se ainda que aproximadamente 80% do ar é composto de nitrogênio, que praticamente não participa do metabolismo humano.

Empregando-se um absorvedor de dióxido de carbono, principal componente dos sistemas fechados, a solução permite a reutilização total do residual de oxigênio exalado.

Por exemplo, se usarmos como absorvente o hidróxido de bário, a reação química é:

CO2 + Ba (OH)2 => BaCO3 + H2O

resultando em carbonato de bário e água.

Deste modo, o oxigênio que não foi usado poderá voltar à atmosfera ambiente, para posterior re-inalação.

Em um sistema fechado somente precisamos reintroduzir no ambiente aquela quantidade de oxigênio efetivamente absorvida pelo organismo enquanto que o CO2 é absorvido e o N2 mantem-se constante, como apresentado na Figura 7.




O Sistema Fechado utilizado no BATIUSP pode ser visto de forma esquemática na Figura 7.

Uma vez que o batiscafo tem um volume interno de 800 litros, o ar interno poderia ser utilizado por pelo menos 15 minutos, sem contra-indicação.

O sistema utiliza essa atmosfera ambiente como "buffer" e emprega um tubo de oxigênio medicinal, com 480 litros de capacidade, armazenados a 3.000psi, dotado de reguladora e flowmeter, como fonte suplementar desse gás.

Os demais componentes do sistema são:

Alguns aspectos adicionais do sistema são:

    6. SISTEMA DE COMUNICAÇÃO

De fundamental importância neste programa é o sistema de comunicação, uma vez que o BATIUSP, em uma missão típica, deverá agir como veículo de inspeção da embarcação de apoio.

É composto de:

Um esquemático do sistema pode ser visto na Figura 8.




Devido ao cronograma extremamente curto associado ao desenvolvimento e à necessidade de instalação de um sistema seguro e eficiente, escolheu-se a comunicação via cabo eletromecânico através de telefones convencionais com magnetos.

O cabo elétrico utilizado é um cabo eletromecânico especialmente desenhado para trabalhos oceanográficos, com 1/4'' DIA., o qual dispõe, em seu núcleo, de um cabo coaxial..

Este cabo, bastante resistente, foi operado no mesmo guincho hidrográfico que opera o cabo de sustentação da unidade submarina.

O comprimento total do cabo condutor é de 500m. Para tal comprimento, foi suficiente uma tensão de trabalho de 6 V, sendo utilizadas quatro baterias secas de 1,5 V, sendo duas em cada extremidade do cabo.

Sistemas semelhantes podem ser utilizados em profundidades superiores a 1000 m.

Os níveis de ruído, perda e consumo observados nas transmissões foram bastante baixos.

A bordo da embarcação de apoio, além do telefone magneto, havia também uma saída elétrica de sinal para gravador de fitas magnético.

A bordo do submersível, o telefone foi levemente modificado com a inclusão de um headfone, a fim de ser adaptado a cabeça do operador, sem a necessidade do emprego das mãos.

Durante os testes, o cabo de sustentação do submersível foi enrolado em um guincho hidrográfico paralelamente ao cabo eletromecânico de comunicação.

Esta operação, apesar de delicada, é viável para as profundidades envolvidas durante a fase de testes e apresentou resultado bastante satisfatório.

A longo prazo, um sistema acústico sem fio deverá ser desenvolvido para a comunicação com o submersível, viabilizando a autonomia total do veículo.

Tal sistema será, no futuro, de fundamental importância tanto para a comunicação como para navegação.



    7. O CÁLCULO RESUMIDO DOS PRINCIPAIS COMPONENTES MECÂNICOS

7.1 VASO DE PRESSÃO

O cálculo do vaso de pressão pode ser assim subdividido:

    1. CÁLCULOS DOS CILINDROS E ANÉIS DE REFORÇO




      b. CÁLCULOS DOS TAMPOS REBORDEADOS

      c. CÁLCULO DA ESCOTILHA

      d. CÁLCULO DOS VISORES ACRÍLICOS

      e. CÁLCULOS DOS REFORÇOS PARA ABERTURAS NO CASCO

7.2 SISTEMA DE SUSTENTAÇÃO

O sistema de sustentação foi executado com material adquirido junto a empresa COMCABO Comercio e Importação Ltda, conceituada firma fornecedora de cabos de aço, laços e equipamentos de força para o mercado brasileiro.

As especificações utilizadas para o sistema de sustentação estão de acordo com a publicação "Normas Técnicas COMCABO - 2a. edição - 1978".

