Dado que un submarino puede atacar mientras está oculto bajo el agua, necesita una solución única para rastrear a su enemigo y ahí es donde entra el periscopio submarino. Los primeros diseños del periscopio submarino que se utilizaron en la Segunda Guerra Mundial eran muy sencillos al tener esencialmente dos telescopios apuntando el uno hacia el otro.
Tal vez la mayor diferencia entre un submarino y un buque de guerra de superficie es el método preferido de ataque. Durante la Segunda Guerra Mundial, los buques de superficie estaban diseñados para disparar con cañones de gran calibre. Los destructores también llevaban torpedos, que normalmente se lanzaban en un ángulo de 90º respecto al rumbo del destructor. Los portaaviones utilizaban aviones y bombas esencialmente de la misma manera que los acorazados y los cruceros utilizaban sus cañones, aunque obviamente con un alcance y una potencia considerablemente mayores.
Los submarinos generalmente atacaban mientras estaban sumergidos. Los submarinos son normalmente más vulnerables a los daños que los buques de guerra de superficie. La mayoría de las veces, si hay algún tipo de blindaje en un submarino, éste se instala alrededor de la torre de mando y el puente, y está diseñado para protegerse de las armas de calibre ligero, como las ametralladoras, o de las esquirlas de los proyectiles. Los buques de guerra de superficie suelen llevar un blindaje más amplio. Para el submarino, la principal protección no proviene de las pesadas placas de acero, sino de poder operar bajo la superficie, donde el enemigo no puede encontrarlo para dispararle.
La principal arma de un submarino militar es el torpedo. En la Segunda Guerra Mundial, el tipo más común era un torpedo de 21 pulgadas (533 mm), impulsado por una pequeña turbina de «vapor» o por motores eléctricos y baterías. Los torpedos eléctricos se denominaban a menudo «sin estela», ya que no dejaban el rastro visible de burbujas de escape característico de los tipos de vapor. La Armada Imperial Japonesa utilizó un torpedo de «oxígeno» de 24 pulgadas (610 mm). Este torpedo «Long Lance», que llevaba una ojiva de 1.000 libras -casi el doble de la potencia explosiva de los de otras marinas- ha sido generalmente reconocido como el torpedo más eficaz jamás construido desde el punto de vista de su utilidad como destructor de barcos.
Para que un submarino de la marina sumergida hundiera un barco enemigo, era necesario algún medio para apuntar los torpedos. Las diferentes armadas desarrollaron diferentes metodologías. Durante el período de entreguerras, la doctrina estadounidense favoreció el uso del sonar para determinar la distancia, el rumbo y el ángulo del objetivo. Se creía que los avances en la detección y las armas de guerra antisubmarina habían hecho que fuera suicida exponer un periscopio a la luz del día. Para ello, la Armada estadounidense instaló en sus submarinos de flota conjuntos de sonar e hidrófonos muy avanzados, junto con ordenadores de datos de torpedos que siguieron siendo mucho más avanzados que los utilizados en cualquier otra armada hasta mucho después de terminada la guerra.
De hecho, los ataques con sonar mientras estaban sumergidos resultaron ser notablemente ineficaces en condiciones reales de guerra. Cayendo en una de las falacias militares más comunes, la Marina de los Estados Unidos desarrolló una teoría, y luego vio los resultados de las pruebas a través de la lente de esa teoría. Cualquier resultado que pareciera respaldar la teoría era acogido con entusiasmo, mientras que los resultados que no respaldaban la teoría se atribuían a un «error del operador». Esta tendencia continuó hasta bien entrada la guerra, hasta el punto de que varios comandantes fueron relevados por «falta de agresividad» cuando el problema real era que los torpedos que disparaban no funcionaban. (La Oficina de Ordenación decía que los torpedos sí funcionaban, y como era imposible que se equivocaran en eso, tenían que ser los comandantes.)
