Desde que um submarino possa atacar escondido debaixo de água, eles precisam de uma solução única para seguir o seu inimigo e é aí que entra o periscópio submarino. Os primeiros desenhos do periscópio submarino que foram usados na 2ª Guerra Mundial eram muito simples por ter essencialmente dois telescópios apontando um para o outro.
Talvez a maior diferença entre um submarino e um navio de guerra de superfície seja o método preferido de ataque. Durante o período da Segunda Guerra Mundial, os navios de superfície foram projetados para atirar com armas de grosso calibre. Os destruidores também transportavam torpedos, que normalmente eram lançados num ângulo de 90° em relação ao curso do destruidor. Os porta-aviões usavam aviões e bombas essencialmente da mesma forma que os navios de guerra e cruzadores usavam suas armas, embora obviamente com alcance e potência consideravelmente maiores.
Submarinos geralmente atacados enquanto submersos. Os submarinos são normalmente mais vulneráveis a danos do que os navios de guerra de superfície. Na maioria das vezes, se houver alguma armadura em um submarino, ela é instalada ao redor da torre de conning e ponte, e projetada para proteção contra armas de calibre leve, tais como metralhadoras, ou contra estilhaços de projéteis. Os navios de guerra de superfície geralmente possuem uma proteção de blindagem mais extensa. Para o submarino, a proteção primária não vem de chapas de aço pesadas, mas de ser capaz de operar abaixo da superfície, onde o inimigo não pode encontrá-lo para atirar em.
Uma arma principal do submarino militar é o torpedo. Na Segunda Guerra Mundial, o tipo mais comum era um torpedo de 21 polegadas (533 mm), alimentado por uma pequena turbina de “vapor” ou por motores elétricos e baterias. Os torpedos elétricos eram freqüentemente chamados de “sem vigília”, pois não deixavam o rastro visível de bolhas de escape que eram características dos tipos de vapor. A Marinha Imperial Japonesa colocou em campo um torpedo de “oxigênio” de 24 polegadas (610 mm). Este torpedo “Long Lance”, que transportava uma ogiva de 1.000 libras – quase o dobro do poder explosivo dos de outras marinhas – foi geralmente reconhecido como o torpedo mais eficaz alguma vez construído do ponto de vista da utilidade como um navio assassino.
Para que um submarino submerso da marinha afundasse um navio inimigo, eram necessários alguns meios de apontar os torpedos. Marinhas diferentes desenvolveram metodologias diferentes. Durante o período entre guerras, a doutrina dos EUA favoreceu o uso do Sonar para determinar o alcance, rumo e ângulo do alvo. Acreditava-se que os avanços na detecção e nas armas de guerra anti-submarino tinham tornado suicida a exposição de um periscópio durante o dia. Para este fim, a Marinha dos EUA instalou conjuntos de Sonar e hidrofones altamente avançados em seus submarinos da frota, juntamente com Computadores de Dados Torpedo que permaneceram significativamente mais avançados do que qualquer outra coisa usada em qualquer outra marinha até bem depois do fim da guerra.
Na verdade, os ataques de Sonar enquanto submersos revelaram-se notavelmente ineficazes em condições reais de guerra. Caindo em uma das falácias militares mais comuns, a Marinha dos EUA desenvolveu uma teoria, depois viu os resultados dos testes através da lente dessa teoria. Quaisquer resultados que parecessem apoiar a teoria foram avidamente abraçados, enquanto os resultados que falharam em apoiar a teoria foram reduzidos a “erro do operador”. Esta tendência continuou bem na guerra, na medida em que vários comandantes foram aliviados por “falta de agressão” quando o problema real era que os torpedos que estavam a disparar não funcionavam. (O Bureau of Ordinance disse que os torpedos funcionavam, e como eles não podiam estar errados sobre isso, tinham que ser os comandantes)
Embora os comandantes seniores americanos continuassem a ignorar os problemas dos torpedos por algum tempo, o ataque de Sonar submerso foi eliminado muito rapidamente uma vez que a guerra começou. Os comandantes 
reconheceram dois fatos. Primeiro, eles não estavam atingindo nada usando apenas o Sonar. E, segundo, desde que se tivesse cuidado, era muito mais difícil ver a cabeça do periscópio de ataque do que os teóricos acreditavam. A secção superior do mastro optrónico foi feita o mais esbelta possível para reduzir a observabilidade. Os factores limitantes foram o tamanho da lente superior, que tinha de ser suficientemente grande para garantir uma operação decente à luz do dia, e o prisma superior e o seu mecanismo de alinhamento. O prisma superior podia ser inclinado a partir da torre de conning, para permitir que o campo de visão fosse elevado para a busca de ar, ou deprimido para olhar de perto em.
