Nghiên cứu thiết kế,chế tạo thử nghiệm mô hình tàu lặn vỏ composite

MỤC LỤC
CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ....................................................................................3
1.1. Tổng quan về đề tài nghiên cứu .....................................................................3
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC ..........................5
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................5
1.2.2. Tình hình nghiên cứu ngồi nước ...........................................................5
1.2. Mục đích, nội dung, phương pháp nghiên cứu ...............................................5
1.2.1. Mục đích ................................................................................................5
1.2.2. Nội dung nghiên cứu ..............................................................................6
1.2.3. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................6
1.2.3.1 Nghiên cứu lý thuyết .........................................................................6
1.2.3.2 Nghiên cứu thực nghiệm ...................................................................6
1.2.4. Giới hạn nội dung nghiên cứu.................................................................6
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT........................................................................7
2.1 Giới thiệu chung về tàu lặn.............................................................................7
2.1.1 Khái niệm ...............................................................................................7
2.1.2 Lịch sử phát triển tàu lặn ........................................................................7
2.1.3 Phân loại tàu lặn ...................................................................................14
2.2 Quy định tính tốn tàu lặn theo quy phạm ...................................................15
2.3 Các phương pháp lặn, nổi............................................................................16
2.3.1 Cơ bản về công nghệ lặn.......................................................................16
2.3.2 Static diving..........................................................................................17
2.3.3 Dynamic diving ....................................................................................22
2.3.4 Cánh khí (thủy) động đi ....................................................................23
2.4 Mơ hình cơng nghệ lặn tàu ngầm.................................................................25
2.4.1 Công nghệ lặn động lực ........................................................................25
2.4.2 Công nghệ lặn tĩnh................................................................................26
2.5 Hybrid Ballast Systems (Hệ thống tổ hợp két dằn) ......................................36


2.6

Xây dựng thiết kế, lựa chọn kết cấu két lặn ...............................................38

2.6.1 Phương pháp lặn áp dụng Lặn tĩnh lực kết hợp với lặn động lực ..........38
2.6.2 Cấu tạo ..................................................................................................38
2.6.3 Nguyên lý hoạt động.............................................................................39
2.6.4 Thông số hoạt động ..............................................................................39
2.7 Các phương án điều khiển tàu lặn................................................................41
2.7.1 Động học (dynamics) phương tiện ngầm...............................................41
2.7.2 Chuyển động học (Kinematics) .........................................................42
2.7.3 Động lực học (Kinetics) ...................................................................45
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ - CHẾ TẠO MƠ HÌNH .................................................52
PHẦN A TÍNH TỐN, THIẾT KẾ TÀU LẶN.....................................................52
3.1 Xây dựng nhiệm vụ thư thiết kế...................................................................52
3.2 Xác định kích thước chính...........................................................................52
3.3 Thiết kế đường hình lý thuyết.......................................................................54
3.4 Thiết kế kết cấu............................................................................................58
3.4.1 Tính áp lực nước tác động thân tàu ........................................................58
3.4.2 Tính số lớp compozit, kiểm tra độ bền thân tàu......................................61
3.4.3 Thời gian lặn nổi tàu..............................................................................66
3.5 Tính tốn tính năng tàu lặn...........................................................................68
3.5.1 Xác định các yếu tố thủy lực..................................................................68
3.5.1.1. Diện tích mặt đường nướcS (mm2) ................................................68
3.5.1.2. Thể tích chiếm nước V (mm3) ứng với các mặt đường nước..........69
3.5.1.3. Diện tích mặt cắt ngang giữa tàu  (mm2).....................................69
3.5.1.4. Hoành độ trọng tâm mặt đường nước Xf (mm) ..............................69
3.5.1.5. Tính tọa độ trọng tâm nổi ZC, XC (mm) .........................................70
3.5.1.6. Bán kính ổn định ngang r0 (mm) ...................................................70
3.5.1.7. Bán kính ổn định dọc R0 (mm) ......................................................71
3.5.1.8. TÍNH VÀ VẼ ĐỒ THỊ BONJEAN. ..............................................75

3.5.2 Tính tốn ổn định tàu.............................................................................84


3.5.2.1 Xây dựng đường Pantokaren .........................................................84
3.5.2.2 Tính trọng tâm tàu........................................................................ 139
3.5.2.3 Bảng tính tay địn ổn định tĩnh – động.......................................... 141
3.6 Thiết kế hệ động lực .................................................................................. 143
3.6.1 Xác định sc cn ................................................................................. 143
3.6.2 Chọn các yếu tố hình học và tính sơ bộ chõn vt. .................................. 146
3.6.2.1. Chọn các u tè h×nh häc chÝnh cđa chân vịt. ............................... 146
3.6.2.2.TÝnh hệ số hút t và hệ số dòng theo Wt. ......................................... 146
3.6.2.3.TÝnh lùc ®Èy cđa chânvịt T. .......................................................... 147
3.6.2.4.TÝnh tèc độ tịnh tiến của chõn vt................................................... 147
3.6.2.5.Tính công suất sơ bộ và vòng quay sơ bộ của chõn vt. .................. 147
3.6.2.6.Tính đường kính sơ bộ của chân vịt. ............................................. 148
3.6.2.7. Chọn số cánh chân vịt.................................................................. 148
3.6.2.8. Chọn tỉ số đĩa của chân vịt........................................................... 148
3.6.3 Tính toán chân vịt. ............................................................................... 149
3.6.3.1. Tính chọn động cơ và các thông số của chân vịt. ......................... 149
3.6.3.2. Kiểm tra tỉ số đĩa của chõn vt theo điều kiện xâm thực. ............... 150
3.6.3.3. Xây dựng bản vẽ chân vịt. ............................................................ 150
3.6.3.4. Các thông số của chân vịt. ........................................................... 150
3.6.3.5. Xây dựng đường chiều dày lớn nhất của profin tiết diện cánh
trên hình chiếu cạnh.................................................................................. 151
3.6.3.6. Xây dựng củ chân vịt. ................................................................ 156
3.6.4 Thit k, b trí hệ trục.......................................................................... 157
3.7 Thiết kế bánh lái......................................................................................... 157
3.7.1 Thiết bị lái .......................................................................................... 157
3.7.2 Chọn loại thiết bị ................................................................................. 157
3.7.3 Tính toán các chi tiết kết cấu bánh lái đủ bền....................................... 160

