Design and fabrication of small sized hovercraft

Sự phát triển của tính toán số cũng hỗ trợ nhiều giúp các nhà thiết kế đẩy nhanh việc đưa ra sản phẩm mới đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật, tính năng khác nhau với nhiều chủng loại, kích cỡ,

MỤC LỤC

TÓM TẮT 1

ABSTRACT 2

LỜI CẢM ƠN 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÀU ĐỆM KHÍ 4

1.1 Giới thiệu chung 4

1.2 Tàu đệm khí 6

1.2.1 Lịch sử phát triển 6

1.2.2 Chế tạo nguyên mẫu trong nước 11

1.3 Khả năng khai thác 12

1.4 Nội dung nghiên cứu 14

1.5 Tàu đệm khí nguyên mẫu 15

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ TÀU ĐỆM KHÍ 16

2.1 Giới thiệu chung 16

2.2 Các giai đoạn thiết kế 16

CHƯƠNG 3: CẤU HÌNH TÀU ĐỆM KHÍ 19

3.1 Yêu cầu chung 19

3.2 Tính toán sơ bộ 20

3.2.1 Trọng lượng tàu 20

3.2.2 Tính các thông số hình học 22

3.3 Thiết kế cấu hình chung cho tàu đệm khí 3 chỗ ngồi 23

3.2.1 Chọn vật liệu 23

3.2.2 Phần thân tàu 24

3.2.3 Vị trí đặt hệ thống tạo lực nâng và lực đẩy 25

3.2.4 Hệ thống lái điều khiển hướng 26

3.2.5 Bố trí buồng lái 28

3.2.6 Hệ thống váy tàu 28

3.2.7 Các hệ thống khác 29

CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG NÂNG 30

4.1 Giới thiệu chung 30

4.2 Lý thuyết dòng phụt mỏng 32

4.3 Lý thuyết dòng phụt dầy 34

4.4 Tính toán lực nâng và áp suất 38

CHƯƠNG 5: SỨC CẢN VÀ LỰC ĐẨY TÀU ĐỆM KHÍ 46

5.2 Lực cản tàu đệm khí 46

5.2.1 Lực cản sóng 46

5.2.2 Lực cản hình dạng khí động (Aerodynamic profile drag) 52

5.2.3 Lực cản động lượng 53

5.2.4 Lực cản do ma sát ướt 53

5.3 Tương quan lực cản 54

5.4 Lực đẩy 57

5.2.1 Giới thiệu chung 57

5.2.2 Lý thuyết động lượng 57

5.2.3 Lý thuyết phần tử cánh 62

5.2.4 Kết hợp lý thuyết động lượng và lý thuyết phần tử cánh 62

5.2.5 Tính toán lực đẩy, công suất, moment xoắn, hiệu suất toàn thể 63

CHƯƠNG 6: ỔN ĐỊNH TÀU ĐỆM KHÍ 70

6.1 Giới thiệu chung 70

6.2 Ổn định ngang của tàu đệm khí 70

6.2.1 Chia khoang đệm khí 70

6.2.2 Dịch chuyển ngang của tâm đệm khí 71

6.3 Ổn định ngang trong trường hợp không có ki ổn định dọc 71

6.2.1 Các giả thuyết 71

6.2.2 Chiều cao ổn định tương đối ban đầu 71

6.2.3 Thử nghiêng tàu 72

6.4 Yêu cầu và tiêu chuẩn ổn định 73

6.5 Kết quả tính ổn định tĩnh 74

6.2.1 Các đường cong tính nổi 74

6.2.2 Các trạng thái tính toán 74

6.2.3 Chiều cao ổn định ban đầu và đồ thị ổn định tĩnh 75

6.2.4 Tham gia của lực đẩy nổi 76

6.6 Ổn định động, cân bằng dọc, kiểm tra quay vòng 77

CHƯƠNG 7: THIẾT KẾ KẾT CẤU 78

7.1 Giới thiệu chung 78

7.2 Mô tả kết cấu thân tàu đệm khí 79

7.2.1 Kết cấu chung thân tàu đệm khí 79

7.2.2 Xác định các đặc trưng vật liệu 81

7.2.3 Xác định tải trọng tác động lên thân tàu 82

7.2.4 Xác định các điều kiện biên của bài toán 83

7.3 Lời giải 2D 84

7.2.1 Mô hình bài toán không có lớp đệm khí 85

7.2.2 Mô hình bài toán có lớp đệm khí lò xo 87

7.4 Lời giải 3D 91

7.2.1 Mô hình bài toán không có lớp đệm khí 91

7.2.2 Mô hình bài toán có lớp đệm khí lò xo 92

CHƯƠNG 8 - THIẾT KẾ THI CÔNG 94

8.1 Giới thiệu chung 94

8.2 Thiết kế thi công tàu đệm khí 94

8.3 Thiết kế nâng hạ phục vụ vận chuyển 101

8.4 Thi công thực tế 103

CHƯƠNG 9: KẾT LUẬN 112

TÀI LIỆU THAM KHẢO 114

PHỤ LỤC 1 116

PHỤ LỤC 2 182

PHỤ LỤC 3 267

TÓM TẮT

Tàu đệm khí là loại tàu không chỉ có thể hoạt động được trên mặt nước mà còn cả trên mặt đất nhờ chuyển động trên lớp đệm khí dưới tàu và trong váy của nó Tàu được nâng lên bởi một đệm khí dưới thân phẳng của nó Để tạo lớp đệm khí này, quạt nâng được sử dụng

để tạo một buồng khí có áp suất Buồng khí được duy trì nhờ có váy dạng túi bao quanh được bơm căng cũng nhờ quạt nâng trên Nghiên cứu này đề cập các yêu cầu thiết kế, các nội dung về thiết kế sơ bộ, thiết kế kỹ thuật của tàu đệm khí 3 chỗ sử dụng vật liệu composit sợi thủy tinh-xốp-ván ép Các thiết kế này đã được áp dụng cho việc chế tạo trong nước một nguyên mẫu tàu đệm khí 3 chỗ sử dụng thiết kế thi công và thiết kế chi tiết tại chỗ trong năm

2011 Nghiên cứu này được thực hiện trong khuôn khổ của đề tài cấp Đại học Quốc gia trọng điểm B2010-20-10TĐ Tàu đệm khí đầu tiên này có tên gọi là Bakvee đã được thử nghiêng cũng như chạy thử trên mặt đất và trên nước để kiểm tra các tính năng của nó

ABSTRACT

The hovercraft is a marine vehicle that moves not only on water but also on land by means of

an air cushion under the craft and within its skirt To produce the air cushion, the fan is used to provide a pressured air chamber under the craft to produce lift This chamber is maintained by a surrounded bag skirt inflated, a part, by the same lift fan This research deals with an overview of design requirements, preliminary design, technical design of a 3-seat hovercraft using fiber reinforced plastic-foam-plywood composite Those were domestically applied for a full scale prototype of 3-seat hovercraft using a self-built fabrication method and detail designs in 2011 This work is realized in the framework of the national-key project B2010-20-10TD funded by Vietnam National University in Hochiminh City This first hovercraft called Bakvee was under inclination test as well as under test on land and on water to verify its performance

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, chúng tôi xin chân thành cám ơn Ban giám hiệu trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc Gia Tp.HCM, Phòng Khoa học Công nghệ và Dự án, Ban Khoa học Công nghệ Đại học Quốc Gia Tp.HCM đã tin tưởng và tạo mọi điều kiện thuận lợi để chúng tôi có thể thực hiện toàn bộ nghiên cứu chế tạo tàu đệm khí tại chổ Thực sự chúng tôi đã có được một đầu tư đúng lúc khi mà việc mở rộng các mảng nghiên cứu ứng dụng đang là yêu cầu cấp bách tại đơn vị

Chúng tôi cũng xin cám ơn các đồng nghiệp ở Bộ môn Kỹ thuật Tàu thủy, Bộ môn Kỹ thuật Hàng không thuộc khoa Kỹ thuật Giao thông - ĐHBK Tp.HCM vì sự sẵn lòng giúp đỡ và động viên của họ trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu Đặc biệt, chúng tôi ghi nhớ đến các ý kiến đóng góp và thảo luận quí giá của đồng nghiệp trong ngành đối với các bài toán đặt ra trong đề tài Các thảo luận này đóng góp rất nhiều cho chất lượng của đề tài

Chúng tôi cũng không quên sự tin cậy và sẵn lòng cộng tác của các tổ chức, công ty và cá nhân trong các hạng mục nghiên cứu khác nhau của đề tài Đa phần họ ủng hộ và sát cánh chúng tôi đi tiếp các chặng nghiên cứu về sau này

Không cần kể tên họ ra đây, chúng tôi xin bày tỏ sự phấn khích

vì có được sự cộng tác đắc lực của sinh viên, kỹ sư trong suốt thời gian dài thực hiện nghiên cứu này Không có họ có lẽ chúng tôi không thể đóng thành công chiếc tàu đệm khí nguyên mẫu BAKVEE Sau cùng, chúng tôi xin chân thành cảm ơn Chủ tịch hội đồng, các ủy viên phản biện, ủy viên đề tài, thơ ký đã nhận tham gia hội đồng nghiệm thu đề tài

TM Nhóm nghiên cứu

Lê Đình Tuân

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÀU ĐỆM KHÍ

1.1 Giới thiệu chung

Tàu cỡ nhỏ, chạy nhanh (high-speed small craft) được quan tâm nhiều trong cả quân sự lẫn dân sự, có mặt hầu hết ở các lãnh vực kinh tế biển Các tàu khách cao tốc, tàu làm nhiệm vụ tuần tra, bảo vệ nguồn lợi thủy hải sản, tàu thể thao, huấn luyện, cứu nạn, tàu thực hiện các nhiệm vụ đặc biệt của hải quân,…được đề cập trong các nghiên cứu ứng dụng của lọai hình tàu này (Hình 1.1) Loại hình tàu cỡ nhỏ và chạy nhanh thường dẫn đến các thách thức kỹ thuật về kiểu dáng vỏ tàu, kết cấu, hệ thống động lực và điều khiển Mỗi loại tàu được nghiên cứu nhằm vượt qua các vấn đề mà các tàu khác gặp phải hay nhằm đạt thuận lợi về tính năng nào đó Do vậy tàu hai thân (catamarans) và các loại tàu đa thân nhằm tránh vấn đề mất ổn định ở tốc độ cao có ở tàu thân đơn

có hông tròn Chúng cũng có không gian boong trên rộng hơn cho hành khách hay khí tài Tàu cánh ngầm giảm sức cản bằng cách nâng thân chính khỏi mặt nước Tàu đệm khí (hovercraft / air cushion vehicle, hay ACV) lại có khả năng tách thân tàu khỏi mặt nước hoàn toàn Ngoài việc giảm sức cản, loại tàu này còn có thêm khả năng di chuyển cả trên mặt đất và mặt nước (thuỷ bộ phối hợp) Ảnh hưỡng của sóng lên tính năng tàu được giảm thiểu với thiết kế tàu hai thân có diện tích mặt đường nước nhỏ (SWATH) Một số thiết kế lại nhằm đến việc giảm sạt lỡ bờ khi chạy ở tốc độ cao trong cảng hay trong kênh rạch [1]

