Tàu ngầm dùng công nghệ AIP là thế nào ?

Tàu ngầm với tính năng lẩn trốn dưới nước ,ngay từ khi ra đời ,đã là một vũ khí răn đe lợi hại .Đặc biệt từ khí dùng động lực hạt nhân ,nó có thể lặn sâu hàng tháng trời mà không cần ngoi lên mặt nước để “thở” hay ít ra phải nhô cái ống thở snorkel lên mà đối phương có thể phát hiện.Nhưng không phải tàu ngầm nào cũng trang bị “nguyên tử” được.Bởi vậy với tàu diesel-điện thông thường ,ngay từ những ngày đầu tiên khi mới ra đời,người ta đã cố gắng tìm cho nó một “bầu khí quyển để thở” riêng,không phụ thuộc vào bầu trời.Khái niệm AIP đã ra đời,là chữ viết tắt của các chữ Anh Air-Independent Propulsion tức là hệ thống động lực đẩy tàu chạy độc lập với bầu không khí .Hiện nay có 10 nước sử dụng các loại tàu ngầm AIP    

Theo dòng lịch sử

Tàu ngầm XVIIB của Walter ,người đi tiên phong trong công nghệ AIP ,được quân Đồng Minh thu hồi sau Thế Chiến II  như môt chiến lợi phẩm

Người đi tiên phong là tiến sĩ kỹ sư người Đức Helmuth Walter (1900-1980) đã đề xuất sử dụng peroxit hydro (H₂O₂) tức nước ô xy già ,có độ tinh khiết cao làm chất ô xy hóa,nhằm thay đổi căn bản hệ thống động lực tàu ngầm.Trong hệ thống này của Walter,peroxit hydro được cung cấp từ trên bờ ,với permanganate làm chất xúc tác,sẽ được phân tích thành hơi nước ở nhiệt độ cao và giải phóng ô xy.Dầu diesel được phun vào buồng đốt ,cháy cùng với ô xy tạo thành hơi nước và khí nóng làm quay tua bin tốc độ cao.Khí xả ra và hơi nước sẽ được thải ra ngoài .Thiết kế đầu tiên của Walter là mong đạt được tốc độ cao dưới nước chứ không phải thời gian chạy lâu dài nên đã đạt được tốc độ 28,1 hải lý/giờ trên chiếc V80 trong khi những chiếc tàu ngầm khác chỉ đạt 10 hải lý/giờ

Trong Thế Chiến II,bảy chiếc tàu ngầm loại XVII H₂O₂,lượng chiếm nước 300 tấn,với hai tua bin 2500 mã lực, đã được chế tạo nhưng không chiếc nào tham gia chiến đấu,vì ngành công nghiệp không cung cấp đủ peroxit hydro

AIP sau Thế Chiến II

Tàu ngầm Explorer của Anh ,nhưng được gọi tên là tàu Nổ /Exploder/thay vì Explorer là Nhà Thám Hiểm

Sau chiến tranh,Mỹ và Anh giành được vài chiếc tàu ngầm XVII với tên U-1406 và U-1407 như chiến lợi phẩm,còn Walter sang cư trú tại Anh và hợp tác với hãng Vickers để hoàn thiện hệ thống peroxit hydro của mình ,và vào những năm 1950 đã cho ra đời hai con tàu HMS Explorer và HMS Excalibur .Do không an toàn nên hai con tàu này được lính thủy Anh gọi trại đi  là “HMS Exploder” (tàu nổ) và “HMS Excruciator” (tàu tra tấn )

Bắt được công nghệ của Walter,Liên Xô áp dụng trên tàu ngầm của mình,mà phương Tây gọi tên con tàu đó là “the Whale” (Cá Voi) nhưng chủ yếu họ tập trung vào phương án theo hệ thống Kreislauf của Đức và những nghiên cứu độc lập để cho ra đời khoảng 30 chiếc tàu ngầm lớp Quebec,650 tấn, từ năm 1953-1957 .Đó là những con tàu dùng ô xy lỏng dự trữ ,3 động cơ diesel hoạt động chu trình kín.Do tính an toàn kém,các lính thủy gọi nó “chiếc hộp quẹt” nên đầu những năm 1970 người ta đã loại nó ra khỏi đội hình

