Nghiên cứu thiết kế,chế tạo thử nghiệm mô hình tàu lặn vỏ composite

Là sinh viên Khoa “Khoa Kỹ Thuật Tàu Thủy” Trường Đại học Nha Trang, sau hơn 4 năm theo học, cùng với sự cố gắng của bản thân và được sự dạy bảo của các thầy giáo trong Khoa đã giúp em t

1.1 Tổng quan về đề tài nghiên cứu 3

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 5

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 5

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 5

1.2 Mục đích, nội dung, phương pháp nghiên cứu 5

1.2.1 Mục đích 5

1.2.2 Nội dung nghiên cứu 6

1.2.3 Phương pháp nghiên cứu 6

1.2.3.1 Nghiên cứu lý thuyết 6

1.2.3.2 Nghiên cứu thực nghiệm 6

1.2.4 Giới hạn nội dung nghiên cứu 6

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7

2.1 Giới thiệu chung về tàu lặn 7

2.1.1 Khái niệm 7

2.1.2 Lịch sử phát triển tàu lặn 7

2.1.3 Phân loại tàu lặn 14

2.2 Quy định tính toán tàu lặn theo quy phạm 15

2.3 Các phương pháp lặn, nổi 16

2.3.1 Cơ bản về công nghệ lặn 16

2.3.2 Static diving 17

2.3.3 Dynamic diving 22

2.3.4 Cánh khí (thủy) động đuôi 23

2.4 Mô hình công nghệ lặn tàu ngầm 25

2.4.1 Công nghệ lặn động lực 25

2.4.2 Công nghệ lặn tĩnh 26

2.5 Hybrid Ballast Systems (Hệ thống tổ hợp két dằn) 36

2.6.3 Nguyên lý hoạt động 39

2.6.4 Thông số hoạt động 39

2.7 Các phương án điều khiển tàu lặn 41

2.7.1 Động học (dynamics) phương tiện ngầm 41

2.7.2 Chuyển động học (Kinematics) 42

2.7.3 Động lực học (Kinetics) 45

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ - CHẾ TẠO MÔ HÌNH 52

PHẦN A TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ TÀU LẶN 52

3.1 Xây dựng nhiệm vụ thư thiết kế 52

3.2 Xác định kích thước chính 52

3.3 Thiết kế đường hình lý thuyết 54

3.4 Thiết kế kết cấu 58

3.4.1 Tính áp lực nước tác động thân tàu 58

3.4.2 Tính số lớp compozit, kiểm tra độ bền thân tàu 61

3.4.3 Thời gian lặn nổi tàu 66

3.5 Tính toán tính năng tàu lặn 68

3.5.1 Xác định các yếu tố thủy lực 68

3.5.1.1 Diện tích mặt đường nướcS (mm2) 68

3.5.1.2 Thể tích chiếm nước V (mm3) ứng với các mặt đường nước 69

3.5.1.3 Diện tích mặt cắt ngang giữa tàu  (mm2) 69

3.5.1.4 Hoành độ trọng tâm mặt đường nước Xf (mm) 69

3.5.1.5 Tính tọa độ trọng tâm nổi ZC, XC (mm) 70

3.5.1.6 Bán kính ổn định ngang r0 (mm) 70

3.5.1.7 Bán kính ổn định dọc R0 (mm) 71

3.5.1.8 TÍNH VÀ VẼ ĐỒ THỊ BONJEAN .75

3.5.2 Tính toán ổn định tàu 84

3.6 Thiết kế hệ động lực 143

3.6.1 Xỏc định sức cản 143

3.6.2 Chọn các yếu tố hình học và tính sơ bộ chõn vịt 146

3.6.2.1 Chọn các yếu tố hình học chính của chõn vịt 146

3.6.2.2.Tính hệ số hút t và hệ số dòng theo Wt 146

3.6.2.3.Tính lực đẩy của chõnvịt T 147

3.6.2.4.Tính tốc độ tịnh tiến của chõn vịt 147

3.6.2.5.Tính công suất sơ bộ và vòng quay sơ bộ của chõn vịt 147

3.6.2.6.Tính đường kính sơ bộ của chân vịt 148

3.6.2.7 Chọn số cánh chân vịt 148

3.6.2.8 Chọn tỉ số đĩa của chân vịt 148

3.6.3 Tính toán chân vịt 149

3.6.3.1 Tính chọn động cơ và các thông số của chân vịt 149

3.6.3.2 Kiểm tra tỉ số đĩa của chõn vịt theo điều kiện xâm thực 150

3.6.3.3 Xây dựng bản vẽ chân vịt 150

3.6.3.4 Các thông số của chân vịt 150

3.6.3.5 Xây dựng đường chiều dày lớn nhất của profin tiết diện cánh trên hình chiếu cạnh 151

3.6.3.6 Xây dựng củ chân vịt 156

3.6.4 Thiết kế, bố trớ hệ trục 157

3.7 Thiết kế bỏnh lỏi 157

3.7.1 Thiết bị lỏi 157

3.7.2 Chọn loại thiết bị 157

3.7.3 Tính toán các chi tiết kết cấu bánh lái đủ bền 160

3.7.3.1 Lực tác động lên bánh lái (điều 25.1.2) 160

3.7.3.2 Trục lái 160

3.8 Thiết kế bố trí chung 163

3.9 Thiết kế phương án điều khiển 164

PHẦN B: CHẾ TẠO MÔ HÌNH 165

3.10 Sơ đồ quy trình thi công vỏ tàu 165

3.10.1 Chế tạo khuôn 166

3.10.1.1 Nguyên tắc chung 166

3.10.1.2 Các bước tiến hành 166

3.10.1.3 Chế tạo khuôn phần đầu và đuôi 166

3.10.1.4 Chế tạo khuôn phần thượng tầng 167

3.10.1.5 Xử lý khuôn 167

3.10.1.6 Xử lý bề mặt khuôn 168

3.10.1.7 Xử lý chống dính 168

3.10.2 Thi công vỏ tàu bằng vật liệu compozit 169

3.10.2.1 Trát lớp CSM đầu tiên 169

3.10.2.2 Trát lớp thứ cấp 169

3.10.2.3 Phun gelcoat 171

3.10.2.4 Tách khuôn 171

3.11 Phương án làm kín nước 171

CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 173

4.1 Kết quả thử nghiệm mô hình 173

4.2 Kết luận 173

4.3 Đề xuất ý kiến 174

4.4 Định hướng phát triển của đề tài 174

TÀI LIỆU THAM KHẢO 175

LỜI NểI ĐẦU

Ngành đóng tàu của nước ta đang trên đà phát triển cùng với sự phát triển của nền kinh tế nước nhà và trở thành một ngành công nghiệp mũi nhọn của nền kinh tế Việt Nam Nước ta vừa được chính thức gia nhập tổ chức kinh

tế Thế giới WTO, đó là một lợi thế lớn và là điều kiện tốt để ngành đóng tàu Việt Nam hội nhập và phát triển Được sự quan tâm của Đảng và Nhà nước, ngành đóng tàu Việt Nạm đã đạt được những thành tựu đáng khích lệ Chúng

ta đã đóng được những tàu trên vạn tấn đồng thời kí kết đóng nhiều tàu có trọng tải lớn hơn và thu hút được nhiều khách hàng quốc tế hợp tác với ngành

đóng tàu nước ta

Mặc dự đến nay cụng việc thiết kế, chế tạo tàu ngầm, tàu lặn vẫn là bài toỏn khú cho ngành đúng tàu Việt Nam do chưa đấu tư đỳng mức Tuy nhiờn với nền tảng đó tớch lũy được trong khoảng thời gian vừa qua thỡ chắc chắn trong một tương lai không xa ngành đóng tàu Việt Nam sẽ chiếm một vị trí quan trọng trong ngành đóng tàu Thế giới với lĩnh vực tàu dõn sự và quõn sự

Là sinh viên Khoa “Khoa Kỹ Thuật Tàu Thủy” Trường Đại học Nha Trang, sau hơn 4 năm theo học, cùng với sự cố gắng của bản thân và được sự dạy bảo của các thầy giáo trong Khoa đã giúp em tiếp thu những kiến thức cần thiết để có thể trở thành một kỹ sư của ngành đóng tàu

Sau thời gian 4 tháng làm việc với tinh thần khẩn trương nghiờm tỳc, tìm hiểu tài liệu, với sự nhiệt tình giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn chính

TS.Trần Gia Thỏi nay nhúm em đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp “Nghiờn cứu

thiết kế, chế tạo thử nghiệm mụ hỡnh tàu lặn vỏ composite” của mình với

những nội dung sau:

Chương 1 Đặt vấn đề Chương 2 Cơ sở lý thuyết Chương 3 Tính toán thiết kế, chế tạo mô hình Chương 4 Kết luận và đề xuất ý kiến

Nhóm sinh viên thực hiên:

Đỗ Quang Thắng Tưởng Công Tình Nguyễn Hữu Kiên Phùng Danh Quận

Võ Diệp Long

CHƯƠNG I

ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 Tổng quan về đề tài nghiên cứu

