Tàu ngầm (tiềm thủy đĩnh)

Tàu ngầm, còn gọi là tiềm thủy đĩnh, là một loại tàu đặc biệt hoạt động dưới nước. Nhiều quốc gia có lực lượng hải quân sử dụng tàu ngầm cho mục đích quân sự. Tàu ngầm cũng được sử dụng cho vận chuyển hàng hải và nghiên cứu khoa học ở đại dương cũng như ở vùng nước ngọt, giúp đạt tới độ sâu vượt quá khả năng lặn của con người.


Một chiếc tàu ngầm Typhoon 3

Lịch sử
Người ta đã coi Cornelis Drebbel - nhà vật lý, người phát minh ra nhiệt kế, sống ở cung vua Anh Jacques I và là thái phó của các hoàng tử và công chúa của quốc vương - là cha đẻ của tàu ngầm đầu tiên. Thực ra ông chỉ áp dụng các ý tưởng của nhà toán học Anh William Bourne, đưa ra từ năm 1578. Bourne cũng đã có ý tưởng về một cột buồm rỗng để thông gió. Đó là nguyên lý của ống thông hơi mãi sau này được trang bị cho các tàu ngầm của Đức kiểu XXI.


Hình vẽ tàu ngầm quân sự loại Ohio đang phóng tên lửa Trident ICBM.

Năm 1624, Drebbel đã cho chế tạo một tàu ngầm có dạng quả trứng, bằng gỗ, được đẩy đi bởi mười hai người chèo thêm vào thủy thủ đoàn, mà ông đã thử trên sông Thames trước sự ngạc nhiên của mọi người.

Dường như Drebbel đã có ý tưởng tái sinh không khí trên tàu bằng con đường hóa học nhờ một dung dịch kiềm, vốn đã kích thích rất mạnh trí tò mò của nhà vật lý Robert Boyle (1627-1691).


Nguyên lý lặn và nổi của tàu ngầm, ở giữa 2 lớp vỏ tàu là khoang chứa nước

Nguyên lý lặn
Nguyên lý hoạt động của tàu ngầm dựa vào hai định luật cơ bản của Vật lý:

Định luật Ac-si-mét: Với bất cứ một vật nào chìm trong nước, đều chịu một lực đẩy, thẳng đứng, hướng lên trên và có độ lớn đúng bằng phần chất lỏng mà vật đang chiếm chỗ.

Định luật Pascal: Áp suất mà một bề mặt phải chịu tỉ lệ thuận cùng lực tác dụng lên bề mặt, tỉ lệ nghịch với diện tích bề mặt đó.

Đối với một tàu ngầm thông thường, có hai lớp vỏ, lớp vỏ trong dày hơn nhiều và cũng là lớp vỏ của khoang nhân viên, giữa hai lớp vỏ là khoang trống có chứa các giàn ép nước. Khi tàu nổi thì khoang giữa hai lớp vỏ này trống, khi muốn tàu lặn thì có một van phía trên sẽ mở, nước tràn vào khe giữa hai vỏ làm khối lượng tàu tăng lên, chìm xuống. Các giàn ép phía trong khoang giữa hai vỏ này có nhiệm vụ dồn không khí vào chiếm chỗ nước để tàu nổi lên.

Duy trì chất lượng không khí
Có ba điều phải xảy ra để giữ cho không khí trong một chiếc tàu ngầm thở:
Ôxy phải được bổ sung lượng như đã được tiêu thụ. Nếu tỷ lệ oxy trong không khí giảm quá thấp, thủy thủ sẽ bị ngộp thở. Carbon dioxide phải được loại bỏ từ không khí. Khi nồng độ tăng carbon dioxide, nó trở thành một chất độc. Độ ẩm từ hơi thở của chúng ta phải được loại bỏ. Oxy được cung cấp hoặc từ bồn áp lực, một máy tạo oxy (mà có thể tao oxy từ điện phân nước) hoặc một số loại "ống đựng oxy" mà giải phóng khí oxi bằng một phản ứng hóa học. Oxygen hoặc là được tạo ra liên tục qua một hệ thống máy tính có thể bù lại lượng oxy trong tàu ngầm, hoặc nó được cung cấp định kỳ theo ngày.

