Một số kiến thức cơ bản ban đầu về tàu ngầm

[qtdc]

(tiếp)

5. Cơ sở lý thuyết tính không chìm của tàu ngầm

Sự ổn định của tàu ngầm trong tư thế bơi ngầm được đảm bảo chỉ bằng sự ổn định của trọng lượng, bởi (trong tư thế ngầm) không có diện tích hoạt động (trên) đường mớn nước, chiều cao tâm nghiêng theo phương dọc giảm khoảng 100 lần và bằng với chiều cao tâm nghiêng theo phương ngang, dự trữ nổi tiêu hao hết theo lượng nước thu vào sitec dằn chủ và cuộc đấu tranh cho tính không chìm có một đặc tính hoàn toàn khác.

Điều gì sẽ xảy ra với tàu ngầm khi nước vào trong thân bền của tàu và có vũ khí biện pháp nào mà thuyền trưởng và thủy thủ đoàn có thể dùng để chống lại cũng như để ngăn chặn cái chết của con tàu?

Bản chất của cuộc đấu tranh cho tính không chìm tư thế ngầm là:

- Đảm bảo cho việc nổi lên bề mặt biển một cách nhanh nhất, mà nếu sự nổi lên đó gồm cả do tình huống chiến thuật, như trong việc duy trì tàu ngầm tại một dải độ sâu hoạt động, không vượt quá độ sâu lặn tối đa, tiếp theo là đi lên đến độ sâu đảm bảo độ bền các vách ngăn của khoang bị nạn;

- Ngăn chặn sự phá hủy các vách ngăn khoang bị ngập và phân phối lại nước trong các ngăn liền kề với việc áp dụng các biện pháp giảm và chấm dứt hoàn toàn việc nước tràn vào (thân bền) tàu ngầm.

Sự gia tăng đột ngột chiều sâu lặn và phát triển mạnh độ chênh mớn dọc có thể xảy ra bởi lượng nước tràn vào các khoang, sự cố kẹt các bánh lái bằng phía đuôi tàu và các nguyên nhân ngẫu nhiên khác. Khi nước tràn vào khoang tàu hoặc kẹt các bánh lái bằng phía đuôi lúc đang lặn, tốc độ chìm xuống của tàu ngầm dưới ảnh hưởng của các lực dìm có thể đạt 10-20 m / giây. Vì lý do ngẫu nhiên mà tàu ngầm có thể chìm tới độ sâu vượt quá độ sâu làm việc và việc đó diễn ra có thể do không biết điều khiển bánh lái bằng của tàu khi vận tốc hành trình đang lớn, sự vô tình làm nước ngập đầy vào sitec dằn phụ trợ, cũng như các hầm chứa và các thùng chứa tên lửa, ống phóng ngư lôi. Vì vậy, trong thực tế vấn đề chính là với sự giúp đỡ của các phương tiện sẵn có để giữ cho tàu ngầm không lao xuống độ sâu, cận kề độ sâu giới hạn, rồi sau đó đưa nó nổi lên mặt nước hoặc đi lên độ sâu an toàn ở chế độ cân bằng chuyển động. Đây là ý nghĩa của tính không chìm trong tư thế bơi ngầm.

Tính không chìm trong tư thế ngầm chính là khả năng của tàu ngầm, khi nước tràn vào trong các khoang của vỏ bền, vẫn nổi lên mặt nước trong trạng thái cân bằng ổn định hoặc khi duy trì được tốc độ để tiếp tục bơi trong các giới hạn của dải độ sâu an toàn cho độ bền của các vách ngăn khoang bị nạn. Vấn đề đảm bảo tính không chìm trong tư thế bơi ngầm là một thách thức lớn bởi vì:

- Không còn dự trữ nổi trong tư thế ngầm, do nước vào một trong các khoang sẽ dẫn tới sự xuất hiện của một sức nổi dư có dấu âm và gia tăng độ chênh mớn dọc;

- Độ sâu lặn ngày càng tăng cũng làm tăng áp lực thủy động, và do đó, tăng tốc độ nước chảy vào khoang thông qua các lỗ thủng hay khe nứt;

- Chiều sâu lặn tăng làm giảm hiệu suất các phương tiện hút nước ra và làm tăng mức tiêu hao không khí áp lực cao (ВВД - воздуха высокого давления) để thổi sitec dằn chủ và tạo ra phản áp lực trong các khoang.
Mục đích của việc đảm bảo tính không chìm trên phương diện kết cấu là xây dựng cho tàu ngầm trong giai đoạn thiết kế và chế tạo các đặc tính và phương tiện kỹ thuật đảm bảo tính không chìm ở một mức độ tính toán nhất định. Đồng thời người ta tính đến các yếu tố sau đây:

- Áp lực, dùng tính toán vỏ bền và độ kín nước các vách ngăn;

- Độ lớn của dự trữ khí áp lực cao dùng để thổi sitec dằn chủ và tạo phản áp suất trong khoang bị nạn và các khoang lân cận;

- Phản ứng nhanh của hệ thống thiết kế nhằm khắc phục thảm họa (chủ yếu là hệ thống thổi sitec dằn chủ trong trường hợp khẩn cấp và hệ thống làm cạn nước);

- Khả năng chịu lực của vỏ tàu ngầm;

- (Khả năng) tự động hóa quá trình đấu tranh cho tính không chìm.

