Bí quyết giúp tàu ngầm diesel ẩn mình

GD&TĐ - Động cơ diesel vốn phụ thuộc hoàn toàn vào oxy để duy trì quá trình đốt cháy, trong khi môi trường dưới nước lại không cung cấp không khí tự do.



Tuy nhiên, những con tàu này vẫn có thể lặn sâu và hoạt động bí mật trong nhiều ngày, thậm chí nhiều tuần.

Nghiên cứu về cấu trúc

Về bản chất, động cơ diesel là động cơ đốt trong. Quá trình vận hành của nó dựa trên việc hút không khí vào xi lanh, nén ở áp suất cao rồi phun nhiên liệu để tạo ra phản ứng cháy sinh công. Cơ chế này đòi hỏi nguồn cung cấp oxy liên tục và đồng thời cần hệ thống xả khí thải.

Khi tàu ngầm lặn sâu, áp suất nước tăng mạnh và không còn không khí tự do để hút vào. Nếu cố vận hành động cơ diesel trong điều kiện này, tàu sẽ nhanh chóng cạn kiệt oxy bên trong và tích tụ khí thải độc hại. Vì vậy, về mặt vật lý, động cơ diesel không thể hoạt động ở độ sâu lớn.

Thay vì tìm cách vượt qua giới hạn tự nhiên đó, các kỹ sư hải quân đầu thế kỷ XX đã đưa ra một giải pháp sáng tạo. Họ tách biệt quá trình phát điện khỏi quá trình đẩy chân vịt. Thiết kế này tạo nên hệ thống tàu ngầm diesel - điện, trong đó động cơ diesel không còn trực tiếp quay chân vịt khi tàu lặn, mà chủ yếu vận hành máy phát điện để sạc các bộ pin dung lượng lớn.

Khi tàu nổi lên mặt nước hoặc hoạt động ở độ sâu nông với hệ thống ống thở, động cơ diesel được khởi động. Năng lượng cơ học từ động cơ sẽ truyền đến máy phát, biến thành điện năng để vừa sạc pin vừa cung cấp điện cho hệ thống động cơ điện.

Khi tàu lặn xuống độ sâu tác chiến, động cơ diesel được tắt hoàn toàn. Lúc này, tàu di chuyển nhờ động cơ điện sử dụng nguồn năng lượng dự trữ trong pin. Chính sự chuyển đổi này tạo ra ưu thế chiến thuật quan trọng. Động cơ điện vận hành êm hơn rất nhiều so với động cơ đốt trong, gần như không tạo ra tiếng nổ hay rung động mạnh.

Trong môi trường dưới nước, nơi âm thanh lan truyền nhanh và xa hơn không khí, việc giảm tín hiệu âm thanh là yếu tố sống còn. Nhờ vậy, tàu ngầm diesel - điện khi chạy bằng pin có thể đạt mức độ yên tĩnh tương đương, thậm chí trong một số điều kiện còn vượt qua một số tàu ngầm hạt nhân hiện đại.

Tuy nhiên, ưu thế này đi kèm với giới hạn rõ ràng về năng lượng. Dung lượng pin quyết định thời gian tàu có thể duy trì trạng thái lặn. Ở tốc độ thấp, tàu có thể hoạt động trong một đến vài ngày trước khi cần sạc lại. Ở tốc độ cao, thời gian này rút ngắn đáng kể do tiêu thụ điện tăng mạnh.

Để sạc pin mà không phải nổi hoàn toàn lên mặt biển, tàu ngầm diesel - điện được trang bị hệ thống ống thở. Ống này vươn lên khỏi mặt nước, cho phép hút không khí vào động cơ diesel và thải khí xả ra ngoài trong khi phần lớn thân tàu vẫn ở dưới nước.



Bước tiến khoa học quan trọng

Dù giúp duy trì mức độ ẩn mình tương đối, quá trình chạy ống thở vẫn tạo ra rủi ro phát hiện. Cột ống thở có thể bị radar đối phương ghi nhận, khí thải có thể bị phát hiện qua cảm biến hồng ngoại, và tiếng ồn từ động cơ diesel làm tăng tín hiệu âm thanh.

Vì vậy, thời gian vận hành ống thở thường được tối ưu hóa ở mức ngắn nhất có thể. Điều này thúc đẩy các quốc gia tiếp tục tìm kiếm giải pháp kéo dài thời gian lặn mà không phụ thuộc vào không khí bên ngoài.

Bước tiến quan trọng trong lĩnh vực này là sự ra đời của hệ thống động cơ đẩy độc lập với không khí, hay còn gọi là Air-Independent Propulsion (AIP). Công nghệ AIP cho phép tạo ra điện năng mà không cần hút oxy từ khí quyển.