Se o desenhista do periscópio – e a marinha que o empregava – estivesse disposto a renunciar à capacidade de busca de ar e construir um periscópio com uma cabeça fixa, o diâmetro poderia ser bastante pequeno. Em alguns casos, não muito mais do que 1/2 polegada. O periscópio de ataque padrão utilizado nos submarinos navais americanos era de 1-1/4 polegadas de diâmetro na extremidade superior. Os periscópios de busca ou “noturnos” têm uma cabeça maior para aumentar a capacidade de recolha de luz. Periscópios de busca americanos de guerra tardia incorporaram um guia de ondas de radar na cabeça.
Um termo comum é profundidade de periscópio que é definida como a profundidade necessária para estender o periscópio acima da superfície da água.
Controles de periscópio
A imagem à esquerda mostra uma visão simplificada da ocular e controles de um periscópio de ataque Kollmorgen, semelhante ao tipo usado na maioria dos submarinos de ataque da frota americana durante a Segunda Guerra Mundial. O eixo principal do periscópio repousa sobre rolamentos de esferas no colarinho de levantamento pesado na parte superior. As duas hastes de içamento fixadas ao colar entram nos cilindros hidráulicos localizados na tesoura de periscópio acima da torre de cone. Para levantar o periscópio, a pressão hidráulica é aplicada na parte inferior dos pistões no interior dos cilindros. Para baixar o periscópio, o fluido hidráulico pode fluir para fora dos cilindros e voltar ao reservatório. A gravidade baixa o periscópio quando a pressão hidráulica é liberada.
O botão no lado superior direito do periscópio é usado para ajustar o foco. A placa preta, com a ocular na sua metade superior, é o conjunto do filtro de raios. Este contém um disco com três filtros coloridos – e um transparente – que pode ser rodado em frente à ocular para ajudar a visibilidade sob diferentes condições de iluminação. Os filtros são de cor vermelha, verde e amarela. Quando o periscópio está em uso, uma ocular dupla de borracha é instalada. Um lado do ocular é bloqueado e apenas um olho é realmente utilizado. A ocular é reversível, para permitir que o capitão utilize o olho dominante. (Além de ser destro ou canhoto, as pessoas também são de olho direito ou esquerdo, embora a maioria provavelmente não tenha idéia qual.)
A parte externa da pega esquerda gira, permitindo que o prisma superior se eleve ou deprima. O botão na parte interna da pega é um detentor. Isto permite que o punho rotativo clique em posições pré-definidas para que ao começar com o prisma na elevação total e ao mover-se para a próxima detenção ao completar uma varredura total do horizonte o capitão possa baixar o prisma para a posição seguinte por toque. Três varreduras completas cobrem todas as posições.
O punho direito ajusta a potência óptica do periscópio, que é também, opticamente, um telescópio. O ajuste baixo é 1,5 potência, e o alto é 6 potência.
O botão abaixo do punho direito é o controle do estadimetro. O stadimeter é um dispositivo de localização de distância, que permite ao capitão traçar seu ataque com muito mais precisão do que simplesmente tentar adivinhar a que distância o alvo está localizado. A distância até o alvo, em metros, é lida a partir do grande mostrador preto na parte inferior do periscópio. Este mostrador é duplicado na parte de trás do periscópio, para que a leitura também possa ser feita pelo oficial de aproximação sem exigir que o capitão remova o olho do ocular. Também na parte de trás do periscópio, no colarinho de elevação, está o anel de rolamento. Quando o periscópio é apontado diretamente para a proa do submarino, o rolamento é zero, pois os rolamentos do alvo são dados em relação ao rumo do submarino.