Chúng ta hãy xem xét một cách ngắn gọn những yếu tố trên.

Vỏ (thân) bền của tàu ngầm phải đảm bảo số lượng không giới hạn các lần lặn xuống chiều sâu làm việc. Các vách ngăn kín nước thường có cấu trúc phẳng hoặc hình cầu. Hiện nay, có hai phương án sắp xếp các vách ngăn - hỗn hợp và đồng nhất, với phương án sau, khi tất cả các vách ngăn đều phẳng, phương án đã được chấp nhận sử dụng trên tất cả các đề án tàu ngầm mới.

Với phương án hỗn hợp các khoang thoát hiểm được giới hạn bởi các vách ngăn hình cầu. Vách ngăn quay phần lồi vào khoang thoát hiểm, tính toán với áp lực 10 exp 4 hPa (10 kg lực/cm2) từ phía lõm, nghĩa là từ bên ngoài khoang thoát hiểm khi vật liệu của vách ngăn làm việc trong trạng thái chịu kéo. Phía lồi của vách ngăn được thiết kế với áp lực 2 x 10 exp 3 hPa (2 kg lực/cm2). Vách ngăn phẳng trong phương án sắp xếp đồng nhất được tính với áp suất 10 exp 4 hPa cho cả hai phía. Độ bền của các vách ngăn như thế phải đảm bảo tính toàn vẹn của nó khi chiếc tàu ngầm, chạy với tốc độ bằng 3 / 4 tốc độ tối đa ở độ sâu 500 m sẽ chỉ bị lỗ thủng không vượt quá 0,01 m2 và đi lên kịp thời tới độ sâu 100 m trước khi áp lực trong khoang bị nạn đạt tới 10 exp 4 hPa (10 kg lực/cm2).

Độ lớn của khí nén áp lực cao trên tàu ngầm được dự tính nhằm đủ cung cấp trong các trường hợp:

thổi khí trường hợp khẩn cấp từ dưới độ sâu làm việc,

tàu ngầm nổi lên từ nền đất với khoang ngập nước tại độ sâu bằng một nửa độ sâu giới hạn,

ba lần thổi tất cả các sitec dằn chủ, khi nổi lên vị trí tuần dương từ độ sâu kính tiềm vọng,

thời gian thổi tất cả các sitec dằn chủ trong khi nổi từ độ sâu kính tiềm vọng lên vị trí tuần dương - không quá 90 giây,

thời gian thổi nhóm giữa của các sitec dằn chủ trong khi nổi từ độ sâu kính tiềm vọng lên tư thế chiến đấu - không quá 30 giây.

Hệ thống thổi khí áp suất cao trong trường hợp khẩn cấp vận chuyển khí nén áp lực cao để thổi quét sitec dằn chủ. Tuy nhiên, năng lực vận chuyển của hệ thống là không đủ để truyền không khí vào các sitec một cách hiệu quả với thời gian thấp. Lý do: mặt cắt ống dẫn dòng khí lưu thông là không đủ, một số lượng khá lớn các lực cản cục bộ trong các đường ống và phụ kiện. Điều này dẫn đến thực tế là việc thổi các sitec dằn chính và tạo ra phản áp lực trong khoang cần cấp cứu bị trễ so với thời gian nước ngập khoang. Lý do chính là thiếu một dòng chảy nhanh chóng khí áp lực cao vào sitec dằn chủ thổi chúng ở các độ sâu lớn. Vì thế người ta đã phát triển và áp dụng hệ thống thổi khẩn cấp các sitec dằn chủ với trợ giúp của hơi thuốc nổ.

Hệ thống tháo khô nước được thiết kế để loại bỏ ra ngoài mạn tàu nước còn dư bên trong vỏ bền của tàu. Nó bao gồm các đường ống, các phụ kiện và các thiết bị bơm tháo nước (khử nước). Hiệu suất tổng thể của các thiết bị khử nước của tàu ngầm phụ thuộc vào số lượng của chúng, độ sâu lặn, điều kiện làm việc của các máy bơm.

Khả năng chịu lực của vỏ bền tàu ngầm ở tốc độ hành trình cao là công cụ chính của cuộc đấu tranh vì tính không chìm trong tư thế ngầm trên thực tế không phụ thuộc chiều sâu lặn. Khi có lỗ thủng trong các khoang đuôi, theo quy định, thiết bị năng lượng và trục truyền động sẽ ngừng làm việc, tàu ngầm mất tốc độ và do đó mất khả năng chịu lực của vỏ bền của nó. Như vậy, khả năng chịu lực của thân tàu ngầm được sử dụng tích cực ở một mức độ lớn hơn khi nước tràn vào trong các khoang mũi.