Hình 1.1 - Phân loại tàu cao tốc

Do khả năng lưỡng cư thuỷ bộ nên tàu đệm khí được sử dụng rộng rãi trong cứu hộ, thể thao dưới nước, hải quan, quân sự,…Mặc dù vậy, ở Việt Nam, hiện vẫn chưa thấy công bố nào về một thiết kế và qui trình công nghệ sản xuất hoàn chỉnh cũng như việc chế tạo và chạy thử liên quan đến tàu đệm khí Nghiên cứu chế tạo loại hình tàu này đã được nhiều công ty và tổ chức nghiên cứu quan tâm và một số bắt đầu nghĩ đến việc đầu tư vì thực tiễn áp dụng trong du lịch, cứu nạn, quốc phòng của nó Nhưng việc sử dụng các thiết kế mua từ nước ngòai ở dạng bản vẽ bố trí chung, chỉ có một số ít các bản vẽ chi tiết, các hướng dẫn về công nghệ ở dạng mô tả,…nên gặp rất nhiều khó khăn trong quá trình triển khai đóng thử nghiệm Chưa kể một số công nghệ chế tạo loại hình tàu này như cắt nhiệt, khuôn chân không, cũng cần có các nghiên cứu định lượng hầu

áp dụng rộng rãi [2,3]

Khác với các loại tàu đáy phẳng, tàu trên cánh ngầm chủ yếu dựa trên nguyên lý thủy động

Hình 1.2 - Tàu đệm khí hoạt động dựa trên nguyên lý khí tĩnh học

So với họ hàng của mình, các mô hình tính toán, thiết kế kỹ thuật, thiết kế thi công, công nghệ chế tạo, vật liệu phối hợp chưa được quan tâm đúng mức và đầu tư thích đáng Vấn đề tính toán, thiết kế trên cơ sở lý thuyết tàu đệm khí là vấn đề cốt lõi nhằm chủ động có được các cải tiến thiết

kế theo điều kiện vật liệu và công nghệ trong nước Nghiên cứu nhằm đến khả năng tự chế tạo tàu đệm khí cỡ nhỏ hoàn chỉnh theo tính toán, thiết kế riêng với giá thành rẻ để có thể chuyển giao công nghệ cho sản xuất

Tàu đệm khí hoạt động dựa trên sự tự nâng tàu trên mặt nước hay mặt đất bằng cách tạo ra áp lực dưới dạng một đệm khí Cấu tạo bao gồm thân tàu, quạt nâng, chong chóng đẩy, váy đệm khí,

hệ thống lái,…Quạt nâng cung cấp khí làm căng váy và duy trì áp lực đệm khí trong không gian được vây bởi váy khí, bánh lái đặt ở phần đuôi tàu đảm nhiệm việc điều khiển tàu Váy đệm khí, được gắn chặt với phần thân tàu, giúp duy trì đệm khí dưới tàu Chong chóng đẩy, thực tế ở xa đuôi tàu, đóng góp lực đẩy chính cho tàu (Hình 1.3)

(a) Sử dụng duy nhất 1 chong chóng

(b) Sử dụng chong chóng đẩy và quạt nâng riêng biệt

Hình 1.3 - Bố trí động lực tàu đệm khí

1.2 Tàu đệm khí

Thiết kế các tàu chạy nhanh đều nhằm đến việc giảm sức cản thuỷ động tác động lên thân chính của tàu Sức cản thuỷ động tăng rất nhanh theo tốc độ tàu vì vậy để giảm nó thân tàu cần phải được nâng cao khỏi mặt nước Tàu cánh ngầm sử dụng các cánh nâng nhỏ nằm dưới mặt nước, trong khi đó tàu đệm khí, tàu hiệu ứng mặt (SES, thường có 2 thân nổi bên thành cứng) sử dụng đệm khí được tăng áp để làm điều này [1]

Tàu đệm khí thổi khí xuống khoang trống ngay dưới thân tàu hình thành nên đệm khí Đệm khí này được duy trì nhờ có váy mềm bao quanh theo chu vi của thân tàu Khi hoạt động, tàu luôn cách ly với mặt nước hay mặt đất và không có phần chìa vào nước, vì vậy nó có thể hoạt động cả trên mặt đất và mặt nước Một tàu như thế về lý thuyết có thể đạt tốc độ cao hơn tàu hiệu ứng mặt (còn gọi "tàu đệm khí thành cứng") hay tàu cánh ngầm; tuy nhiên, hệ thống váy lại gây ra thêm nhiều thành phần lực cản do tương tác giữa nó với mặt nước Khi hoạt động trên sóng, diện tích váy tàu phía trước và chuyển động thẳng đứng do phản ứng đàn hồi của váy tạo ra thêm sức cản đáng kể, do đó từ tốc độ 60 knots trên nước tĩnh, tốc độ làm việc có thể giảm xuống còn khoảng 30-40 knots trên sóng Các loại váy thích ứng và các phát triển kỹ thuật khác được áp dụng để cải thiện tính năng tàu đệm khí những năm gần đây; tuy vậy, đặc trưng quan trọng nhất của chúng vẫn được duy trì chính là khả năng lưỡng cư thuỷ bộ chứ không phải nhằm duy trì tốc độ cao khi chạy trên sóng Khả năng lao xuống nước của tàu đệm khí là rất đáng giá nhưng khả năng phóng lại lên

bờ lại càng đáng giá hơn Chúng không cần cầu cảng được đầu tư tốn kém như các tàu truyền thống, chưa kể chi phí nạo vét duy trì mớn nước định kỳ trong khu vực

1.2.1 Lịch sử phát triển

chóng Năm 1956, tàu đệm khí đã được phát minh bởi Sir Christopher Cockerell Ông đã phát triển các thiết kế tàu đệm khí đầu tiên của mình (Hình 1.4), dẫn đến kết quả là tàu đệm khí đầu tiên trên thế giới ra đời vào 5/1959, chiếc Saunders Roe Nautical 1 - SR.N1 (Hình 1.5), tài trợ bởi Hội đồng Phát triển Nghiên cứu quốc gia Anh [5]

Hình 1.4 - Sir Christopher Cockerell đang thử mô hình tàu đệm khí (1955)

Hình 1.5 - Tàu đệm khí đầu tiên trên thế giới SR.N1 (1959)

Sau thành công của SRN1, tàu đệm khí bắt đầu được thương mại hóa Năm 1963, chiếc SR.N2 được thiết kế chở được 48 khách dài 19.8 m, với trọng tải 27 tấn với vận tốc 73 knot (Hình 1.6)

Hình 1.6 - Tàu đệm khí chở khách SR.N2 vào năm 1963

Sau đó là một loạt tàu trong series của Công ty Saunders Roe đánh dấu bước phát triển về kích thước, khối lượng, tốc độ lẫn khả năng chuyên chở Điển hình như tàu đệm khí lớn nhất hiện nay

là SR.N4 MK.III Princess Anne với trọng tải 320 tấn, chiều dài 56.38m, chiều rộng 23.16m có khả năng chở được 418 khách và 60 xe ôtô và băng quan biển Manche chỉ với 22' (Hình 1.7) Sau

đó Sau đó, tàu đệm khí được đưa vào sử dụng chính thức trong quân đội ví dụ như quân đội Anh

đã sử dụng tàu đệm khí tuần duyên SR.N6 BH.7 trọng lượng 45 tấn đánh dấu sự ra đời loạt tàu

HM của Công ty Hovermarine

Trong thời điểm này có khoảng 30 chiếc HM-2 đang hoạt động ở Hồng Kông Còn ở Nhật Bản, nguời ta đã chế tạo thành công chiếc MV.PP15 trên cơ sở của chiếc SR.N6 (Hình 1.8)

Hình 1.7 - Tàu đệm khí SR.N4 MK.III Princess Anne đóng năm 1978

Hình 1.8: Thiết kế MV.PP15 của Nhật Bản

Nga và Trung Quốc cũng đã đưa vào khai thác và nghiên cứu phát triển loại tàu này từ thập niên 60 Nước Nga nổi tiếng với các tàu đệm khí quân sự đổ bộ cở lớn như chiếc Zubr (Hình 1.9) Trung Quốc ra mắt chiếc đầu tiên của họ với Model 722-1

Hình 1.9: Tàu đệm khí quân sự Zurb của Nga với lượng chiếm nước gần 500 tấn

Ngày nay, phần lớn tàu đệm khí dân dụng của trung Quốc được phát triển bởi Trung tâm Phát triển Kỹ thuật lưu chất thuộc Bộ Công nghiệp Hàng không - Không gian, Bắc Kinh đã phát triển

và tham gia thị trường vận tải hành khách từ rất sớm (Hình 1.10)

Hình 1.10 - Tàu HT-901 50 khách chạy trên vịnh Hàng Châu

Ở Việt Nam, các tàu đệm khí do Mỹ sản xuất PACV Model 7232SK5 đã xuất hiện đầu tiên ở chiến trường miền Nam vào giữa thập niên 60 tại Mộc Hoá dưới tên gọi "Quái Vật" (Hình 1.11) Tàu có chiều dài 11.8 m, nặng 7.1 tấn, tổng công suất 1000 HP, tốc độ 60 knots

Hình 1.11 - Tàu PACV trên chiến trường miền Nam, Mộc Hoá - Đồng tháp Mười, 1966

Từ 2006, Việt Nam cũng đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm ekranoplan nhỏ bằng vật liệu composite (Đề tài trọng điểm cấp Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) Được đặt tên là Thăng Long 1000, thực chất tàu này là PARWIG (Power-augmented wing-in-ground effect craft)

do GS.TSKH Nguyễn Tiến Khiêm, Viện Cơ học (IMECH, Hà Nội) chủ trì nghiên cứu trong khuôn khổ dự án hợp tác với Liên Bang Nga dưới sự cố vấn của chuyên gia Nhật Bản Tàu 2 chỗ này có công suất 228 HP được làm bằng vật liệu composite, tốc độ cất cánh khoảng 70 km/h và tốc độ tối đa có thể đạt 160 km/h và đã được thử nghiệm bước đầu cuối năm 2009, hiện tại đang trưng bày tại Viện Hải dương học Nha Trang