3.7.3.1 Lực tác động lên bánh lái (điều 25.1.2)......................................... 160
3.7.3.2 Trơc l¸i.......................................................................................... 160


3.7.3.3 Ống bao trục cánh ......................................................................... 161
3.7.3.4. Mèi nèi b¸nh l¸i - trơc l¸i............................................................. 162
3.7.3.5 Chän m¸y l¸i ................................................................................. 162
3.8 Thiết kế bố trí chung ................................................................................. 163
3.9 Thiết kế phương án điều khiển .................................................................. 164
PHẦN B: CHẾ TẠO MƠ HÌNH ....................................................................... 165
3.10. Sơ đồ quy trình thi cơng vỏ tàu................................................................ 165
3.10.1 Chế tạo khuôn.................................................................................... 166
3.10.1.1 Nguyên tắc chung....................................................................... 166
3.10.1.2 Các bước tiến hành...................................................................... 166
3.10.1.3 Chế tạo khuôn phần đầu và đuôi.................................................. 166
3.10.1.4 Chế tạo khuôn phần thượng tầng ................................................. 167
3.10.1.5 Xử lý khuôn ............................................................................... 167
3.10.1.6 Xử lý bề mặt khuôn ..................................................................... 168
3.10.1.7 Xử lý chống dính......................................................................... 168
3.10.2. Thi cơng vỏ tàu bằng vật liệu compozit............................................. 169
3.10.2.1 Trát lớp CSM đầu tiên................................................................. 169
3.10.2.2 Trát lớp thứ cấp........................................................................... 169
3.10.2.3 Phun gelcoat................................................................................ 171
3.10.2.4 Tách khn ................................................................................. 171
3.11 Phương án làm kín nước.......................................................................... 171
CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN........................................... 173
4.1 Kết quả thử nghiệm mơ hình ..................................................................... 173
4.2. Kết luận .................................................................................................... 173
4.3. Đề xuất ý kiến ........................................................................................... 174
4.4. Định hướng phát triển của đề tài................................................................ 174

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 175


1

LI NểI U
Ngành đóng tàu của nước ta đang trên đà phát triển cùng với sự phát
triển của nền kinh tế nước nhà và trở thành một ngành công nghiệp mịi nhän
cđa nỊn kinh tÕ ViƯt Nam. N­íc ta võa ®­ỵc chÝnh thøc gia nhËp tỉ chøc kinh
tÕ ThÕ giíi WTO, đó là một lợi thế lớn và là điều kiện tốt để ngành đóng tàu
Việt Nam hội nhập và phát triển. Được sự quan tâm của Đảng và Nhà nước,
ngành đóng tàu Việt Nạm đà đạt được những thành tựu đáng khích lệ. Chúng
ta đà đóng được những tàu trên vạn tấn đồng thời kí kết đóng nhiều tàu có
trọng tải lớn hơn và thu hút được nhiều khách hàng quốc tế hợp tác với ngành
đóng tàu nước ta.
Mc dù đến nay công việc thiết kế, chế tạo tàu ngầm, tàu lặn vẫn là bài
tốn khó cho ngành đóng tàu Việt Nam do chưa đấu tư đúng mức. Tuy nhiên
với nền tảng đã tích lũy được trong khoảng thời gian va qua thỡ chắc chắn
trong một tương lai không xa ngành đóng tàu Việt Nam sẽ chiếm một vị trí
quan trọng trong ngành đóng tàu Thế giới vi lnh vc tu dõn s v quõn s.
Là sinh viên Khoa Khoa K Thut Tu Thy Trường Đại học Nha
Trang, sau hơn 4 năm theo học, cùng với sự cố gắng của bản thân và được sự
dạy bảo của các thầy giáo trong Khoa đà giúp em tiếp thu những kiến thức cần
thiết để có thể trở thành một kỹ sư của ngành đóng tàu
Sau thời gian 4 tháng làm việc vi tinh thn khn trng nghiờm tỳc,
tìm hiểu tài liệu, với sự nhiệt tình giúp đỡ của thầy giáo hướng dÉn chÝnh
TS.Trần Gia Thái nay nhóm em ®· hồn thành ®Ị tµi tèt nghiƯp “Nghiên cứu
thiết kế, chế tạo thử nghiệm mơ hình tàu lặn vỏ composite” cđa m×nh với
những nội dung sau:

2

Chương 1 Đặt vấn đề
Chương 2 Cơ sở lý thuyết
Chương 3 Tính tốn thiết kế, chế tạo mơ hình
Chương 4 Kết luận và đề xuất ý kiến
Nhóm sinh viên thực hiên:
Đỗ Quang Thắng
Tưởng Cơng Tình
Nguyễn Hữu Kiên
Phùng Danh Quận
Võ Diệp Long


3

CHƯƠNG I

ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1. Tổng quan về đề tài nghiên cứu
Hiện nay trên thế giới ngành đóng tàu đã phát triển ở một trình độ rất cao về
cơng nghệ và đang phát triển nhiều loại phương tiện thủy mới rất hiện đại nhằm
phục vụ cho vận tải cũng như mục đích an ninh quốc phịng. Ở các nước có thế
mạnh về đóng tàu từ lâu như các nước Bắc Âu hay Nga, Mỹ, Đức, Hà Lan hiện nay
chủ yếu đóng các loại tàu có độ phức tạp cao, yêu cầu công nghệ và trang bị hiện
đại như tàu khách, tàu ngầm, chiến hạm…Trong khi đó,với mục đích xây dựng
ngành đóng tàu thành một ngành công nghiệp thế mạnh của Việt Nam, những năm
gần đây Vinashin đang rất tích cực đầu tư. Tuy nhiên những sản phẩm của chúng ta
hầu hết là những con tàu vận tải, tàu dầu. Để nâng tầm của ngành đóng tàu thì việc

