ll Rostro dei nuovi pattugliatori polivalenti d'altura

Un esempio innovativo di wave-piercing bow

Dalla Rivista Marittima di Gennaio 2021 la spiegazione molto dettagliata del motivo per il quale sui PPA viene adottato il "Rostro" a prora 

 Di  Gabriele Catapano - Mario De Biase 

I pattugliatore polivalente d'altura (PPA), sviluppato insieme a  LSS e LHD nell'ambito del programma per la tutela della capacità marittima della Difesa, è una nave estremamente complessa e sofisticata in grado di espletare differenti tipologie di missioni, esprimendo capacità operative di primissimo livello. Si tratta di una unità di concezione innovativa, nata per sorvegliare e controllare gli spazi marittimi d'interesse nazionale, vigilare sulle attività marittime ed economiche, concorrere alla salvaguardia dell'ambiente marino, supportare operazioni di soccorso alla popolazione colpita da calamità naturali e per concorrere alla scorta di gruppi navali, navi maggiori e mercantili. Tutto ciò deve essere svolto da una sola piattaforma, per la quale sono state pensate ben tre configurazioni, differenti e incrementali, del sistema di combattimento, rispettivamente Light, Light+ e Full. L'esigenza di integrare queste numerose e complesse capacità sulla stessa piattaforma ha richiesto lo sviluppo di alcune soluzioni progettuali innovative, quali, per esempio, la definizione di forme e appendici di carena tali da poter soddisfare il requisito di massima velocità sviluppabile. Come facilmente si può intuire, velocità particolarmente elevate richiedono, a parità di altri fattori (i.e. dimensioni carena, dislocamento nave, ... ) valori di potenza propulsiva installata altrettanto elevati In linea teorica, le leggi fondamentali dell'idrodinamica insegnano che per limitare la resistenza al moto di una data carena e quindi la potenza propulsiva installata, a parità di dislocamento, è necessario incrementare la lunghezza al galleggiamento, lasciando invariati gli altri parametri progettuali. È, infatti, noto che la resistenza al moto R per un corpo parzialmente immerso - come è appunto una nave - è essenzialmente la somma di due componenti principali: la resistenza d'attrito Rf legata a fenomeni di natura viscosa (1) e la resistenza residua Rr (in cui è inglobata la c.d. resistenza d'onda) (2).legata a fenomeni di natura gravitazionale: quest'ultima componente. Predominante nel computo complessivo della resistenza al moto alle alte andature (in corrispondenza delle quali la componente d'attrito è praticamente trascurabile), risulta poi inversamente proporzionale alla lunghezza al galleggiamento (Lwi) ln virtù delle seguenti relazioni analitiche che permettono di determinare il relativo coefficiente adimensionale Cr :