Việc tự động hóa các quá trình của cuộc đấu tranh cho tính không chìm thực sự làm giảm thời gian chậm trễ trong việc ra quyết định trong đấu tranh sinh tồn và loại bỏ sự chủ quan của quyết định. Trong trường hợp không có tự động hóa, các công cụ cho cuộc chiến đấu vì tính không chìm không thể được áp dụng sớm hơn 25-30 giây sau khi nước xâm nhập vào các khoang của tàu ngầm, còn khi có phương tiện tự động hóa - chỉ sau 3,5 giây. Sự thay đổi các thông số động học của tàu ngầm khi tai nạn sẽ xảy ra rất nhanh chóng.

Từ các vấn đề trên dẫn đến tính không chìm tư thế ngầm sẽ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố sau:

độ sâu, tại đó nước bắt đầu chảy vào khoang tàu, và kích thước lỗ thủng,

tốc độ di chuyển ban đầu và dự trữ công suất của thiết bị năng lượng cho sự phát triển tốc độ lên tối đa,

- số lượng và vị trí của các khoang bị ngập nước,

- cường độ thổi các sitec dằn chủ,

- có hệ thống tự động chống tai nạn,

- các mức chênh mớn dọc cho phép trong giai đoạn nổi lên.

........

[qtdc]

(tiếp)

Để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố trên đến tính không chìm người ta xây dựng đồ thị các khu vực an toàn cho một đề án tàu ngầm cụ thể.

Trên đồ thị (hình 9) diễn tả các đường cong ở các giá trị giới hạn của chiều sâu lặn và tốc độ hành trình tại thời điểm nước vào khoang tàu với các kích thước lỗ thủng khác nhau đối với một đề án tàu ngầm hạt nhân, trong đó:

ήо - độ sâu lặn của tàu ngầm trước khi tai nạn;

ήпред - chiều sâu lặn tối đa;

vо - tốc độ của tàu ngầm trước khi tai nạn;

vпр - tốc độ tối đa của tàu ngầm.


Hình 9. Các khu vực an toàn của tàu ngầm phụ thuộc diện tích lỗ thủng.

Trên đồ thị, xác suất sống sót của tàu ngầm bị nạn sẽ được thể hiện bởi diện tích tương đối của vùng an toàn. Vùng an toàn được hiểu là khu vực có giá trị cho phép tối đa về chiều sâu và tốc độ di chuyển của tàu ngầm tại thời điểm bị tai nạn, mà với điều kiện đó có thể cứu được con tàu. Khu vực an toàn được phân bố dưới đường cong tương ứng với lỗ thủng. Diện tích khu vực an toàn càng lớn, xác suất sống sót của tàu ngầm khi áp dụng các biện pháp ứng phó khẩn cấp chống nạn tương ứng càng lớn. Từ đồ thị ta thấy khi diện tích các lỗ thủng lớn, việc cứu thoát tàu ngầm chỉ khả thi nếu tại thời điểm nước tràn vào tàu ngầm đang ở trên các độ sâu nhỏ và có tốc độ di chuyển lớn.

Ví dụ, xác suất sống sót của tàu ngầm hạt nhân sẽ là 0,5 khi nó đang ở độ sâu ήo = 200 m ở tốc độ trước khi tai nạn xảy ra vo = 15 hải lý khi nước tràn vào thông qua các lỗ thủng diện tích 0,01 m2, bởi vì ήо/ ήпред = 200/400=0,5, vо /vпр = 15 hải lý/30 hải lý = 0,5.

Điểm giao nhau của các giá trị này ở dưới đường cong diện tích lỗ thủng bằng 0,01 m2, nghĩa là, trong vùng an toàn. Như vậy, trong mọi trường hợp nước tràn vào các khoang thân bền, con tàu cần phải có tốc độ lớn. Khi có dự trữ công suất của thiết bị năng lượng và khả năng phát triển nhanh (đến) tốc độ tối đa, khả năng chịu lực (mang tải trọng) của thân tàu ngầm sẽ được nâng lên.

Khi tai nạn liên quan đến kẹt bánh lái bằng, sẽ quan sát thấy tác dụng ngược lại - tăng tốc độ di chuyển sẽ làm xấu đi khả năng giữ tàu ngầm không chìm nhanh xuống vực sâu. Điều này được cắt nghĩa là do góc chênh mớn dọc của tàu ngầm ở một góc đặt bánh lái bằng không đổi sẽ tăng lên tỷ lệ với bình phương vận tốc của tàu ngầm.

Sơ đồ vùng an toàn đối với trường hợp kẹt bánh lái bằng lớn của tàu ngầm hạt nhân được chỉ ra trong hình số 10.

Phân tích đồ thị cho thấy khu vực an toàn càng lớn khi góc kẹt (nêm) bánh lái bằng càng nhỏ, và xác suất sống sót của tàu ngầm tăng lên khi tốc độ di chuyển giảm.

Ảnh hưởng lớn đến tính không chìm trong tư thế ngầm là thời gian trễ trong việc thực thi các hoạt động ứng phó khẩn cấp. Các vùng an toàn giảm mạnh khi tăng thời gian ra quyết định, truyền lệnh và thực hiện chúng nhằm giữ cho tàu ngầm không lao xuống độ sâu lớn.


Hình 10. Các vùng an toàn của tàu ngầm khi kẹt bánh lái bằng phía đuôi.