sản xuất những sản phẩm có chất lượng, độ khó và lợi nhuận cao hơn là việc làm tất
yếu, thực hiện càng sớm càng tốt. Hiện tại Vinashin cũng đã có xu hướng phấn đấu
trong tương lai Việt nam có thể tiến tới tự chế tạo các loại tàu phục vụ dân sự nhằm
mục đích du lịch, thám hiểm, nghiên cứu đại dương, thủy hải sản…dần dần từng
bước chế tạo được những con tàu ngầm để phục vụ cho an ninh quốc phòng. Do vậy
việc mở rộng tìm hiểu, thiết kế và đóng những loại tàu mới ngay từ bây giờ là việc
làm cần thiết là tất yếu khánh quan.
Với một sinh viên đóng tàu sắp ra trường thì việc lựa chọn những đề tài,
những vấn đề gần gũi với chuyên ngành liên quan và công việc cụ thể trong tương
lai là điều cần thiết. Tuy nhiên, những đề tài có tính mới ít được đề cập luôn là
những đề tài rất thú vị, kích thích được lịng ham học hỏi tìm tịi của tuổi trẻ. Hơn
nữa, đây là một đề tài có tính tổng hợp cao, khi làm đòi hỏi phải huy động nhiều
kiền thức chuyên môn về tàu, giúp củng cố lại kiến thức chun mơn cho người
thực hiện. Đề tài có liên quan đến nhiều vấn đề từ lí thuyết tàu, sức bền cho đến
cơng nghệ đóng sửa, điện tử... Khi thực hiện đề tài còn phải đối mặt với nhiều tình
huống thực tế phức tạp, ln phải sáng tạo để tìm ra phương án hợp lí, phải cấp


4

nhận rủi ro cao… Vì những lí do nêu trên, nhóm chúng em quyết định lựa chọn đề
tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm mơ hình tàu lặn vỏ composite”.
Việc lựa chọn chế tạo vỏ tàu bằng vật liệu composite là do vật liệu composite
ngày càng được ứng dụng rộng rãi, và đã chứng tỏ được tính ưu việt về kinh tế, kỹ
thuật, nhất là trong lĩnh vực tàu thuyền (tàu cá, tàu du lịch, tàu đẩy, tàu hàng, xuồng
cứu sinh…). Với đề tài này việc chế tạo vỏ tàu bằng vật liệu composite sẽ dễ dàng
trong việc tạo hình, lắp đặt kết cấu… nhưng nó sẽ khó khăn trong bài tốn làm kín
nước, địi hỏi phải thử nhiệm nhiều lần.
Mục đích của nghiên cứu đề tài nhằm cung cấp cho người nghiên cứu những
kiến thức cơ bản nhất về phương tiện ngầm như tàu ngầm, tàu lặn. Các khái niệm cơ

bản về các hệ thống kết cấu, tính năng, phương pháp tính tốn, điều khiển và điều
kiện làm việc…
- Mục tiêu chung cuả đề tài: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm mơ
hình tàu lặn vỏ composite”
- Mục tiêu cụ thể:
1. Thiết lập và xác định giải các bài tốn tính tốn thiết kế tàu với tàu thiết kế
có thơng số Ltk = 1,4 m, v =10Hl/h, h = 10 m nước.
2. Thiết kế, lựa chọn kết cấu két lặn
3. Tính tốn áp lực của nước tác dụng lên các phần kết cấu vỏ thân tàu tại độ
sâu 10 m nước để thiết kế kết cấu, kiểm tra bền thân tàu
4. Tính tốn số lớp composite cần thiết để chế tạo vỏ tàu đủ bền tại độ sâu 10
m nước ( kiểm tra mẫu thử theo tiêu chuẩn)
5. Xác định tốc độ lặn, nổi (tính tốn thời gian thời gian điền đầy nước vào
két và thời gian xả hết nước với áp suất đẩy bình ga 1at), độ bền của két
lặn với áp suất khí nén bình ga 1(at).
6. Bố trí chung các hệ thống kết cấu tối ưu nhất
7. Chế tạo mơ hình
8. Xác định thử nghiệm các phương án làm kín nước
9. Thiết kế lựa chọn phương án điều khiển.
10. Thử nghiệm so sánh với lý thuyết


5

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:
- Mở ra hướng nghiên cứu mới cho các bạn sinh viên đam mê về tàu, tạo tiền
đề cơ bản cho các nghiên cứu phát triển đề tài sâu rộng hơn nữa. Tiến tới ng dng
trong thc t i sng.
- Đề tài thiết kế có ý nghĩa quan trọng trong việc đánh giá năng lực, tư duy
thiết kế của bản thân. Rốn luyn kh năng làm nhóm một cách khoa học để giải

quyết các bài tốn thực tế đặt ra. Qua viƯc thiÕt kÕ đề tài mi thnh viờn trong nhúm
đà rút ra được những kinh nghiệm quan trọng trong việc thiết kế tàu, biết được
những ưu, nhược điểm của bản thân, có dịp tìm hiểu thêm những kiến thức thực tế
để thuận lợi cho quá trình công tác sau này.
1.2. TèNH HèNH NGHIấN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
Theo tìm hiểu của nhóm nghiên cứu, ở Việt nam hiện nay thì lĩnh vực này
vẫn cịn khá mới mẻ. Qua khảo sát thực tế chúng em thấy rằng đã có trường Đại
Học Bách Khoa Hà Nội có nhóm sinh viên đang nghiên cứu về đề tài này nhưng
vẫn tồn tại nhiều vấn đề kỹ thuật cần giải quyết như: kết cấu, kín nước, điều khiển.
Nhóm em đã ra tham khảo và đã rút được nhiều kinh nghiệm. Trong đề tài tốt
nghiệp này nhóm cố gắng giải quyết hồn thiện các vấn đề kỹ thuật nêu trên.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu ngồi nước
Ở các nước có thế mạnh về đóng tàu từ lâu như các nước Bắc Âu hay Nga,
Mỹ, Đức, Hà Lan hiện nay chủ yếu đóng các loại tàu có độ phức tạp cao thì lĩnh
vực tàu lặn, tàu ngầm đã được nghiên cứu từ lâu họ coi đây là lĩnh vực truyền
thống. Ở các nước này thường có các câu lạc bộ chơi mơ hình trong đó có tàu ngầm
được làm vỏ bằng thép hoặc hợp kim nhơm do tùy theo thị hiếu, thói quen sử dụng
và trình độ kỹ thuật của nơi sản xuất. Tuy nhiên với vật liệu composite cịn khá mới.
1.2. Mục đích, nội dung, phương pháp nghiên cứu
1.2.1. Mục đích
Mục đích chính của đề tài là chế tạo thành cơng mơ hình tàu lặn vỏ
composite chạy thử nghiệm thành công, điều khiển bằng sóng siêu âm. Xây dựng và