Di conseguenza, incrementando la lunghezza al galleggiamento di una determinata carena è tecnicamente possibile ridurre la corrispondente resistenza residua e quindi conseguentemente anche la resistenza al moto in corrispondenza di andature particolarmente elevate in relazione alle dimensioni nave (FN>O.3). La lunghezza della nave militare, in particolare la lunghezza tra le perpendicolari, Lpp, è, però, figlia del requisito operativo: la Lpp viene, infatti, calcolata per permettere l'istallazione del sistema di combattimento e, più in generale, del payload in grado di soddisfare tutti i requisiti della Forza armata. Nel caso specifico della carena del PPA, determinata la lunghezza utile a permettere I' installazione del sistema di combattimento e del necessario payload  operativo, è stato necessario investigare dapprima su soluzioni alternative che. lasciando sostanzialmente invariato il peso e le forme di massima dell'unità, potessero contribuire a contenere la resistenza all'avanzamento in corrispondenza della velocità massima ovvero a sviluppare potenze propulsive particolarmente elevate. Dopo aver scartato soluzioni relative  a sistemi propulsivi differenti (i.e. per esempio: water-jet. risultate essere di complessa applicazione ovvero scarsamente efficaci) e dopo aver esasperato il processo di ottimizzazione delle forme poppiere di carena e la progettazione del relativo propulsore (eliche di tipo tradizionale a 5 pale orientabili con profili alari idonei a sostenere carichi idrodinamici elevati). lo sforzo ingegneristico è stato indirizzato sull'ottimizzazione delle forme prodiere. e in particolare della prora. Pertanto, al fine di incrementare la lunghezza al galleggiamento senza però variare le dimensioni della nave (soprattutto in termini di lunghezza tra le perpendicolari). è stata valutata la possibilità di implementare un apposito bulbo ovvero un'appendice idrodinamica nella zona prodiera. in corrispondenza del dritto di prora. a livello del galleggiamento. Come noto nell'ambito della letteratura specifica di settore, tale soluzione risulta essere sufficientemente efficace contribuendo a una riduzione della resistenza al moto in corrispondenza di andature particolarmente elevate. Un esempio innovativo di bulbo idrodinamico quello che è stato progettato ma poi mai applicato sulle unità DDG-51 dell'US Navy  che, in base agli standard sviluppati. consentirebbe di recuperare fino a un massimo anche dell'8%  di potenza rispetto a una configurazione tradizionale della prora (vedasi Figura l), L'aspetto limitante di tale soluzione consiste nel fatto che il bulbo idrodinamico è effettivamente efficace solo se viene a trovarsi in corrispondenza delle linea di galleggiamento per la quale è stato progettato di conseguenza, può essere ottimizzalo solo per una determinata condizione di carico e quindi per un noto valore di dislocamento. Nel caso particolare del PPA. essendo previste, come accennato. per la stessa piattaforma tre differenti configurazioni di carico in funzione della tipologia di armamento imbarcato (Light, Light+ e Full)' è stato necessario far evolvere I' idea dell'appendice idrodinamica prodiera in modo sostanziale. affinché. al variare del dislocamento e quindi dell'immersione, risultasse comunque efficace, ai fini della velocità, andando a incrementare in modo fittizio la lunghezza al galleggia- mento. Seguendo questa idea, è stata sviluppata la forma singolare a <<rostro" (prora nr. 1); 

Figura 1 - Il bulbo idrodinamico sviluppato per le unità DDG-51 dell’US Navy
(Fonte: Hydrodynamics Energy Saving Enhancements for DDG 51 Class Ships – ASNE Day 2012).