Khi nước đã vào bên trong thân bền, chỉ với một sự chậm trễ hơn 120 giây đã gây tử vong cho tàu ngầm. Đồ thị (Hình 10) cho thấy chỉ có thể giảm nhẹ tình hình này khi tàu đang ở tốc độ cao và độ sâu nhỏ lúc bắt đầu tai nạn. Giảm độ sâu lặn trong mọi trường hợp tai nạn làm tăng khả năng sống sót của tàu ngầm bị nạn, điều đó đạt được bằng cách tạo ra sự chênh mớn cho phép tối đa trong quá trình đi lên. Việc giữ một cách hiệu quả để tàu ngầm không bị sa xuống vực khi nó đang ở các chiều sâu lặn lớn đòi hỏi tiêu thụ một lượng khí nén áp lực cao lớn trên một đơn vị thời gian, mà không phải lúc nào hệ thống thổi khí nén khẩn cấp cũng luôn đảm bảo được. Trước nhất phải thổi khí chỉ các sitec dằn chủ, có tác dụng cân bằng mô men chênh mớn và sức nổi mang dấu âm phát sinh do sự xâm nhập của nước vào khoang tàu ngầm.

Cuộc đấu tranh cho tính không chìm trong tư thế ngầm chỉ có thể thành công khi tất cả các phương tiện dự định giành để đấu tranh cho đặc tính ấy được sử dụng kịp thời và hiệu quả.

(hết mục 5)
.........

[huyphongssi]

(tiếp)

6. Hiệu năng sử dụng các phương tiện chống chìm của tàu ngầm

Việc sử dụng thiết bị khắc phục sự cố lỗ thủng vỏ tàu là rất khó khăn. Thứ nhất, mặt trong lớp vỏ chịu áp lực của tàu ngầm gần như bị các loại dây nhợ, thiết bị, hệ thống khí tài trên khoang phủ kín từ 80% tới 90% bề mặt, gây khó khăn thậm chí bít mất lối tới lỗ thủng nếu không tiến hành công tác thu dọn và tháo gỡ chúng. Việc thu dọn hiện trường và tháo gỡ các loại thiết bị sẽ làm tốn nhiều thời gian trong khi khoang tàu tiếp tục bị ngập nước nặng hơn. Thứ hai, dòng nước áp lực cao phun qua lỗ thủng sẽ ngăn cản việc gắn các thiết bị khắc phục sự cố. Áp lực thuỷ động của dòng nước phun tuỳ thuộc vào độ sâu của tàu, kích cỡ lỗ thủng và áp suất ngược trong khoang gặp sự cố. Con người được biết có thể chịu được áp lực thuỷ động của dòng nước phun qua lỗ thủng ở mức từ 80 tới 90 kí lô lực. Vậy nên nếu thiếu các phương tiện thích hợp thì ta không thể bịt được 1 lỗ thủng có đường kính 6cm ở độ sâu 50m.   

Giả sử khi có 1 lỗ thủng và có đủ chỗ để triển khai các thiết bị và dụng cụ khắc phục sự cố, thì việc giảm mức chênh lệch áp suất tối đa giữa áp suất bên ngoài và bên trong vỏ ở khoang gặp sự cố có thể thực hiện được thông qua việc cho tàu nổi lên bề mặt, hoặc nổi lên lớp nước nông hơn, hay tăng áp suất ngược ở khoang gặp sự cố.

Cảnh huấn luyện thủy thủ tàu ngầm Mĩ khắc phục sự cố vỡ ống bơm tiêu nước áp lực trong tàu ngầm

Hiệu năng sử dụng thiết bị bơm tiêu nước nhằm nâng cao tính chống chìm của tàu trong trạng thái lặn ngầm phụ thuộc vào trạng thái vận hành của thiết bị, độ sâu của tàu ngầm và lượng nước đã lọt vào khoang gặp sự cố. Tàu lặn càng sâu, hiệu năng tiêu thoát nước càng giảm mạnh. Để xác định hiệu năng tiêu thoát nước ở một độ sâu xác định của tàu ngầm bị sự cố thì cần so sánh giữa lượng nước mà cụm bơm la canh đẩy ra với lượng nước lọt vào qua lỗ thủng trong cùng thời điểm.

Các bơm tiêu nước lắp trên tàu ngầm được chia làm 2 loại: bơm li tâm và bơm pít tông. Loại bơm li tâm có thể vận hành song song hoặc nối tiếp cả cụm với bơm pít tông. Mức tiêu thoát nước của bơm li tâm biến động theo độ sâu. Ví dụ, 1 bơm li tâm mắc song song mỗi giờ bơm tiêu được lượng nước giảm từ 180m³ xuống 65m³ khi tàu lặn từ độ sâu 65m nước xuống độ sâu 110m nước, tương tự khi mắc nối tiếp thì lượng nước tiêu thoát mỗi giờ qua bơm này giảm từ 90m³ xuống 45m³ khi tàu lặn từ độ sâu 110m nước xuống 215m nước. Vì thế bơm la canh li tâm chỉ dùng để tiêu thoát nước khi tàu lặn ngầm ở vùng nước nông. 