6

giải các bài toán đáp ứng được các yêu cầu thực tế đặt ra. Tìm hiểu cơ bản phương
pháp thiết kế, nguyên lý hoạt động tàu lặn.
1.2.2. Nội dung nghiên cứu

- Thiết kế tuyến hình tàu lặn
- Tính tốn tính năng và thiết kế hệ động lực cho tàu.
- Chế tạo và thử nghiệm mơ hình tàu lặn.
1.2.3. Phương pháp nghiên cứu
1.2.3.1 Nghiên cứu lý thuyết
- Tìm hiểu các yêu cầu, quy định, quy phạm áp dụng cho tàu lặn
- Nghiên cứu các phương pháp tính tốn thiết kế tàu lặn. So sánh với các loại
tàu thông thường.
- Giải các bài toán thực tế yêu cầu đặt ra về độ bền, kết cấu, tính năng, điều
khiển …
- Nghiên cứu lựa chọn tổ hợp vật liệu composite trên cơ sở kinh nghiệm thực
tiễn và điều kiện thị trường Việt Nam hiện nay.
1.2.3.2 Nghiên cứu thực nghiệm
- Nhóm nghiên cứu tiến hành khảo sát thực tế cơ sở nghiên cứu, cụ thể là bộ
mơn Kỹ thuật thủy khí & đóng tàu – Đại học BKHN.
- Chế tạo vỏ mơ hình bằng vật liệu composite từ WR600, M450, cánh lái chế
tạo bằng vật liệu PVA
1.2.4. Giới hạn nội dung nghiên cứu
Thiết kế và chế tạo mơ hình tàu lặn cỡ nhỏ bằng vật liệu composite có chiều
dài 1,4m, khả năng lặn ở độ sâu 10 m nước và chuyển động với tốc độ lớn nhất là
10hl/h.


7

CHƯƠNG II

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Giới thiệu chung về tàu lặn
2.1.1 Khái niệm

Tàu lặn là tàu tự hành có các phương tiện để lặn xuống và nổi lên nhờ các
phương tiện điều khiển tính nổi của chính nó khơng cần việc cung cấp năng lượng
từ các tàu khác
2.1.2 Lịch sử phát triển tàu lặn
Trong phạm vi nghiên cứu về tàu lặn, riêng phần lịch sử phát triển này chúng
em chỉ đề cập lịch sử về nghiên cứu chế tạo tàu lặn của thế giới trong suốt bốn thế
kỉ từ 1624. Tìm hiểu lịch sử phát triển tàu ngầm sẽ giúp chúng ta hiểu về lịch sử hải
quân, xây dựng mô hình tàu, lịch sử của cơng nghệ, các vấn đề thiết kế tàu ngầm và
vũ khí dưới nước.

Hình1: Mơ tả nguyên tắc lặn nổi của William Burn
Mặc dầu vào năm 1578 một người Anh William Burn xuất bản một cuốn
sách, trong đó lần đầu tiên nêu ra những lý thuyết cơ bản về lặn “Бэрн сразу
изобрел все”. Trong cuốn sách ông có viết “Chúng ta có thể xây dựng một con tàu
có thể di chuyển dưới đáy biển và nó sẽ trở lại trạng thái nổi theo ý muốn”. Ông đã
khẳng định, bất kì vật nào có trọng lượng nước thì sẽ chìm và dễ dàng bật lên và nỗi


8

lên trên bề mặt nước theo tỉ lệ trọng lượng của nó. Để làm được điều này, họ cần một
lớp màn có khả năng chịu đàn hồi tốt và dùng vít để thay đổi trọng lượng nước.
Cơng việc thử nghiệm như sau: Ban đầu xây dựng mơ hình xà lan hay thuyền
nhỏ có trọng lượng tương đối lớn, có độ dày boong thích hợp và u cầu là khơng thẩm
thấu nước. Tiếp đến khoang nhiều lỗ nhỏ trên mạn tàu và đặt tấm lá chắn 2 bên mạn
tàu. Tiến hành đo độ sâu cần lặn để xác định độ cao của ống thông hơi, ống thông hơi
được gắn đủ cao để khơng cho nước vào và cung cấp khơng khí cho người bên trong
tàu.
Để cho tàu lặn xuống ta đẩy vít ra cho nước xuyên qua các lỗ rồi dần dần sẽ
tăng trọng lượng tàu và kết quả tàu sẽ lặn xuống. Ngược lại, họ vít để đẩy nước ra và

giúp tàu trở lại trạng thái nổi ban đầu.
Tuy vậy, mọi ý kiến và đề xuất của ông đưa ra đều bị xem là viễn tưởng.
Năm 1620, Van Drebbel đã xây dựng một mơ hình một chiếc thuyền nhỏ một
chỗ ngồi, có khả năng lặn và bơi dưới nước.
Năm 1624 chiếc tàu lặn đầu tiên không chỉ thực hiện được thao tác lặn nổi mà
còn chuyển động trong nước được thiết kế bởi các nhà khoa học Hà Lan, tiêu biểu là
Cornelius Van Drebbel, người đã sống ở Anh. Và điều đáng chú ý là ngay khi chế
tạo thành công thì được dùng ngay vào việc tiêu diệt hạm đội của đối phương, và nó
dẫn theo sự ra đời các tàu ngầm sau chủ yếu là phục vụ trong quân đội.
Năm 1632, một người Anh tên là Richard Norwood đã phát minh ra máy lặn,
“đã nhận được bằng sáng chế 56”. Ông cũng là một trong những người đầu tiên
được nhận bằng sáng chế khoa học thế giới. Máy để lặn là cơng cụ có thể ngâm
trong nước, có khả năng lặn nổi với nhiệm vụ là nâng hoặc gỡ bỏ các thiết bị trên
mặt biển hay dưới mặt nước biển. MEVA thiết bị kiểu chuông lặn, và không phải
một chiếc tàu ngầm, có khả năng di chuyển, nhưng sự ra đời của “Máy lặn “ hiếm
khi được đề cập trong lịch sử ngành cơng nghiệp đóng tàu.
Năm 1644, trong cuốn sách của mình, Mersenne đề nghị làm một chiếc tàu
ngầm bằng kim loại (đồng) và "xây dựng trên hình dạng của cá, cả hai mũi mài
nhọn để làm giảm sức cản"