Carbon dioxide có thể được loại bỏ từ không khí bằng cách sử dụng soda (sodium hydroxide và calcium hydroxide). Các carbon dioxide sẽ được giữ lại trong vôi soda bởi một phản ứng hóa học và loại bỏ. Phản ứng tương tự khác có thể thực hiện cùng một mục đích.

Độ ẩm có thể được loại bỏ bằng một máy hút ẩm hoặc bằng hóa chất. Điều này ngăn không cho ngưng tụ hơi nước trên các bức tường và các thiết bị bên trong con tàu. Ngoài ra, các loại khí khác như carbon monoxide hoặc hydrogen, được tạo ra bởi thiết bị và thuốc lá, có thể được loại bỏ bằng cách nhiệt. Cuối cùng, bộ lọc được sử dụng để loại bỏ các hạt bụi bẩn và bụi từ không khí.

Duy trì cung cấp nước ngọt
Hầu hết các tàu ngầm có một bộ máy chưng cất có thể biến nước biển thành nước ngọt. Nhà máy chưng cất làm nóng nước biển để tạo hơi nước, loại bỏ cát muối, và sau đó làm mát hơi nước vào bể thu nước sạch. Nhà máy chưng cất trên một số tàu ngầm có thể sản xuất 10.000 đến 40.000 gallon (38.000 - 150.000 lít) nước ngọt mỗi ngày. Nước này được sử dụng chủ yếu để làm mát thiết bị điện tử (như máy tính và thiết bị dẫn đường) và hỗ trợ cho các thuyền viên (ví dụ, uống, nấu ăn và vệ sinh cá nhân).

Tàu ngầm là một loại phương tiện cực kì tối tân. Trước khi tàu ngầm ra mắt, hải quân chỉ có thể hoạt động trên mặt nước biển. Với sự có mặt của tàu ngầm, ngay cả đại dương sâu thẳm cũng có thể trở thành một chiến trường khốc liệt.


Tàu Seawolf của Hải quân Mỹ

Tàu ngầm lặn và nổi lên mặt nước như thế nào?
Tàu ngầm hay bất cứ loại tàu thủy nào khác có thể nổi lên mặt nước bởi khối lượng nước bị tàu chiếm chỗ ngang bằng với khối lượng của tàu. Khi tàu được hạ thủy, khối lượng nước bị tàu chiếm chỗ tạo thành lực Archimedes (Ác-si-mét) có hướng ngược lại với trọng lực, giúp tàu nổi lên phía trên. Khác với tàu thủy thông thường, tàu ngầm có thể điều khiển được lực Archimedes của mình, nhờ đó có thể nổi và lặn theo ý muốn.


Tàu ngầm khi nổi. Các khoang dằn (ballast tank) chứa đầy khí giúp tàu nổi lên.


Tàu ngầm khi lặn. Các khoang dằn được mở giúp tàu lặn xuống.

Nhằm kiểm soát lực nổi của mình, tàu ngầm sử dụng các "khoang dằn" có thể chứa nước hoặc khí. Khi tàu ngầm đang nổi trên mặt nước, các khoang dằn được bơm khí, giúp khối lượng riêng của tàu nhỏ hơn khối lượng riêng của nước.

Khi tàu lặn, các nắp đậy được mở, giúp khí thoát ra và nước vào đầy khoang dằn. Khối lượng riêng của tàu lớn hơn khối lượng riêng của nước và tàu chìm xuống. Bên trong thân tàu sẽ có các khoang chứa khí nén để cung cấp cho con người và để bơm vào khoang dằn khi cần.

Ngoài ra, tàu ngầm cũng có các "cánh" nhỏ ở phía sau thân tàu giúp điều khiển hướng lặn. Các cánh này được sắp đặt vị trí để nước đi lên phía trên thân tàu, đẩy tàu xuống phía dưới.