Tàu ngầm mini X-1 của Mỹ dùng AIP với peroxit hydro và động cơ diesel thông thường.Chế tạo năm 1955 tới 1957 xảy   ra vụ nổ ,sau đó không dùng AIP nữa 

Còn Mỹ ,với chiếc U-1406 ,2500 mã lực của Walter đã thực hiện nghiên cứu tại trạm thí nghiệm Annapolis bang Maryland ,cũng như nghiên cứu cả hệ thống Kreislauf nhưng cuối cùng đã tập trung mọi sức lực cho hệ thống đẩy tàu ngầm dùng năng lượng hạt nhân

Tuy vậy,tháng 9 năm 1955,chiếc tàu ngầm mini đầu tiên của Mỹ có tên SSX-1 được hạ thủy tại Long Island đã sử dụng động cơ diesel và peroxit hydro trong một chu trình kín.Lượng chiếm nước 36 tấn,dài khoảng 15 mét,động cơ diesel thương mại thông thường được cải tiến cùng với một động cơ điện nhỏ chạy accu làm động cơ dự phòng.Khi nổi lên bế mặt,tàu chạy nhờ khí quyển và nạp accu ,khi chạy dưới nước,ô xy chạy máy được phân giải từ peroxit hydro trong một buồng phản ứng.Cả khí xả và nước ngưng tụ được nén lại và xả ra ngoài.1500 lít peroxit hydro được chứa trong một túi nylon đặt ở mũi tàu ,bốn thuyền viên ở phía sau.Sau nhiều lần cải tiến tới tháng 2 năm 1957 tàu mới chính thức hoạt động .Nhưng không may,ba tháng sau,kho peroxit hydro nổ làm tung toàn bộ phần mũi tàu ,may mắn không ai thương vong.Sau đó con tàu được sửa lại,với hệ thống diesel-điện và tổ hợp accu như mọi tàu ngầm thông thường.X-1 được dùng làm tàu nghiên cứu và hiện nay được triển lãm tại Bảo tang Groton ở Connecticut Hoa Kỳ.Một sĩ quan chỉ huy tàu này viết lại trong hồi ký “Bài học quan trọng thu được trong chương trình thực nghiệm này là …..một hệ thống peroxit hydro không ổn định với nồng độ cao không thể có chỗ đứng trong một con tàu chiến đấu”

Tình hình AIP hiện nay

Mặc dù hiện nay những cường quốc hàng hải như Mỹ,Anh,Nga tập trung cho tàu hạt nhân nhưng với những nước nhỏ sử dụng tàu diesel-điện thông thường chủ yếu để bảo vệ vùng duyên hải của mình .Với những nước này,trong những năm gần đây muốn tăng thời gian lặn nên lại muốn nghiên cứu lại công nghệ AIP,chủ yếu tập trung theo bốn hướng sau đây:

1/động cơ diesel chu trình kín,thường dùng với ô xy lỏng dự trữ

2/tua bin hơi nước chu trình kín

3/động cơ nhiệt Stirling với buồng đốt ngoài

4/Pin nhiên liệu hydro-oxy

Động cơ diesel chu trình kín (CCD)

Khi chạy trên mặt nước hay dùng ống thở snorkel,động cơ chạy như diesel thông thường.Khi lặn,nó chạy trong một bầu không khí nhân tạo hình thành bởi ô xy đem theo,khí trơ (thường là argon) và các sản phẩm thải ra được tái chế dùng lại.Khí thải của động cơ chủ yếu là khí cac bô nic,ni tơ,và hơi nước sẽ được làm lạnh,làm sạch và phân tách các thành phần,với argon được quay lại đấu nạp vào động cơ.Những thứ còn lại được trộn với nước biển và thải ra ngoài.Ô xy dạng lỏng viết tắt là LOX được chứa trong két lạnh. CCD cũng được một số hãng phát triển tại Đức,Anh,Hà Lan …Tuy vậy,trừ một tàu Đức hoạt động từ năm 1994,không có một hệ CCD nào được dùng cho hải quân.Hãng Marconi Anh gần đây chế tạo một hệ CCD mang tên Carlton Deep Sea và đã trang bị lại cho chin chiếc tàu ngầm Hàn Quốc lớp 209 trước đây là diesel thông thường.Mặc dù CCD có ưu điểm là tương đối dễ dàng trang bị lại cho các tàu diesel thông thường hiện có nhưng không được người ta mấy quan tâm .Dù phải thường xuyên cung ứng ô xy lỏng và khí trơ,nó có ưu điểm là dùng ngay diesel thông thường với dầu đốt diesel thường dùng.