9

Mersenne nghĩ rằng nó cần thiết làm một vài vị trí bên mạn hay đáy thuyền
làm bằng thủy tinh hoặc vật liệu trong suốt khác để quan sát xung quanh. Và kiểm
tra và quan sát các đối tượng nằm trên bề mặt nước ông đã đề nghị sử dụng obscura
máy ảnh, tức là hệ thống quang học với gương cầu - ngun mẫu của tầm nhìn hiện
đại bằng kính tiềm vọng. Chọn thuyền không gian bên trong Mersenne được đề
nghị sử dụng các chất Phos forestsiruyuschih cho phép lưu không khí cần thiết cho
các phi hành đồn. Cách vào và thóat khỏi kiơt phải được thực thơng qua germeti

(nắp bật) đóng mở khẩn cấp là thích hợp cho việc di tản khẩn cấp của phi hành đoàn
trong trường hợp nguy hiểm.
Xác định hướng chuyển động dưới nước có thể là la bàn (đối với kim từ tính
ở độ sâu hay dưới nước hay trên khơng khí lấy được vị trí tương tự như mặt nước).
Hãy cung cấp thêm khơng khí bên trong tàu ngầm thích hợp thơng qua các ống dài
với sự trợ giúp của máy bơm đặc biệt.
Mục đích chính của tàu ngầm lúc này là phục vụ cho chiến tranh dưới nước,
cho nên nhiệm vụ còn được đặt ra còn phải làm thế nào đành thủng tàu đáy tàu của
đối phương. Bắn (Pierce) dưới nước là một lợi thế súng ngắn barreled của tầm cỡ
lớn (như vậy để được gọi là "kolumbiad"), khả năng phá hủy lớn đến phương tiện
tàu đối phương. Ông đề nghị thiết kế một không gian đặt súng. Trước khi súng bắn,
kéo đàu đạn gần lơ đặt súng này sau đó nâng van và một viên đạn được đưa tới.
Một khi đã xác định đúng hướng, cùng với súng đã được đóng, van được tự động
đưa đạn vào nịng súng và đóng lỗ đặt súng.
Hầu hết các ý tưởng và đề xuất Mersenne khá hợp lý và áp dụng vào thực tế
của (ngoại trừ súng dưới nước). Trong những phát minh sau này phần lớn đều theo
các đề xuất của Mersenne.
Vào năm 1773, đánh dấu sự ra đời của chiếc chuông lặn đầu tiên được nhà
phát minh bởi người Mỹ David Bushnell (David Bushnetl; 1740 –1826). Bushnell
được sinh ra tại một trang trại gần thị trấn Seibu-hand (Saybrook), Connecticut.
Ơng đã có ba chị em gái và em trai. Nền kinh tế xa xút, gia đình sống trong cảnh


10

nghèo đói. David phải làm nghề cơ khí khi cịn nhỏ và vì hồn cảnh khó khăn khơng
cho phép anh ta được học hành.
Với quyết tâm theo học, ông đã bán hết đất đai để được ghi danh vào trường
Đại Học Yale College vào năm 1771, và sau 2 năm học tập nguyên cứu David
Bushnell đã cho ra đời chiếc chng lặn đầu tiên.

Chng lặn có kích thước (cao 2,28 m, tối đa đường kính 1,82 m). Chng
lặn được làm bằng gỗ sồi, các mảng gỗ được kết hợp với nhau thành khung bằng
bu lơng và các vịng trịn thép quấn xung quanh.

Hình 2: Chng lặn
1- Trường hợp

6 - Mũi khoan

11 - Van điều chỉnh tăng

2 - Nắp

7 - Bơm

chấn lưu

3 - Bánh lái

8 - Thùng để dằn nước

12 - Ống thơng gió

4 - Vít

9 - Kim loại chấn lưu

13 - Kính đồng hồ áp lực

5 - Mina

10-Thiết bị để dằn


11

Mặc dù "Chuông lặn " của David Bushnell là cơ cấu vẫn cịn rất thơ sơ mà
trong thực tế Bushnell nó đã hé mở một ý tưởng khoa học trong ngành cơng nghiệp
đóng tàu thế giới. Giáo dục đại học đã cho phép ông ta chế tạo những thành tựu
khoa học và công nghệ. Chuông lặn này là một trong số những thiết bị lặn mà sau
này có rất nhiều ứng dụng trong “tàu ngầm” thật.
Như vậy, với sự ra đời của "chng lặn" dưới nước ngành đóng tàu đã được
thực hiện một bước tiến đáng kể về công nghệ chế tạo tàu ngầm.


12

Submarine đầu tiên trong quân sự là The Nautilus (1800).

Hình 3: Dự thảo của các tàu ngầm "Nautilus", 1797.
14 – Bộ truyền tốc độ cho

1- Anchor

7 - Khoan

2 - Windlass

8 - Một cơ chế cho việc hạ chân vịt

3 - Body

thấp của cột buồm và gấp 15 - Volăng chỉ đạo

4 - Cơ chế cho các các buồm

hướng

mỏ dây thừng

16 - lever van dằn

9 - Mina

5 - Vách ngăn kín 10 – Sail
nước

17 - keel

11 – Khoang dằn

6 - Kính để quan 12 – Chân vịt
sát, với sự nở

13 – Bánh lái

Trong 1800, Pháp đã xây dựng “powered submarine” thiết kế bởi người Mỹ
Robert Fulton là các Nautilus. Người Pháp cuối cùng đã hình thành cơng việc thử
nghiệm trong năm 1804 và đây là một bất ngờ cho Hải quân Anh khi họ xem xét
bản thiết kế submarine của Fulton.