Sự sống trên tàu ngầm
Có 3 vấn đề chính cần phải giải quyết để đảm bảo sự sống cho các thuyền viên trên tàu ngầm:

Giữ cho không khí luôn "sạch"
Bầu không khí mà chúng ta hít thở hàng ngày có 4 loại khí chính: nitro (78%), oxy (21%), argon (0,94%) và CO2 (0,04%). Khi chúng ta hít thở, cơ thể chúng ta hấp thu oxy và chuyển hóa chúng thành CO2. Khi thở ra, hơi thở của bạn có chứa khoảng 4,5% CO2. Khí nitro và argon không bị ảnh hưởng bởi con người.


Tàu E-Class của Anh trong Thế chiến Thứ Nhất


Thủy thủ đoàn USS West Virginia

Tàu ngầm là một khoang chứa kín, lượng không khí bên trong tàu ngầm là có hạn. Có 3 mục tiêu cần đạt được để giữ cho không khí trong tàu luôn ở mức có thể hỗ trợ sự sống cho con người: làm mới lượng oxy có trong không khí (nếu oxy xuống quá thấp, bạn sẽ bị ngạt thở); loại bỏ CO2, do nếu lượng khí này tăng lên quá cao, CO2 sẽ trở thành một chất độc; loại bỏ độ ẩm do con người tạo ra khi thở ra.

Khí oxy sẽ được cung cấp từ một trong các khoang chứa được nén, hoặc từ một máy tạo oxy thông qua biện pháp điện phân nước, hoặc từ phản ứng nhiệt phân KCl03 hoặc NaCl03. Con người có thể xây dựng các hệ thống tự động xả khí oxy khi mức oxy do cảm biến thu nhận được xuống quá thấp, hoặc xả khí oxy định kì (xả một lượng oxy nhất định sau một khoảng thời gian định trước).

CO2 có thể được loại bỏ khỏi không khí bằng cách sử dụng hỗn hợp "sô-đa chanh" (natri hydro-xít và canxi hydro-xít). Khi đi qua các bình lọc chứa hỗn hợp trên, CO2 sẽ bị giữ lại. Con người cũng có thể sử dụng các phản ứng hóa học tương tự để loại bỏ CO2 khỏi không khí.

Độ ẩm trong không khí trên tàu có thể được loại bỏ bằng các phản ứng hóa học hoặc các máy làm khô. Các thiết bị này giúp cho nước không đọng lại trên các bức tường và các thiết bị bên trong tàu.

Ngoài ra, các loại khí như CO hoặc hy-đrô được sinh ra bởi các thiết bị và khói thuốc lá khó thể được loại bỏ bằng cách máy đốt. Các bộ lọc cũng được sử dụng để loại bỏ bụi bẩn khỏi không khí.

Đảm bảo nguồn nước sạch
Phần lớn các tàu ngầm hiện nay đều sử dụng các thiết bị chưng cất có thể biến nước biển thành nước ngọt. Các máy chưng cất này sẽ đun sôi nước biển để làm nước bốc hơi, loại bỏ muối; sau đó sẽ hạ nhiệt độ để hơi nước cô đọng thành nước sạch. Thiết bị chưng cất trên tàu ngầm có thể tạo ra từ 38 đến 150.000 lít nước ngọt mỗi ngày. Nước ngọt được sử dụng chủ yếu để làm mát các thiết bị điện tử (máy vi tính, máy định hướng) và cung cấp cho con người (uống, nấu nướng và vệ sinh).

Giữ nhiệt độ
Nhiệt độ dưới lòng biển xung quanh tàu ngầm thường là vào khoảng 4 độ C. Vỏ tàu ngầm làm bằng kim loại sẽ làm rò rỉ nhiệt lượng từ bên trong thân tàu ra bên ngoài. Do đó, tàu ngầm phải được cung cấp hệ thống sưởi điện để tạo ra nhiệt độ đủ ấm cho các thủy thủ. Điện năng sẽ được lấy từ lò phản ứng hạt nhân, máy phát diesel hoặc ắc-qui (trong trường hợp khẩn cấp).