Hiện nay trên thế giới ngành đóng tàu đã phát triển ở một trình độ rất cao về công nghệ và đang phát triển nhiều loại phương tiện thủy mới rất hiện đại nhằm phục vụ cho vận tải cũng như mục đích an ninh quốc phòng Ở các nước có thế mạnh về đóng tàu từ lâu như các nước Bắc Âu hay Nga, Mỹ, Đức, Hà Lan hiện nay chủ yếu đóng các loại tàu có độ phức tạp cao, yêu cầu công nghệ và trang bị hiện đại như tàu khách, tàu ngầm, chiến hạm…Trong khi đó,với mục đích xây dựng ngành đóng tàu thành một ngành công nghiệp thế mạnh của Việt Nam, những năm gần đây Vinashin đang rất tích cực đầu tư Tuy nhiên những sản phẩm của chúng ta hầu hết là những con tàu vận tải, tàu dầu Để nâng tầm của ngành đóng tàu thì việc sản xuất những sản phẩm có chất lượng, độ khó và lợi nhuận cao hơn là việc làm tất yếu, thực hiện càng sớm càng tốt Hiện tại Vinashin cũng đã có xu hướng phấn đấu trong tương lai Việt nam có thể tiến tới tự chế tạo các loại tàu phục vụ dân sự nhằm mục đích du lịch, thám hiểm, nghiên cứu đại dương, thủy hải sản…dần dần từng bước chế tạo được những con tàu ngầm để phục vụ cho an ninh quốc phòng Do vậy việc mở rộng tìm hiểu, thiết kế và đóng những loại tàu mới ngay từ bây giờ là việc làm cần thiết là tất yếu khánh quan

Với một sinh viên đóng tàu sắp ra trường thì việc lựa chọn những đề tài, những vấn đề gần gũi với chuyên ngành liên quan và công việc cụ thể trong tương lai là điều cần thiết Tuy nhiên, những đề tài có tính mới ít được đề cập luôn là những đề tài rất thú vị, kích thích được lòng ham học hỏi tìm tòi của tuổi trẻ Hơn nữa, đây là một đề tài có tính tổng hợp cao, khi làm đòi hỏi phải huy động nhiều kiền thức chuyên môn về tàu, giúp củng cố lại kiến thức chuyên môn cho người thực hiện Đề tài có liên quan đến nhiều vấn đề từ lí thuyết tàu, sức bền cho đến công nghệ đóng sửa, điện tử Khi thực hiện đề tài còn phải đối mặt với nhiều tình huống thực tế phức tạp, luôn phải sáng tạo để tìm ra phương án hợp lí, phải cấp

nhận rủi ro cao… Vì những lí do nêu trên, nhóm chúng em quyết định lựa chọn đề

tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm mô hình tàu lặn vỏ composite”

Việc lựa chọn chế tạo vỏ tàu bằng vật liệu composite là do vật liệu composite ngày càng được ứng dụng rộng rãi, và đã chứng tỏ được tính ưu việt về kinh tế, kỹ thuật, nhất là trong lĩnh vực tàu thuyền (tàu cá, tàu du lịch, tàu đẩy, tàu hàng, xuồng cứu sinh…) Với đề tài này việc chế tạo vỏ tàu bằng vật liệu composite sẽ dễ dàng trong việc tạo hình, lắp đặt kết cấu… nhưng nó sẽ khó khăn trong bài toán làm kín nước, đòi hỏi phải thử nhiệm nhiều lần

Mục đích của nghiên cứu đề tài nhằm cung cấp cho người nghiên cứu những kiến thức cơ bản nhất về phương tiện ngầm như tàu ngầm, tàu lặn Các khái niệm cơ bản về các hệ thống kết cấu, tính năng, phương pháp tính toán, điều khiển và điều kiện làm việc…

- Mục tiêu chung cuả đề tài: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm mô

hình tàu lặn vỏ composite”

- Mục tiêu cụ thể:

1 Thiết lập và xác định giải các bài toán tính toán thiết kế tàu với tàu thiết kế

có thông số Ltk = 1,4 m, v =10Hl/h, h = 10 m nước

2 Thiết kế, lựa chọn kết cấu két lặn

3 Tính toán áp lực của nước tác dụng lên các phần kết cấu vỏ thân tàu tại độ sâu 10 m nước để thiết kế kết cấu, kiểm tra bền thân tàu

4 Tính toán số lớp composite cần thiết để chế tạo vỏ tàu đủ bền tại độ sâu 10

m nước ( kiểm tra mẫu thử theo tiêu chuẩn)

5 Xác định tốc độ lặn, nổi (tính toán thời gian thời gian điền đầy nước vào két và thời gian xả hết nước với áp suất đẩy bình ga 1at), độ bền của két lặn với áp suất khí nén bình ga 1(at)

6 Bố trí chung các hệ thống kết cấu tối ưu nhất

7 Chế tạo mô hình

8 Xác định thử nghiệm các phương án làm kín nước

9 Thiết kế lựa chọn phương án điều khiển

10 Thử nghiệm so sánh với lý thuyết

í nghĩa thực tiễn của đề tài:

- Mở ra hướng nghiờn cứu mới cho cỏc bạn sinh viờn đam mờ về tàu, tạo tiền

đề cơ bản cho cỏc nghiờn cứu phỏt triển đề tài sõu rộng hơn nữa Tiến tới ứng dụng trong thực tế đời sống

- Đề tài thiết kế có ý nghĩa quan trọng trong việc đánh giá năng lực, tư duy thiết kế của bản thân Rốn luyện khả năng làm nhúm một cỏch khoa học để giải quyết cỏc bài toỏn thực tế đặt ra Qua việc thiết kế đề tài mỗi thành viờn trong nhúm

đã rút ra được những kinh nghiệm quan trọng trong việc thiết kế tàu, biết được những ưu, nhược điểm của bản thân, có dịp tìm hiểu thêm những kiến thức thực tế

để thuận lợi cho quá trình công tác sau này

1.2 TèNH HèNH NGHIấN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

1.2.1 Tỡnh hỡnh nghiờn cứu trong nước

Theo tỡm hiểu của nhúm nghiờn cứu, ở Việt nam hiện nay thỡ lĩnh vực này vẫn cũn khỏ mới mẻ Qua khảo sỏt thực tế chỳng em thấy rằng đó cú trường Đại Học Bỏch Khoa Hà Nội cú nhúm sinh viờn đang nghiờn cứu về đề tài này nhưng vẫn tồn tại nhiều vấn đề kỹ thuật cần giải quyết như: kết cấu, kớn nước, điều khiển Nhúm em đó ra tham khảo và đó rỳt được nhiều kinh nghiệm Trong đề tài tốt nghiệp này nhúm cố gắng giải quyết hoàn thiện cỏc vấn đề kỹ thuật nờu trờn

1.2.2 Tỡnh hỡnh nghiờn cứu ngoài nước

Ở cỏc nước cú thế mạnh về đúng tàu từ lõu như cỏc nước Bắc Âu hay Nga,

Mỹ, Đức, Hà Lan hiện nay chủ yếu đúng cỏc loại tàu cú độ phức tạp cao thỡ lĩnh vực tàu lặn, tàu ngầm đó được nghiờn cứu từ lõu họ coi đõy là lĩnh vực truyền thống Ở cỏc nước này thường cú cỏc cõu lạc bộ chơi mụ hỡnh trong đú cú tàu ngầm được làm vỏ bằng thộp hoặc hợp kim nhụm do tựy theo thị hiếu, thúi quen sử dụng

và trỡnh độ kỹ thuật của nơi sản xuất Tuy nhiờn với vật liệu composite cũn khỏ mới

1.2 Mục đớch, nội dung, phương phỏp nghiờn cứu

1.2.1 Mục đớch

Mục đớch chớnh của đề tài là chế tạo thành cụng mụ hỡnh tàu lặn vỏ composite chạy thử nghiệm thành cụng, điều khiển bằng súng siờu õm Xõy dựng và

giải các bài toán đáp ứng được các yêu cầu thực tế đặt ra Tìm hiểu cơ bản phương pháp thiết kế, nguyên lý hoạt động tàu lặn

1.2.2 Nội dung nghiên cứu

- Thiết kế tuyến hình tàu lặn

- Tính toán tính năng và thiết kế hệ động lực cho tàu

- Chế tạo và thử nghiệm mô hình tàu lặn

1.2.3 Phương pháp nghiên cứu

1.2.3.1 Nghiên cứu lý thuyết

- Tìm hiểu các yêu cầu, quy định, quy phạm áp dụng cho tàu lặn

- Nghiên cứu các phương pháp tính toán thiết kế tàu lặn So sánh với các loại tàu thông thường

- Giải các bài toán thực tế yêu cầu đặt ra về độ bền, kết cấu, tính năng, điều khiển …

- Nghiên cứu lựa chọn tổ hợp vật liệu composite trên cơ sở kinh nghiệm thực tiễn và điều kiện thị trường Việt Nam hiện nay