Hình 1.11 - Tàu PARWIG Thăng Long 1000 trên vịnh Nha Trang

Tàu đệm khí đã được phát triển bằng thực nghiệm, tính toán lý thuyết và tính toán số từ sau phát minh của nó đến nay Công nghệ tàu đệm khí dựa vào các thực nghiệm ở dạng thử nghiệm

mô hình tàu hay thử nghiệm tàu nguyên mẫu [1] Sự phát triển của tính toán số cũng hỗ trợ nhiều giúp các nhà thiết kế đẩy nhanh việc đưa ra sản phẩm mới đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật, tính năng khác nhau với nhiều chủng loại, kích cỡ, vật liệu phối hợp, trang bị động lực, điều khiển, Các viện nghiên cứu, đại học có đào tạo kỹ thuật tàu thuỷ, kỹ thuật hàng không gần đây vẫn quan tâm nhiều đến việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo tàu đệm khí:

- 1996, Na và Lee (Trung Quốc) tính toán trường áp suất (phân bố) trên diện tích đệm khí và sức cản sóng [6]

- 2005, A H Nikseresht (Iran) tính toán phân bố áp suất bằng phương pháp VOF (Volume of

- 2005, tại Hội nghị AUN-SeedNet tổ chức tại Bách khoa Hà nội, từ 28/2-1/3/2005, "Field Wise Seminar on Mechanical and Aeronautical Engineering”, Đại học Bandung (Indonesia) giới thiệu tàu WIGs (tàu dùng hiệu ứng mặt thoáng), lợi dụng việc áp sát mặt đất/ mặt nước để tăng lực nâng trên cánh có hình dáng đặc biệt ở dạng không người lái do chính đại học phát triển Kết quả thử nghiệm tốt nhưng vẫn còn chưa ổn định

- 2006, nhà máy đóng tàu Hanjin_Hàn quốc thử nghiệm mô hình tàu đệm khí dài 1 m với tỷ lệ bằng 1/12 tàu thật có chiều dài 12m, tốc độ 40 hải lý/giờ Quá trình thử nghiệm ổn định tĩnh và CFD đạt kết quả tốt Hiện nay, nhà máy đang tiếp tục quy trình thử nghiệm ổn định động và các tính toán khác (Journal of Ship and Ocean technology tháng 9/2006) [8]

- 2008, “The 2nd KMU-HCMUT Joint workshop”, từ 5-8/11/2008, Giám đốc Trung tâm Đại học Hàng hải Hàn Quốc giới thiệu công nghệ chế tạo lọai tàu có đáy hốc (Air Cavity System, ACS) sử dụng động cơ 2 kỳ 2HP 7000 v/ph và 8,5 HP 4800 v/ph, điều khiển từ xa với tốc độ thử nghiệm 60 hải lý /giờ [9]

- 2008, “The 2nd KMU-HCMUT Joint workshop”, từ 5-8/11/2008, Yun-Hae KIM thuộc Đại học Hàng hải Hàn Quốc giới thiệu kỹ thuật về kết cấu khuôn composite cho tàu đệm khí sử dụng vật liệu mới (“A study on the Techniques of Composite Mold Structure for Hovercraft Using New Material System”) Dự án này có sự tham gia của Công ty đóng tàu tư nhân TopSpeed đặt tại Jeonnam – Hàn Quốc do ông Keun Sil Park phụ trách [10]

1.2.2 Chế tạo nguyên mẫu trong nước

Ở Việt Nam, hiện vẫn chưa thấy công bố nào về một thiết kế và qui trình công nghệ sản xuất hòan chỉnh cũng như việc chế tạo và chạy thử liên quan đến tàu đệm khí Nghiên cứu chế tạo lọai hình tàu này đã được Công ty Triệu Phát (năm 2006), Công ty Dịch vụ Hàng hải Sài Gòn (9/2008), các xí nghiệp đóng tàu composite dân sự, hải quân (4/2009), Công ty Cổ phần Cơ điện lạnh Lâm Sơn, các khu du lịch sinh thái, khu công nghiệp,… quan tâm và một số bắt đầu nghĩ đến việc đầu tư Hội Khoa học Kỹ thuật Biển tại Tp.HCM cũng đề cập (Hội thảo 9/2008) việc đặt hàng nghiên cứu và chế tạo thử tàu đệm khí vì thực tiễn áp dụng trong du lịch, cứu nạn, quốc phòng của

nó

Từ năm 2006, hai bộ môn Kỹ thuật Tàu thủy và Kỹ thuật Hàng không – Trường Đại học Bách khoa - ĐHQG Tp.HCM đã bắt tay nghiên cứu về tàu đệm khí liên quan đến thủy khí động lực học, sức bền kết cấu, ổn định, điều khiển, thiết kế tàu,…[3] Tháng 12/2007, đề tài nghiên cứu khoa học cấp Đại học Quốc Gia “Thiết kế thi công tàu đệm khí” (mã số B2007-20-28) [11] được thực hiện nhằm kiểm nghiệm nguyên lý hoạt động của tàu đệm khí và lập các phương án kết cấu thân tàu, kết cấu váy, bố trí hệ thống động lực, thiết kế thi công, Một mô hình tỉ lệ 1/5 với chiều dài

829 mm (Hình 12) đã được chế tạo và chạy thử nhằm khẳng định nguyên lý, phương án kết cấu,

hệ thống váy, điều khiển lái,

Hình 1.12 - Mô hình tàu đệm khí tỉ lệ 1/5 chế tạo tại Đại học Bách Khoa Tp.HCM

Nghiên cứu này là pha tiếp theo nghiên cứu trên [2] và thực sự được khởi động bằng việc đầu

tư thiết kế, đầu tư thiết bị, chuẩn bị thi công từ trong năm 2009 Các phương án kết cấu, sử dụng vật liệu mới cũng được chuẩn bị từ đây

Tại Việt Nam phần lớn các nghiên cứu được quan tâm nhiều là các loại tàu đáy phẳng, tàu trên cánh ngầm chủ yếu dựa trên nguyên lý thủy động lực học Loại sau cũng chỉ mới được nghiên cứu thử nghiệm mô hình trong bể thử (Viện KHCN Tàu thuỷ, 2005-2006) hay nghiên cứu thử nghiệm cho loại cỡ nhỏ (Công ty Công Nghiệp Thủy Sản, 2006-2008), chưa triển khai sản xuất thương mại Tàu PARWIG Thăng Long 1000 (ekranoplan loại A) đề cập trên cũng chỉ dừng lại ở dạng thử nghiệm Trong khi đó, nghiên cứu cho việc chế tạo loại tàu đệm khí gắn với các mô hình tính toán, thiết kế kỹ thuật, thiết kế thi công, công nghệ chế tạo, vật liệu phối hợp chưa được quan tâm đúng mức và đầu tư thích đáng Rõ ràng vấn đề tính toán, thiết kế trên cơ sở lý thuyết tàu đệm khí

là vấn đề cốt lõi nhằm chủ động có được các cải tiến thiết kế theo điều kiện vật liệu và công nghệ trong nước Chính vì vậy, nhóm nghiên cứu tại Đại học Bách Khoa-ĐHQG Tp.HCM nhằm đến

khả năng tự chế tạo hoàn chỉnh theo tính toán, thiết kế riêng với giá thành rẻ để có thể chuyển giao công nghệ cho sản xuất Đây cũng là mục tiêu chính của đề tài Nhóm nghiên cứu đi sâu vào

nguyên lý cơ bản của tàu đệm khí về thủy khí động lực học, ổn định, điều khiển, sức bền kết

cấu,… để có thể thiết kế tàu đệm khí với qui mô lớn hơn Sản phẩm này cũng sẽ tạo cơ sở cho

việc phát triển các loại tàu đệm khí nhiều chỗ hơn (12-50) cho các tuyến ngắn, tàu cứu hộ cho các

bãi tắm và phục vụ cứu hộ sau lũ Bên cạnh đó, một số công nghệ chế tạo loại tàu này như cắt nhiệt, đúc khuôn chân không,…chưa được nghiên cứu định lượng nhằm đảm bảo chất lượng thi

công Nhóm nghiên cứu chú ý việc hoàn thiện các công nghệ PU-ván ép, composite chân không,

composite không khuôn, công nghệ thi công tàu đệm khí để chủ động công nghệ sản xuất tiên tiến

cho tàu đệm khí trong nước

Mặc dù tàu đệm khí đã được nghiên cứu và triển khai ứng dụng, sản xuất thương mại ở nhiều nước trên thế giới [4,13] nhưng nếu chuyển giao thiết kế, công nghệ chế tạo tàu đệm khí từ nước ngoài chắc chắn giá thành sẽ rất cao Vấn đề nội địa hóa loại hình tàu này từ khâu tính toán thiết

kế đến chế tạo vì vậy có ý nghĩa rất lớn Chưa kể rằng, loại tàu đệm khí và họ hàng với loại tàu này như WIGs, PARWIGs, thuỷ phi cơ thông thường ít nhiều liên quan đến kỹ thuật quân sự nên việc nhận chuyển giao công nghệ từ nước ngoài là điều khó thực hiện hay nếu nhận chuyển giao

sẽ rất tốn kém Ngoài ra, việc nhập đơn chiếc hay số lượng hạn chế thì việc duy trì hoạt động khai thác, bảo trì sẽ phụ thuộc vào nước ngòai Trên hết, nhu cầu về một loại tàu đa năng, hoạt động trên một vùng rộng, lưỡng cư (thủy, bộ phối hợp) phục vụ cứu hộ, cứu nạn sau lũ là rất lớn Thật vậy, tổn thất về người ở các trận lũ lụt vừa qua sẽ giảm thiểu nếu tàu đệm khí được triển khai sản xuất và khai thác Kinh nghiệm này có thể học được từ vấn đề cứu nạn sau cơn bảo Katrina tại

Mỹ, trong đó tàu đệm khí được sử dụng nhiều và rất hiệu quả [13]

Tàu đệm khí thuộc vùng giao giữa kỹ thuật hàng hải và kỹ thuật hàng không nên đề tài này còn phục vụ đào tạo nhân lực trong lãnh vực tàu thuyền tốc độ nhanh và tạo tiền đề cho các lọai hình tàu khác mà hai bên quan tâm như WIGs, thủy phi cơ…mà cả hai ngành kỹ thuật đều cùng quan tâm Chế tạo thành công tàu đệm khí sẽ khẳng định các kết quả nghiên cứu khoa học, khả năng xây dựng các qui trình công nghệ, khả năng nội địa hóa phương tiện giao thông nên đóng góp rất lớn cho việc tiết kiệm ngân sách nhà nước trong việc nhập ngọai các lọai hình phương tiện tương

tự Một điểm rất quan trọng nữa là thông qua việc nghiên cứu khoa học và chế tạo, chúng ta cũng tạo ra một “networking” tốt giữa các nhà khoa học thuộc đa lãnh vực: hàng hải, hàng không, chế tạo, vật liệu, điều khiển,…và với công nghiệp, công ty thiết kế, nhà máy đóng tàu dân sự lẫn quân

sự với các mức chuyển giao và hợp tác ở các mức độ khác nhau

1.3 Khả năng khai thác

Sở hữu bờ biển dài, cùng hệ thống sông ngòi dày đặc, nước ta có sẵn lợi thế phát triển các loại hình vận tải cao tốc mang tính linh hoạt sử dụng các loại tàu đệm khí cỡ vừa và nhỏ Tàu đệm khí

có thể được sử dụng trong du lịch, vận chuyển hành khách, tuần tra hay vận tải trong quân sự Với