O rolamento do alvo não deve ser confundido – como aconteceu em qualquer número de filmes e programas de televisão – com “ângulo na proa”. O rumo do alvo é o rumo relativo do submarino para o alvo. O ângulo na proa é o ângulo em que o alvo está cruzando, se aproximando ou se afastando do submarino. Se o alvo está indo diretamente para o submarino, o ângulo na proa é zero. Se estiver se afastando diretamente do ângulo da proa é um-oitavo-zero. (Os rolamentos e a velocidade são sempre dados como dígitos simples para maior clareza.) Se o alvo está cruzando em ângulos retos do ângulo da direita para a esquerda na proa é a porta 90°. Essencialmente, o ângulo na proa é o rolamento para o submarino a partir do alvo.
Esta imagem mostra a vista através do periscópio com o estadimetro em uso. Um prisma dividido é usado para sobrepor uma segunda imagem do alvo sobre a imagem real. O capitão ajusta o prisma 
para que a linha de água da segunda imagem seja definida no mastro da imagem real do alvo. A altura do cabeçalho do mastro da água é inserida no mostrador, e a leitura obtida. O medidor de status realmente mede os ângulos, não a distância. Se a altura da cabeça do mastro é introduzida com precisão, o alcance será o correcto. Se a altura do cabeçalho do mastro estiver incorreta, o alcance será incorreto. (O mesmo princípio é usado pelos agrimensores, embora eles tenham a vantagem óbvia de basear os seus intervalos num poste graduado de comprimento conhecido segurado por um assistente). Na prática, as gamas mais precisas foram sempre obtidas durante os exercícios, uma vez que os submarinos operavam contra unidades da sua própria frota, e as alturas dos mastros eram sempre conhecidas. Navios de guerra inimigos e cargueiros frequentemente envolviam uma certa dose de adivinhação, embora os livros de reconhecimento tivessem o cuidado de listar as alturas dos mastros sempre que fossem conhecidas.
Procedimento de aproximação
Quando um submarino encontra um alvo, a aproximação e o ataque é essencialmente um exercício de geometria. O capitão precisa determinar o ângulo preciso para disparar seu torpedo para que ele atinja o alvo.
Em objetos estacionários, isto é fácil. Você simplesmente aponta o torpedo diretamente para o alvo e, desde que ele viaje em linha reta, ele irá atingi-lo. O problema com isto, obviamente, é que nem o submarino nem o alvo é provável que estejam de fato parados. Com a rara excepção dos ataques a navios ancorados – o ataque do Prien ao HMS Royal Oak in Scapa Flow sendo, talvez, o exemplo mais conhecido – os submarinos normalmente encontram os seus alvos no mar, onde tanto o submarino como o alvo vão, quase de certeza, deslocar-se.
Nesta situação, não se pode disparar para onde o alvo está. Em vez disso, você tem que atirar no local onde o alvo estará quando o torpedo chegar.
Bearing
Neste gráfico, a aproximação já começou. O submarino está a mover-se para norte a 2 nós. O alvo está a deslocar-se para oeste a 6 nós e está actualmente localizado a este da linha do submarino, a um alcance de 4 milhas náuticas. (Para encaixar tudo no gráfico, as distâncias e tamanhos dos navios não são à escala. Além disso, o submarino é mostrado em superfície para claridade – ele estaria submerso se isso estivesse realmente acontecendo.
Primeiro, o capitão centra a mira do periscópio no meio do alvo, ou no ponto do seu casco onde ele quer que o torpedo atinja, chamando, “Bearing”. No momento em que ele tem o alvo exatamente centrado, ele então grita, “Marca!”