Điện năng
Các tàu ngầm hạt nhân sử dụng lò phản ứng hạt nhân và tua-bin hơi nước để chạy động cơ cánh quạt chính, giúp tàu tiến hoặc lùi dưới mặt nước. Khi cập cảng hoặc trong trường hợp khẩn cấp, tàu ngầm sẽ sử dụng động cơ điện thay cho động cơ hạt nhân.

Tàu ngầm cũng cần năng lượng điện để điều khiển các thiết bị trên tàu. Điện năng được cung cấp từ các động cơ diesel hoặc các lò phản ứng hạt nhân phân rã. Tàu ngầm cũng có ắc-qui để cung cấp điện năng. Thông thường, các thiết bị lấy điện trực tiếp từ ắc-qui, ắc-qui sẽ sạc điện từ động cơ diesel hoặc lò phản ứng hạt nhân. Trong trường hợp khẩn cấp, ắc-qui có thể sẽ trở thành nguồn điện duy nhất trên tàu.

Tàu ngầm diesel là một trong các loại phương tiện "lai" điển hình. Phần lớn các tàu ngầm diesel có từ 1 đến 2 động cơ diesel. Các động cơ này có thể chạy cánh quạt hoặc chạy các máy phát nhằm sạc các bộ ắc-qui rất lớn. Hoặc, người ta cũng có thể sử dụng một động cơ dành riêng cho cánh quạt và một động cơ dành riêng cho máy phát.


Tàu USS S-7 của Hải quân Mỹ sử dụng động cơ diesel

Tàu ngầm sẽ phải nổi lên mặt nước để chạy động cơ diesel. Khi các ắc-qui đã đầy, tàu ngầm có thể lặn xuống. Các motor chạy bằng năng lượng từ ắc-qui sẽ giúp chạy động cơ cánh quạt. Trong trường hợp này, ắc-qui là cách duy nhất để tàu ngầm có thể lặn: giới hạn của công nghệ ắc-qui sẽ giới hạn khả năng lặn của tàu ngầm diesel.

Bởi vậy, sự ra mắt của năng lượng hạt nhân trở thành một lợi thế lớn cho tàu ngầm. Các máy phát hạt nhân không cần oxy, do đó tàu ngầm hạt nhân có thể lặn ở dưới nước trong hàng tuần lễ liên tục. Ngoài ra, do nhiên liệu hạt nhân có thể được sử dụng trong hàng năm liền, tàu ngầm hạt nhân không cần phải cập cảng để lấy nhiên liệu và do đó có thể tác chiến lâu hơn.


USS Nautilus, tàu ngầm hạt nhân đầu tiên trên thế giới

Các loại động cơ hạt nhân sử dụng trong tàu ngầm giống như các lò phản ứng sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân. Các lò phản ứng này sẽ tạo ra nhiệt lượng để tạo ra hơi nước giúp chạy tua-bin. Tua-bin sẽ trực tiếp quay cánh quạt và các máy phát điện. 2 điểm khác biệt lớn nhất giữa lò phản ứng trong tàu ngầm và lò phản ứng trong nhà máy điện là:
- Lò phản ứng trên tàu ngầm nhỏ hơn.
- Lò phản ứng trên tàu ngầm sử dụng nhiên liệu có mức độ làm giàu cao hơn, cho phép tạo ra nhiệt lượng lớn hơn từ lò phản ứng nhỏ hơn.

Định tuyến
Ánh sáng không lọt sâu xuống dưới lòng biển sâu, do đó tàu ngầm gần như bị "mù" khi di chuyển dưới mặt nước. Không chỉ có vậy, khi trên mặt đất, hệ thống GPS có thể giúp bạn biết chính xác vĩ độ và kinh độ, song dưới mặt nước, hệ thống này sẽ không hoạt động.

Để đi đúng hướng, tàu ngầm cần sử dụng các bản đồ định tuyến và các thiết bị phức tạp. Cụ thể hơn, tàu ngầm sử dụng hệ thống định tuyến quán tính (điện hoặc cơ). Hệ thống này sẽ theo dõi quá trình chuyển động của tàu ngầm từ một vị trí xuất phát cố định bằng cách sử dụng các cảm biến con quay.