Một số thiết kế sử dụng động cơ Stirling với oxy lỏng dự trữ, một số khác dùng pin nhiên liệu hydro để tạo ra điện thông qua phản ứng hóa học. Những hệ thống này không cung cấp công suất lớn như động cơ diesel, nhưng đủ để duy trì tốc độ hành trình thấp trong nhiều tuần. Nhờ đó, thời gian lặn có thể kéo dài từ vài ngày lên tới hai hoặc ba tuần mà không cần nổi lên sạc pin.

Sự phát triển gần đây của pin lithium-ion dung lượng cao cũng góp phần nâng cao hiệu suất tàu ngầm diesel - điện. So với pin chì - axit truyền thống, pin lithium-ion có mật độ năng lượng lớn hơn, thời gian sạc nhanh hơn và khả năng xả sâu hiệu quả hơn.

Nhật Bản là một trong những quốc gia tiên phong ứng dụng công nghệ này trên các lớp tàu ngầm mới, qua đó giảm nhu cầu sử dụng AIP trong một số cấu hình thiết kế.

Nhiều quốc gia hiện đang vận hành các lớp tàu ngầm diesel - điện tiên tiến, bao gồm Đức với các mẫu Type 212 và 214 tích hợp AIP, Thụy Điển với lớp Gotland sử dụng động cơ Stirling, Nhật Bản với các lớp Soryu và Taigei, Nga với lớp Kilo, cùng nhiều quốc gia châu Á và châu Âu khác. Đối với các nước có ngân sách quốc phòng hạn chế hoặc không sở hữu năng lực hạt nhân, đây là lựa chọn cân bằng giữa hiệu quả chiến lược và chi phí đầu tư.

Hơn một thế kỷ sau khi mô hình diesel - điện ra đời, kiến trúc lai này vẫn chứng minh tính bền vững của nó. Thay vì cố gắng phá vỡ giới hạn vật lý của động cơ đốt trong, các kỹ sư đã thiết kế một hệ thống khai thác tối đa ưu điểm của từng loại động cơ trong từng môi trường hoạt động.

Động cơ diesel tạo ra năng lượng khi có oxy; động cơ điện sử dụng năng lượng dự trữ để duy trì sự im lặng dưới biển sâu. Chính sự phân vai hợp lý này đã biến một nghịch lý kỹ thuật thành nền tảng cho một trong những phương tiện chiến lược quan trọng nhất của hải quân hiện đại.



Tuy nhiên, những con tàu này vẫn có thể lặn sâu và hoạt động bí mật trong nhiều ngày, thậm chí nhiều tuần.

Nghiên cứu về cấu trúc

Về bản chất, động cơ diesel là động cơ đốt trong. Quá trình vận hành của nó dựa trên việc hút không khí vào xi lanh, nén ở áp suất cao rồi phun nhiên liệu để tạo ra phản ứng cháy sinh công. Cơ chế này đòi hỏi nguồn cung cấp oxy liên tục và đồng thời cần hệ thống xả khí thải.

Khi tàu ngầm lặn sâu, áp suất nước tăng mạnh và không còn không khí tự do để hút vào. Nếu cố vận hành động cơ diesel trong điều kiện này, tàu sẽ nhanh chóng cạn kiệt oxy bên trong và tích tụ khí thải độc hại. Vì vậy, về mặt vật lý, động cơ diesel không thể hoạt động ở độ sâu lớn.

Thay vì tìm cách vượt qua giới hạn tự nhiên đó, các kỹ sư hải quân đầu thế kỷ XX đã đưa ra một giải pháp sáng tạo. Họ tách biệt quá trình phát điện khỏi quá trình đẩy chân vịt. Thiết kế này tạo nên hệ thống tàu ngầm diesel - điện, trong đó động cơ diesel không còn trực tiếp quay chân vịt khi tàu lặn, mà chủ yếu vận hành máy phát điện để sạc các bộ pin dung lượng lớn.

Khi tàu nổi lên mặt nước hoặc hoạt động ở độ sâu nông với hệ thống ống thở, động cơ diesel được khởi động. Năng lượng cơ học từ động cơ sẽ truyền đến máy phát, biến thành điện năng để vừa sạc pin vừa cung cấp điện cho hệ thống động cơ điện.

Khi tàu lặn xuống độ sâu tác chiến, động cơ diesel được tắt hoàn toàn. Lúc này, tàu di chuyển nhờ động cơ điện sử dụng nguồn năng lượng dự trữ trong pin. Chính sự chuyển đổi này tạo ra ưu thế chiến thuật quan trọng. Động cơ điện vận hành êm hơn rất nhiều so với động cơ đốt trong, gần như không tạo ra tiếng nổ hay rung động mạnh.