O oficial de aproximação lê o rolamento do anel de rolamento localizado no eixo do periscópio. Este rolamento dá o ângulo relativo desde o submarino até ao alvo. Neste caso, 45°. Para maior clareza, o Oficial de Aproximação anuncia o rolamento como, “Bearing-zero-four-five”. (Os rolamentos do alvo são sempre dados como três números, e os dígitos são sempre dados separadamente. “Zero-quatro-cinco” é menos provável que seja mal compreendido do que “quarenta e cinco graus”. Isto é particularmente assim, uma vez que os vigias chamam os rolamentos como “estibordo quatro-cinco”, usando dois dígitos e sempre se referindo ao lado do navio em que o avistamento está. Algumas marinhas usam “vermelho” para bombordo e “verde” para estibordo para fazer relatórios de avistamento, sendo estas as cores das luzes de navegação nesses lados.)
Após a determinação do rumo do alvo, ele é inserido no Computador de Dados Torpedo (TDC). Este é um computador analógico electromecânico altamente sofisticado. Dois tipos básicos foram usados durante a Segunda Guerra Mundial. Na maioria das marinhas, o TDC era apenas um solucionador de ângulos, que daria a configuração correta do giroscópio com base nos dados inseridos no momento da leitura, ou em um determinado momento no futuro, com base no melhor palpite do capitão sobre onde o alvo estaria. A versão americana adicionou um guardião de posição, que era capaz de manter o rumo do alvo em tempo real. Isto foi um avanço significativo nos sistemas mais antigos e fez com que as soluções de alvo fossem muito mais precisas, eliminando a maioria das adivinhações.
O TDC sempre saberá o rumo e velocidade do submarino, já que estes são constantemente atualizados a partir do girobússola mestre e do registro do Pitometer. (Este diário é o velocímetro do submarino, a propósito, e não o livro que o capitão usa para acompanhar os eventos diários). O TDC agora também tem o rumo do alvo, mas ainda não tem informações suficientes para chegar a uma solução de alvo.
Alterar para o alvo
Agora o capitão precisa determinar o alcance até o alvo. Para fazer isso, ele primeiro precisa saber exatamente qual é o alvo. Olhando através do periscópio, ele pode ver que é um grande cargueiro. Submarinos carregam livros de reconhecimento que listam todas as naves de guerra e mercadores inimigos sobre os quais a informação está disponível. Olhando através deste livro, o capitão encontra o Oyama Maru, um cargueiro japonês de 4.750 toneladas, que parece ser o navio que ele tem no seu periscópio. Como está em meados de 1944, e a Segunda Guerra Mundial está em fúria, ele decide que este é um alvo legítimo, então ele continua com a aproximação.
Agora que ele sabe – ou, pelo menos, acredita que ele sabe – a identidade do alvo, ele olha para a altura do mastro. Esta é a distância da linha de água até o ponto mais alto do navio. De acordo com o livro de reconhecimento, esta é a 100 pés. Esta figura é inserida no estadimetro no periscópio.
O alcance também pode ser determinado usando o sonar ativo na configuração de um único ping. Este é um dos dois métodos mais precisos, pois não depende de se conhecer a altura do mastro do alvo. Submarinos americanos de guerra tardia também incorporaram uma pequena antena de radar no periscópio de busca, que também daria um alcance exato, com o risco de vomitar mais spray do que o periscópio de ataque mais fino.
Este gráfico mostra o que o capitão vê através do estadimetro do periscópio. Um prisma dividido é usado para colocar uma imagem fantasma do alvo de modo a que a sua linha de água fique mesmo no topo da cabeça do mastro da imagem “verdadeira”. O estadimetro realmente registra o ângulo acima da horizontal para o mastro, não a distância. Algumas matemáticas básicas são então realizadas, o que traduz esse ângulo em uma figura de distância.
O modo como isto funciona é que visto de qualquer distância em particular, um objeto de uma dada altura estará em um ângulo particular. Se você sabe que o ângulo de visão é de 1°, por exemplo, e o objeto tem 100 pés de altura, você pode calcular que o ângulo de visão e o topo do objeto tocará apenas a uma distância de uma milha náutica. O stadimeter simplesmente faz as contas por você.