13

Các tàu ngầm "Nautilus" được sử dụng trong chiến tranh 1812 đến 1851, và
chấm dứt việc sử dụng vào năm 1887 và hiện được cất giữ tại một bảo tàng ở
Dresden.
Các tàu lặn ra đời sau ngày càng hoàn thiện dần khi gắn liền với sự phát triển
của khoa học công nghệ, đặc biệt là lĩnh vực công nghệ thông tin- liên lạc. Tuy
nhiên ngành công nghiệp tàu ngầm hiện đại và cũng là khoảng thời gian phát triển
vũ bão là trong khoảng 2 cuộc chiến tranh thế giới.
Submarines có một trong các khả năng, kích cỡ và phạm vi ứng dụng khác
nhau, từ nhỏ ví dụ một hoặc hai người điều hành tàu trong một vài giờ, hoặc có thể
dùng cho ca tiểu đội trong thời gian 6 tháng và Submarines có thể làm ở vị trí sâu
hơn.
Submarines là lần đầu tiên được sử dụng rộng rãi trong Chiến tranh Thế giới
thứ I. Quân đội sử dụng để tấn công tàu thuyền hoặc submarines, máy bay chiến
đấu.
Trước khi và trong thời gian Chiến tranh Thế giới thứ II, chính vai trò của
submarine tạo nên sức mạnh quân sự của các quốc gia. Submarines tấn công dù là
trên bề mặt hoặc dưới nước, bằng cách sử dụng torpedoes (ngư lôi) hoặc trên mặt
(deck) súng.. Nó đặc biệt hiệu quả trong việc đánh chìm các tàu vượt Đại Tây
Dương (sinking Allied transatlantic) vận chuyển trong cả 2 cuộc chiến tranh thế giới
và các hoạt động kinh doanh vũ các nước thù địch hay hoạt động như cung cấp cho
các tàu khác submarines.
Submarines thường có thể định vị các cuộc tấn cơng của submarines khác ở
trên không gian. Anh phát triển một chuyên môn anti-submarine submarine trong
Chiến tranh Thế giới thứ I. Sau khi Chiến tranh Thế giới thứ II, với sự phát triển của
các ngư lôi homing, sonar (thiết bị phát hiện tàu ngầm của Mỹ), và hạt nhân
submarines cũng đã trở nên có khả năng ngắm bắn nhau một cách hiệu quả.

14

Hình 4: Mơ hình tàu ngầm hạt nhân Gunther Prien 's U-47
Submarines nguyên thủy sớm có thể được phát hiện dưới âm thanh của nó
thực hiện.. Vì nước có khả năng truyền âm thanh rất tốt và submarines có thể phát
hiện và theo dõi các tiếng động từ khoảng cách tương đối lớn. Submarines hiện đại
được xây dựng với khả năng ẩn nấu cao. Nhờ nâng cao trình độ thiết kế chân vịt,
tiêu trừ âm thanh - giảm nhiệt

máy móc thiết bị và đặc biệt cho phép một

submarine có thể đứng yên lặng tại một vị trí xác định làm cho chúng đặc biệt khó
phát hiện. Với cơng nghệ chun ngành mới có khả năng tìm và tấn cơng
submarines hiện đại.
Mặc dù phần lớn trên thế giới submarines là những qn đội, có một số cơng
trình dân dụng submarines. Submarines có nhiều loại sử dụng, bao gồm du lịch,
thăm dị, dầu khí, kiểm tra đường ống và các cuộc điều tra, Submarines cho dân sử
dụng bao gồm hàng hải khoa học.Submarines cũng có thể được chun mơn vào
một chức năng như: tìm kiếm và cứu hộ, hoặc sửa chữa undersea cáp. Submarines
cũng đang được sử dụng trong du lịch và học tập cho các nghiên cứu. Submarine du
lịch đầu tiên đã được đưa ra năm 1985 đến 1997 đã có 45 chiếc tàu ngầm hoạt động
trên khắp thế giới.
2.1.3 Phân loại tàu lặn
Các phương tiện ngầm dùng cho mục đích thăm dò và quan sát đáy biển
được phân loại như sau:
-

Phân loại theo cơ chế tự hành AUV: autonomous underwater vehicles

-

Phương tiện ngầm tự hành

-

Phương tiện ngầm không tự hành, theo tàu mẹ


15

-

Phân loại theo cơ chế điều khiển

ROV: remotely operated vehicles - phương tiện được vận hành từ xa
URV: underwater robotic vehicles - phương tiện rô bốt ngầm
UUV: unmanned underwater vehicles - phương tiện ngầm khơng người lái
2.2

Quy định tính tốn tàu lặn theo quy phạm

Độ bằng phẳng nằm trong giới hạn sai số cho phép được đang kiểm chấp
nhận.
-

Độ bằng phẳng ở góc mối hàn trên hình trụ vỏ chịu áp lực giá trị lớn nhất

cũng chỉ bằng 1/10 chiều dày dọc mối hàn và 1/5 vòng tròn mối hàn hoặc nhỏ hơn

3mm lấy giá trị nào nhỏ hơn. Sự liên kết ở góc mối hàn trên hình cầu vỏ chịu áp lực
độ đắp cao nhiều nhất cũng chỉ bằng 1/10 chiều dày hoặc 3mm lấy giá trị nào nhỏ
hơn.
-

Độ biến dạng của sườn trên vỏ hình trụ chịu áp lực là không vượt quá 1/40

độ dày sườn đối với sườn phía ngồi và 1/20 dối với sườn phía trong hoặc 2mm lấy
giá trị nào nhỏ hơn.
-

Độ bằng phẳng ở gốc mối hàn trên bề mặt sườn giá trị lớn nhất không được

vượt quá 2mm cả về hướng chiều sâu và chiều rộng.
-

Kết quả đo đường kính vịng quanh chu vi phía trong thân chịu áp lực, giá trị

tuyệt đối độ lệch của e1, e2 và e3 liên hệ với độ lệch đường trịn thật là khơng được
vượt q trong khoảng cho phép.


½ chiều dài của thân chịu áp lực hoặc 10mm lấy giá trị nào nhỏ hơn
trong tất cả các giá trị.



Giá trị tuyệt đối e2 không được vượt q giá trị thiết kế sử dụng trong
tính tốn độ bền vỏ chịu áp lực.