1.2.3.2 Nghiên cứu thực nghiệm

- Nhóm nghiên cứu tiến hành khảo sát thực tế cơ sở nghiên cứu, cụ thể là bộ

môn Kỹ thuật thủy khí & đóng tàu – Đại học BKHN

- Chế tạo vỏ mô hình bằng vật liệu composite từ WR600, M450, cánh lái chế

tạo bằng vật liệu PVA

1.2.4 Giới hạn nội dung nghiên cứu

Thiết kế và chế tạo mô hình tàu lặn cỡ nhỏ bằng vật liệu composite có chiều dài 1,4m, khả năng lặn ở độ sâu 10 m nước và chuyển động với tốc độ lớn nhất là 10hl/h

Trong phạm vi nghiên cứu về tàu lặn, riêng phần lịch sử phát triển này chúng

em chỉ đề cập lịch sử về nghiên cứu chế tạo tàu lặn của thế giới trong suốt bốn thế

kỉ từ 1624 Tìm hiểu lịch sử phát triển tàu ngầm sẽ giúp chúng ta hiểu về lịch sử hải quân, xây dựng mô hình tàu, lịch sử của công nghệ, các vấn đề thiết kế tàu ngầm và

vũ khí dưới nước

Hình1: Mô tả nguyên tắc lặn nổi của William Burn

Mặc dầu vào năm 1578 một người Anh William Burn xuất bản một cuốn sách, trong đó lần đầu tiên nêu ra những lý thuyết cơ bản về lặn “Бэрн сразу изобрел все” Trong cuốn sách ông có viết “Chúng ta có thể xây dựng một con tàu

có thể di chuyển dưới đáy biển và nó sẽ trở lại trạng thái nổi theo ý muốn” Ông đã khẳng định, bất kì vật nào có trọng lượng nước thì sẽ chìm và dễ dàng bật lên và nỗi

lên trên bề mặt nước theo tỉ lệ trọng lượng của nó Để làm được điều này, họ cần một lớp màn có khả năng chịu đàn hồi tốt và dùng vít để thay đổi trọng lượng nước

Công việc thử nghiệm như sau: Ban đầu xây dựng mô hình xà lan hay thuyền nhỏ có trọng lượng tương đối lớn, có độ dày boong thích hợp và yêu cầu là không thẩm thấu nước Tiếp đến khoang nhiều lỗ nhỏ trên mạn tàu và đặt tấm lá chắn 2 bên mạn tàu Tiến hành đo độ sâu cần lặn để xác định độ cao của ống thông hơi, ống thông hơi được gắn đủ cao để không cho nước vào và cung cấp không khí cho người bên trong tàu

Để cho tàu lặn xuống ta đẩy vít ra cho nước xuyên qua các lỗ rồi dần dần sẽ tăng trọng lượng tàu và kết quả tàu sẽ lặn xuống Ngược lại, họ vít để đẩy nước ra và giúp tàu trở lại trạng thái nổi ban đầu

Tuy vậy, mọi ý kiến và đề xuất của ông đưa ra đều bị xem là viễn tưởng

Năm 1620, Van Drebbel đã xây dựng một mô hình một chiếc thuyền nhỏ một chỗ ngồi, có khả năng lặn và bơi dưới nước

Năm 1624 chiếc tàu lặn đầu tiên không chỉ thực hiện được thao tác lặn nổi mà còn chuyển động trong nước được thiết kế bởi các nhà khoa học Hà Lan, tiêu biểu là Cornelius Van Drebbel, người đã sống ở Anh Và điều đáng chú ý là ngay khi chế tạo thành công thì được dùng ngay vào việc tiêu diệt hạm đội của đối phương, và nó dẫn theo sự ra đời các tàu ngầm sau chủ yếu là phục vụ trong quân đội

Năm 1632, một người Anh tên là Richard Norwood đã phát minh ra máy lặn,

“đã nhận được bằng sáng chế 56” Ông cũng là một trong những người đầu tiên được nhận bằng sáng chế khoa học thế giới Máy để lặn là công cụ có thể ngâm trong nước, có khả năng lặn nổi với nhiệm vụ là nâng hoặc gỡ bỏ các thiết bị trên mặt biển hay dưới mặt nước biển MEVA thiết bị kiểu chuông lặn, và không phải một chiếc tàu ngầm, có khả năng di chuyển, nhưng sự ra đời của “Máy lặn “ hiếm khi được đề cập trong lịch sử ngành công nghiệp đóng tàu

Năm 1644, trong cuốn sách của mình, Mersenne đề nghị làm một chiếc tàu ngầm bằng kim loại (đồng) và "xây dựng trên hình dạng của cá, cả hai mũi mài nhọn để làm giảm sức cản"

Mersenne nghĩ rằng nó cần thiết làm một vài vị trí bên mạn hay đáy thuyền làm bằng thủy tinh hoặc vật liệu trong suốt khác để quan sát xung quanh Và kiểm tra và quan sát các đối tượng nằm trên bề mặt nước ông đã đề nghị sử dụng obscura máy ảnh, tức là hệ thống quang học với gương cầu - nguyên mẫu của tầm nhìn hiện đại bằng kính tiềm vọng Chọn thuyền không gian bên trong Mersenne được đề nghị sử dụng các chất Phos forestsiruyuschih cho phép lưu không khí cần thiết cho các phi hành đoàn Cách vào và thóat khỏi kiôt phải được thực thông qua germeti (nắp bật) đóng mở khẩn cấp là thích hợp cho việc di tản khẩn cấp của phi hành đoàn trong trường hợp nguy hiểm

Xác định hướng chuyển động dưới nước có thể là la bàn (đối với kim từ tính

ở độ sâu hay dưới nước hay trên không khí lấy được vị trí tương tự như mặt nước) Hãy cung cấp thêm không khí bên trong tàu ngầm thích hợp thông qua các ống dài với sự trợ giúp của máy bơm đặc biệt

Mục đích chính của tàu ngầm lúc này là phục vụ cho chiến tranh dưới nước, cho nên nhiệm vụ còn được đặt ra còn phải làm thế nào đành thủng tàu đáy tàu của đối phương Bắn (Pierce) dưới nước là một lợi thế súng ngắn barreled của tầm cỡ lớn (như vậy để được gọi là "kolumbiad"), khả năng phá hủy lớn đến phương tiện tàu đối phương Ông đề nghị thiết kế một không gian đặt súng Trước khi súng bắn, kéo đàu đạn gần lô đặt súng này sau đó nâng van và một viên đạn được đưa tới Một khi đã xác định đúng hướng, cùng với súng đã được đóng, van được tự động đưa đạn vào nòng súng và đóng lỗ đặt súng

Hầu hết các ý tưởng và đề xuất Mersenne khá hợp lý và áp dụng vào thực tế của (ngoại trừ súng dưới nước) Trong những phát minh sau này phần lớn đều theo các đề xuất của Mersenne

Vào năm 1773, đánh dấu sự ra đời của chiếc chuông lặn đầu tiên được nhà phát minh bởi người Mỹ David Bushnell (David Bushnetl; 1740 –1826) Bushnell được sinh ra tại một trang trại gần thị trấn Seibu-hand (Saybrook), Connecticut Ông đã có ba chị em gái và em trai Nền kinh tế xa xút, gia đình sống trong cảnh

nghèo đói David phải làm nghề cơ khí khi còn nhỏ và vì hoàn cảnh khó khăn không cho phép anh ta được học hành

Với quyết tâm theo học, ông đã bán hết đất đai để được ghi danh vào trường Đại Học Yale College vào năm 1771, và sau 2 năm học tập nguyên cứu David Bushnell đã cho ra đời chiếc chuông lặn đầu tiên

Chuông lặn có kích thước (cao 2,28 m, tối đa đường kính 1,82 m) Chuông lặn được làm bằng gỗ sồi, các mảng gỗ được kết hợp với nhau thành khung bằng

bu lông và các vòng tròn thép quấn xung quanh

Mặc dù "Chuông lặn " của David Bushnell là cơ cấu vẫn còn rất thô sơ mà trong thực tế Bushnell nó đã hé mở một ý tưởng khoa học trong ngành công nghiệp đóng tàu thế giới Giáo dục đại học đã cho phép ông ta chế tạo những thành tựu khoa học và công nghệ Chuông lặn này là một trong số những thiết bị lặn mà sau này có rất nhiều ứng dụng trong “tàu ngầm” thật

Như vậy, với sự ra đời của "chuông lặn" dưới nước ngành đóng tàu đã được thực hiện một bước tiến đáng kể về công nghệ chế tạo tàu ngầm

Submarine đầu tiên trong quân sự là The Nautilus (1800)

Hình 3: Dự thảo của các tàu ngầm "Nautilus", 1797

15 - Volăng chỉ đạo hướng

16 - lever van dằn

17 - keel

Trong 1800, Pháp đã xây dựng “powered submarine” thiết kế bởi người Mỹ

Robert Fulton là các Nautilus Người Pháp cuối cùng đã hình thành công việc thử

nghiệm trong năm 1804 và đây là một bất ngờ cho Hải quân Anh khi họ xem xét bản thiết kế submarine của Fulton