(còn tiếp)

[huyphongssi]

Minh họa cấu tạo bơm li tâm trong tàu ngầm (maritime.org)

[huyphongssi]

6. Hiệu năng sử dụng các phương tiện chống chìm của tàu ngầm (tiếp)

Bơm pít tông có lưu lượng tiêu nước ổn định mỗi chiếc ở mức 20m³ mỗi giờ trong mọi độ sâu hoạt động của tàu ngầm. Ví dụ, lưu lượng nước cần tiêu thoát cho 1 chiếc tàu ngầm chạy bằng năng lượng nguyên tử hoạt động dưới độ sâu 200m nước là 140m³ mỗi giờ. Lưu lượng này tương ứng với lượng nước lọt vào tàu qua lỗ thủng có tiết diện 10cm² khi tàu ngầm hoạt động ở cùng độ sâu. Nếu tàu lặn xuống sâu hơn hoặc lỗ thủng bị nới rộng ra thì hệ thống bơm tiêu nước sẽ không xử lí kịp lượng nước tràn vào tàu.

Minh họa cấu tạo bơm pít tông dạng chân máy đứng trong tàu ngầm (maritime.org)

Khi khai thác vận hành hệ thống bơm tiêu cần lưu ý rằng độ nghiêng chúi của tàu ngầm sẽ làm giảm tổng lưu lượng nước được bơm ra, do hiệu năng bơm tiêu còn phụ thuộc vào mức độ ngập của đầu hút. Thực tế các tàu ngầm gặp sự cố thường hiếm khi giữ sống tàu ở trạng thái cân bằng, nên lượng nước cấp cho hệ thống bơm tiêu sẽ thấp hơn số liệu lí thuyết. Vì thế các phương án nhằm huy động cao nhất các bơm tiêu nước hoạt động phối hợp với nhau cần được tính toán từ trước. Khi nước bên ngoài lọt được vào tàu qua lớp vỏ chịu áp lực, thì hệ thống bơm tiêu nước sự cố cần được huy động ở mức tối đa để đảm bảo lưu lượng nước tiêu hút được nhiều nhất và sự phối hợp vận hành của nhóm bơm được ổn định ở mức thích hợp. 

Minh họa việc bơm tiêu nước từ két ổn định dọc thân trước tàu ngầm (maritime.org)

Ví dụ với 1 chiếc tàu ngầm đi ê zen lặn ở độ sâu 30m nước thì hệ thống bơm tiêu nước của nó chỉ cần xử lí lưu lượng nước tương ứng với lượng nước rò vào tàu qua lỗ thủng có tiết diện 35cm², nhưng ở các độ sâu 120m và 170m nước hệ thống này chỉ xử lí được lượng nước rò qua các lỗ thủng có tiết diện tương ứng là 7cm² và 2,7cm². Các dữ liệu này chỉ thích hợp với điều kiện sống đáy tàu ngầm giữ được trạng thái cân bằng và lượng nước cấp cho bơm đạt lưu lượng lí thuyết. Trong thực tế, lưu lượng nước cấp cho hệ thống bơm tiêu thường bị thiếu hụt do tàu bị nghiêng chúi hay tình trạng hoạt động của các bộ lọc và van dẫn nước.

Minh họa hệ thống bơm tiêu nước và bơm kiểm soát nghiêng chúi trong tàu ngầm (maritime.org)

Điều vừa nêu trên cho thấy rằng đối với các lỗ thủng có kích cỡ lớn, hệ thống bơm tiêu nước trên tàu không thể được xem là 1 phương tiện có tính quyết định trong việc khắc phục sự cố. Tuy vậy, hệ thống này giúp cho lực lượng ứng cứu có thêm thời gian xử lí sự cố ngay khi nước vẫn đang tiếp tục tràn vào khoang, khắc phục được lượng nước đã rò sang các khoang tiếp giáp với khoang gặp sự cố, đồng thời là phương tiện duy nhất để tiêu nước khỏi khoang gặp sự cố sau khi đã bịt được lỗ thủng.

Để tăng hiệu năng khai thác hệ thống bơm tiêu nước, ta cần làm giảm mức chênh lệch giữa áp suất môi trường nước bên ngoài với áp suất bên trong khoang gặp sự cố bằng cách cho tàu trồi lên lớp nước nông hơn hay nổi hẳn lên mặt nước nếu tình hình cho phép.

(còn nữa)

[huyphongssi]

6. Hiệu năng sử dụng các phương tiện chống chìm của tàu ngầm (tiếp)

Hiệu năng của hệ thống cấp khí nén VVD (ВВД = воздух высокого давления) trong việc nâng cao tính chống chìm khi lặn ngầm còn tùy thuộc vào lượng dự trữ khí nén, áp suất khí nén và độ sâu vận hành của tàu ngầm. Khi nước rò qua vỏ áp lực của tàu ngầm đang lặn, hệ thống cấp khí nén có thể được vận hành cho các việc sau:

- Điều chỉnh độ nổi âm và độ nghiêng chúi tới hạn của tàu bằng cách cấp khí cho các két dằn chính;
- Hỗ trợ các vách ngăn tiếp giáp với khoang tàu gặp sự cố;
- Tạo áp suất ngược cho khoang tàu gặp sự cố.