Tua bin hơi chu trình kín

Chỉ có một trường hợp tua bin hơi AIP đang được Pháp nghiên cứu với cái tên là hệ thống MESMA (Module d’Energie Sous-Marin Autonome-Hệ năng lượng độc lập cho tàu ngầm) .Đó là tua bin thông thường loại Rankine chuyển động nhờ hơi nước sinh ra do đốt ethanol và ô xy đem theo tại áp suất 60 at mốt phe.Do áp suất cháy cao nên khí cac bô nic thải ra được đẩy ra ngoài dễ dàng trong khi đang lặn.Ba hệ thống này đã được Pháp đặt trên tàu ngầm Agosta 90B cung cấp cho Pakistan.

Động cơ Stirling

Trong những năm gần đây động cơ Stirling là hệ AIP đầu tiên áp dụng cho tàu ngầm.Hãng Kockum Thụy Điển bắt tay vào chế tạo từ năm 1989 và tới nay đã có ba chiếc tàu ngầm lớp Gotland .Trong hệ thống Stirling 75 ki lô wat ,ô xy lỏng được đốt cháy với dầu diesel sinh ra điện để kéo chân vịt đẩy tàu hay để sạc accu dùng cho tổ máy diesel-điện thông thường.Theo báo cáo,chiếc tàu 1500 tấn  có thể ngầm dưới nước tới 14 ngày tại tốc độ 5 hải lý/giờ.

Pin nhiên liệu

Pin nhiên liệu với PEM màng điện ly polymer

Theo nghĩa đơn giản,pin nhiên liệu là một thiết bị chuyển đổi điện hóa,hóa hợp hydro và oxy tạo thành nước,điện và nhiệt.Pin nhiên liệu đã được áp dụng trong công nghệ vũ trụ,ô tô và hy vọng là hệ AIP trong ương lai.Có nhiều cấu hình khác nhau,nhưng trên tàu ngầm người ta thấy triển vọng nhất là pin nhiên liệu có tên là PEM viết tắt các chữ Polymer Electrolyte Membrane tức là màng điện ly polymer.Sở dĩ PEM được chú ý vì hoạt động ở nhiệt độ thấp khoảng 800 C,ít mất mát nhiệt.Trong thiết bị PEM,hydro cao áp đi vào trong pin phía anode,và tấm platin xúc tác phân tích mỗi cặp phân tử thành bốn ion H và bốn điện tử tự do.Điện tử đi từ anode ra mạch ngoài tạo thành dòng điện.Trong khi đó tại cathode,mỗi phân tử oxy Màng polymer ngăn cách giữa a nốt và ca tốt ngăn cản các điện tử nhưng cho ion H+ mang điện tích dương chui qua sang ca tốt mang điện tích âm ,kết hợp với oxy tạo thành nước.

Thách thức lớn nhất với pin nhiên liệu là vấn đề lưu chứa các tác nhân hóa học.Ô xy lỏng có thể tương đối an toàn nhưng chứa hudro trên tàu với dạng một chất lỏng hay một khí cao áp là một việc cực kỳ nguy hiểm.Nhiều biện pháp đề ra để giải quyết vấn đề này.Một số các nhà chế tạo hiện nay đã cung cấp pin nhiên liệu cho các tàu ngầm AIP.Nổi bật là  hãng Siemens Đức cộng tác với hai nhà máy đóng tàu Đức Howaldtswerke Deutsche Werft (HDW) và hãng Fincantieri của Ý để cấp một pin nhien liệu cho một tàu ngầm Đức 1840 tấn và tàu lớp U-212 của Ý.Đó là 9 mô đun pin PEM phát ra công suất tổng cộng 300 kW ,giúp tàu lặn liền 14 ngày với tốc độ 8 hải lý/giờ.Siemens cũng đang chế tạo pin PEM thế hệ mới mỗi mô đun 120 kW để lắp tiếp cho các tàu ngầm Đức và Ý xuất khẩu.Các nước như Nga và Canada cũng lưu ý tới pin nhiên liệu cho các tàu ngầm chạy dưới các tảng băng