Uma desvantagem disso, é claro, é que a precisão é completamente dependente de saber a altura correta do objeto. (Neste caso, a altura do mastro do alvo.) No nosso exemplo – mas não no gráfico, onde o navio está consideravelmente mais perto do que estaria numa vista real – a altura do mastro acaba por ficar 1/4° acima da horizontal. Usando a fórmula R=h/tan(q) isto significa que o alvo está a quatro milhas náuticas do submarino. O stadimeter faz isso internamente, sem a necessidade do capitão ou oficial de aproximação para calculá-lo, e indica que o alvo está a 8.100 metros de distância.
Esta figura é lida em um mostrador na base do periscópio e inserida no TDC, fornecendo outra parte da solução.
Angle on the bow
A fim de trabalhar uma solução de tiro, o capitão também precisa saber o ângulo na proa para o alvo. Isto não é a mesma coisa que o rumo do alvo, apesar do que você possa pensar de alguns filmes e romances. O rumo do alvo diz-lhe onde o alvo está em relação ao submarino. O ângulo na proa diz-lhe onde você está como visto – o que você obviamente espera não estar – do alvo.
No nosso exemplo, onde o alvo está passando de leste para oeste diretamente através da proa do submarino, o ângulo na proa é a porta 90°. Ou seja, a bombordo (esquerda) do alvo está em direção ao submarino, e está num ângulo de 90° em relação ao seu curso. Se o alvo estivesse vindo diretamente para o submarino, o ângulo na proa seria zero. Se ele estivesse indo diretamente para longe, o ângulo na proa seria de 180°. Se o alvo estivesse num rumo sudoeste, o ângulo na proa seria a bombordo 45°, etc.
Velocidade do alvo
O factor final necessário é a velocidade do alvo. Existem vários métodos para obter isto, embora nenhum possa realmente ser chamado 100% preciso.
Primeiro, observação periscópica. A óptica do periscópio é marcada em graus, tanto no eixo vertical como no horizontal. Se a distância até ao alvo for conhecida, é possível determinar a velocidade cronometrando o tempo decorrido necessário para percorrer um determinado número de graus. O problema com este método é, naturalmente, que ele depende de um alcance preciso, já que você está medindo o tempo que o alvo leva para atravessar um número conhecido de graus, e também significa expor o periscópio enquanto você o faz, o que é potencialmente perigoso se o inimigo o avistar. (mercadores japoneses não só carregavam armas de convés, frequentemente com tripulações de armas que realmente sabiam o que estavam fazendo, mas também cargas de profundidade, e não hesitaram em usá-las.)
Segundo, conhecimento geral. Alguns tipos de embarcações são conhecidos por viajarem rotineiramente a certas velocidades. Esta será normalmente a velocidade de cruzeiro mais económica. No entanto, como o capitão do alvo pode estar com pressa, ou pode estar se movendo mais lentamente do que o normal, este tenderá a ser o método menos preciso para determinar a velocidade. Um capitão experiente pode muitas vezes fazer um palpite bastante preciso à velocidade do alvo pelo aparecimento da onda de proa. (Uma das coisas que os padrões de camuflagem das naves de guerra pretendem fazer é dificultar que o inimigo possa ver claramente a onda de proa.)