3260 km bờ biển, tiền năng du lịch biển ở Việt Nam đáng được quan tâm Tuy nhiên việc đi lại của du khách đôi khi vẫn gặp nhiều khó khăn và bất tiện (tàu cũ, tốc độ thấp) do sự đầu tư chưa đúng mức của các công ty kinh doanh du lịch Việc đưa vào loại hình vận chuyển phục vụ du lịch

bằng tàu đệm khí không những chia sẻ được những khó khăn cho ngành du lịch Việt Nam, mà còn tạo hứng thú đặc biệt cho du khách khi được sử dụng phương tiện giao thông mới lạ và an toàn, đảm bảo thời gian đi lại do tính cơ động và tốc độ cao

Được che phủ bởi 252.000 ha rừng ngập mặn, nhu cầu cần một loại phương tiện giao thông có tính linh hoạt cao như tàu đệm khí là không thể chối cãi Hiễn nhiên, tàu đệm khí có thể phục vụ

du lịch sinh thái, tuần tra và khai thác rừng

Việt Nam sở hữu khoảng 3000 hòn đảo ven bờ, do đó tàu đệm khí có thể được sử dụng như một phương tiện vận chuyển chuyên chở hành khách và hàng hóa đi lại giữa đất liền và các đảo (tuyến ngắn) Bên cạnh đó, còn có thể sử dụng tàu đệm khí phục vụ du lịch đảo

Ngoài mục đích thương mại, tàu đệm khí còn có một tiềm năng phục vụ cho mục đích cứu hộ hay quân sự, công tác tuần tra dọc sông ngòi, bờ biển, hoặc ngoài hải đảo xa xôi (quần đảo Hoàng

Sa, Trường Sa) rất hữu dụng nhờ tính linh hoạt, cơ động và khả năng vận tải cao đối với các tàu cỡ trung bình và lớn (Hình 1.13, 1.14)

Hình 1.13 - Tàu đệm khí dùng trong cứu hộ

Hình 1.14 - Tàu đệm khí dùng trong tuần tra

Tàu đệm khí cũng giúp giải quyết bài tóan phuơng tiện phục vụ vui chơi giải trí, thể thao cho dân chúng do tính độc đáo và thu hút của phương tiện Địa lý thuận lợi hiếm có của khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long với kênh rạch chằng chịt, khu vực có mớn nước thấp, bãi bồi, lay sậy, rõ ràng sẽ cung cấp thị trường tiềm năng cho loại hình tàu này (Hình 1.15)

Hình 1.15 - Giải trí với tàu đệm khí BAKVEE hoạt động trên bãi bồi sông Sài Gòn

1.4 Nội dung nghiên cứu

Các hạng mục tính toán, thiết kế và thi công đối với tàu thủy nói chung và tàu đệm khí nói riêng có các nội dung nghiên cứu truyền thống sau và một số hạng mục đặc thù của tàu đệm khí được đề xuất trong nghiên cứu này như sau:

(i) Thiết kế cấu hình dựa trên phân tích một số thiết kế hiện có:

- Kiểu tàu (trên ít nhất 3 kiểu tàu);

(ii) Thiết kế thủy khí động lực học, ổn định và điều khiển:

- Tính toán áp lực nâng của đệm khí theo các loại váy;

- Tính toán sức cản khí động, thủy động ở các chế độ hoạt động (tắt váy/ mở váy);

- Phân tích ổn định, tính năng điều khiển;

(iii) Thiết kế kết cấu:

- Sức bền dọc, sức bền cục bộ;

- Lựa chọn vật liệu trên cơ sở tối ưu trọng lượng;

- Phân tích tính toán kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn

(iv) Thiết kế và tính toán váy đệm khí:

- Thiết kế cấu hình váy;

- Hình học váy và lực tác động lên váy

(v) Thiết kế hệ thống đẩy và nâng:

- Tính toán thiết kế chong chóng đẩy, quạt nâng;

- Thiết kế đạo lưu;

- Thiết kế hệ thống truyền động;

- Chọn động cơ

(vi) Thiết kế thi công tổng thể, thiết kế chi tiết, qui trình công nghệ chế tạo:

- Hệ thống bản vẽ hoàn chỉnh: bố trí chung, các kết cấu cơ bản, kết cấu váy, hệ thống nâng, hệ thống đẩy, hệ thống lái, bố trí buồng lái, hệ thống bảo vệ và các bản vẽ chi tiết;

- Qui trình công nghệ chế tạo thân, váy, lái…;

- Chọn vật liệu và công nghệ chế tạo thích ứng

(vii) Chế tạo tàu đệm khí theo thiết kế, chạy thử và hiệu chỉnh:

- Đặt hàng và nhập các thiết bị, vật tư chính cần thiết: động cơ, chong chóng đẩy, quạt nâng, vật tư làm thân tàu, vải làm váy, các chi tiết trong hệ thống truyền động, hệ thống nâng hay đẩy (ổ đỡ các loại, puli, giá đỡ, bạc, bích nối…), các thiết bị chỉ thị, công tắc an tòan…;

- Chế tạo và thi công lắp ráp thân tàu, đệm váy khí, hệ thống truyền động, bệ đỡ động cơ, hệ thống lái, buồng lái, hệ thống điện khởi động, chỉ thị tốc độ;

- Chạy thử tàu không tải tại chỗ (chủ yếu để kiểm tra lực nâng, cân chỉnh hệ thống truyền động, kiểm tra cân bằng động chi tiết quay);

- Chạy thử tàu trên mặt nền cứng, mặt cỏ và trên nước;

- Thực hiện các cân chỉnh, điều chỉnh thích hợp (nếu có)

1.5 Tàu đệm khí nguyên mẫu

Tàu đệm khí nguyên mẫu được nghiên cứu đóng thử là loại nhỏ có khối lượng tàu không xấp

xỉ 200 kg, sử dụng váy mềm (nhằm đến tính năng lưỡng cư thuỷ bộ), chở được 2-3 người có chiều dài ước lượng khoảng 4-5 m, sức nổi (khi tắt váy) đạt 600-700 kg, trang bị động cơ với tổng công suất < 30 HP Tốc độ dự kiến 55-75 km/h (30-40 hải lý/h) Đây cũng là loại được phổ biến nhiều nhất trên thế giới do không cần đầu tư nhà xưởng lớn, thiết bị thi công không quá khó tìm Chúng dễ vận chuyển xa và cần thời gian đào tạo kỹ năng lái ngắn

Ngoài một mô hình tỉ lệ 1/5 theo kết cấu khung giàn đã hoàn chỉnh từ nghiên cứu trước (B2007-20-28) chạy bằng động cơ xăng điều khiển từ xa (Hình 1.12), một mô hình tỉ lệ của nguyên mẫu trong nghiên cứu này cũng được chế tạo phục vụ công tác kiểm tra nguyên lý, lập phương án bố trí (váy, hệ thống lái, kết cấu, ) Các mô hình này cũng được sử dụng cho công tác phổ biến kết quả, phục vụ hội thảo ở các nơi ngoài khu vực thành phố Hồ Chí Minh

Tuỳ vào điều kiện thực tế triển khai, ngoài các nội dung có tương quan thời gian thực hiện, các nội dung có thể thực hiện song hành Một số thiết bị, dụng cụ phục vụ thi công, công tác an toàn lao động phải được chuẩn bị từ trước và có kế hoạch chi tiết Toàn bộ việc chế tạo nguyên mẫu tàu đệm khí từ khâu chuẩn bị vật liệu, chế tạo chi tiết đến lắp ráp hoàn chỉnh đều được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Tàu thuỷ thuộc khoa Kỹ thuật Giao thông, trường Đại học Bách khoa - ĐHQG Tp.HCM

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ TÀU ĐỆM KHÍ

2.1 Giới thiệu chung

Xuất phát điểm của nghiên cứu sẽ bắt đầu trên cơ sở phân tích một số tàu mẫu cở nhỏ có các thông số chính được giới hạn (trọng lượng từ 250 đến dưới 550 kg, chiều dài tàu đệm khí từ 45

m, bề rộng đệm khí khỏang2 m, chiều cao váy đệm khí theo điều kiện ổn định, tổng công suất máy (gồm máy đẩy chính và máy nâng, nếu bố trí 2 động cơ riêng biệt), tốc độ trên dưới 30 hải lý/giờ (knots) với một số bản vẽ bố trí chung, công dụng, tải trọng có ích (số chỗ), khu vực và tầm họat động, tính ổn định, tính chịu sóng gió, tính chống chìm, khả năng điều khiển, rung động và tiếng ồn, điều kiện vật liệu làm thân vỏ tàu, vật liệu và kiểu váy, thiết bị trên tàu (lái, chằng buộc),

hệ thống điện, thiết bị chuyên ngành (la bàn, định vị hàng hải…) Trong điều kiện Việt Nam, các

vấn đề đề cập trên sẽ chính là yêu cầu và nhiệm vụ thiết kế, gọi là giai đọan 1 của thiết kế tàu đệm

khí Về nguyên tắc công việc này phải do người đặt hàng (chủ phương tiện) thực hiện và yêu cầu nhà thiết kế đáp ứng Do đây là nghiên cứu nguyên mẫu, việc tự xác định yêu cầu và nhiệm vụ sẽ căn cứ từ yêu cầu sản phẩm của đăng ký đề tài

Nguyên mẫu tàu đệm khí đặt ra trong nghiên cứu này là tàu đệm khí váy mềm có khả năng di chuyển cả trên mặt đất lẫn dưới nước (có tính lưỡng cư) sử dụng váy mềm Các thông số yêu cầu như sau:

- Số chỗ: 3 người

- Chiều dài toàn bộ: 4,7 m

- Chiều rộng khi căng váy: 2,2 m

- Trọng lượng tàu không: 180-200 kg

- Công suất: 26 HP

- Tốc độ: 55-75 km/h (30-40 hải lý/giờ);

- Phạm vi hoạt động: lưỡng cư (mặt đất và mặt nước)