Tàu ngầm Gotland dùng pin nhiên liệu 

Tương lai của AIP

Vì năng lượng cần để đẩy tàu tỷ lệ với lũy thừa ba của tốc độ ,nên trong một tương lai gần ,AIP có giá trị chủ yếu với những tàu ngầm thông thường muốn ẩn mình lâu dài dưới nước với tốc độ chậm.Các loại động lực kể trên,trừ pin nhiên liệu,mà gọi là có “chu trình kín” thực ra không chính xác vì vẫn cần phải xả khí thải ra ngoài,cho nên bị giới hạn cả về độ sâu lẫn mức ẩn dấu !Nhưng nếu có công nghệ tốt,tàu ngầm AIP vẫn là một vũ khí lợi hại trong việc bảo vệ lãnh hải với những chuyến đi ngắn và trung bình.Khi thuận tiện nó lại trồi lên mặt nước ,tranh thủ thở  sạc accu   rồi lại ẩn mình. Mặt khác,công nghệ AIP hiện nay đang có những tiến bộ rất nhanh.Người ta cho rằng trong vài năm gần đây công suất ra của 1 mô đun pin nhiên liệu đã tăng gấp đôi ,gấp ba lần ,cho phép tàu có động lực mạnh hơn ,tức là có thể tăng tốc độ và thời gian lặn.Đó là vũ khí lợi hại của hải quân các nước không có nhiều tiền bạc       

RFID dùng trong cuộc thi marathon

-Sáng qua,anh Thành ,nguyên giám đốc Vishipel Sài Gòn có đem cata lô và hỏi mình về thiết bị Chrono Track.Khá thú vị,thiết bị của Mỹ này được mua về để đo tốc độ của các vận động viên chạy marathon cuối năm nay.Điều Thành quan tâm là nó phát sóng thế nào.Thế là mình gặp một nguyên lý mới ,được dùng nhiều trong những năm gần đây,đó là RFID Radio Frequency Identification -Nhận dạng theo tần số vô tuyến.Mỗi vận động viên đeo một cái tag,một cái chip có tần số riêng củ từng người.Và nó sẽ được nhận dạng khi qua các điểm mốc.Bộ thu phát chính dùng sóng UHF ,theo luật ISM của ITU-R ,đó là những loại sóng dùng trong công nghiệp,y tế,đời sống.Cái đáng quan tâm là Cục Tần Số đường Trần Duy Hưng Hà Nội sẽ cấp phép thế nào.Mình nhớ mãi những lần còn làm ăn.Họ đòi giấy thử phát sóng bản chính của hãng,là thứ mà khó tìm ra.Một là nhiều bộ phận như phát sóng ,cò thể do sub contract nó làm,hai là thường chỉ cấp phó bản,vì họ đã công bố công khai hết trên mạng.Đó là thông lệ quốc tế .Nhưng họ cứ đòi và nhiều lần phải mông má cho có bản chính và sẽ phỉ có chi phí cho chi phí thử mà cái Cục đó làm già có thiết bị đo thử,công với ...biết điều-mục này mới quan trọng,Cho nên ,những chuyện này góp phần làm cho mình nản không muốn làm ăn nữa.Ông Thành ơi ! hãy chuẩn bị đi,dù biết là sóng UHF trẻ con này chỉ có vùng ảnh hưởng 12 mét ,nhưng nhiều khi được nghe rao giảng vì an ninh quốc gai,vì tồn vong của chế độ.Làm cho mình nhớ lại vụ điện thoại vệ tinh !!!
-ALC II đang hầu tòa.Người ta không trưng ra biết bao hồ sơ đăng ký tàu mà chủ tàu là ông này.Thuê mua tài chính,nhất là thuê mua tàu biển là một lãnh vực phức tạp của tư bản tài chính hàng hải.Được "kinh tế thị trường định hướng XHCN" nó là miếng mồi béo ,ăn ngon lành bởi các ông chủ "đều" .Chắc nhà ný nuận cao nhất ,ông vua fake hiện nay cũng chẳng hiều thuê mua tàu biển là cái gì mà bọn đệ tử nó thích thú thế và ăn béo thế !!!