Các tàu ngầm "Nautilus" được sử dụng trong chiến tranh 1812 đến 1851, và chấm dứt việc sử dụng vào năm 1887 và hiện được cất giữ tại một bảo tàng ở Dresden

Các tàu lặn ra đời sau ngày càng hoàn thiện dần khi gắn liền với sự phát triển của khoa học công nghệ, đặc biệt là lĩnh vực công nghệ thông tin- liên lạc Tuy nhiên ngành công nghiệp tàu ngầm hiện đại và cũng là khoảng thời gian phát triển

vũ bão là trong khoảng 2 cuộc chiến tranh thế giới

Submarines có một trong các khả năng, kích cỡ và phạm vi ứng dụng khác nhau, từ nhỏ ví dụ một hoặc hai người điều hành tàu trong một vài giờ, hoặc có thể dùng cho ca tiểu đội trong thời gian 6 tháng và Submarines có thể làm ở vị trí sâu hơn

Submarines là lần đầu tiên được sử dụng rộng rãi trong Chiến tranh Thế giới thứ I Quân đội sử dụng để tấn công tàu thuyền hoặc submarines, máy bay chiến đấu

Trước khi và trong thời gian Chiến tranh Thế giới thứ II, chính vai trò của submarine tạo nên sức mạnh quân sự của các quốc gia Submarines tấn công dù là trên bề mặt hoặc dưới nước, bằng cách sử dụng torpedoes (ngư lôi) hoặc trên mặt (deck) súng Nó đặc biệt hiệu quả trong việc đánh chìm các tàu vượt Đại Tây Dương (sinking Allied transatlantic) vận chuyển trong cả 2 cuộc chiến tranh thế giới

và các hoạt động kinh doanh vũ các nước thù địch hay hoạt động như cung cấp cho các tàu khác submarines

Submarines thường có thể định vị các cuộc tấn công của submarines khác ở trên không gian Anh phát triển một chuyên môn anti-submarine submarine trong Chiến tranh Thế giới thứ I Sau khi Chiến tranh Thế giới thứ II, với sự phát triển của các ngư lôi homing, sonar (thiết bị phát hiện tàu ngầm của Mỹ), và hạt nhân submarines cũng đã trở nên có khả năng ngắm bắn nhau một cách hiệu quả

Hình 4: Mô hình tàu ngầm hạt nhân Gunther Prien 's U-47

Submarines nguyên thủy sớm có thể được phát hiện dưới âm thanh của nó thực hiện Vì nước có khả năng truyền âm thanh rất tốt và submarines có thể phát hiện và theo dõi các tiếng động từ khoảng cách tương đối lớn Submarines hiện đại được xây dựng với khả năng ẩn nấu cao Nhờ nâng cao trình độ thiết kế chân vịt, tiêu trừ âm thanh - giảm nhiệt máy móc thiết bị và đặc biệt cho phép một submarine có thể đứng yên lặng tại một vị trí xác định làm cho chúng đặc biệt khó phát hiện Với công nghệ chuyên ngành mới có khả năng tìm và tấn công submarines hiện đại

Mặc dù phần lớn trên thế giới submarines là những quân đội, có một số công trình dân dụng submarines Submarines có nhiều loại sử dụng, bao gồm du lịch, thăm dò, dầu khí, kiểm tra đường ống và các cuộc điều tra, Submarines cho dân sử dụng bao gồm hàng hải khoa học.Submarines cũng có thể được chuyên môn vào một chức năng như: tìm kiếm và cứu hộ, hoặc sửa chữa undersea cáp Submarines cũng đang được sử dụng trong du lịch và học tập cho các nghiên cứu Submarine du lịch đầu tiên đã được đưa ra năm 1985 đến 1997 đã có 45 chiếc tàu ngầm hoạt động trên khắp thế giới

2.1.3 Phân loại tàu lặn

Các phương tiện ngầm dùng cho mục đích thăm dò và quan sát đáy biển được phân loại như sau:

- Phân loại theo cơ chế tự hành AUV: autonomous underwater vehicles

- Phương tiện ngầm tự hành

- Phương tiện ngầm không tự hành, theo tàu mẹ

- Phân loại theo cơ chế điều khiển

ROV: remotely operated vehicles - phương tiện được vận hành từ xa

URV: underwater robotic vehicles - phương tiện rô bốt ngầm

UUV: unmanned underwater vehicles - phương tiện ngầm không người lái

Độ bằng phẳng nằm trong giới hạn sai số cho phép được đang kiểm chấp nhận

- Độ bằng phẳng ở góc mối hàn trên hình trụ vỏ chịu áp lực giá trị lớn nhất cũng chỉ bằng 1/10 chiều dày dọc mối hàn và 1/5 vòng tròn mối hàn hoặc nhỏ hơn 3mm lấy giá trị nào nhỏ hơn Sự liên kết ở góc mối hàn trên hình cầu vỏ chịu áp lực

độ đắp cao nhiều nhất cũng chỉ bằng 1/10 chiều dày hoặc 3mm lấy giá trị nào nhỏ hơn

- Độ biến dạng của sườn trên vỏ hình trụ chịu áp lực là không vượt quá 1/40

độ dày sườn đối với sườn phía ngoài và 1/20 dối với sườn phía trong hoặc 2mm lấy giá trị nào nhỏ hơn

- Độ bằng phẳng ở gốc mối hàn trên bề mặt sườn giá trị lớn nhất không được vượt quá 2mm cả về hướng chiều sâu và chiều rộng

- Kết quả đo đường kính vòng quanh chu vi phía trong thân chịu áp lực, giá trị tuyệt đối độ lệch của e1, e2 và e3 liên hệ với độ lệch đường tròn thật là không được vượt quá trong khoảng cho phép

 ½ chiều dài của thân chịu áp lực hoặc 10mm lấy giá trị nào nhỏ hơn trong tất cả các giá trị

 Giá trị tuyệt đối e2 không được vượt quá giá trị thiết kế sử dụng trong tính toán độ bền vỏ chịu áp lực

Trong đó:

- e1: Khoảng cách từ một điểm tại mặt trong của đường tròn trung bình trừ đi bán kính của đường tròn trung bình (mm)

- e2: Trị tuyệt đối cực đại của độ chênh giữa giá trị e1 tại một điểm nhất định

và tại một điểm nằm trên một cung tròn ở mặt trong của vỏ chịu áp lực có chiều dài

bằng ½ chiều dài cung vòm đối với vỏ áp lực hình trụ và bằng chiều rộng bản mép đối với vỏ áp lực hình cầu (mm)

- e3: Độ lệch của bán kính trung bình và bán kính đường tròn thiết kế

Đường tròn trung bình là đường tròn có lý tưởng có diện tích trong bằng diện tích trong của đường tròn của vỏ chịu áp lực và giá trị độ lệch trung bình giữa bán kính đường tròn trung bình và bán kính của vỏ áp lực là nhỏ nhất

Đường tròn thiết kế là đường tròn có đường kính bằng đường kính thiết kế

½ chiều dài vòm là chiều dài một cung tròn được xác định theo công thức sau:

t Dl

Chiều rộng bản mép là chiều dài một cung tròn được xác đinhm theo công thức sau:

D: Đường tròn đường kính thiết kế (mm)

1)1(3

.3

v

t R l



tốc độ (chuyển động) của tàu cùng với các cánh lặn để đẩy tàu xuống dưới mặt nước Điều này giống hệt như khi máy bay cất cánh và bay Những tàu ngầm static diving lặn xuống được bởi sự tự thay đổi tính nổi của tàu nhờ bơm nước vào các két dằn Tính nổi theo đó thay đổi từ dương sang âm và tàu bắt đầu chìm xuống Loại tàu này không cần chuyển động để lặn, chính vì thế phương pháp này được gọi là static diving

Trong quân sự hiện đại tàu ngầm khi lặn sử dụng một phương pháp là sự kết hợp của dynamic diving và static diving Tàu chìm xuống nhờ sự bơm đầy các két dằn chính Sau đó, tính nổi được điều chỉnh thật chính xác bởi các két sắp xếp khoa học Khi đã ở dưới nước, độ sâu của tàu được điều khiển nhờ vào hệ thống cánh thủy lực (hydroplanes)

Sau đây chúng ta sẽ đi sâu hơn vào chi tiết của các phương pháp lặn trên Đầu tiên sẽ là lặn tĩnh lực, vì đây là một phương pháp quan trọng hơn áp dụng bởi phần lớn các mẫu tàu ngầm trên thực tế

có Điều hạn chế của phương pháp két dằn bên trong vỏ chịu áp là điều hiển nhiên:

Nó chiếm nhiều không gian có thể để sử dụng lắp đặt các thiết bị khác, vũ khí hay chỗ cho thủy thủ đoàn Cách sắp xếp các két dằn kiểu này được sử dụng trong những con tàu của chiến tranh thế giới thứ nhất (WW I – World war I) và khác so với những tàu ngầm gần đây Một đại diện tiêu biểu cho những con tàu sử dụng két dằn chính bên ngoài vỏ chịu áp là German Type VIIC mà còn trong cả những thiết

kế tàu ngầm của Mỹ và Hà Lan được sử dụng trong thế chiến thứ II Bởi vị trí đặt két như vậy người ta gọi đó là két yên ngựa (saddle tanks) Hầu hết trong tàu ngầm quân sự hiện đại đều lợi dụng khoảng trống giữa lớp vỏ chịu áp và vỏ ngoài tàu như 1 két dằn chính

Hình 1: Phân bố khác nhau vị trí két dằn chính

Có hai cách để có thể làm rỗng và thêm đầy két dằn chính Đó là các phương pháp sẽ được giới thiệu như là của các nước phương tây (Mỹ, Anh) và phương pháp của Nga Khi trên mặt nước, các két dằn toàn bộ được điền đầy không khí và các van thông khí được đóng lại Trong các tàu ngầm Mỹ/Anh nước tràn vào những lỗ cửa thông đặt phía dưới các két dằn chính luôn chừa lại để mở Nước bị ngăn không cho đi vào két dằn chính bởi vì không khí ở trong két dằn chính bị nén lại, vào khoảng 10 PSI (tương đương 0,68 at) Trong tàu ngầm Nga, cửa ngập phía dưới bị đóng lại bằng van, được gọi là Kingston Bởi vì Kingston ngăn cản nước đi vào, cho nên không khí trong két dằn chính có thể có áp suất xấp xỉ áp xuất khí quyển Để tàu lặn xuống, van ở cửa lỗ thông ở phía trên két dằn phải được mở ra để đẩy không khí thoát ra khỏi két dằn chính Do trong tàu ngầm Mỹ/Anh không khí bị nén lại, không khí gầm rít lên khi thoát ra khỏi cửa lỗ thông, kết quả tạo thành cột nước lớn phun lên Xem hình 2

Hình 2: Một loại tàu ngầm Ohio phun khí tạo cột nước ở trước két dằn

Trong công nghệ của Nga, các Kingston ở phía trên của két dằn chính cũng được mở để nước có thể tràn vào két dằn chính Đó là yêu cầu bắt buộc vì khí đối với tàu ngầm của Mỹ/Anh bị nén lại (nhiều khí hơn trong két dằn chính và ma sát với lỗ van lớn hơn) két dằn chính trong tàu ngầm Nga ngập nước nhanh hơn

Hình 3: Nước ngập vào các két dằn (bên trái đường tâm là của Anh/Mỹ, bên phải

đường tâm là của Nga)

Để ngoi lên mặt biển, nước trong két dằn chính bị đẩy ra bởi khí nén, các van phía trên két dằn bị khóa lại Khi tàu ở độ sâu dưới mực nước biển, để nước bị đẩy

ra phải sử dụng khí nén có áp suất lớn hơn áp suất của nước Khi tàu dần ngoi lên mặt biển, nước két dằn phun ra kéo theo không khí có áp suất thấp xuống Sau khi

đã ngoi lên trên mặt biển, các Kingston trong tầu ngầm Nga đóng kín sau đó mở các cửa van thông gió chính ra trong thời gian ngắn để cân bằng áp suất không khí trong két dằn chính bằng áp suất khí quyển Trong tầu Ngầm Mỹ/Anh, cửa thông gió chính vẫn được giữ khép kín để không khí trong két dằn chính giữ áp suất dưới thấp Áp suất bên trong két vẫn cân bằng với hệ thống không khí áp suất thấp

Hình 4: Sự bơm nước ra của két dằn chính

Hình 5: thể hiện vị trí các két dằn chính trong tầu ngầm động cơ diezen hiện đại.Các két dằn được sắp xếp phân bố ở 1 phần đoạn đầu và đuôi của con tàu, và một két dằn nhỏ bao xung quanh lớp vỏ chịu áp ở đoạn giữa thân tàu Còn lại phần lớn khoang giữa lớp vỏ ngoài và lớp chịu áp trở thành các két chứa nhiên liệu Điều quan trọng chú ý rằng két dằn chính chỉ được dùng để thay đổi tính nổi của tàu một cách rất chính xác (tàu trên mặt nước) cho đến gần chính xác (tàu vẫn chỉ là trên mặt nước, cái được gọi là decks awash-sẵn sàng thả nổi) Bố trí tối ưu cho việc lặn nổi của tàu ngầm là tính nổi trung tính: tàu không nổi hẳn mà cũng không chìm hẳn Trạng thái đó được tạo ra nhờ vị trí các két dằn điều chỉnh cân bằng (MTT - main trim tanks) bố trí giữa tàu Két dằn chính được điền đầy nước, trong khi đó các két điều khiển cân bằng điền nước một cách từ thừ thận trọng cho đến khi đạt tính nổi trung tính Cho một tàu ngầm có một khối lượng xác định, tổng lượng nước cần cho két dằn phụ thuộc vào hàm lượng muối và nhiệt độ nước xung quanh tàu Duy trì trạng thái nổi trung tính trong tàu ngầm là một quá trình diễn ra liên tục Ví dụ với động cơ tiêu thụ nhiên liệu diezel và thủy thủ đoàn ăn đồ ăn làm cho tổng khối lượng tàu giảm trong suốt chuyến đi Điều đó có nghĩa rằng trong khi tiến hành

chuyến đi, tổng lượng nước trong két dằn điều khiển cân bằng cần phải tăng thêm

để giữ ổn định tính nổi trung tính

Cũng như vậy tỷ trọng của vùng nước bao quanh cũng đóng một vai trò quan trọng Một ví dụ mà ai cũng biết đó là vùng hạ lưu của dòng sông nơi nước ngọt và nước muối hòa lẫn dẫn tới sự khác biệt về tỷ trọng hơn là ở ngoài biển cả Nếu tàu ngầm đi vào một vùng như vậy, thì độ chênh cần phải được điều chỉnh thích hợp Đối với tàu ngầm quân sự một điều hiển nhiên khi chiến đấu làm thay đổi tính nổi của tàu khi ngư lôi được bắn ra Nhằm mục đích đó, tàu ngầm quân sự có 1 két dằn đặc biệt đặt ở gần buồng chứa ngư lôi để bù vào khối lượng ngư lôi mất đi sau khi phóng ra Thường thường mức nước trong két dằn điều khiển cân bằng điều chỉnh được bởi bơm áp áp lực cao lớn hơn áp suất không khí bên trong bởi vì sau đó tạo

ra tiếng ồn rất lớn Một vài két dằn điều chỉnh cân bằng tuy nhiên được để trống bởi khí nén để có thể nhanh chóng thổi ra khi gặp trường hợp khẩn cấp, hỏng hóc Tính nổi trung tính được tạo nên bởi các két dằn điều khiển cân bằng, chiều sâu của tàu

có thể thay đổi nhờ chuyển động của tàu và nhờ góc nghiêng của các cánh lặn, cánh lái Đó chính là dynamic diving, xem ở dưới

Hình 5: Các vị trí khác nhau của các két dằn trong tàu ngầm hiện đại sử dụng động

cơ diezel Hình mô phỏng theo tàu Gabler (năm 1987)

Ở trạng thái nổi trung tính, quan trọng là phải duy trì cho tàu nằm ngang Để thực hiện việc này, tàu ngầm được trang bị hai két dằn điều khiển đặt ở phần đầu và đuôi tàu Két dằn điều khiển cân bằng từ mũi đến lái (đuôi tàu đến đầu tàu) đều được kết nối với nhau bởi một đường ống để nước có thể được bơm từ bên này sang

bên kia để đạt được góc ngang cho tàu Hơn nữa nhận thấy tàu ngầm quân sự trong hình 5 phần lớn tàu ngập nước tự do.Với việc sử dụng các phần ngập tự do (thông nhau), kích thước chung của các két dằn có thể được giữ tối thiểu

Một chiếc tàu ngầm chúi xuống ít nhiều nổi trung tính, độ sâu của tàu có thể điều chỉnh được nhờ cánh khí (thủy) động Để sử dụng các cánh khí (thủy) động phải phụ thuộc vào tốc độ tàu tạo ra áp lực vào các mặt cánh nghiêng Ở tốc độ thấp, cánh trước được dùng riêng để giữ tàu ở độ sâu cần đạt Lực mặt có thể đặt ở gần lớp vỏ gần đuôi hoặc phần thượng tầng nhô lên (tức cánh đuôi và cánh trên thượng tầng) Bởi cánh mũi đặt xa trọng tâm hơn, độ sâu của tàu được điều chỉnh chính xác hơn với loại này Cơ sở cho việc bố trí các cánh điều khiển như vây cá là: (a) Cải thiện đặc tính của cầu định vị của tàu ngầm bằng sóng âm xếp dãy trên phần đầu tàu ngầm bởi vì lực lướt sinh ra tiếng ồn và (b) và việc lắp ở phần đầu sẽ làm hư hỏng trong quá trình tàu ngầm nhập cảng Hậu quả của việc sắp đặt các lực nâng vào các cánh là:

(a) Các thiết bị điều khiển chiếm không gian trong cánh nơi mà không thuận lợi cho bố trí các cột, (b) đặc tính phá băng bị giảm đi, (c) xuống độ sâu kính tiềm vọng đóng lại để ra các bề mặt với đặc tính chảy rối bất lợi bởi có sự thay đổi hình dáng bề mặt đột ngột và cuối cùng (d) Các cánh khí (thủy) động đặt gần trọng tâm

và hiệu quả kém hơn Ghi chép rằng trong khi nâng cấp dòng tầu ngầm Los Angenes (8881) hải quân Mỹ đã di chuyển cánh khí (thủy) động từ phần thượng tầng lên mũi tàu Điều đó đủ để làm tăng tốc độ lặn của tàu (nhanh hơn 12knot, tương ứng 6,173m/s) Ở tốc độ đó tàu sẽ duy trì ở trạng thái trung tính (lửng lơ) hoặc chìm xuống rất ít Bởi các lực cánh sinh ra tiếng ồn, nhiều tàu ngầm có khả năng điều chỉnh tiến về phần đầu cánh lúc tốc độ cao Xét cho cùng chúng ta có thể kết luận rằng (có thể rút lại) cánh ở vùng đầu là thuận lợi hơn cả Có thể thêm rằng người chế tạo đã không nhận thấy cuả tàu có cả cánh lái ở đầu và ở trên thượng tầng

Hình 6: Vị trí các cánh lặn và sự thay đổi các góc trong quá trình lặn hình 7

Hình 7 biểu diễn cánh lặn từ đầu đến đuôi được sử dụng như thế nào trong quá trình lặn Lúc bắt đầu lặn, cánh phần đuôi quay lên trên để phần đuôi tàu bị ép lên chổng lên trên Phần đầu trước lướt và cánh quay xuống vì vậy làm cho phần đầu tàu bị

ép chúi xuống Trong quá trình lặn phần cánh đuôi quay ngang và tàu lặn xuống với góc được điều chỉnh chỉ nhờ sự lướt của phần trước tàu với góc nghiêng cánh trước Kết thúc quá trình lặn xuống để đạt được 1 độ sâu cần thiết thì cánh đuôi bắt đầu quay xuống và cánh mũi quay lên để quay bằng toàn thân tàu Lúc này ở vận tốc chậm độ sâu của tàu được giữ nguyên chỉ bởi cánh mũi Trong suốt quá trình lặn xuống lần đầu, mực nước trong két điều chỉnh được điều chỉnh để đạt được trạng thái nổi trung tính để

có thể giữ được độ sâu cần thiết với một vị trí gần ngang của các cánh

Hình 7: Thay đổi góc nghiêng cánh lặn trong quá trình lặn

2.3.4 Cánh khí (thủy) động đuôi

Hình 8 thể hiện vị trí của các cánh đuôi mà được sử dụng trong tàu ngầm quân sự Kiểu A là hình dạng được áp dụng trong nhiều tàu chiến hiện đại Các cánh khí (thủy) động được đặt ngay phía trước chân vịt Chú ý các cặp cánh khác nhau

vê kích cỡ Cánh dưới nhỏ hơn cánh trên để tàu có thể bơi được dưới đáy đại dương (chạm đáy) Kiểu B và C có cánh khí (thủy) động ở đằng sau chân vịt Đây là kiểu dáng được sử dụng trong các tàu ngầm thế hệ cũ Các cánh phía sau chân vịt vẫn

được sử dụng với cả chân vịt Nga tango và dòng chân vịt của Ấn Độ Sự bố trí theo

hình D có cánh (bánh) lái phía sau chân vịt nhưng cánh lặn ở phía trước nó Kiểu bố

trí này được sử dụng trong các tàu ngầm Đức dòng 205 và 206 Kiểu E có các cánh

lái bố trí chéo góc 45 độ, được gọi là đuôi chữ X Kiểu này không phân biệt giữa

các cánh (bánh) lái và các cánh lặn, được chế tạo như nhau Để lái và lặn tàu, tất cả

bốn cánh đều được sử dụng Trong các dòng tàu ngầm cũ mỗi một bộ cánh, cánh

mũi, cánh đuôi và cánh (bánh) lái, được điều khiển bởi riêng một người dùng tay

điều chỉnh vô-lăng để đạt được góc độ cần thiết Điều rõ ràng là cấu tạo đuôi chữ X

có thể chỉ cần điều khiển bởi mạch điện tử hoặc bởi máy tính điều khiển Bởi vì tất

cả bốn cánh được sử dụng cho cả chuyển động ngang và dọc, nên điều khiển con

tàu tinh vi hơn nhiều Do góc nghiêng 45 độ của cánh khí (thủy) động, mà có thể

bơi dưới đáy biển mà không cần giảm đi kích thước của các cánh lặn ở phía dưới

Đuôi-X được sử dụng trong tàu ngầm Walrus của Hà Lan (hình 9), Vatergotland

của Thụy Điển và dòng 471 của Australian

Hình 8: Bố trí của cánh đuôi cho một chân vịt tàu ngầm (hình chiếu cạnh,chiếu từ

đuôi và chiếu bằng)

Hình 9: Đuôi-X dùng trong dòng tàu ngầm Walrus của Hà Lan,

ảnh chụp bởi Miller (1990)

2.4 Mô hình công nghệ lặn tàu ngầm

Trong các phần trước, công nghệ lặn của tàu ngầm thật đã được làm rõ Nó

đã được phân tích tính nổi của tàu có thể được thay đổi bởi các két dằn chín kéo theo sự tinh chỉnh của các két dằn điều khiển và cuối cùng duy trì được độ sâu một cách chính xác nhờ các cánh khí (thủy) động Dĩ nhiên kết cấu cuối cùng cách thức hoạt động chính xác Do tỷ lệ nhỏ tuy nhiên, ứng dụng của công nghệ tàu ngầm không phải lúc nào cũng làm được Theo đó, một vài mô hình công nghệ thiết bị lặn

sẽ được gia công

2.4.1 Công nghệ lặn động lực:

Con tàu hoàn toàn lặn động lực là mô hình tàu ngầm thuần túy nhất có được Những con tàu ngầm vốn sẵn có tính nổi điều đó có nghĩa chúng sẽ trôi nổi trên mặt nước nếu mất sự điều khiển Đó là ưu điểm chủ yếu cho mô hình tàu ngầm Hai mô hình tàu ngầm lặn động lực Đức nhà sản xuất gây thất vọng: Robbe The Seawolf (không phải là một trong những cái có thật) và U-47 (một kiểu thuộc dòng VII-C)

và Graupner gây sự thất vọng lừa đảo Trên mạng website của Charles Darley là một website nổi trội có giới thiệu cấu trúc đầy đủ của tàu ngầm lặn động lực Để có thể nổi được trên mặt nước lực tác động vào các cánh thủy động phải lơn hơn lực tác động lên trên tàu khi tàu nổi Điều này phụ thuộc vào tổ hợp này đạt đủ tốc độ hay phải nhờ các cánh thủy động đủ lớn Dĩ nhiên khi tàu gần tiến tới trạng thái nổi trung tính thì lực cần thiết tác động xuống cánh sẽ nhỏ hơn Hình 10 cho thấy góc nghiêng của cánh lặn giữ tàu trôi nổi ngay dưới mặt nước Cánh đuôi là cần thiết để ngăn lại đuôi tàu làm đầu tàu không ngoi lên mặt nước Giống như cho tàu thật, ở tốc độ đủ cao các cánh đuôi có thể giúp tiến tới vị trí trung tính và điều khiển tới độ sâu cần thiết và có thể duy trì được trạng thái đó chỉ với lực tác động lên cánh

Hình 10: Góc nghiêng của cánh lặn, trái: tốc độ chậm, phải: tốc độ cao

Nhìn chung, lực tác động lên cánh có thể tính gần đúng theo phương trình sau:

Khối lượng riêng của nước ( = 1000 kg/m3)

Góc nghiêng của cánh (deg)

Công thức 1: Lực tác động lên cánh

Ví dụ, nếu chúng ta có một mô hình tàu ngầm với một cánh vuông kích thước 5x5 cm, dẫn đến diện tích một mặt cánh là A = 2,5.10-3m2. Với con tàu di chuyển với vận tốc 10 km/h (v= 2.78 m/s) và cánh chúi nghiêng xuống một góc  =