Minh hoạ hệ thống cấp khí cho các két dằn chính trên tàu ngầm kiểu cũ của HQ Mĩ (maritime.org)

Việc dùng khí nén để cấp cho các két dằn chính giúp tạo ra các điều kiện thuận lợi nhất cho việc khắc phục các sự cố và hiện tượng nghiêng chúi. Lượng khí nén dùng cho việc làm rỗng các két dằn phụ thuộc vào mức độ chênh lệch giữa áp suất khí nén và áp suất thuỷ tĩnh của lớp nước ngoài vỏ tàu.  

Tốc độ cấp khí cho các két dằn chính tùy thuộc không chỉ vào tốc độ điều chỉnh độ nổi âm và tốc độ hồi phục nghiêng chúi của tàu, mà còn vào lượng khí nén dự trữ, số lượng cùng áp suất trong các bình khí nén nối với máy cấp khí và độ sâu vận hành hiện thời của tàu ngầm. Ví dụ trên 1 chiếc tàu ngầm chạy bằng năng lượng nguyên tử, thời gian cấp khí nén cho nhóm két dằn ở phần giữa thân khi tàu lặn ở độ sâu 10m nước là 30 giây, nhưng khi tàu lặn ở độ sâu 60m nước lại cần tới 89 giây.

(còn nữa)

[huyphongssi]

6. Hiệu năng sử dụng các phương tiện chống chìm của tàu ngầm (tiếp)

Do phải chia áp suất dọctheo hệ thống ống cấp khí nên dòng khí bơm vào các két sẽ bị suy giảm nhanh chóng. Vì vậy, trong trường hợp gặp sự cố thì chỉ được phép cấp khí cho các két dằn nơi có phát sinh mô men nghiêng chúi và cần phải khắc phục độ nổi âm nhất. Việc lựa chọn két dằn nào cần được cấp khí được xác định qua mức tồn độ nổi âm của nó và vị trí của nó với khoang gặp sự cố. Cùng thời điểm lượng cấp khí qua nhánh các két dằn nhìn chung cần phải bằng hoặc lớn hơn lượng cấp khí qua nhánh tới khoang gặp sự cố.

Việc tạo áp suất ngược trong khoang gặp sự cố là nhằm mục tiêu giảm lực thủy động của tia nước phun qua lỗ thủng và qua đó làm giảm lượng nước lọt vào trong tàu ngầm, đồng thời làm tăng hiệu năng vận hành của hệ thống bơm tiêu nước và tạo dưỡng khí cho các thành viên thủy thủ đoàn tại đây. Hành động tạo áp suất ngược trong khoang gặp sự cố và áp suất hỗ trợ các vách ngăn kín nước của các khoang liền kề với khoang gặp sự cố chỉ được phép thực hiện khi có lệnh của cấp chỉ huy phụ trách hoạt động cứu hộ sự cố và chỉ được thực hiện trong các tình huống mà việc cấp khí nén giúp cải thiện được trạng thái của tàu ngầm.   

Minh hoạ cấu tạo máy nén khí cao áp của hệ thống cấp khí nén trên tàu ngầm (maritime.org)

Tàu ngầm lặn xuống lớp nước càng sâu thì thể tích cần khí nén càng tăng mạnh. Hơn nữa, sự chênh lệch áp suất khí giữa các mặt vách ngăn kín nước của khoang gặp sự cố khi tạo áp suất ngược tại khoang này cũng đòi hỏi phải cấp khí cho các khoang liền kề để hỗ trợ các vách ngăn khoang.

Muốn giảm đáng kể lượng nước lọt vào khoang thì phải tăng áp suất ngược trong khoang lên gần với áp suất khối nước bên ngoài vỏ. Hệ số hoán chuyển giữa mức tăng áp suất ngược với mức giảm lượng nước lọt vào khoang gặp sự cố là 0,5. Điều này có nghĩa là nếu áp suất ngược được tạo ra trong khoang gặp sự cố bằng phân nửa so với áp suất khối nước bên ngoài, thì dung lượng nước lọt vào khoang gặp sự cố so với cùng 1 đơn vị thời gian sẽ không phải được giảm xuống 2 lần, mà chỉ giảm tương ứng xuống khoảng từ 25% tới 30%. Muốn giảm dung lượng nước lọt vào tàu xuống 2 lần so với dung lượng nước vào tàu trong cùng đơn vị thời gian khi chưa tạo áp suất ngược, thì cần phải tạo mức áp suất ngược trong khoang gặp sự cố tương ứng với 80% áp suất khối nước bên ngoài vỏ tàu.

(còn nữa)

[huyphongssi]

6. Hiệu năng sử dụng các phương tiện chống chìm của tàu ngầm (tiếp)

Khi tiến hành khắc phục việc lọt nước bên ngoài vào khoang gặp sự cố thì vấn đề quan trọng là khoảng thời gian cần thiết để tạo áp lực ngược cho khoang này. Khoảng thời gian này phụ thuộc vào thể tích của khoang gặp sự cố, số lượng và áp suất của các bình khí nén được kết nối với hệ thống dẫn khí nén cũng như năng lực cấp khí của hệ thống cấp khí nén.