- Tầm hoạt động: 100-150 km

- Kết cấu: ván ép-composite-xốp đúc chân không chống chìm hoàn toàn

- Trang bị GPS, đèn hành trình, neo buộc, phao cứu sinh,

Tàu có thể hoạt động trên trên mặt nước tĩnh, bãi bồi, sân cỏ, có chướng ngại không quá 100

mm Ngoài ra để phục vụ công tác di chuyển tàu, khung nâng và xe kéo cũng cần được trang bị khi cần tập kết tại bến bãi

2.2 Các giai đoạn thiết kế

Về nguyên lý, thiết kế tàu đệm khí không khác nhiều so với thiết kế tàu truyền thống Thiết kế

tàu đệm khí cũng trãi qua giai đoạn tiếp theo là giai đọan thiết kế cơ sở, gọi là giai đọan 2 của

thiết kế tàu đệm khí, gắn liền với xác định đặc tính của tàu đệm khí sau này Công việc bao gồm việc lập phương án Chúng cần khả thi và có hiệu quả kinh tế Tài liệu nước ngòai đề cập vấn đề này dưới hai khái niệm "concept design" và "preliminary design", mà, trong khuôn khổ thiết kế tàu đệm khí phải xem xét:

- Xác định lượng chiếm nước (tàu đệm khí khi tắt váy), lực nâng cần thiết (tàu đệm khí khi

mở váy);

- Xác định sơ bộ các kích thước chính: chiều dài, chiều rộng, chiều cao, chiều chìm trung bình

giai đọan này

- Trên cơ sở các kích thước này với các hệ số đầy hay các công thức kinh nghiệm của riêng lọai tàu đệm khí, lọai váy khí mà định hình dáng vỏ tàu, váy đệm khí Công tác lập bản vẽ đường hình tàu (phần cứng), váy (phần mềm) được thực hiện ngay lúc này

- Xác định lực nâng, lực cản của tàu đệm khí làm cơ sở để xác định công suất nâng, công suất đẩy theo yêu cầu đặt ra

- Phác thảo bố trí chung Xác định trọng lượng, trọng tâm tàu trên cơ sở bố trí chung và bản

vẽ kết cấu ban đầu

Giai đọan tiếp theo là giai đọan thiết kế kỹ thuật, giai đọan 3 của thiết kế tàu đệm khí, là giai

đọan xác định chính xác các đặc trưng của tàu đệm khí, trang thiết bị, bản vẽ và tính tóan được chi tiết hóa Thời điểm này cũng chính là giai đọan bắt đầu công tác thiết kế thi công (production design) thể hiện chính xác vị trí lắp ráp giữa các bộ phận trên tàu đệm khí, thiết kế chi tiết, qui trình công nghệ đóng, lắp ráp hệ thống, thiết bị trên tàu, cụ thể cho:

- Thân tàu đệm khí;

- Hệ thống váy và đệm khí;

- Hệ thống nâng;

- Hệ thống đẩy;

- Lựa chọn các thiết bị chính và bố trí động cơ, truyền động;

- Hệ thống điện khởi động, đo tốc độ, thông tin, liên lạc, đèn hành trình,…

Nhìn chung, trong các giai đọan thiết kế, các phương pháp tính tóan lý thuyết tin cậy, phương pháp tính tóan số hiện đại và thực nghiệm đo lường sẽ được cân nhắc áp dụng nhằm đạt được kết quả tốt nhất Trong khi đó, việc thi công chế tạo tàu đệm khí theo thiết kế và chạy thử, hiệu chỉnh

sẽ bám theo nội dung (vii) (Mục 1.3) với hệ thống bản vẽ kỹ thuật chuẩn mực, qui trình đóng và giám sát thi công đầy đủ, rõ ràng Trong một số trường hợp tính tóan, thi công, bài tóan tối ưu cũng sẽ được đặt ra nhằm đạt được mục tiêu về kinh tế, kỹ thuật đặt ra của tàu đệm khí nghiên cứu Cụ thể hơn:

- Các nghiên cứu liên quan đến thiết kế thủy khí động lực học sẽ dựa trên các tính toán giải tích cho phần tính sức cản chung (lực cản sóng, lực cản khí động, lực cản váy,…) theo tốc độ tàu

để xác định công suất đẩy tàu, các lý thuyết thiết kế quạt, chong chóng cho hệ thống nâng đệm khí

và hệ thống đẩy, bánh lái, đạo lưu cho quạt nâng và chong chóng đẩy Lý thuyết xoáy cưỡng bách

và xoáy tự do, lý thuyết phần tử cánh là cơ sở lý thuyết tính tóan cho máy hướng trục

- Lý thuyết tính tóan ổn định tàu đệm khí là cơ sở để xác định ổn định ngang, ổn định dọc, ảnh hưởng của khe hỡ váy, trọng tâm tàu, lưu lượng khí lên ổn định Tiêu chuẩn ổn định tàu đệm khí được đề cập và phân tích từ đây (áp dụng trước mắt là theo tiêu chuẩn CAA – UK hay các tiêu chuẩn thích ứng) Ổn định động, hiện tượng chúi mũi, vào nước và lật của tàu đệm khí được xét đến khi tàu đệm khí khi di chuyển Một số phần mềm tính tóan (ngôn ngữ C) ổn định tàu hiện đang được sử dụng tại Bộ môn Kỹ thuật Tàu thủy – khoa Kỹ thuật Giao thông hay của phần mềm AutoShip có thể khai thác ngay được khi tính tóan ổn định cho trường hợp “tắt váy” (skirt off) vì lúc này tàu đệm khí họat động như một tàu nổi thông thường Cho trường hợp “mở váy” (skirt on), các điều chỉnh thích hợp trong phần mềm sẽ được thực hiện

- Phần thiết kế hệ thống điều khiển cho tàu đệm khí sẽ trên cơ sở tính chọn bánh lái (biên dạng NACA) theo lối tính tóan thiết kế bánh lái của kỹ thuật hàng không: lực tác động lên bánh lái, moment tác động quanh trọng tâm tàu Phần hệ thống lái là phần tiếp nối của hệ thống điều khiển: trên cơ sở tối ưu về trọng lượng và giá thành, hệ thống lái dây là phù hợp nhất

- Sử dụng các phương pháp tính tóan sức bền dọc, sức bền cục bộ tàu theo tiếp cận giải tích và phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng một số phần mềm đã phát triển tại Bộ môn Kỹ thuật Tàu thủy, ĐHBK Tp.HCM kết hợp với các phần mềm tính phần tử hữu hạn thương mại (Samcef, ANSYS) Bài tóan tối ưu hóa kết cấu theo mục tiêu giảm nhẹ trọng lượng hay phân tích ứng suất đều (fully stress design) cũng có thể được đề cập

- Tòan bộ phần thiết kế thi công sẽ được thực hiện trên cơ sở mô phỏng 3D sử dụng PDMS (Plant Design Management System, version 12.0) Trên cơ sở này các cụm, hệ thống sẽ được tách

biệt, điều chỉnh và hòan thiện theo các qui ước của thiết kế cụm Từ đó tiến hành thực hiện các bản vẽ chế tạo tiết tương ứng Các bản vẽ lắp cụm và chi tiết có thể được thực hiện trên nền AutoCAD

- Sử dụng hệ thống đo lường Kyowa EDX2000 với cảm biến đo kèm theo để kiểm tra rung động, biến dạng thân tàu

- Sử dụng thiết bị cân bằng động K03B, HnB100J để cân bằng động chong chóng đẩy, quạt nâng, puli các lọai

- Sử dụng đồng hồ tốc độ tachometer gắn trên tàu đệm khí để xác định tốc độ máy chính Kiểm tra tốc độ tàu bằng hệ thống định vị GPS gắn riêng hay pitometer

- Một số công nghệ cắt nhiệt sẽ được áp dụng để thi công vật liệu xốp hay tổ ong (phần lõi), kết cấu ván ép nếu có đường cắt phức tạp thì sử dụng công nghệ cắt CNC, trong khi đó phần lớp ngoài bằng ván ép (liên kết với lõi bằng nhựa epoxy) hay/và composite sợi thủy tinh có thể sử dụng công nghệ đúc khuôn chân không vỏ tàu đã được giới thiệu trong và ngoài nước Công nghệ không khuôn (căng vải+ phủ nhựa) cũng được thử nghiệm cho một số kết cấu trên cabin hay bánh lái

- Phần thi công váy khí sẽ dựa trên cơ sở phóng dạng và khai triển như áp dụng cho vỏ tàu chỉ khác là vật liệu lúc này khá mềm mại và co giản được nên cho phép sai số nhiều hơn

- Công nghệ epoxy-ván ép, composite chân không, composite không khuôn, composite sợi thủy tinh, cũng được sử dụng để gia cường tại một số kết cấu giữa các cụm khác nhau, ví dụ: bệ động cơ với mặt boong trên, hông cabin lái với boong trên,… Ngòai ra, khi cần thiết, để tăng lực liên kết có thể dung thêm các lọai mối ghép cơ khí truyền thống (vis bắt váy đệm khí, vis cấy…)

CHƯƠNG 3: CẤU HÌNH TÀU ĐỆM KHÍ

3.1 Yêu cầu chung

Tàu đệm khí yêu cầu là tàu đệm khí cỡ nhỏ có ba chỗ bao gồm cả người lái được nhiều người lựa chọn và chế tạo nhiều nhất trên thế giới phục vụ giải trí, cứu hộ, Thân tàu có thể được chế tạo theo công nghệ khung sườn hoặc sandwich cấu tạo từ xốp - ván ép - FRP tạo nên kết cấu composite không có khoang rỗng Loại sau rất dễ chế tạo và có khả năng tự nổi trên mặt nước và không cần bố trí bơm hút khô Trên hết nó chịu va đập rất tốt phù hợp với các hoạt động vui chơi, thể thao dưới nước hay chạy trên cạn

Tàu đệm khí cỡ nhỏ có thể sử dụng một động cơ để dẫn động cho chong chóng đẩy lẫn quạt nâng bằng cách trích lực dùng truyền động đai Nhờ thế tàu lúc nào cũng đảm bảo đủ lực nâng khi chạy tới Tuy vậy việc cân chỉnh đòi hỏi một tay nghề tinh tế Điều khiển tàu này sẽ dễ dàng, chi phí bảo hành (phần động cơ) thấp Giải pháp khác là sử dụng hai động cơ riêng biệt, một cho hệ thống đẩy và một cho hệ thống nâng Hệ thống điều khiển trong trường hợp này phức tạp và cần

có kỹ năng lái tốt

Do yêu cầu về giá thành, về an toàn (do phải bố trí động cơ nâng ở trước mặt người lái) và trên hết do yêu cầu về giảm nhẹ trọng lượng tàu, phần lớn các loại tàu đệm khí cỡ nhỏ sử dụng một cánh quạt để cung cấp cả lực nâng và lực đẩy, được bố trí 2/3 phía trên dùng để cung cấp lực đẩy

và 1/3 còn lại phía dưới cho lực nâng (Hình 3.1) nhờ tấm ngăn khí Dòng khí ở phía dưới được đưa thẳng vào phần khoang rỗng bố trí dọc theo chu vi tàu thân tàu làm căng phồng túi khí dạng ống hay các đoạn riêng ghép lại gắn liền dưới thân Chúng vây quanh tạo nên buồng đệm khí