30o, lực hướng xuống tác động lên cánh khoảng 0,5 Kg Bởi có 2 cánh lặn phía trước nên thực tế lấy gần bằng 1 kg Điều đó có nghĩa rằng để nổi tàu hoàn toàn có thể dùng lực 1 kg Tuy nhiên, với vận tốc chậm 10 km/h hay với cánh nghiêng 30o, chúng ta sẽ không thể dìm tàu xuống được.Công thức 1 có thể sử dụng để thiết kế kích thước của cánh hay có thể cho phép tính được sự nổi căn cứ vào kích thước cánh Để ý rằng giá trị của hệ số ma sát C tùy thuộc vào cánh thiết kế, C = 01 là giá trị lớn nhất (trong lần cập nhật của trang sẽ nói rõ hơn về vấn đề hệ số ma sát C) Nhìn chung một mô hình đầy đủ theo kiểu lặn động lực muốn lắp đặt tàu đạt gần trạng thái nổi trung tính Tức là, nóc tàu luôn nổi trên mặt nước Trong trường hợp

đó, tàu có thể chìm dưới mặt biển với một vận tốc thấp với kích cỡ thực của cánh lặn Tuy nhiên nếu tàu đã gần đạt trạng thái nổi trung tính, chạy trên mặt biển là không thể được Để đạt được sự nổi trên mặt biển và điều khiển sự lặn xuống thì việc có các két dằn là cần thiết

2.4.2 Công nghệ lặn tĩnh

Trong tàu ngầm thực tế, két dằn chính được bơm đầy vào nhờ thoát khí ra khoi các lỗ thông khí trong khoang và được làm rỗng bằng cách bơm khí nén vào trong chúng Cho mô hình tàu ngầm có 1 số phương pháp có thể lựa chọn

a Mô hình đường dẫn thông khí cho két dằn

Lỗ thông khí cho két (hình 11) có thể được sử dụng để giảm tính nổi của tàu

từ nổi hẳn sang lửng lơ trong nước (nóc trên lửng lơ) Nếu van tràn (van ngập- flood valve) được mở, không khí có thể thoát ra khỏi lỗ thông và nước sẽ điền đầy két Két dằn có thể làm rỗng nhờ nước bơm ra khỏi két trong khi không khí được hút trở lại két qua các lỗ thoát khí Chú ý thứ tự sắp xếp của hệ thống làm việc phía trên là đường thông khí, và phải ở trên mức nước Điều đó cho thấy tại sao lỗ thống khí không thể làm tàu nổi trung tính hay chìm hẳn Với một két dằn điền đầy tàu có thể lặn bằng cách sử dụng các cánh thủy động Chú ý, nếu sử dụng một bơm hai chiều thì van tràn là không cần thiết Để ngăn nước đi vào trong két dằn khi tàu lặn xuống, đường kính đường thông khí nên được làm nhỏ Lưu ý rằng thông khí cho két dằn là không thuận lợi cho hệ thống dằn

Hình 11: Thông khí két dằn

b) Mô hình két dằn linh động (dễ thay đổi):

Két dằn linh động (hình 12) gồm có 1 quả bóng cao xu được đưa vào bên trong két cố định cứng Để nước tràn vào trong két, van được mở và nước được bơm vào trong khoang Khi van đóng sẽ ngăn nước thoát ra ngoài khi khoang đã được làm ngập Không khí ban đầu trong két dằn cố định được thoát vào trong lớp

vỏ chịu áp của tàu Điều đó làm tăng áp suất bên trong vỏ Nếu thể tích két dằn không lớp hơn thể tích không khí bên trong vỏ chịu áp thì điều đó không thành vấn

đề Chú ý rằng bên trong tàu ngầm luôn được xếp chặt với các thiết bị cho nên thể tích không khí chắc chắn không thể bằng thể tích trong vỏ chịu áp

Hình 12: Két dằn linh động

Wihelm Sepp, người xây dựng mô hình của tàu Nautilus, sử dụng một quả bóng có thể bơm phồng như một két nước linh động, hình 13 Quả bóng được thêm đầy và làm rỗng xẹp bởi bơm bánh răng Robbe Cái giá bằng gỗ bảng điều khiển được kết nối với bộ chuyển nhỏ đặt lên trên quả bóng Một khi quả bóng hoàn toàn được điền đầy bộ chuyển sẽ đóng lại để tắt bơm và quả bóng không bị thêm nước đầy quá dung tích

Hình 13: Két linh động, trống và đầy, chế tạo bởi

két dằn nên không thể hoàn toàn điền đầy nước vào két Sức căng với áp suất lớn nhất trong két là 5 bar, khoảng 80 phần trăm thể tích két được điền nước

Hình 14: Két dằn áp suất

d) Két dằn pittong

Mô hình két dằn pittong (hình 15) bao gồm một xylanh và một pittong di động được, giống như một ống tiêm khổng lồ Pittong có thể dịch chuyển bởi một đai ốc, một bánh răng, và một động cơ (kiểu truyền động vitme) Ở ngoài cũng của xylanh được nối thẳng với môi trường nước xung quanh Trong két dằn pittong không có mặt của không khí Giống như két dằn linh động áp suất bên trong tàu sẽ tăng lên nếu pittong chứa đầy nước Nếu vị trí của xylanh được đo, ví dụ bởi một chiết áp tuyến tính kết nối với đai ốc , tính nổi của tàu hoàn toàn có thể điều chỉnh được chính xác Do bước tiến của pittong lớn, nên kiểu két dằn này được dùng hầu hết phù hợp theo chiều ngang, như trong hình 12 Điều đó có nghĩa rằng trong suốt quá trình điền đầy nước vào két trục trung tâm qua trọng tâm bị ảnh hưởng Ví dụ khi một con tàu được cân bằng chạy ngang khi két dằn chứa đầy nước, góc nghiêng của tàu là không còn bằng 0 so với két dằn rỗng Để khắc phục điều này có thể sử dụng hai két dằn pittong ở phần đầu và phần đuôi tàu

Hình 15: Két dằn pittong

e) Két dằn màng vách ngăn:

Mô hình két dằn màng vách ngăn (hình 17) là phiên bản được đơn giản hóa từ két dằn pittong Nó bao gồm một tấm đĩa vách cứng có thể di chuyển lên xuống nhờ đai ốc kết nối với động cơ, giống như két dằn pittong Tấm đĩa vách này được nối với thành xylanh thông qua màng cáo su mềm dẻo linh động Khi tấm đĩa vách hồi trở lại, nước được đưa vào trong tàu Một đặc tính (khía cạnh) tốt của két dằn màng vách ngăn là có thể làm kín nước một cách dễ dàng được Chừng nào màng cao su còn gắn liền chính xác với cả đĩa vách ngăn và két chứa, sự rò rỉ là không thể Trở ngại lớn nhất của két dằn màng vách ngăn là bước của pittong rất lớn so với sự thay đổi tính nổi của tàu ngầm là không hề lớn Để tối ưu hóa két dằn màng vách ngăn, đường kính của cylanh cần phải lớn hơn rất nhiều so với chiều cao của nó Hệ thống tuy thế là ý tưởng cho một tàu ngầm nhỏ, hay rất nhỏ, hay là mô hình Thorson Feuchter đã có một sự đúc kết hay cho những con tàu ngầm dựa trên nguyên lý này

Hình 17: Membrane ballast tank

f) Két dằn ống xếp

Mô hình két dằn ống xếp (hình 18) là dạng biến đổi của két dằn màng vách ngăn Thay cho một lớp màng mỏng một ống xếp cao su được sử dụng Nó có một thuận lợi là bước của đĩa được tăng để nước có thể chảy vào trong tàu Ống xếp cao

xu có đủ đường kính, từ 5 đến 10 cm hoặc tầm đó, có thể tìm thấy ở các shop bán phụ tùng ôtô Trong các ôtô chúng thường được dùng để làm kín phần hoạt động của các thiết bị lái (như cần số ) Dưới tác dụng của áp suất nén, những thành zig-zag của lớp màng ngăn căng ra (nổ), kết quả đột ngột làm tăng thể tích két dằn (và chìm tàu xuống) Để ngăn chặn việc đó, đề nghị phải để ống xếp bên trong một ống trụ (xylanh)

Hình 18: Két dằn ống xếp

g) Mô hình két dằn hoạt động bằng khí

Hệ thống khí ga hóa lỏng (hình 19) gồm bể chứa hình trụ với khí nén (bình

ga), một két dằn và 2 van Hệ thống tương tự hệ thống két dằn của một tàu ngầm thực sự Để cho nước tràn vào két, van trên đường thoát khí được mở ra và nước

được phép tràn vào két qua lỗ thông ở dưới Nếu thể tích nước đã đạt được theo yêu cầu, van thông khí được đóng lại Két dằn có thể được làm rỗng bởi sức ép của khí nén trong khoang được điều khiển bởi van xả khí Nếu chúng ta muốn kiểu tàu có khả năng xả khí vào két dằn với 1 tần số, thì lượng ga bảo quản được đủ Cacbon dioxit (CO2) là một sự lựa chọn bởi vì bình chứa khí tương đối rẻ và rất sẵn có thể mua được ở các cửa hàng sơn phun Trong sơn phun, bình thường nặng 50 đến 500 gam Nếu bình khí CO2 sử dụng van giảm áp làm nhỏ lại áp suất khoảng từ 2-3 bar

là cần thiết Bình CO2 cũng được dùng trong các dòng tàu chiến, một website tuyệt vời cho thông tin về bình khí nén CO2 là R/C Warship