Aunque los altos mandos estadounidenses siguieron pasando por alto los problemas de los torpedos durante algún tiempo, el ataque con el Sonar sumergido fue eliminado muy rápidamente una vez que comenzó la guerra. Los patrones 
reconocieron dos hechos. En primer lugar, no le daban a nada usando sólo el Sónar. Y, en segundo lugar, siempre que se tuviera cuidado era mucho más difícil ver la cabeza del periscopio de ataque de lo que creían los teóricos. La sección superior del mástil optrónico se hizo lo más delgada posible para reducir la observabilidad. Los factores limitantes eran el tamaño de la lente superior, que tenía que ser lo suficientemente grande para garantizar un funcionamiento decente a la luz del día, y el prisma superior y su mecanismo de alineación. El prisma superior podía inclinarse desde la torre de mando, para permitir que el campo de visión se elevara para la búsqueda aérea, o se bajara para mirar de cerca.
Si el diseñador del periscopio -y la marina que lo empleaba- estaba dispuesto a renunciar a la capacidad de búsqueda aérea y construir un periscopio con cabeza fija, el diámetro podía ser bastante pequeño. En algunos casos no mucho más de 1/2 pulgada. El periscopio de ataque estándar utilizado en los submarinos navales estadounidenses tenía un diámetro de 1-1/4 pulgadas en el extremo superior. Los periscopios de búsqueda o «nocturnos» tienen una cabeza más grande para aumentar la capacidad de captación de luz. Los periscopios de búsqueda americanos de finales de la guerra incorporaban una guía de ondas de radar en la cabeza.
Un término común es la profundidad del periscopio que se define como la profundidad necesaria para extender el periscopio por encima de la superficie del agua.
Controles del periscopio
La imagen de la izquierda muestra una vista simplificada del ocular y los controles de un periscopio de ataque Kollmorgen, similar al tipo utilizado en la mayoría de los submarinos de ataque de la flota estadounidense durante la Segunda Guerra Mundial. El eje principal del periscopio descansa sobre cojinetes de bolas en el pesado collarín de elevación de la parte superior. Las dos varillas de elevación unidas al collarín entran en los cilindros hidráulicos situados en las cizallas del periscopio, por encima de la torre de mando. Para elevar el periscopio, se aplica presión hidráulica a la parte inferior de los pistones dentro de los cilindros. Para bajar el periscopio, se permite que el fluido hidráulico salga de los cilindros y vuelva al depósito. La gravedad hace descender el periscopio una vez que se libera la presión hidráulica.
El mando situado en la parte superior derecha del periscopio se utiliza para ajustar el enfoque. La placa negra, con el ocular en su mitad superior, es el conjunto del filtro de rayos. Contiene un disco con tres filtros de color -y uno transparente- que se pueden girar delante del ocular para facilitar la visibilidad en diferentes condiciones de iluminación. Los filtros son de color rojo, verde y amarillo. Cuando se utiliza el periscopio, se coloca un ocular doble de goma. Un lado del ocular está bloqueado y sólo se utiliza un ojo. El ocular es reversible, para que el capitán pueda utilizar su ojo dominante. (Además de ser diestros o zurdos, las personas también son diestras o zurdas, aunque la mayoría probablemente no tenga ni idea de cuál es.)
La parte exterior de la empuñadura izquierda gira, permitiendo que el prisma superior se eleve o baje. El botón en la parte interior del mango es un retén. Esto permite que la manija giratoria haga clic en las posiciones preestablecidas, de modo que comenzando con el prisma en la elevación completa y moviéndose al siguiente retén al completar un barrido completo del horizonte, el capitán puede bajar el prisma a la siguiente posición por tacto. Tres barridos completos cubren todas las posiciones.
La manivela derecha ajusta la potencia óptica del periscopio, que es también, ópticamente, un telescopio. El ajuste bajo es de 1,5 de potencia, y el ajuste alto es de 6 de potencia.
La perilla debajo de la manija derecha es el control del estadiómetro. El estadiómetro es un dispositivo de búsqueda de distancia, que permite al capitán trazar su ataque con mucha más precisión que simplemente tratar de adivinar a qué distancia se encuentra el objetivo. La distancia al objetivo, en yardas, se lee en el gran dial negro situado en la parte inferior del periscopio. Este dial está duplicado en la parte posterior del periscopio, de modo que la lectura también puede ser tomada por el oficial de aproximación sin necesidad de que el capitán retire su ojo del ocular. También en la parte trasera del periscopio, en el collarín de elevación, se encuentra el anillo de rodamiento. Cuando el periscopio apunta directamente a la proa del submarino, la marcación es cero, ya que la marcación del objetivo se da en relación con el rumbo del submarino.