Hình 3.1 - Tàu đệm khí bố trí 1 động cơ

Trong khi đó, tàu đệm khí khác sử dụng hai động cơ cho chong chóng đẩy và quạt nâng (thường bố trí phía trước) cho khả năng điều khiển độc lập công suất đẩy và nâng (Hình 3.2) Việc điều khiển sẽ linh động hơn và đạt công suất tối ưu theo địa hình hoạt động Cũng nhờ việc điều chỉnh linh hoạt này mà tàu có thể tăng độ cao hở váy mà không ảnh hưởng đến hiệu suất đẩy [13]

Hình 3.2 - Tàu đệm khí bố trí 2 động cơ riêng biệt

Trong điều kiện nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm, các giải pháp bố trí động cơ như trên đều được đề cập trong nghiên cứu Tuy vậy, giải pháp một động cơ được chọn để đóng nguyên mẫu và giải pháp còn lại có thể được đề cập thông qua các mô hình tỉ lệ thu nhỏ (loại chạy xăng và điện) làm cơ sở nghiên cứu thêm

Một tàu tiêu biểu cho các lựa chọn trên là chiếc UH – 13P do Hãng Universal Hovercraft (Mỹ) sản xuất:

- Số chỗ: 2 – 3

- Khối lượng tải: 550 Lbs ~ 250 kg

- Tốc độ thiết kế: 40 - 55 mph ~ 65-90 km/h

- Chiều cao đệm khí: 8 inches ~ 0.203 m

- Chiều dài tàu: 13ft 6in ~ 4.115 m

- Chiều rộng tàu: 6ft 2in ~ 1.88m

- Khối lượng tàu không: 375 Lbs ~ 170 kg

- Công suất động cơ: 18 – 27 HP (nặng dưới 120 Lbs ~ 54 kg)

- Nhiệm vụ: phục vụ cho nhu cầu giải trí, huấn luyện thể thao;

- Vùng hoạt động: sông, ao, hồ ,đầm lầy hoặc khu vực có mớn nước thấp

3.2 Tính toán sơ bộ

3.2.1 Trọng lượng tàu

- Ước tính trọng lượng: 400 kg với 3 chỗ ngồi, hành lý, nhiên liệu,…

- Vận tốc di chuyển: từ 55 đến 75 km/h;

- Thời gian vận hành: khoảng 2 giờ;

- Độ cao váy lý tưởng: 0.2 đến 0.3 m;

- Trọng lượng hành khách (3 người): 65 kg/người;

trong đó:

WPL là tổng khối lượng hành khách và hàng hóa mang theo;

WE là khối lượng tàu không;

Wf là khối lượng nhiên liệu

(i) Khối lượng 3 hành khách và hàng hoá mang theo:

kg

(ii) Khối lượng tàu không bao gồm khối lượng kết cấu, khối lượng giá đỡ động cơ, khối lượng

động cơ, chong chóng đẩy, quạt nâng và các thiết bị điều khiển khác:

ctl eng str

(3.3) trong đó:

Wstr - khối lượng của phần kết cấu;

Weng - khối lượng động cơ;

Wctl - khối lượng khung đỡ động cơ, đạo lưu chong chóng đẩy, khối lượng của bộ phận điều khiển

 Khối lượng phần kết cấu:

Theo các tài liệu thống kê, thông thường khối lượng tàu không thường chiếm khoảng 28 - 35% khối lượng của tàu Với những loại tàu cỡ nhỏ có diện tích từ 5 - 7 (m2) thì khối lượng tổng thể của tàu thường khoảng 350 - 500 (kg) Đối với tàu bố trí một động cơ nếu sử dụng kết cấu xốp PU

- ván ép - FRP đúc chân không, khối lượng kết cấu cho tàu dự tính là: Wstr = 120 kg

 Khối lượng động cơ:

Động cơ được chọn cho tàu là động cơ Briggs & Stratton có khối lượng: Weng = 45 kg

 Khối lượng phần hệ thống điều khiển:

Hệ thống bao gồm phần điều khiển, chong chóng, quạt, hệ thống điện và các thiết bị khác Tổng trọng lượng của hệ thống điều khiển này chiếm khoảng 4 – 15% tổng khối lượng tàu, như

vậy trong trường hợp này chọn khoảng Wctl = 35 kg

Như vậy khối lượng tàu không sẽ là:

ctl eng str

W    = 120 + 45 + 35 = 200 kg

(iii) Khối lượng nhiên liệu:

Việc xác định nhiên liệu tiêu thụ phụ thuộc vào suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ, công suất động cơ, hiệu suất chong chóng, quạt,…Khối lượng nhiên liệu cho toàn bộ quãng đường hoạt động (100 km) được tính như sau:



V

R q

(3.4)

trong đó:

qe - suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 0.2 – 0.5 (kg/HP.h);

N - tổng công suất của động cơ (HP);

R - tầm hoạt động (km);

đệm khí bao gồm chiều dài đệm khí Lc, chiều rộng đệm khí Bc và chiều cao (váy) đệm khí Hsk

Để tính các kích thước hình học của tàu đệm khí trước hết ta phải chọn các thông số cơ bản:

- Tỉ số chiều cao váy đệm khí trên chiều rộng đệm khí Hsk/Bc;

- Tỉ số chiều dài đệm khí trên chiều rộng đệm khí Lc/Bc ;

- Tỉ số áp suất đệm khí trên chiều dài đệm khí pc/Lc;

dựa vào tham khảo các thông số hình học từ các loại tàu đệm khí 3 chỗ ngồi như UH-13P, UH-13 Twin Trainer, Skima, (Bảng 3.1)

Bảng 3.1 - Các kích thước chính và thông số của một số tàu đệm khí tham khảo

[T]

Lc [m]

Bc [m] Lc/Bc

pc [kg/m2]

pc/Lc [kg/m3]

Sc[m2]

4.0 4.0 4.0 4.0 5.03 5.03

2.0 2.0 2.0 2.0 2.08 2.08

2.0 2.0 2.0 2.0 2.42 2.42

5.0 5.0 5.0 5.0 7.0 7.0

L L p

W B

c c

c c

1.20.17

451 0.3332

333 0

Chiều cao váy đệm khí:

m B

81.9451

m N B

L

Wg p

c c

Các kết cấu nhôm dùng công nghệ hàn được sử dụng rộng rãi hơn so với dùng đinh tán và keo dính dựa trên công nghệ trong ngành hàng không, điều này dẫn tới giảm giá thành của sản phẩm Các hợp kim nhôm dùng trong tàu nhìn chung có độ bền thấp hơn so với các hợp kim nhôm dùng trong hàng không, độ bền của các mối hàn cũng thấp hơn, do đó có thể bỏ qua công đoạn làm cứng mối hàn khi áp dụng cho tàu Các tấm vỏ khi sử dụng mối hàn sẽ dày hơn trong thiết kế sử dụng đinh tán, dẫn đến trọng lượng của kết cấu sẽ cao hơn Đối với các tàu đệm khí cỡ nhỏ, các tấm mỏng cũng đủ để đạt được các đòi hỏi về chịu tải kết cấu Những tấm này rất khó để hàn lại với nhau trong một số trường hợp, điều này cùng với những đòi hỏi về độ cứng của kết cấu buộc các kỹ sư thiết kế phải chọn các tấm có độ dày dày hơn hay sử dụng đinh tán, keo dán hay các vật liệu composite được gia cường bằng sợi Có thể thi công phần kết cấu tàu bằng hợp kim nhôm hay các loại vật liệu composite được gia cường bởi sợi, ví dụ như: GRP (Glass fiber Reinforced Plastic), một loại vật liệu composite có pha nền là nhựa và được gia cường bởi sợi thủy tinh GRP nếu được sử dụng thì các công đoạn thi công, bảo trì và sửa chữa sẽ đơn giản hơn, tuy nhiên độ cứng của GRP thì thấp hơn nhôm, nên GRP không thể được sử dụng cho những tàu có trọng tải lớn (trên 50 tấn) Với những tàu đệm khí có kích thước nhỏ hơn nữa, vấn đề quan trọng nhất là tối thiểu hóa trọng lượng của tàu và đảm bảo tàu chịu được các ngoại lực tác động ở vận tốc cao.Do tàu đệm khí có khối lượng riêng kết cấu thấp, công suất cao và số vòng quay động cơ cao với một dải phân bố rộng các tần số kích thích (động cơ, quạt nâng, chong chóng đẩy, ) nên vấn đề dao động trở nên rất quan trọng Vật liệu phải có khả năng hập thụ dao động và giảm tiếng ồn

Nhìn chung xu hướng thiết kế kết cấu các tàu cỡ nhỏ có vận tốc cao sử dụng vật liệu composite là phù hợp Thưc tế tại thành phố Hồ Chí Minh, cụ thể là tại trường Đại học Bách khoa TPHCM, nhiều nghiên cứu đã và đang sử dụng vật liệu composite là hỗn hợp của nhựa epoxy và sợi thủy tinh cũng như các kết cấu dạng sandwich đảm bảo độ cứng, độ bền và khối lượng nhẹ Sử dụng vật liệu này giúp rút ngắn thời gian thi công, chưa kể việc đầu tư thiết bị thi công cũng rất thấp (chỉ cần dụng cụ cầm tay, các dụng cụ có sẵn hay tự chế tạo được) Vật liệu composite được dùng trong quá trình chế tạo là composite dạng sandwich được kết hợp từ các loại vật liệu là GRP, xốp XPS (Extruded Polystryrene Foam) và ván ép chuyên dùng (marine grade plywood) Đây cũng là loại vật liệu được sử dụng rất phổ biến để chế tạo tàu đệm khí cỡ nhỏ hiện nay Composite dạng sandwich có khá nhiều ưu điểm so với vật liệu composite thông thường như nhẹ, có độ bền

và độ cứng cao so với loại kinh điển (Hình 3.3)

Hình 3.3 - Độ cứng tấm composite dạng sandwich tăng mạnh so với trọng lượng

Sử dụng vật liệu GRP-xốp-ván ép trong kết cấu sandwich làm giá thành hạ do thi công nhanh

và giảm đáng kể kết cấu lắp ghép nếu sử dụng hệ thống khung sườn Kết cấu này không chìm, thậm chí trong trường hợp thân tàu gặp hư hỏng nặng Thân tàu làm bằng loại vật liệu trên rất dễ bảo trì, dễ dàng vệ sinh bảo dưỡng