Hệ thống định tuyến quán tính có thể hoạt động chính xác trong 150 giờ, sau đó phải được cân chỉnh lại dựa theo các hệ thống định tuyến chỉ hoạt động trên bề mặt như GPS, vô tuyến, radar hoặc vệ tinh. Nhờ có các hệ thống này, tàu ngầm có thể đi theo đúng hướng đi định trước của mình với độ sai sót dưới 30 mét.

Nhằm nhận diện mục tiêu, tàu ngầm sử dụng hệ thống SONAR (Định tuyến và đo khoảng cách bằng âm thanh). Hệ thống SONAR chủ động sẽ tự phát ra các sóng âm thanh. Khi gặp mục tiêu, các sóng âm thanh này sẽ phản hồi lại và trở về với tàu chủ.

Bằng cách tính toán tốc độ âm thanh và thời gian sóng âm thanh đi và về từ mục tiêu, máy vi tính có thể tính ra khoảng cách giữa tàu ngầm và mục tiêu. Hệ thống SONAR bị động sẽ "lắng nghe" các âm thanh do mục tiêu tạo ra. Ngoài ra, hệ thống SONAR cũng được sử dụng để cân chỉnh hệ thống định tuyến quán tính bằng cách nhận diện các đặc điểm biết trước của bề mặt đáy biển.


Thế hệ DSRV đầu tiên của Mỹ

Giải cứu
Khi tàu ngầm gặp nạn do va chạm với các vật thể lạ (tàu ngầm khác, bãi san hô hoặc mìn), hoặc trong trường hợp trên tàu có vụ nổ xảy ra, thủy thủ đoàn sẽ phát tín hiệu cấp cứu thông qua sóng vô tuyến, hoặc cho nổi phao cứu hộ có khả năng phát sóng gọi giải cứu, cho biết vị trí của tàu. Tùy thuộc vào tình trạng của sự cố, lò phản ứng hạt nhân trên tàu có thể sẽ được đóng lại và tàu ngầm sẽ chỉ hoạt động dựa vào năng lượng ắc-qui.

Trong trường hợp này, thủy thủ đoàn sẽ gặp phải 4 mối nguy hiểm lớn:
- Cần phải ngừng và giảm thiểu tác hại của quá trình nước tràn vào thân tàu.
- Giảm thiểu mức độ xử dụng oxy để chờ đợi cứu hộ.
- CO2 sẽ tăng cao, tạo thành khí độc.
- Nếu hết ắc qui, hệ thống sưởi sẽ ngừng hoạt động và nhiệt độ sẽ giảm xuống rất thấp.

Công tác cứu hộ phải được tiến hành trong vòng 48 giờ sau khi xảy ra tai nạn. Đội cứu hộ sẽ đưa tàu xuống giải cứu các thuyền viên hoặc gắn thêm một số thiết bị nhằm đưa tàu ngầm lên mặt biển. Các tàu cứu hộ bao gồm các tàu ngầm "mini" có tên gọi DSRV (Tàu Giải cứu Lặn Sâu) và các "chuông lặn".

DSRV có thể tự lặn xuống vị trí tàu ngầm gặp nạn, tự gắn vào tàu bị nạn thông qua một khoang đặc biệt, tạo ra cửa thông kín giữa tàu bị nạn và DSRV và có thể chứa tối đa 24 thuyền viên. Các "chuông lặn" được thả từ tàu giải cứu xuống tàu ngầm bị lặn và sau đó sẽ hoạt động tương tự như DSRV.

Để trục vớt tàu ngầm bị nạn (thông thường sau khi đã giải cứu thủy thủ đoàn), đội giải cứu sẽ đặt phao xung quanh tàu bị nạn và bơm phao để tàu nổi lên mặt nước. Khả năng thành công của nhiệm vụ giải cứu phụ thuộc vào độ sâu của tàu, địa hình đáy biển, các dòng nước tại khu vực bị nạn, hướng tàu và tình hình thời tiết trên mặt biển.