La marcación del objetivo no debe confundirse -como ha sucedido en un gran número de películas y programas de televisión- con el «ángulo en la proa». El rumbo del objetivo es el rumbo relativo del submarino al objetivo. El ángulo en la proa es el ángulo en el que el objetivo está cruzando, acercándose o alejándose del submarino. Si el objetivo se dirige directamente al submarino, el ángulo en la proa es cero. Si se dirige directamente hacia el submarino, el ángulo en la proa es uno-ocho-cero. (Los rumbos y la velocidad se dan siempre con un solo dígito para mayor claridad). Si el objetivo está cruzando en ángulo recto de derecha a izquierda el ángulo en la proa es de babor 90°. Esencialmente, el ángulo en la proa es el rumbo hacia el submarino desde el objetivo.
Esta imagen muestra la vista a través del periscopio con el estadiómetro en uso. Se utiliza un prisma dividido para superponer una segunda imagen del objetivo sobre la imagen real. El capitán ajusta el prisma 
para que la línea de flotación de la segunda imagen se sitúe en la cabeza de mástil de la imagen real del blanco. La altura del mástil desde el agua se introduce en el dial y se obtiene la lectura. El estadiómetro mide realmente los ángulos, no la distancia. Si la altura del mástil se introduce con precisión, el alcance será correcto. Si la altura del mástil es errónea, el alcance será incorrecto. (Los topógrafos utilizan el mismo principio, aunque tienen la ventaja evidente de basar sus alcances en una pértiga graduada de longitud conocida sostenida por un ayudante). En la práctica, los alcances más precisos se obtenían siempre durante los ejercicios, ya que los submarinos operaban contra unidades de su propia flota, y las alturas de los mástiles eran siempre conocidas. Los buques de guerra y los cargueros enemigos a menudo implicaban una cierta cantidad de conjeturas, aunque los libros de reconocimiento tenían el cuidado de enumerar las alturas de los mástiles cuando se conocían.
Procedimiento de aproximación
Una vez que un submarino encuentra un objetivo, la aproximación y el ataque es esencialmente un ejercicio de geometría. El capitán necesita determinar el ángulo preciso con el que debe disparar su torpedo para que impacte en el objetivo.
En objetos fijos, esto es fácil. Basta con apuntar el torpedo directamente al objetivo y, siempre que se desplace en línea recta, lo alcanzará. El problema con esto, obviamente, es que ni el submarino ni el objetivo es probable que sean realmente estacionarios. Con la rara excepción de los ataques a buques anclados -el ataque de Prien al HMS Royal Oak en Scapa Flow es, quizás, el ejemplo más conocido-, los submarinos normalmente se encuentran con sus objetivos en el mar, donde tanto el submarino como el objetivo van a estar en movimiento casi con toda seguridad.
En esta situación, no se puede disparar a donde está el objetivo. En su lugar, tiene que disparar al lugar donde estará el objetivo cuando el torpedo lo alcance.
Objetivo
En este gráfico, la aproximación ha comenzado. El submarino se mueve hacia el norte a 2 nudos. El objetivo se mueve hacia el oeste a 6 nudos y se encuentra actualmente al este de la pista del submarino, a una distancia de cuatro millas náuticas. (Para que todo encaje en el gráfico, las distancias y tamaños de los buques no están a escala. Además, el submarino se muestra en la superficie para mayor claridad -estaría sumergido si esto estuviera sucediendo realmente.
Primero, el capitán centra la retícula del periscopio en el centro del objetivo, o en el punto de su casco donde quiere que impacte el torpedo, gritando «Rumbo». En el momento en que tiene el blanco exactamente centrado, grita: «¡Marca!»