3.2.2 Phần thân tàu

Thân tàu được thiết kế có dạng thuôn gọn Sàn tàu làm từ vật liệu composite dạng sandwich nên thân tàu sẽ nhẹ hơn nhiều so với các dạng tàu sử dụng vật liệu truyền thống Do tàu làm từ các tấm xốp XPS dạng panel chuẩn với kích thước 4'  8'  2" (~ 1.2 m  2.4 m  50mm) nên với diện

tích đệm khí ước lượng Sc dao động từ 6-7 m2 thì phải ghép ít nhất 2 tấm đạt bề dầy lõi 100 mm Với diện tích sàn tính toán, dự trữ nổi của tàu đạt trên 50% Cũng xuất phát từ kích thước giới hạn của nhà sản xuất XPS, việc bố trí mối ghép cũng phải chú ý để chúng không trùng nhau

Hình 3.4 - Sàn tàu có lõi ghép từ các panel xốp XPS

Việc thiết kế thân tàu phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Tính nổi cho tàu;

- Khối lượng phần thân tàu càng nhỏ càng tốt;

- Có đủ không gian để bố trí hành khách (3 người), bố trí động cơ, hệ thống chong chóng đẩy, quạt nâng và các hệ thống khác

Để tăng bền cho thân tàu, tăng khả năng chịu va ngang, phần mạn tàu được bọc nẹp gỗ bao quanh Về sau phần nẹp gỗ này cũng được lợi dụng để làm nẹp bắt mép váy ngoài

Hình 3.5 - Nẹp gỗ để gia cố và giữ biên dạng cho sàn tàu, giữ váy

Việc bố trí cabin cần chú ý đến khả năng quan sát, khả năng thoát hiểm, giữ khoảng cách an toàn với chong chóng đẩy, quạt nâng, và tận dụng tối đa chiều dài thân tàu nhất Vị trí này rõ ràng lệ thuộc vào cách bố trí hệ thống động lực

3.2.3 Vị trí đặt hệ thống tạo lực nâng và lực đẩy

Có hai các bố trí phổ biến: dùng duy nhất chong chóng đẩy cộng với cơ cấu trích khí sau (air splitter) dưới dạng một tấm ngăn để cung cấp khí cho đệm khí hay dùng chong chóng đẩy và quạt nâng riêng biệt (Hình 3.5)

Hình 3.6 - Hai phương án sử dụng hệ thống đẩy và nâng

Phần lớn các loại tàu đệm khí cỡ nhỏ sử dụng một cánh quạt để cung cấp cả lực đẩy và lực nâng, được bố trí 2/3 phía trên dùng để cung cấp lực đẩy và 1/3 còn lại phía dưới cho lực nâng Dòng khí ở phía dưới được đưa thẳng vào dưới thân tàu nhờ tấm ngăn làm căng váy và tăng áp suất trong đệm khí

Một số loại tàu đệm khí khác sử dụng chong chóng đẩy và quạt nâng riêng biệt Khi sử dụng phương án này, việc điều khiển linh động hơn và đạt hiệu cao hơn Trong trường hợp bố trí 2 động

cơ riêng biệt, tàu sẽ điều chỉnh linh hoạt khe hỡ váy so với bề mặt mà không ảnh hưởng đến hoạt động của chong chóng đẩy Phương án này vì vậy được chọn

Hệ thống nâng hay còn gọi là quạt nâng đặt ở phía trước và để nghiêng về phía mũi 30 so với phương thẳng đứng với mục đích là ngoài việc tạo lực nâng cho tàu thì sẽ sinh ra thêm được một phần lực đẩy cung cấp cho tàu khi hoạt động, tránh được hiện tượng mũi tàu sẽ bị nâng lên một cách đột ngột khi tăng tốc độ quạt nâng

Việc sử dụng hệ thống tạo lực nâng và lực đẩy riêng biệt tàu hoạt động êm ái và việc điều khiển tàu dễ dàng hơn khi tích hợp hệ thống Tuy nhiên việc bố trí gặp nhiều khó khăn khi thiết kế

bệ động cơ nâng (gắn quạt nâng trực tiếp, sử dụng 2 động cơ) hay giá đỡ quạt nâng (khi trích lực,

sử dụng 1 động cơ), hệ thống truyền động, Trong khi đó hệ thống tích hợp sẽ giảm đáng kể khối

lượng cho tàu nhưng lại gặp một số khó khăn trong việc duy trì công suất hoạt động cho các thành phần nâng và đẩy

Với các phân tích như vậy, hệ thống nâng nên đặt ở phía trước, nghiêng tới 30 nhằm tạo lực nâng cho tàu và đồng thời cung cấp một phần lực đẩy tàu về phía trước Góc nghiêng này giúp tránh được hiện tượng mũi tàu sẽ bị nâng lên đột ngột khi tăng giảm ga dẫn đến va đập mũi tàu gây hư hỏng (Hình 2.5) Chú ý là quạt nâng này cũng cung cấp khí làm căng váy bao quanh cũng nhờ một vách ngăn khí tương tự như đã nói trên

Hình 3.7 - Vị trí đặt hệ thống nâng (quạt nâng) ở mũi tàu

Chong chóng đẩy được bố trí phía xa đuôi tàu, sau động cơ đảm bảo sự an toàn cho hành khách (Hình 3.8)

Hình 3.8 - Vị trí đặt động cơ và hệ thống đẩy ở đuôi tàu

Tuy nhiên, cách bố trí này cũng gây bất lợi về tiếng ồn và tạo rung động Việc này đòi hỏi phải

xử lý bệ máy, bố trí ổng xả phù hợp nhằm hạn chế ảnh hưởng đến hành khách

3.2.4 Hệ thống lái điều khiển hướng

Các bánh lái được dùng để lái tàu đệm khí và dùng duy trì ổn định hướng tàu chạy Ổn định hướng tàu là rất quan trọng, đặc biệt ở tốc độ cao Nếu diện tích bánh lái không đủ hay một hoặc nhiều bánh lái bị hỏng ở tốc độ cao, tàu có thể dạt ngang hoặc xoay tròn Để an toàn và điều khiển hướng hiệu quả ở các tốc độ khác nhau, tàu đệm khí thường được trang bị 2-3 bánh lái Trường

các bánh lái được bẻ ở góc lớn có thể đến 60 Chúng thường có dạng cánh khí động đối xứng Trụ lái bố trí cách khoảng 20-22% chiều dài cung cánh (chord) (Hình 3.9) Việc chọn vị trí này giúp dễ giữ thẳng bánh lái và không cần dùng đến lực kéo lái quá lớn

Hình 3.9 - Dạng cánh bánh lái khí động

Có hai hệ thống lái được sử dụng khá phổ biến: chong chóng lái (tương tự như máy lái chữ Z trong tàu thuỷ) và bánh lái hướng (rudder) (Hình 3.10) Loại đầu thường trang bị cho tàu lớn giúp điều khiển tàu rất cơ động kể cả khi tàu chạy ở tốc độ thấp Kết cấu chúng thường phức tạp, việc điều khiển đòi hỏi phải chú ý tránh gây lật tàu Tàu đệm khí cỡ nhỏ chỉ sử dụng loại sau do có kết cấu nhẹ, dễ chế tạo và lắp đặt tuy khó điều khiển khi vận hành tàu ở vận tốc thấp Có thể khắc

phục nhược điểm này bằng cách tăng diện tích bánh lái và đặt bánh lái sát sau chong chóng đẩy

Hình 3.10 - Hai kiểu hệ thống lái phổ biến

Việc điều khiển hướng thẳng cho tàu rất quan trọng đặc biệt khi chạy ở tốc độ cao Nếu hệ thống điều khiển hướng - bánh lái - không thể hoạt động đủ chức năng do diện tích bánh lái quá nhỏ hoặc không thể sử dụng được tại vận tốc cao thì tàu sẽ bị lệch sang một phía hoặc là bị lật nhào Hầu hết các tàu đệm khí nhỏ có 2-4 bánh lái để tăng hiệu quả cho việc điều khiển hướng Việc đặt bánh lái so với trọng tâm của tàu cũng không đặt quá cao ảnh hưởng không tốt đến độ ổn định của tàu khi quay vòng Trên thực tế, bố trí kiểu delta (2 bánh lái úp vào phía trong tâm tàu) cũng cải thiện phẩn nào ổn định quay vòng Tuy vậy, hệ thống truyền động lái sẽ phức tạp

Ngoài ra, để tăng hiệu quả cho sự hoạt động ổn định dọc của tàu thì tàu đệm khí cỡ nhỏ bố trí thêm một cánh ngang (elevator hay trim wing) Chức năng của cánh nâng là làm tăng hoặc giảm

độ ngóc hay chúi của tàu ở tốc độ cao ở mức độ nhỏ Đôi lúc nó cũng điều chỉnh lực đẩy tàu Thực vậy, lực đẩy gây chúi tàu do trục đẩy nằm trên trọng tâm tàu và tâm cản Cánh nâng nên bố trí ngay sau chong chóng đẩy để tận dụng luồng khí thổi phía sau Cánh lái (đứng) vì vậy phải bố trí thấp hơn cánh nâng (Hình 3.11)

Hình 3.11 - Vị trí đặt cánh ngang nằm trên bánh lái

3.2.5 Bố trí buồng lái

Bố trí chỗ ngồi có ảnh hưởng rất nhiều đến việc thiết kế vì các bố trí chỗ ngồi khác nhau sẽ làm thay đổi hình dáng của buồng lái một cách đáng kể, dẫn đến sự thay đổi của lực cản cũng như thay đổi tải lực tác động lên tàu liên quan đến tính toán toàn bộ kết cấu tàu đệm khí sau này

Có hai phương án bố trí chỗ ngồi là ngồi ngang và ngồi dọc Với hình dáng của thân tàu là thuôn dài và với yêu cầu thiết kế cho ba chỗ ngồi nên phương án bố trí ngồi dọc theo chiều dài tàu

là hợp lý nhất (Hình 3.12) Phương án này đảm bảo sự phân bố tải lực dọc thân tàu, giữ tàu cân bằng và ổn định Bố trí kiểu ngồi này cũng đòi hỏi phải thiết kế hệ thống tay điều khiển phù hợp

Hình 3.12: Phát thảo không gian buồng lái

3.2.6 Hệ thống váy tàu

Váy là một bộ phận rất quan trọng trong tàu đệm khí Váy vây quanh tạo ra buồng đệm khí nằm ngay dưới thân tàu Các chức năng của váy tàu:

- Tạo và giữ lớp đệm khí bên dưới tàu

- Váy mềm dẽo bám theo địa hình hay mặt nước nên tạo biên dạng hiệu quả khi vượt qua các chướng ngại vật