Trong đó:
-

e1: Khoảng cách từ một điểm tại mặt trong của đường trịn trung bình trừ đi

bán kính của đường trịn trung bình (mm).
-

e2: Trị tuyệt đối cực đại của độ chênh giữa giá trị e1 tại một điểm nhất định

và tại một điểm nằm trên một cung tròn ở mặt trong của vỏ chịu áp lực có chiều dài


16

bằng ½ chiều dài cung vịm đối với vỏ áp lực hình trụ và bằng chiều rộng bản mép
đối với vỏ áp lực hình cầu (mm).
-

e3: Độ lệch của bán kính trung bình và bán kính đường trịn thiết kế.
Đường trịn trung bình là đường trịn có lý tưởng có diện tích trong bằng diện

tích trong của đường trịn của vỏ chịu áp lực và giá trị độ lệch trung bình giữa bán
kính đường trịn trung bình và bán kính của vỏ áp lực là nhỏ nhất.
Đường tròn thiết kế là đường trịn có đường kính bằng đường kính thiết kế.
½ chiều dài vịm là chiều dài một cung trịn được xác định theo công thức
sau:
4

Dl 2 t

Chiều rộng bản mép là chiều dài một cung tròn được xác đinhm theo cơng
thức sau:
3.l R1t
4

3(1  v 2 )

D: Đường trịn đường kính thiết kế (mm).
R1: Bán kính trong khu vực bản mép (mm).
t: Chiều dày tôn vỏ (mm).
l :Khoảng sườn
 : Tỉ số pốt xơng

2.3

Các phương pháp lặn, nổi
Phương pháp, nguyên lý, cơ sở lý thuyết lặn của tàu ngầm và các thiết bị

mơ hình lặn:
2.3.1 Cơ bản về cơng nghệ lặn:
Về cơ bản, có 2 cách để làm tàu lặn xuống: dynamic diving (lặn động lực) và
static diving (lặn tĩnh lực). Có nhiều mơ hình tàu ngầm sử dụng phương pháp động
lực (dynamic method) trong khi lặn tĩnh lực (static diving) được sử dụng bởi tất cả
các tàu ngầm quân sự. Những tàu lặn động lực là những tàu ngầm mà vốn đã có sẵn
tính nổi, chúng ln có khả năng tự nổi. Loại tàu này thiết kế lặn được nhờ kết hợp


17

tốc độ (chuyển động) của tàu cùng với các cánh lặn để đẩy tàu xuống dưới mặt
nước. Điều này giống hệt như khi máy bay cất cánh và bay. Những tàu ngầm static
diving lặn xuống được bởi sự tự thay đổi tính nổi của tàu nhờ bơm nước vào các két
dằn. Tính nổi theo đó thay đổi từ dương sang âm và tàu bắt đầu chìm xuống. Loại
tàu này khơng cần chuyển động để lặn, chính vì thế phương pháp này được gọi là
static diving.
Trong quân sự hiện đại tàu ngầm khi lặn sử dụng một phương pháp là sự kết
hợp của dynamic diving và static diving. Tàu chìm xuống nhờ sự bơm đầy các két
dằn chính. Sau đó, tính nổi được điều chỉnh thật chính xác bởi các két sắp xếp khoa
học. Khi đã ở dưới nước, độ sâu của tàu được điều khiển nhờ vào hệ thống cánh
thủy lực (hydroplanes).
Sau đây chúng ta sẽ đi sâu hơn vào chi tiết của các phương pháp lặn trên.
Đầu tiên sẽ là lặn tĩnh lực, vì đây là một phương pháp quan trọng hơn áp dụng bởi
phần lớn các mẫu tàu ngầm trên thực tế.
2.3.2 Static diving:
Tính nổi của một tàu ngầm có thể thay đổi bằng cách bơm nước vào các két
dằn (MBT-main ballast tanks). Vị trí đặt các két dằn chính có thể theo 3 cách khác
nhau: (a) bên trong lớp vỏ chịu áp, (b) bên ngoài lớp vỏ chịu áp như lắp thêm các
két, và (c) ở giữa vỏ ngồi và lớp vỏ chịu áp. Hình 1 biểu diễn 3 hình dạng có thể
có. Điều hạn chế của phương pháp két dằn bên trong vỏ chịu áp là điều hiển nhiên:
Nó chiếm nhiều khơng gian có thể để sử dụng lắp đặt các thiết bị khác, vũ khí hay
chỗ cho thủy thủ đoàn. Cách sắp xếp các két dằn kiểu này được sử dụng trong
những con tàu của chiến tranh thế giới thứ nhất (WW I – World war I) và khác so
với những tàu ngầm gần đây. Một đại diện tiêu biểu cho những con tàu sử dụng két
dằn chính bên ngồi vỏ chịu áp là German Type VIIC mà còn trong cả những thiết
kế tàu ngầm của Mỹ và Hà Lan được sử dụng trong thế chiến thứ II. Bởi vị trí đặt
két như vậy người ta gọi đó là két yên ngựa (saddle tanks). Hầu hết trong tàu ngầm
quân sự hiện đại đều lợi dụng khoảng trống giữa lớp vỏ chịu áp và vỏ ngoài tàu
như 1 két dằn chính.

18

Hình 1: Phân bố khác nhau vị trí két dằn chính
Có hai cách để có thể làm rỗng và thêm đầy két dằn chính. Đó là các phương
pháp sẽ được giới thiệu như là của các nước phương tây (Mỹ, Anh) và phương pháp
của Nga. Khi trên mặt nước, các két dằn tồn bộ được điền đầy khơng khí và các
van thơng khí được đóng lại. Trong các tàu ngầm Mỹ/Anh nước tràn vào những lỗ
cửa thơng đặt phía dưới các két dằn chính ln chừa lại để mở. Nước bị ngăn khơng
cho đi vào két dằn chính bởi vì khơng khí ở trong két dằn chính bị nén lại, vào
khoảng 10 PSI (tương đương 0,68 at). Trong tàu ngầm Nga, cửa ngập phía dưới bị
đóng lại bằng van, được gọi là Kingston. Bởi vì Kingston ngăn cản nước đi vào, cho
nên khơng khí trong két dằn chính có thể có áp suất xấp xỉ áp xuất khí quyển. Để
tàu lặn xuống, van ở cửa lỗ thơng ở phía trên két dằn phải được mở ra để đẩy khơng
khí thốt ra khỏi két dằn chính. Do trong tàu ngầm Mỹ/Anh khơng khí bị nén lại,
khơng khí gầm rít lên khi thốt ra khỏi cửa lỗ thơng, kết quả tạo thành cột nước lớn
phun lên. Xem hình 2.