El Oficial de Aproximación lee la marcación en el anillo de marcación situado en el eje del periscopio. Este rumbo da el ángulo relativo del submarino al objetivo. En este caso, 45°. Para mayor claridad, el Oficial de Aproximación anuncia el rumbo como, «Rumbo-cero-cuatro-cinco». (Los rumbos del blanco se dan siempre como tres números, y los dígitos se dan siempre por separado. «Cero-cuatro-cinco» es menos probable que se malinterprete que «cuarenta y cinco grados». Esto es particularmente así porque los vigías llaman a los rumbos como «cuatro-cinco a estribor», usando dos dígitos y siempre refiriéndose al lado del barco en el que se encuentra el avistamiento. Algunas marinas utilizan el «rojo» para babor y el «verde» para estribor al hacer los informes de avistamiento, ya que son los colores de las luces de navegación de esos lados.)
Una vez que se ha determinado el rumbo del objetivo, se introduce en el ordenador de datos de torpedos (TDC). Se trata de un ordenador analógico electromecánico muy sofisticado. Durante la Segunda Guerra Mundial se utilizaron dos tipos básicos. En la mayoría de las marinas, el TDC era sólo un solucionador de ángulos, que daba el ajuste correcto del giroscopio para el torpedo basándose en los datos introducidos en el momento de la lectura, o en un momento dado en el futuro, basándose en la mejor suposición del capitán sobre dónde estaría el objetivo. La versión norteamericana añadió un sistema de posicionamiento, capaz de seguir el rumbo del objetivo en tiempo real. Esto supuso un avance significativo respecto a los sistemas más antiguos y permitió encontrar soluciones de objetivos mucho más precisas al eliminar la mayor parte de las conjeturas.
El TDC siempre conocerá el rumbo y la velocidad del submarino, ya que éstos se actualizan constantemente a partir de la brújula giroscópica maestra y el registro del Pitómetro. (Este registro es el velocímetro del submarino, por cierto, y no el libro que utiliza el capitán para llevar la cuenta de los acontecimientos diarios). El TDC ahora también tiene el rumbo del objetivo, pero todavía no tiene suficiente información para elaborar una solución del objetivo.
Alcance al objetivo
Ahora el capitán necesita determinar el alcance al objetivo. Para ello, primero necesita saber cuál es el objetivo. Mirando a través del periscopio puede ver que es un gran carguero. Los submarinos llevan libros de reconocimiento en los que figuran todos los buques de guerra y mercantes enemigos sobre los que se dispone de información. Mirando este libro el capitán encuentra el Oyama Maru, un carguero japonés de 4.750 toneladas, que parece ser el barco que tiene en su periscopio. Como estamos a mediados de 1944 y la Segunda Guerra Mundial está en pleno apogeo, decide que se trata de un objetivo legítimo, así que continúa con la aproximación.
Ahora que sabe -o, al menos, cree saber- la identidad del objetivo, busca la altura del mástil. Esta es la distancia desde la línea de flotación hasta el punto más alto del barco. Según el libro de reconocimiento, es de 30 metros. Esta cifra se introduce en el estadiómetro del periscopio.
El alcance también se puede determinar utilizando el sonar activo en la configuración de un solo disparo. Este es uno de los dos métodos más precisos, ya que no depende de conocer la altura del mástil del objetivo. Los submarinos americanos de finales de la guerra también incorporaron una pequeña antena de radar en el periscopio de búsqueda, que también daría un alcance exacto, a riesgo de lanzar más spray que el periscopio de ataque más fino.
Este gráfico muestra lo que el capitán ve a través del estadiómetro del periscopio. Se utiliza un prisma dividido para colocar una imagen fantasma del objetivo de manera que su línea de flotación se sitúe justo en la parte superior de la cabecera de la imagen «verdadera». El estadímetro registra en realidad el ángulo sobre la horizontal con respecto a la cabeza del mástil, no la distancia. A continuación, se realizan algunas matemáticas básicas que traducen ese ángulo en una cifra de distancia.