Terceiro, contando revoluções. O operador do sonar pode ouvir o som das hélices do alvo e determinar o número de rotações por minuto. Se o capitão do submarino conhece o passo (a distância percorrida em uma rotação) das hélices do alvo, ele pode fazer uma estimativa bastante precisa da velocidade. Por exemplo, um parafuso com um passo de 24 pés deve mover o navio para a frente 24 pés para cada revolução. Cem rotações por minuto devem, portanto, mover o navio para frente 2.400 pés, ou 800 jardas. Isto daria uma distância aproximada de 1 milha náutica (2.025 jardas) a cada 2-1/2 minutos ou uma velocidade de cerca de 23,7 nós. Este tipo de velocidade geralmente indicaria um grande navio de guerra ou navio de cruzeiro. Os cargueiros eram geralmente mais lentos, com os mais rápidos geralmente limitados a cerca de 16 nós. (A economia de combustível era o principal fator – os navios rápidos utilizavam muito combustível, então a alta velocidade era encontrada principalmente em navios de passageiros, onde a linha podia cobrar extra por uma passagem rápida, cargueiros especializados, como os barcos bananeiros, que tinham que entregar sua carga antes de estragar, e navios de guerra, onde o custo não era uma consideração importante. Em qualquer caso, se o passo do parafuso for conhecido, e uma contagem precisa for obtida, isto pode dar uma estimativa de velocidade bastante boa. Além disso, os parafusos de um navio estão longe de ser 100% eficientes – os únicos navios que conseguem isso são submarinos a uma profundidade considerável, onde a grande pressão do mar suprime o despertar e a cavitação.)
Após a velocidade do alvo ter sido determinada, isso também é inserido no TDC. Neste ponto, todos esperam por alguns minutos e depois fazem outra observação. Se os dados estiverem todos corretos, o alvo estará onde o mantenedor da posição do TDC está prevendo. Se não estiver, são feitas mais observações e as correções são discadas para o TDC. Várias observações durante um período de 10 a 15 minutos devem eliminar o erro – ou pelo menos reduzi-lo ao ponto em que um acerto é mais provável que um erro.
Como o TDC trabalha com estas soluções, os ângulos giroscópicos que ele gera são automaticamente programados nos torpedos. A orientação giroscópica permite que o torpedo seja ajustado para percorrer um determinado curso, em vez de ter que apontar o submarino para onde o capitão quer que o torpedo vá, o que tinha sido necessário com os primeiros desenhos de torpedos, que só podiam viajar em linha reta.
Apesar de tudo isso, a profundidade do percurso do torpedo também será ajustada. Para este alvo em particular, que tem um calado carregado de 38 pés, o torpedo é ajustado para correr a uma profundidade de 25 pés, para que ele exploda bem abaixo da linha de água. Se um fusível de influência magnética for usado – o que, no final da Segunda Guerra Mundial, não teria sido, já que até então mesmo o Bureau of Ordinance tinha finalmente reconhecido que eles não eram confiáveis sob condições de campo – a profundidade de execução seria ajustada para 43 pés, de modo que a ogiva explodiria diretamente sob a quilha, onde causaria mais danos.
Este gráfico mostra o submarino e o alvo no momento em que uma solução foi trabalhada e o capitão está pronto para disparar um torpedo. (Na prática real, ele provavelmente dispararia pelo menos dois.) O alvo está agora morto à frente do submarino, a uma distância de 1.400 jardas. A uma velocidade de 46 nós, o torpedo Mark 14 levará um minuto para percorrer essa distância. Nesse minuto, o navio terá avançado um décimo de milha náutica, ou cerca de 200 jardas.
Em outras palavras, se o torpedo for disparado em frente, o alvo não estará mais lá quando o torpedo chegar e o torpedo passará pela popa. Os cálculos do TDC levam isto em conta e definem o torpedo para viajar num curso relativo de 350°. Isto significa que o torpedo está a viajar num ângulo para que a sua orientação relativa para o alvo permaneça constante. Quaisquer dois objectos que mantenham um rumo constante numa situação de cruzamento acabarão por se atingir um ao outro. Ao ter o torpedo “chumbo” do alvo, ele deve atingir perto do centro do alvo e ter uma boa chance de afundá-lo.
Após os torpedos terem sido disparados, o submarino pode ficar ao redor para observar o resultado. Ou, se houver navios de escolta com o alvo, pode ser mais prudente tentar fugir e ouvir qualquer batida nos hidrofones. Este último tem a desvantagem de dificultar a confirmação do afundamento, mas também tem a vantagem de tornar mais provável que o submarino sobreviva para receber o crédito.