Hình 2: Một loại tàu ngầm Ohio phun khí tạo cột nước ở trước két dằn.


19

Trong cơng nghệ của Nga, các Kingston ở phía trên của két dằn chính cũng
được mở để nước có thể tràn vào két dằn chính. Đó là u cầu bắt buộc vì khí đối
với tàu ngầm của Mỹ/Anh bị nén lại (nhiều khí hơn trong két dằn chính và ma sát
với lỗ van lớn hơn) két dằn chính trong tàu ngầm Nga ngập nước nhanh hơn.

Hình 3: Nước ngập vào các két dằn (bên trái đường tâm là của Anh/Mỹ, bên phải
đường tâm là của Nga).

Để ngoi lên mặt biển, nước trong két dằn chính bị đẩy ra bởi khí nén, các van
phía trên két dằn bị khóa lại. Khi tàu ở độ sâu dưới mực nước biển, để nước bị đẩy
ra phải sử dụng khí nén có áp suất lớn hơn áp suất của nước. Khi tàu dần ngoi lên
mặt biển, nước két dằn phun ra kéo theo không khí có áp suất thấp xuống. Sau khi
đã ngoi lên trên mặt biển, các Kingston trong tầu ngầm Nga đóng kín sau đó mở các
cửa van thơng gió chính ra trong thời gian ngắn để cân bằng áp suất không khí trong
két dằn chính bằng áp suất khí quyển. Trong tầu Ngầm Mỹ/Anh, cửa thơng gió
chính vẫn được giữ khép kín để khơng khí trong két dằn chính giữ áp suất dưới
thấp. Áp suất bên trong két vẫn cân bằng với hệ thống khơng khí áp suất thấp.


20

Hình 4: Sự bơm nước ra của két dằn chính.
Hình 5: thể hiện vị trí các két dằn chính trong tầu ngầm động cơ diezen hiện
đại.Các két dằn được sắp xếp phân bố ở 1 phần đoạn đầu và đuôi của con tàu, và
một két dằn nhỏ bao xung quanh lớp vỏ chịu áp ở đoạn giữa thân tàu. Còn lại phần
lớn khoang giữa lớp vỏ ngoài và lớp chịu áp trở thành các két chứa nhiên liệu. Điều
quan trọng chú ý rằng két dằn chính chỉ được dùng để thay đổi tính nổi của tàu một
cách rất chính xác (tàu trên mặt nước) cho đến gần chính xác (tàu vẫn chỉ là trên
mặt nước, cái được gọi là decks awash-sẵn sàng thả nổi). Bố trí tối ưu cho việc lặn
nổi của tàu ngầm là tính nổi trung tính: tàu khơng nổi hẳn mà cũng khơng chìm hẳn.
Trạng thái đó được tạo ra nhờ vị trí các két dằn điều chỉnh cân bằng (MTT - main
trim tanks) bố trí giữa tàu. Két dằn chính được điền đầy nước, trong khi đó các két
điều khiển cân bằng điền nước một cách từ thừ thận trọng cho đến khi đạt tính nổi
trung tính. Cho một tàu ngầm có một khối lượng xác định, tổng lượng nước cần cho
két dằn phụ thuộc vào hàm lượng muối và nhiệt độ nước xung quanh tàu. Duy trì
trạng thái nổi trung tính trong tàu ngầm là một q trình diễn ra liên tục. Ví dụ với
động cơ tiêu thụ nhiên liệu diezel và thủy thủ đoàn ăn đồ ăn làm cho tổng khối
lượng tàu giảm trong suốt chuyến đi. Điều đó có nghĩa rằng trong khi tiến hành

21

chuyến đi, tổng lượng nước trong két dằn điều khiển cân bằng cần phải tăng thêm
để giữ ổn định tính nổi trung tính.
Cũng như vậy tỷ trọng của vùng nước bao quanh cũng đóng một vai trị quan
trọng. Một ví dụ mà ai cũng biết đó là vùng hạ lưu của dịng sơng nơi nước ngọt và
nước muối hịa lẫn dẫn tới sự khác biệt về tỷ trọng hơn là ở ngoài biển cả. Nếu tàu
ngầm đi vào một vùng như vậy, thì độ chênh cần phải được điều chỉnh thích hợp.
Đối với tàu ngầm quân sự một điều hiển nhiên khi chiến đấu làm thay đổi tính nổi
của tàu khi ngư lơi được bắn ra. Nhằm mục đích đó, tàu ngầm quân sự có 1 két dằn
đặc biệt đặt ở gần buồng chứa ngư lôi để bù vào khối lượng ngư lơi mất đi sau khi
phóng ra. Thường thường mức nước trong két dằn điều khiển cân bằng điều chỉnh
được bởi bơm áp áp lực cao lớn hơn áp suất khơng khí bên trong bởi vì sau đó tạo
ra tiếng ồn rất lớn. Một vài két dằn điều chỉnh cân bằng tuy nhiên được để trống bởi
khí nén để có thể nhanh chóng thổi ra khi gặp trường hợp khẩn cấp, hỏng hóc. Tính
nổi trung tính được tạo nên bởi các két dằn điều khiển cân bằng, chiều sâu của tàu
có thể thay đổi nhờ chuyển động của tàu và nhờ góc nghiêng của các cánh lặn, cánh
lái. Đó chính là dynamic diving, xem ở dưới.

Hình 5: Các vị trí khác nhau của các két dằn trong tàu ngầm hiện đại sử dụng động
cơ diezel. Hình mơ phỏng theo tàu Gabler (năm 1987)
Ở trạng thái nổi trung tính, quan trọng là phải duy trì cho tàu nằm ngang. Để
thực hiện việc này, tàu ngầm được trang bị hai két dằn điều khiển đặt ở phần đầu và
đuôi tàu. Két dằn điều khiển cân bằng từ mũi đến lái (đuôi tàu đến đầu tàu) đều
được kết nối với nhau bởi một đường ống để nước có thể được bơm từ bên này sang