La forma en que esto funciona es que, visto desde cualquier distancia particular, un objeto de una altura determinada estará en un ángulo particular. Si se sabe que el ángulo de visión es de 1°, por ejemplo, y el objeto tiene 100 pies de altura, se puede calcular que el ángulo de visión y la parte superior del objeto se tocarán sólo a una distancia de una milla náutica. El estadiómetro simplemente hace los cálculos por usted.
Una desventaja de esto, por supuesto, es que la precisión depende completamente de conocer la altura correcta del objeto. (En este caso, la altura del mástil del objetivo.) En nuestro ejemplo -pero no en el gráfico, donde el barco está considerablemente más cerca de lo que estaría en una vista real- la altura del mástil resulta ser 1/4° sobre la horizontal. Utilizando la fórmula R=h/tan(q) esto significa que el objetivo está a cuatro millas náuticas del submarino. El estadiómetro hace esto internamente, sin necesidad de que el capitán o el oficial de aproximación lo calculen, e indica que el blanco está a 8.100 yardas.
Esta cifra se lee en un dial situado en la base del periscopio y se introduce en el TDC, proporcionando otra parte de la solución.
Ángulo en la proa
Para elaborar una solución de tiro, el capitán también necesita saber el ángulo en la proa para el blanco. Esto no es lo mismo que la marcación del objetivo, a pesar de lo que se pueda pensar de algunas películas y novelas. La marcación del objetivo te dice dónde está el objetivo en relación con el submarino. El ángulo de la proa le dice dónde está usted visto -que obviamente espera no estar- desde el objetivo.
En nuestro ejemplo, donde el objetivo está pasando de este a oeste directamente a través de la proa del submarino, el ángulo de la proa es babor 90°. Es decir, el lado de babor (izquierdo) del blanco está hacia el submarino, y está en un ángulo de 90° con respecto a su rumbo. Si el objetivo viniera directamente hacia el submarino, el ángulo en la proa sería cero. Si se alejara directamente, el ángulo de la proa sería de 180°. Si el objetivo estuviera en rumbo suroeste, el ángulo en la proa sería de babor 45°, etc.
Velocidad del objetivo
El último factor necesario es la velocidad del objetivo. Hay varios métodos para obtenerla, aunque ninguno puede llamarse realmente preciso al 100%.
Primero, la observación con periscopio. La óptica del periscopio está marcada en grados en los ejes vertical y horizontal. Si se conoce la distancia al objetivo, es posible determinar la velocidad cronometrando el tiempo que necesita para recorrer un número determinado de grados. El problema de este método es, por supuesto, que depende de un alcance exacto, ya que se está midiendo el tiempo que el objetivo tarda en recorrer un número conocido de grados, y también significa exponer el periscopio mientras se hace, lo que es potencialmente peligroso si el enemigo lo ve. (Los mercantes japoneses no sólo llevaban cañones de cubierta, a menudo con tripulaciones que realmente sabían lo que hacían, sino también cargas de profundidad, y no dudaban en utilizarlas.)
Segundo, conocimiento general. Se sabe que algunos tipos de buques viajan habitualmente a determinadas velocidades. Esta suele ser la velocidad de crucero más económica. Sin embargo, dado que el capitán del objetivo puede tener prisa, o puede estar moviéndose más lento de lo habitual, este tenderá a ser el método menos preciso para determinar la velocidad. Un capitán experimentado puede a menudo hacer una estimación bastante precisa de la velocidad de un objetivo por la apariencia de la onda de proa. (Una de las cosas que los patrones de camuflaje de los buques de guerra pretenden hacer es dificultar que el enemigo pueda ver claramente la onda de proa.)