Em condições normais de operação, o esforço no sistema de sustentação pode advir de duas situações operacionais distintas:

    a. Submarino suspenso fora d'agua.

    b. Submarino imerso sujeito à flutuação negativa e ao arrasto devido a correntes


    c. CARGA DE TRABALHO E FATOR DE SEGURANÇA

      7.3 ESTABILIDADE

    a. FLUTUAÇÃO TOTAL

    b. CALCULO DO PESO TOTAL

Em função dos sub totais acima, o peso total (s/ lastro, P11 = 0) será:

A reserva de flutuação em caso de emergência (P11 = 0 ) é de:

A reserva de flutuação em operação normal (P11 = 250Kgf ) é de:

A reserva de flutuação com lastro máximo ( P11 = 355Kgf ) é de:

    c. CÁLCULO DA ESTABILIDADE

7.5 DINÂMICA DO VEÍCULO

Queremos estudar o movimento do submersível livre do sistema de sustentação, para que possamos prever o que ocorrerá caso haja ruptura do mesmo.

Temos dois casos distintos:

A equação diferencial do movimento é:

Integrando a equação diferencial do movimento obtemos:

Observando a equação integrada do movimento concluímos que, a partir de uma condição de repouso, para ambas as situações, a velocidade vertical cresce rapidamente até atingir um valor assintótico "vl", dado pela Eq. 16.

O tempo de aceleração pode ser estimado sabendo-se que:

é o período necessário para que o aparelho atinja aproximadamente 80% de vl.

Analisemos, agora, cada caso em particular.

    a. Ruptura de cabo sem que o operador solte o lastro móvel

    b. Após a liberação do lastro, temos:

Os cálculos acima estão sujeitos a variações em função do ponto de ruptura do cabo de sustentação, o qual poderá aumentar ou diminuir F e M.

Entretanto, os valores determinados representam boas estimativas dos parâmetros máximos esperados em ambas as situações aventadas acima.



7.6 VEDAÇÃO

Foram utilizados anéis tipo "O Ring'', fabricação da PARKER HANNIFIN DO BRASIL

.São fabricados em NEOPRENE, com dureza SHORE = 70.

O NEOPRENE é indicado em aplicações estáticas e dinâmicas, bem como para uso em água salgada.

Na figura abaixo encontramos um gráfico (Parker Hannifin – 1978) para a pressão limite (colapso por extrusão) das vedações com O-Ring, plotada em função da folga existente entre as superfícies a serem vedadas.

O fator de segurança adotado no BATIUSP foi igual a 5.




A maior folga encontrada no BATIUSP ocorre no eixo do gatilho do dispositivo de liberação do lastro, para a qual foi constatado o valor de 0,2mm. Do gráfico acima obtemos:

    8. TESTES DE MAR

No dia 21/11/1979, o BATIUSP foi embarcado no N/Oc. Prof. W. Besnard, para o seu primeiro teste de mar. Participaram do cruzeiro, além dos pesquisadores do IOUSP, engenheiros das empresas Pronfer e Calderaria e Mecânica Inox, principais firmas responsáveis pela execução da fabricação, os quais acompanharam e avaliaram os mergulhos e o funcionamento do sistema.

Os teste podem ser divididos em seis etapas:

    a. Testes no IOUSP: Sistema de Respiração e Liberação do Lastro

    b. Teste de estabilidade e flutuação:

    c. Teste estrutural

    d. Teste do sistema de comunicação

    e. Primeiro mergulho tripulado

    f. Teste de liberação de lastro

Com base nos diversos testes executados, ao largo da costa de São Paulo e no Arquipélago de Alcatrazes em novembro de 1979, podemos afirmar:





AGRADECIMENTOS:

Ao Professor Doutor Kamal, A. R. Ismail da Unicamp pela consultoria prestada. A Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP). Ao banco Banespa e ao Ministério da Educação e Cultura (MEC) que financiaram a construção do equipamento e FAPESP pelo apoio dado no Cruzeiro do Noc. Prof W. Besnard aos Rochedos de São Pedro e São Paulo no Atlantico Equatorial.





  1. BIBLIOGRAFIA

  1. ASME Code For Pressure Vessels Divisão 1, Seções 8 e 9

  1. Swedish Code For Pressure Vessels - 1976

  1. ABNT - PNB - 109

  1. Pressure Vessels Handbook, W.B. Sauders Co., 1977

  1. Stainless Steel Handbook, 1978, Wiley

  1. Plastic Materials Handbook, 1977, Wiley & Sons

  1. Especificações para Aparelhos de Força Concabo , 1979, 2a edição, Concabo Com. E Imp. Ltda

  1. Especificações para Anéis de Vedação, Parker Hannifin do Brasil, 1979

  1. Especificações Niken para Tampos Torisféricos, 1979, Niken Metalúrgica Ltda

  1. The NOAA Diving Manual, United States Department of Commerce, 1977

  1. The Business of Diving, John E Kenny, Penn Pub. Inc., 1976

  1. Resistência dos Materiais, Timoshenko e Stephens, 1977



  1. FIRMAS QUE PARTICIPARAM DA EXECUÇÃO DO PROJETO

  1. Calderaria e Mecânica Inox Ltda.

  1. Pronfer Ltda.

  1. Niken Metalúrgica Ltda.

  1. J.F. Basso Ltda.

  1. Instituto de Pesquisa Tecnológica (IPT - USP)

  1. Plastitécnica Ltda.

  1. Imbel Ltda.