Trong môi trường dưới nước, nơi âm thanh lan truyền nhanh và xa hơn không khí, việc giảm tín hiệu âm thanh là yếu tố sống còn. Nhờ vậy, tàu ngầm diesel - điện khi chạy bằng pin có thể đạt mức độ yên tĩnh tương đương, thậm chí trong một số điều kiện còn vượt qua một số tàu ngầm hạt nhân hiện đại.

Tuy nhiên, ưu thế này đi kèm với giới hạn rõ ràng về năng lượng. Dung lượng pin quyết định thời gian tàu có thể duy trì trạng thái lặn. Ở tốc độ thấp, tàu có thể hoạt động trong một đến vài ngày trước khi cần sạc lại. Ở tốc độ cao, thời gian này rút ngắn đáng kể do tiêu thụ điện tăng mạnh.

Để sạc pin mà không phải nổi hoàn toàn lên mặt biển, tàu ngầm diesel - điện được trang bị hệ thống ống thở. Ống này vươn lên khỏi mặt nước, cho phép hút không khí vào động cơ diesel và thải khí xả ra ngoài trong khi phần lớn thân tàu vẫn ở dưới nước.



Bước tiến khoa học quan trọng

Dù giúp duy trì mức độ ẩn mình tương đối, quá trình chạy ống thở vẫn tạo ra rủi ro phát hiện. Cột ống thở có thể bị radar đối phương ghi nhận, khí thải có thể bị phát hiện qua cảm biến hồng ngoại, và tiếng ồn từ động cơ diesel làm tăng tín hiệu âm thanh.

Vì vậy, thời gian vận hành ống thở thường được tối ưu hóa ở mức ngắn nhất có thể. Điều này thúc đẩy các quốc gia tiếp tục tìm kiếm giải pháp kéo dài thời gian lặn mà không phụ thuộc vào không khí bên ngoài.

Bước tiến quan trọng trong lĩnh vực này là sự ra đời của hệ thống động cơ đẩy độc lập với không khí, hay còn gọi là Air-Independent Propulsion (AIP). Công nghệ AIP cho phép tạo ra điện năng mà không cần hút oxy từ khí quyển.

Một số thiết kế sử dụng động cơ Stirling với oxy lỏng dự trữ, một số khác dùng pin nhiên liệu hydro để tạo ra điện thông qua phản ứng hóa học. Những hệ thống này không cung cấp công suất lớn như động cơ diesel, nhưng đủ để duy trì tốc độ hành trình thấp trong nhiều tuần. Nhờ đó, thời gian lặn có thể kéo dài từ vài ngày lên tới hai hoặc ba tuần mà không cần nổi lên sạc pin.

Sự phát triển gần đây của pin lithium-ion dung lượng cao cũng góp phần nâng cao hiệu suất tàu ngầm diesel - điện. So với pin chì - axit truyền thống, pin lithium-ion có mật độ năng lượng lớn hơn, thời gian sạc nhanh hơn và khả năng xả sâu hiệu quả hơn.

Nhật Bản là một trong những quốc gia tiên phong ứng dụng công nghệ này trên các lớp tàu ngầm mới, qua đó giảm nhu cầu sử dụng AIP trong một số cấu hình thiết kế.

Nhiều quốc gia hiện đang vận hành các lớp tàu ngầm diesel - điện tiên tiến, bao gồm Đức với các mẫu Type 212 và 214 tích hợp AIP, Thụy Điển với lớp Gotland sử dụng động cơ Stirling, Nhật Bản với các lớp Soryu và Taigei, Nga với lớp Kilo, cùng nhiều quốc gia châu Á và châu Âu khác. Đối với các nước có ngân sách quốc phòng hạn chế hoặc không sở hữu năng lực hạt nhân, đây là lựa chọn cân bằng giữa hiệu quả chiến lược và chi phí đầu tư.

Hơn một thế kỷ sau khi mô hình diesel - điện ra đời, kiến trúc lai này vẫn chứng minh tính bền vững của nó. Thay vì cố gắng phá vỡ giới hạn vật lý của động cơ đốt trong, các kỹ sư đã thiết kế một hệ thống khai thác tối đa ưu điểm của từng loại động cơ trong từng môi trường hoạt động.

Động cơ diesel tạo ra năng lượng khi có oxy; động cơ điện sử dụng năng lượng dự trữ để duy trì sự im lặng dưới biển sâu. Chính sự phân vai hợp lý này đã biến một nghịch lý kỹ thuật thành nền tảng cho một trong những phương tiện chiến lược quan trọng nhất của hải quân hiện đại.