Căn cứ vào những điều nêu trên, có thể kết luận rằng việc tạo áp suất ngược ở khoang gặp sự cố khi tàu ngầm lặn ở độ sâu lớn là không hiệu quả, tốn phí lượng khí nén và mất thời gian. Hiệu năng sử dụng khí nén để tạo áp suất ngược cho khoang gặp sự cố tăng lên khi tàu ngầm vận hành ở lớp nước nông. Vì thế trong mọi trường hợp bị rò nước vào khoang, thì cần phải cho tàu ngầm nổi hẳn lên mặt biển hoặc trồi lên lớp nước nông nhất có thể.

Minh hoạ việc cấp khí nén cho tất cả các két dằn chính trên tàu ngầm kiểu cũ của HQ Mĩ (maritime.org)

Nên nhớ rằng việc cấp khí nén để tạo áp suất ngược cho khoang gặp sự cố và áp suất hỗ trợ vách ngăn cho các khoang liền kề chỉ được cho phép khi tàu ngầm bị nghiêng chúi hay chuẩn bị nổi lên mặt nước. Nếu nước bên ngoài vỏ lọt vào khoang gặp sự cố có vách ngăn được thiết kế khả năng chịu áp suất từ 981 hPa tới 1471 hPa, thì cần phải tạo ngay áp suất hỗ trợ vách ngăn ở mức từ 1 tới 1,5 kí lô lực/cm2 cho các khoang liền kề, rồi mới tạo áp suất ngược ở khoang gặp sự cố theo độ lặn sâu của tàu phù hợp với độ chịu đựng áp suất đã được tăng cường của các vách ngăn. Khi nước bên ngoài vỏ lọt vào khoang gặp sự cố có các vách ngăn được thiết kế để chịu được áp suất tới 1000 hPa, thì có thể tạo ngay áp suất ngược ở khoang gặp sự cố, nếu có đủ căn cứ để tin rằng tàu ngầm sẽ kịp trồi lên lớp nước phù hợp với khả năng chịu được áp suất dự kiến của vách ngăn trước khi áp suất trong khoang gặp sự cố đạt tới ngưỡng giới hạn.

Kĩ năng vận hành thành thục hệ thống cấp khí nén trong trường hợp tàu gặp sự cố là chìa khóa thành công cho việc nâng cao tính chống chìm của tàu ngầm. Khi quyết định vận hành hệ thống cấp khí nén, cần phải lưu ý không chỉ tới khối lượng khí nén dự trữ, mà còn tới việc hiệu năng của hệ thống này như 1 phương tiện chống chìm sẽ suy giảm nhanh chóng theo sự giảm áp suất trong hệ thống ống cấp khí và sự tăng độ sâu vận hành của tàu ngầm. Vì vậy, hệ thống cấp khí nén chỉ được phép dùng vào việc khắc phục độ nổi âm và độ nghiêng chúi vượt giới hạn cho phép của tàu ngầm.     

(còn nữa)

[huyphongssi]

6. Hiệu năng sử dụng các phương tiện chống chìm của tàu ngầm (tiếp)

Các phần trên chúng ta đã xem xét hiệu năng của các phương tiện chống chìm cho tàu ngầm gồm hệ thống bơm tiêu thoát nước và hệ thống cấp khí nén, phần này sẽ xét tới khả năng trồi lên của tàu ngầm như 1 phương tiện chống chìm khi tàu gặp sự cố rò nước trong khi lặn.

Tàu ngầm nguyên tử mang tên lửa đường đạn chiến lược K-535 Yury Dolgoruky thuộc đề án 955 Borey đang thử nghiệm cơ động trồi lên khẩn cấp tại Bạch Hải vào ngày 12/9/2010 (M.Kravsov@ submarines.narod.ru)

Việc vận dụng khả năng trồi lên khi bị rò nước trong quá trình lặn là phương án hiệu quả nhất trong việc chống chìm của tàu ngầm, do nó không bị ảnh hưởng vào độ sâu vận hành của tàu ngầm tại thời điểm gặp sự cố, mà chỉ phụ thuộc vào chuyển động của tàu ngầm. Việc vận dụng khả năng trồi lên của tàu có ý nghĩa đặc biệt quan trọng ngay từ thời điểm bắt đầu triển khai công tác chống chìm nhằm tránh cho tàu ngầm khỏi đi xuống các lớp nước sâu hơn. Khả năng trồi lên (Несущая способность) là khả năng của 1 tàu ngầm trong việc duy trì trạng thái chuyển động cho trước nhờ các lực và mô men lực tác động tới phần vỏ và các cánh lái của tàu trong điều kiện có độ nổi âm thặng dư và mô men nghiêng chúi quá hạn.

Khả năng trồi lên của phần vỏ tàu ngầm được xác định bằng phương trình giữa thành phần pháp tuyến của véc tơ chính của lực thuỷ động học (Y) với bình phương vận tốc di chuyển của tàu ngầm: Y = f*(v²)         
   

Đồ thị khả năng trồi lên của phần vỏ tàu ngầm (podlodka.info)

Việc nâng cao khả năng trồi lên bằng tăng góc ngóc mũi tàu chỉ có giá trị trong 1 khoảng hữu hạn từ 12 độ tới 16 độ. Nếu góc ngóc mũi tàu lớn hơn giới hạn này sẽ lại khiến khả năng trồi lên của tàu bị thuyên giảm do lực cản của nước tác động tới chuyển động của tàu làm tốc độ di chuyển của tàu giảm xuống.  Tác dụng của vận tốc di chuyển và góc ngóc của tàu ngầm tới lực nâng như được thể hiện ở đồ thị trên.