Hình 19: Két dằn điều khiển bằng khí nén

Hình 20: Bình khí nén CO2 (14 oz-ounce = 0,397kg)

Một sự lựa chọn thú vị để thay thế cho việc sử dụng CO2 đó là dùng khí ga hóa lỏng, ví dụ các bình khí ga làm sạch khí (Propan), bình để làm sạch máy photo hay thiết bị điện được gọi là “bình thổi bụi” (đi metyl eten/ tetra flo etan) hoặc bình xịt (tetra flo etan) Bởi vì những khí này được giữ ở dạng lỏng, nên có thể tích trữ được lượng khí khá lớn Cũng khá dễ dàng để có thể nạp lại đầy ga vào các bình ga của két từ những bình chứa ga dự trữ lớn hơn Với CO2 bản thân sự nạp khí đã không dễ dàng bởi vì các khí thay thế có thể khai thác được từ hồ Một tính chất thuận lợi của khí ga lỏng nữa là áp suất bên trong các bình chứa khoảng 3-4 bar tầm

đó không cần tới sự giảm áp của van, không cần van giảm áp Một điều cần phải cẩn trọng không thể coi thường là các khí ga này có thể cháy nổ được nếu bình chứa rò rỉ một hỗn hợp nổ có thể được hình thành ở trong khoang vỏ chịu áp của

tàu.Những tia lửa điện của động cơ phát ra đủ để làm nổ hỗn hợp đó Trong thực tế chỉ thật sự an toàn là tetra flo etan Sản phẩm thổi sạch bụi chứa khoảng 20% chất

dễ bén lửa đi-metyl-eten và đó là một tiềm ẩn nguy hiểm

Van thoát khí cho phép khí thoát ra ngoài két dằn để tàu lặn xuống là khác nhau Độ chênh áp không khí trong két và không khí ngoài môi trường chỉ một vài

cm nước Cho nên lỗ van thoát khí nên làm đủ lớn để cho phép khí thoát ra với tốc

độ lưu lượng lớn để thật sự lặn được Bởi vì độ chênh áp suất cũng khá nhỏ khi van thoát khí đóng lại, và như thế tàu được làm chìm, tự chúng ta có thể chế tạo các van này Chú ý rằng nhiều ống dẫn qua van trong số kể trên có lỗ nhỏ hơn 1mm và thường không giống nước nhận được trong đó, những kiểu van này rất không thuận lợi

h) Mô hình két dằn khí nén:

Hệ thống két dằn sử dụng khí nén là một trong những phương pháp được dùng trong tàu ngầm thật Hệ thống này tựa như két dằn hoạt động bằng khí nhưng trong trường hợp này bình ga (khí) được bơm đầy lại bởi bình đựng khí nén được điền đầy bởi máy nén không khí Máy nén không khí nhỏ có thể tìm thấy ở cửa hàng phụ tùng oto Họ chuyên bán loại máy nén nhỏ 12V dùng để bơm lốp oto Những loại máy nén khí nhỏ này có khả năng nén không khí tới 6-8 bar Với áp suất cao như vậy cần thận trọng với các bình chứa khí Tốt nhất là mua một loại bình thương mại hoặc sử dụng các bình CO2 rỗng hơn là tự chế tạo Áp lực dĩ nhiên liên quan đến sự cân nhắc lượng khí ga lưu trữ trong bình Nếu chúng ta cho rằng kích thước bình khí nén bằng 1 nửa két dằn chính, chúng ta có thể chỉ xả vào két dằn chính 2 đến 3 lần Nó không nhiều so với CO2 hoặc hệ thống khí lỏng Nhìn chung, tàu ngầm với máy nén khí gắn trong tàu sẽ cấp khí đầy lại mỗi lần tau nổi lên mặt nước sau khi lặn Đặc biệt nên chủ động ngăn ngừa nước thâm nhập vào máy nén

Để đạt được điều đó, các cửa thông nên được gắn khớp với van để đóng khi tàu lặn xuống

Hình 21: Két dằn hoạt động bằng khí

Sử dụng 1 máy nén khí ứng dụng vào trong 1 tàu ngầm bởi Harry Grapperhaus Hai bình 0.75lit và 0.1 lit đã được bơm đầy khí bởi máy nén khoảng 6 bar Két dằn chính khoảng 3 lít để bơm đầy khí chỉ cần xả 1 lần Harry sử dụng két dằn chính cũng như hệ thống điều khiển cân bằng (độ chênh) tàu Phục vụ mục đích của két dằn, 6 van điện được sử dụng Hai van được dùng để điều chỉnh xả khí vào két dằn Đó là những van nối với bình 0.75 lit để giảm áp suất xuống áp suất van (2.5 bar) Bởi sử dụng 2 van xả, tốc độ dòng khí có thể điều chỉnh tăng lên hoặc giảm đi Một van điện khác được dùng nối trực tiếp với áp suất 6 bar của bình nhỏ 0,1 lít Van này được sử dụng để tăng tốc dòng chảy của két dằn chính

Sự thông khí của két dằn chính được điều khiển bởi 3 van điện, để tốc độ dòng chảy có thể điều chỉnh được trong 3 giai đoạn Lấy một mô hình lặn thực tất

cả 3 van đều được mở đồng thời Một cái đóng để đạt trạng thái nổi trung tính, chỉ 1 cái được sử dụng để điều chỉnh độ sâu của mô hình Trong mô hình của Harry Grapperhaus, két dằn luôn thừa phần thêm vào

Hinh 22: Sự sắp xếp các van trên tàu mô hình của

vì thế, áp lực của không khí tạo nên bên trong các két dằn cũng sẽ là 0,1 bar Nếu ta muốn di chuyển con tàu lên trên, áp lực của nước hiển nhiên sẽ giảm và điều này khiến không khí bên trong két giãn nở nhiều hơn Áp lực không khí trong két lúc này sẽ đẩy nước ra ngoài, làm cho con tàu ngày càng nhẹ và càng nổi lên trên nhiều hơn nữa Ngược lại, nếu con tàu với “độ nổi trung lập” muốn lặn sâu hơn, không khí bên trong sẽ co lại khiến cho nước tràn vào trong két dằn nhiều hơn và tàu sẽ chìm xuống sâu hơn nữa Như vậy, chúng ta có thể tạm kết luận rằng kiểu két dằn nạp ga từng phần trên vốn không ổn định Đối với các kiểu tàu hiện đại bây giờ thì đây không là vấn đề lớn nữa miễn sao nó có hệ thống cánh thủy lực (hydroplanes)

để điều chỉnh độ sâu của tàu Tuy nhiên tàu lại không thể ở một độ sâu ổn định khi

nó có vận tốc bằng không Vấn đề sẽ được giải quyết nếu ta dùng loại van Kingston,

van sẽ đóng lại và khi này nước không thể tràn vào trong két dằn được nữa Một cách khác để đạt được độ sâu ổn định/để tàu ổn định khi ở dưới một độ sâu nhất định là: một là cho nước tràn đầy hết két dằn chính, hai là két dằn chính hoàn toàn trống rỗng không có nước Sự cân bằng của tàu đạt được nhờ vào các két điều chỉnh riêng biệt, gọi là hệ thống két tổ hợp

2.5 Hybrid Ballast Systems (Hệ thống tổ hợp két dằn)

Cũng như những tàu ngầm thực tế sử dụng két dằn chính để lặn và két điều chỉnh chính (MTT) để hỗ trợ cho tàu đạt độ nổi trung lập, con tàu ngầm “lý tưởng” cũng được vận hành tương tự Một ví dụ điển hình là con tàu được thiết kế bởi Ralf Diederich Nó cũng có hệ thống nén khí như két dằn chính Bình chứa khí có thể tích 1.2 lít và được làm đầy bởi hai máy nén không khí đến áp suất 6 bar Két sẽ được bơm đầy nhanh hơn bởi 2 máy nén này

Hình 23: 2 máy nén khí trong mô hình tàu

của Ralf Diederich

Điều này dẫn đến thể tích chứa khí/gas lên tới 7.2 lít Két dằn chính có thể tích chứa là 3.7L Như vậy với bình nén không khí hoàn toàn thì két dằn chính chỉ bơm được có 2 lần đầy Độ nổi chính xác của con tàu và sự cân bằng (theo mặt phẳng ngang) của con tàu được điều khiển bởi 2 két piston nằm tại mũi và phần đuôi tàu Mẫu tàu này được vận hành như sau Đầu tiên, cả 2 két piston đều không

có nước Sau đó, két dằn chính sẽ được làm ngập nước hoàn toàn Tàu sẽ chìm xuống đến một mức nào đó nhưng vẫn còn nổi trên bề mặt Cả 2 két piston lúc này

sẽ được làm ngập nước một cách cẩn thận 2 kênh proportional của radio transmitter