tale appendice è stata adeguatamente integrata nella carena e armonizzata con le forme prodiere in modo tale che risulti emersa in qualsiasi condizione di carico.  . Questo lavoro è stato svolto, inizialmente, attraverso I' impiego di codici computazionali di fluidodinamica numerica (CFD), con I' obiettivo di evitare eccessive variazioni nell'andamento dei filetti fluidi in prossimità della superficie di carena (cd. strato limite che genera dispendiosi vortici in termini di energia dissipata). Successivamente, partendo dal rostro, è stata sviluppata anche una ulteriore configurazione di appendice prodiera (prora nr.2), sempre di tipo wave-piercing bow (termine specifico impiegato nella letteratura per indicare appendici prodiere), che risulta essere un connubio tra il rostro e la più nota prora axe-bon, (marchio caratteristico del naviglio minore dei cantieri danesi DAMEN): in particolare tale prora, derivata da| rostro, è caratterizzata da un profilo  prodiero verticale in corrispondenza del galleggiamento (differente da quello inclinato e proteso in avanti del rostro), in modo tale da annullare le variazioni di lunghezza al galleggiamento al variare dell' immersione e quindi dell'assetto nave. La configurazione finale è quindi molto simile a quella di una prora di tipo axe-bou, Al fine di valutare le caratteristiche idrodinamiche complessive delle due wave-piercing bow, sviluppate (prora nr. 1 e nr. 2), per poi addivenire alla miglior configurazione di prora da realizzare nella versione definitiva di carena, è stata condotta un'analisi comparativa attraverso specifiche prove sperimentali. Condotte presso la vasca navale dell'Istituto di ingegneria del mare del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-INM), mirate a misurare la resistenza all'avanzamento sia in condizioni di mare calmo, sia con mare agitato. I risultati sono stati poi confrontati anche con quelli ottenuti attraverso le medesime prove condotte su un altro modello di carena, caratterizzata dalla presenza di un bulbo di tipo tradizionale (prora nr. 3). Le prove comparative hanno evidenziato un miglior comportamento, seppur minimale, della prora nr.2 rispetto alla prora nr. l; la  prora nr. 3, quella di tipo standard invece. ha comportato un costante incremento di resistenza in tutto il campo di velocità considerato (6-36 nodi). Più specificatamente, assumendo la configurazione nr. I quale riferimento di base, l’analisi comparativa delle prestazioni idrodinamiche delle tre prore in corrispondenza delle andature di maggior interesse operativo e progettuale (15,24e 3 I nodi) ha evidenziato che un bulbo tradizionale (prora nr. 3) comporta alla massima andatura un incremento di resistenza superiore al2%; alle andature più basse (15 nodi), le prestazioni idrodinamiche peggiorano ulteriormente comportando un incremento  di resistenza di quasi il 6%, che a sua volta si traduce in una riduzione sensibile dell'autonomia propulsiva dell’unità rispetto al requisito operativo. Al contrario, la prora in configurazione axe-bow, (prora nr. 2) consente di ottenere una marginale riduzione di potenza installata rispetto alla prora nr. I (rostro). con un conseguente minimo, ma operativamente non significativo. incremento della velocità massima sviluppabile. Successivamente, sono state condotte prove sperimentali in vasca per valutare anche il comportamento in mare mosso delle tre configurazioni. I test sono stati condotti alle velocità significative di 15 e 25 nodi, con onde prodiere secondo ro spettro ,di  Bretschmeider  simulando   differenti intensità del mare (sea state 3.4 e 5), e misurando i moti di beccheggio e sussulto, oltre alle accelerazioni verticali in corrispondenza della prora. della poppa e della plancia. Confrontando le tre configurazioni. a parità di condizioni (entità e profilo d'onda, velocità  e dislocamento), è emerso che la prora nr. I ha una risposta migliore in termini di moti nave, in quanto comporta accelerazioni e spostamenti inferiori rispetto alla configurazione nr. 2 e soprattutto rispetto alla configurazione nr. 3. In tutti i casi verificati sperimentalmente in vasca, è stato, quindi, possibile concludere che dal punto di vista del comportamento in mare agitato, le carene con una prora di tipo wave-piercing bow (prora nr. I o nr.2) rispondono all'eccitazione dovuta all’onda con movimenti e accelerazioni inferiori rispetto alla carena in configurazione 3; più in generale si può affermare che le forme più rastremate della prora inducono la carena a rompere meglio I’ onda prodiera mentre le forme più piene del bulbo tradizionale comportano maggiori variazioni in termini di moti verticali (beccheggio e sussulto). In conclusione, I' analisi condotta per valutare le prestazioni idrodinamiche delle tre configurazioni di prora. sia in termini di resistenza al moto sia in termini di comportamento in mare mosso, suffragata dalle prove sperimentali in vasca e dagli studi di fluidodinamica computazionale, ha permesso di constatare che le prore nr. I e 2, rispettivamente la prora a <"rostro" el'axe-bow, risultano più performanti rispetto a una prora di tipo tradizionale con bulbo standard totalmente immerso.La scelta definitiva di adottare, per il nuovo pattugliatore polivalente d'altura (PPA) della Marina Militare ,la configurazione prodiera nr. I di tipo  wave-piercing bow è stata dunque la sintesi del miglior processo di armonizzazione delle prestazioni dell'unità, in termini di velocità massima sviluppabile, autonomia, comportamento in mare mosso e conseguente risposta strutturale. In particolare, pur di fronte a un minor valore di resistenza nell'avanzamento  della prora nr. 2 (che in termini di prestazioni. come si è già detto, risulta trascurabile), si è optato per I' implementazione della prora nr. 1, che ha evidenziato un comportamento decisamente migliore in termini di tenuta al mare.

 Le pagine dell'articolo

NOTE

(1) Su un corpo parzialmente o totalmente immerso in acqua, contrariamente alla direzione di avanzamento, è applicata la cosiddetta forza d’attrito generata dall’interazione meccanica tra la superficie bagnata e le particelle d’acqua. (2) La resistenza d’onda rappresenta l’energia dissipata dalla nave per generare il treno di onde in corrispondenza della carena.

FONTE: 

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