(còn nữa)

[huyphongssi]

6. Hiệu năng sử dụng các phương tiện chống chìm của tàu ngầm (tiếp)

Ở đồ thị bài trên, trục hoành thể hiện tốc độ của tàu ngầm, còn trục tung thể hiện lực nâng của thân vỏ tàu. Các đường cong (từ gốc toạ độ đi lên) là  đường cong thể hiện tập hợp các giá trị của lực nâng được giới hạn bởi tốc độ di chuyển cao nhất có thể của tàu khi đuôi tàu ở một góc chúi nhất định. Đường cong (đi xuống cắt trục hoành) thể hiện tập các giá trị lớn nhất của khả năng trồi lên Y = f (v²) theo các biên độ chúi khác nhau của phần đuôi tàu khi và chỉ khi dư lực nổi âm còn tác động tới trọng tâm của tàu ngầm.

Đồ thị sự thay đổi khả năng trồi lên của thân tàu ngầm theo nơi tiếp nhận nước (podlodka.info)

Đồ thị phía trên chỉ ra rằng khả năng trồi lên chỉ tăng tới 12 độ ngóc. Việc tạo ra góc ngóc lớn hơn 7 độ không làm cho lực nâng thân tàu tăng là mấy vì tốc độ tàu ngầm lúc đó sẽ giảm nhanh.

Đồ thị cho thấy khi tiếp nhận nước vào khoang số 6, tàu ngầm chỉ có thể duy trì được độ lặn sâu cho trước nếu lượng nước được tiếp nhận vào khoang này không quá 14 tấn và độ chúi đuôi tàu không vượt quá 3 độ. Còn khi tiếp nhận nước vào khoang số 7 thì lượng nước nhận vào không được vượt 8 tấn và góc chúi đuôi tàu không vượt quá 2 độ. 
   

Minh hoạ việc xuất hiện mô men gây lật tàu ngầm khi cho nước vào các khoang phía đuôi (podlodka.info)

Việc tiếp nhận nước vào các khoang phía đuôi tàu tạo ra nhiều nguy cơ cho tàu ngầm hơn là tiếp nhận nước vào các khoang phía mũi tàu, do mô men lực nổi âm M_q và mô men chính của lực thuỷ động học M_z1 của phần vỏ tàu là cùng dấu. Trong trường hợp này cần dừng ngay việc nhận nước và cố giữ không để cho góc chúi đạt tới chỉ số lực nâng tối đa của thân vỏ. Nếu không thực hiện việc này mà để М_q + M_z1 > М_в thì tàu ngầm sẽ bị lật.

Đối với các tàu ngầm nguyên tử có tốc độ lặn ngầm lớn thì chúng có thể khai thác tốt hơn khả năng trồi lên. Ví dụ với tốc độ lặn ngầm 23 hải lí/giờ và góc chúi đuôi 3 độ, 1 tàu ngầm nguyên tử có thể khắc phục được độ nổi âm tới 70 tấn ở khu vực khoang số 1 của tàu.

Tóm lại:

1. Muốn xử lí sự cố chống chìm cho tàu ngầm đang trong tư thế lặn thì cần phải nhanh chóng cho tàu ngầm trồi lên mặt nước. Còn nếu tình thế không cho phép tàu trồi lên mặt nước thì cần phải duy trì tàu ở 1 độ sâu nhất định không vượt quá độ sâu tới hạn của tàu, rồi từng bước cho tàu trồi lên lớp nước phía trên phù hợp với khả năng chịu áp lực nước của các vách ngăn của khoang gặp sự cố.

2. Khả năng chống chìm cho tàu ngầm đang trong tư thế lặn phụ thuộc vào các yếu tố như: độ sâu ở thời điểm nước bên ngoài lọt vào khoang sự cố, kích cỡ lỗ thủng, tốc độ ban đầu và dự trữ công suất máy đẩy cho phép tàu ngầm có thể chuyển sang tốc độ đi ngầm tối đa, kích cỡ và vị trí khoang gặp sự cố vào nước, tốc độ bơm khí nén vào các két dằn chính, việc bảo đảm vận hành của các thiết bị phòng ngừa sự cố, góc chúi cho phép trồi lên và độ trễ khi phản ứng khắc phục sự cố.

3. Chỉ có tận dụng kết hợp được mọi phương tiện xử lí sự cố chống chìm sẵn có khi tàu lặn ngầm thì mới bảo đảm được hiệu năng sử dụng của chúng. Việc xử lí sự cố chống chìm cho tàu ngầm đang lặn chỉ đem lại thành công mong muốn nếu mọi nguồn lực huy động cho việc xử lí sự cố được sử dụng một cách kịp thời và hiệu quả                 

(hết phần 6)