Tercero, contar las revoluciones. El operador del sonar puede escuchar el sonido de las hélices del objetivo y determinar el número de revoluciones por minuto. Si el capitán del submarino conoce el paso (la distancia recorrida en una revolución) de las hélices del objetivo, puede hacer una estimación bastante precisa de la velocidad. Por ejemplo, un tornillo con un paso de 24 pies debería hacer avanzar el barco 24 pies por cada revolución. Por lo tanto, cien revoluciones por minuto deberían hacer avanzar el barco 2.400 pies, o 800 yardas. Esto daría una distancia aproximada recorrida de 1 milla náutica (2.025 yardas) cada 2-1/2 minutos o una velocidad de unos 23,7 nudos. Este tipo de velocidad suele indicar que se trata de un gran buque de guerra o de un transatlántico. Los cargueros solían ser más lentos, y los más rápidos se limitaban a unos 16 nudos. (El ahorro de combustible era el factor principal: los barcos rápidos consumen mucho combustible, por lo que la alta velocidad se daba sobre todo en los barcos de pasajeros, donde la naviera podía cobrar un extra por un pasaje rápido, en los cargueros especializados, como los bananeros, que tenían que entregar su carga antes de que se estropeara, y en los buques de guerra, donde el coste no era una consideración importante. En cualquier caso, si se conoce el paso de los tornillos y se obtiene un recuento preciso, se puede obtener una estimación de velocidad bastante buena. Además, los tornillos de un barco están lejos de ser 100% eficientes -los únicos buques que lo consiguen son los submarinos a una profundidad considerable, donde la gran presión del mar suprime la estela y la cavitación.)
Una vez que se ha determinado la velocidad del objetivo, ésta también se introduce en el TDC. En este punto, todos esperan unos minutos y luego hacen otra observación. Si todos los datos fueron correctos, el objetivo estará donde el guardián de la posición del TDC predice. Si no es así, se realizan más observaciones y se introducen correcciones en el TDC. Varias observaciones durante un período de 10 a 15 minutos deberían eliminar el error, o al menos reducirlo hasta el punto de que sea más probable acertar que fallar.
A medida que el TDC resuelve estas soluciones, los ángulos giroscópicos que genera se programan automáticamente en los torpedos. El guiado giroscópico permite ajustar el torpedo para que siga un rumbo determinado, en lugar de tener que apuntar el submarino hacia donde el capitán quiere que vaya el torpedo, lo que había sido necesario con los primeros diseños de torpedos, que sólo podían viajar en línea recta.
Mientras todo esto ocurre, también se ajusta la profundidad de ejecución del torpedo. Para este objetivo en particular, que tiene un calado con carga de 38 pies, el torpedo está configurado para correr a una profundidad de 25 pies, por lo que va a explotar muy por debajo de la línea de flotación. Si se utiliza una espoleta de influencia magnética -que, a estas alturas de la Segunda Guerra Mundial, no se habría utilizado, ya que para entonces incluso la Oficina de Ordenanzas había reconocido finalmente que no eran fiables en condiciones de campo-, la profundidad de ejecución se fijaría en 43 pies, para que la ojiva explotara directamente bajo la quilla, donde causaría el mayor daño.
Este gráfico muestra el submarino y el objetivo en el momento en que se ha elaborado una solución y el capitán está listo para disparar un torpedo. (En la práctica real, probablemente dispararía al menos dos.) El objetivo está ahora justo delante del submarino, a una distancia de 1.400 yardas. A una velocidad de 46 nudos, el torpedo Mark 14 tardará un minuto en recorrer esa distancia. En ese minuto, el barco se habrá adelantado una décima de milla náutica, es decir, unas 200 yardas.
En otras palabras, si el torpedo se dispara en línea recta, el objetivo ya no estará allí cuando llegue el torpedo y éste pasará por detrás. Los cálculos del TDC tienen en cuenta esto y establecen que el torpedo se desplaza con un rumbo relativo de 350°. Esto significa que el torpedo se desplaza con un ángulo tal que su demora relativa con respecto al blanco se mantiene constante. Dos objetos que mantienen un rumbo constante en una situación de cruce acabarán chocando. Haciendo que el torpedo «lidere» el objetivo, debería golpear cerca del centro del objetivo y tener una buena oportunidad de hundirlo.
Una vez que los torpedos han sido disparados, el submarino puede permanecer alrededor para observar el resultado. O, si hay buques de escolta con el objetivo, puede ser más prudente intentar escabullirse y escuchar cualquier impacto en los hidrófonos. Esto último tiene la desventaja de dificultar la confirmación del hundimiento, pero también tiene la ventaja de que es más probable que el submarino sobreviva para atribuirse el mérito.