- Trở lại được hình dạng ban đầu sau khi bị biến dạng

- Tăng tính ổn định cho tàu

- Giảm ma sát với các chướng ngại vật bên dưới do khả năng trượt của vật liệu váy

- Hấp thụ phần lớn năng lượng sinh ra do va đập của tàu với môi trường xung quanh

Có ba dạng váy được sử dụng phổ biến trong tàu đệm khí nhỏ: váy dạng túi (bag skirt), váy dạng túi xếp (segment skirt) và váy dạng túi-ngón (bag-finger skirt) như trên Hình 3.13

Hình 3.13 - Ba loại váy phổ biến ở tàu đệm khí cỡ nhỏ

- Váy túi thực chất có dạng ống bao quanh chu vi thân tàu được cấp khí từ quạt nâng hay trích khí từ chong chóng đẩy có áp suất cao hơn hoặc bằng áp suất của đệm khí Tuỳ vào ứng dụng ở địa hình nào mà ống váy có bố trí lỗ thoát nhỏ (thường về phía bên trong của ống váy) hay bịt kín hoàn toàn nhằm ngăn nước xâm nhập bên ngoài vào khi tàu tắt váy Váy loại này hạn chế việc bị cắt rách khi vận hành nhằm bảo toàn áp suất hoạt động

- Váy túi xếp được hình thành từ các túi xếp hỡ ghép liên tục theo chu vi tàu Khi hoạt động không khí được bơm vào các thành dẫn khí đến từng túi, chúng phồng lên và ép ngang hình thành túi khí liên kết Váy loại này hoạt động bền bỉ, việc hư hỏng chỉ xảy ra trên các túi riêng biệt nên

dễ dàng sửa chữa và thay thế

- Váy túi-ngón kết hợp váy dạng túi kết hợp sự nối dài về bên dưới nhờ các "ngón" váy Loại túi này cho khả năng ổn định cao Tuy vậy việc chế tạo khá phức tạp và tốn kém Loại này thường phổ biến hơn ở tàu lớn

Vật liệu váy trong tàu đệm khí cỡ nhỏ dễ tìm và rẽ Thông dụng nhất là vải latex làm từ neoprene-nylon hay vải bọc nhựa vinyl có khối lượng riêng 400-700 g/m2 Loại phổ biến nhất là

600 g/m2 cho tàu đệm khí cỡ nhỏ Vật liệu này chịu mài mòn rất tốt, duy trì độ mềm dẽo theo thời gian ngoài trời, có thể thi công bằng keo dán vinyl (kết hợp với may nối) có sẵn trên thị trường trong nước

Do tính giản dị và dễ chế tạo, bảo trì thuận tiện, váy túi sẽ là lựa chọn cho tàu đệm khí nguyên mẫu Tàu chạy cũng chạy trên mặt nước nên không bố trí ống thoát về phía trong váy để tránh lươn, chạch, chui vào khi dừng tàu trên mặt nước

3.2.7 Các hệ thống khác

Các hệ thống khác như ghế ngồi, hệ thống nhiên liệu, kính chắn gió, lưới tấm bảo vệ, có thể tham khảo trong các sổ tay hướng dẫn chế tạo tàu đệm khí cỡ nhỏ mà không gặp quá nhiều khó khăn [11,12]

CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG NÂNG

4.1 Giới thiệu chung

Khối không khí nâng tàu đệm khí có hình dạng của đáy tàu đệm khí, các cạnh bên trong của váy nâng và bề mặt lơ lửng ở trên Quạt nâng thổi không khí xuống dưới đáy của tàu đệm khí vẫn tiếp tục đẩy không khí nhiều hơn vào bên dưới tàu đệm khí, do đó làm tăng áp suất trong đệm không khí Khi lực tác động của không khí nén trên bề mặt bằng trọng lượng của tàu đệm khí thì tàu đệm khí lơ lửng trên đệm khí

Khi tàu đệm khí lơ lửng, váy tàu sẽ được nâng cao như mức thiết kế cho phép Không khí thoát qua khoảng cách giữa phía dưới váy và mặt nước Kích thước của khoảng cách này sẽ đủ lớn

để cùng một số lượng không khí thoát ra sẽ được đẩy vào bởi quạt nâng, giữ cho áp suất bên trong đệm không khí không đổi Thông thường, khoảng cách khe thoát khí giữa phía dưới váy và mặt nước được gọi là “khe sáng”, thông thường lớn khoảng 10 – 20 mm

Hình 4.1: Độ hở khe thoát khí

Trong trường hợp của tàu đệm khí, có hai loại áp suất đo được: áp suất tĩnh và áp suất động

Áp suất tĩnh là áp suất của vùng không khí đứng yên một chỗ, trong khi áp suất động là áp suất của không khí khi chuyển động Áp suất tĩnh là các áp suất dùng để nâng tàu đệm khí Nếu chỉ đo

áp suất của đệm không khí bằng cách đặt một áp kế dưới váy, ta sẽ đo được một giá trị hoàn toàn khác nếu đo áp suất ở trong đệm khí Điều này là do không khí di chuyển nhanh phía dưới váy, do

đó, có thể được đo áp lực động và tĩnh cùng lúc Tại vùng trung tâm đệm khí, không khí nâng tương đối tĩnh hơn

Tàu đệm khí ba chỗ ngồi được thiết kế có hệ thống lực nâng và lực đẩy riêng biệt Mục đích duy nhất của quạt nâng là duy trì áp suất bên trong đệm khí Quạt nâng với nhiều lá cánh hiệu quả hơn trong việc tăng áp suất so với quạt hai cánh

Để nâng tàu đệm khí, áp lực của không khí phải ép lên bề mặt của nước Áp lực này cũng làm giãn khối nước bên dưới thân tàu như thể tàu truyền thống chỉ có khác là lúc này thân tàu đang lơ lững trên cao hơn và "khô ráo"

Hãy xem xét mớn nước bên trong đệm khí khi tàu đứng yên Cho rằng quạt nâng cung cấp áp

suất dư p0 bằng 0.005 áp suất khí trời Áp suất trong nước được tính [14]:

gz p

trong đó pa là áp suất khí trời (Hình 4.2)

Hình 4.2 - Mực nước bên trong đệm khí (pa = áp suất khí trời, p0 = áp suất dư trong đệm khí)

Áp dụng (4.1) cho mặt nước bên trong đệm khí, ta có:

gh p

Hình 4.3 - Hình học của buồng toàn phần đơn giản và màn che phản lực

(i) Buồng đệm khí toàn phần:

- Dòng ra là các dòng hình xuyến;

- Sự chênh áp nâng tàu lên;

- Tàu được nâng lên cho đến khi dòng ra cân bằng với dòng vào qua quạt nâng;

- Váy được sử dụng để tăng độ cao nâng (Hình 4.4 a)

(ii) Màn che phản lực:

- Khí thoát ra dưới dạng màn phản lực;

- Duy trì áp suất cao dưới tàu đệm khí;

- Cho độ hỡ mặt đất cao hơn với cùng dòng ra;

- Váy được sử dụng để tăng độ cao nâng

Hình 4.3 - Váy được sử dụng để tăng độ cao nâng

Nghiên cứu hệ thống nâng liên quan đến nghiên cứu cơ chế dòng phụt mỏng (thin jet theory), dòng phụt dầy (thick jet theory) là các lý thuyết được áp dụng nhiều nhất [15]

4.2 Lý thuyết dòng phụt mỏng

Trong tiếp cận này, giả thuyết vận tốc dòng ra phân bố đều theo mặt cắt dòng phụt (Hình 4.4)

Hình 4.4 - Mô hình phân bố vận tốc đều theo mặt cắt

Hãy xem xét cân bằng động lượng theo phương ngang tính trên đơn vị dài với dòng vào và dòng ra như trên Hình 4.5

Hình 4.5 - Mô hình xét cân bằng động lượng theo phương ngang

Động lượng dòng vào:

)cos(

 - góc thoát khí so với phương ngang;

 - khối lượng riêng không khí

Vj - vận tốc dòng khí

Động lượng dòng ra:

j j

D (  ) ( = lưu lượng khối lượng  vận tốc) (4.5)

Lực theo phương ngang (trên đơn vị dài):

h p

trong đó:

pc- áp suất đệm khí;

h - chiều cao váy

Lực này bằng biến thiên động lượng, ta có:

)cos1(

f ver  c (tác động lên màn khí, hướng lên trên) (4.10) Lực này bằng biến thiên động lượng, ta có:

Áp suất đệm khí sinh ra này tác động lên đáy tàu (Hình 4.6) gồm phần sàn cứng (A) và phần váy

tàu bao quanh (phần diện tích đánh dấu , , , ) Tàu được nâng lên

Hình 4.6 - Cân bằng giữa lực nâng và trọng lượng tàu

Diện tích toàn bộ mặt nâng sẽ là (yP A) với P là chu vi đệm khí

Cân bằng lực theo phương đứng của các lực nâng và trọng lượng tàu:

Wg A

Hình 4.7 - Mô hình phân bố vận tốc thay đổi theo mặt cắt

Các giả thuyết ban đầu:

- Cạnh tự do của dòng phụt ra có dạng cung tròn;

- Biến đổi vận tốc theo dòng phụt tự do tỉ lệ với độ cong của dòng phụt: V 1/R (Hình 4.8)

1 0

0 ln

R

R R

0

ln

R

R R

p p

gh V

p gh V

p p

2 1 1

2 0 0

0

212

12

1

Rút gọn ta được:

2 1 2

0

2

12

1

V p

p V

V

R

t

ln2

1 0

0

(4.19)

Chiều cao váy tính (Hình 4.9):

T

p p

p R

0

0

cosln

c T T

p p

p

p V

V h

j c

T

T

p p

p V

V p

p

p h

t

ln2

1

Có hai trường hợp đặc biệt khi chú ý: khi nối dài miệng thổi ra ngoài dòng phụt (nối váy dài)

và khi thu ngắn về bên trong dòng phụt (Hình 4.10)

Hình 4.10 - Hai trường hợp đặc biệt nối dài và thu ngắn miệng thổi

(a) Khi nối dài miệng thổi ra ngoài dòng phụt:

Dòng tại mặt cắt X-X song song với váy và đều: V1=Vj, nên:

c T T

p R

R V

0 0

(4.23) Công thức (4.22) trở thành:

c T T

c T

T

p p

p p

p

p p

p

p h

t

ln2

1cos

(4.24) (b) Khi thu ngắn miệng thổi về bên trong dòng phụt:

- Dòng tại mặt cắt X-X song song với váy và đều: V0=Vj, nên:

c T

T

p p

p p

p

p h

t

ln2

1cos

T

p p

p h

t

ln2

11cos

p

Đặt :

)1(cos 

T

e p