Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm tàu hoạt động theo nguyên lý khí động học

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên Ngô Văn Quốc, học viên lớp Cao học 2007, ngành Kỹ thuật Tàu
thủy, xin cam đoan:
Mọi tài liệu, số liệu dùng tính toán, dẫn chứng trong luận văn này là trung
thực, hợp lệ, chính xác và không vi phạm pháp luật.
Nội dung luận văn này do chính bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn
khoa học của Thầy PGS.TS. Trần Gia Thái.

Nha Trang, ngày tháng năm 2011
Người thực hiện


Ngô Văn Quốc
LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS. Trần Gia Thái, người
thầy đã hướng dẫn trực tiếp tôi. Với những lời khuyên quý báu về cách nhận định
vấn đề, cùng với kiến thức sâu rộng của Thầy và sự tận tâm chỉ bảo đã giúp tôi vượt
qua khó khăn để hoàn thành luận văn này.
Tôi xin cảm ơn Ban Giám đốc Công ty TNHH Nhà nước MTV Yến sào Khánh
Hòa đã tạo mọi điều kiện thuận lợi về vật chất và tinh thần trong suốt thời gian học
tập tại Trường Đại học Nha Trang; Gia đình và người thân đã quan tâm, chăm sóc,
động viên tôi hoàn thành luận văn này.
Tôi xin cảm ơn các bạn đồng nghiệp, những người bạn của tôi ở bộ môn Đóng
tàu, bộ môn Cơ học - Khoa Kỹ thuật Tàu thủy đã rất nhiệt tình giúp đỡ, để hoàn thành
luận văn của mình.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình tôi và bạn bè, những người luôn quan tâm
và động viên tinh thần cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.

Nha Trang, ngày tháng năm 2011

Người thực hiện


Ngô Văn Quốc
BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT

STT Ký hiệu Đơn vị

Tiếng việt
1 A m chu vi lớp đệm khí
2 B
c
m chiều rộng tàu đệm khí
3 L
c
m chiều dài tàu đệm khí
4 C
B
hệ số đầy thể tích chiếm nước
5 C
W
hệ số đầy diện tích mặt đường nước
6 C
M
hệ số đầy diện tích mặt cắt ngang giữa tàu
7 d m chiều chìm trung bình
8 dt m độ chúi
9 dt
m
m gia số chiều chìm mũi

10 dt
l
m gia số chiều chìm đuôi
11 d
m
m chiều chìm mũi
12 d
l
m chiều chìm đuôi
13 D
c
hệ số co ép miệng vòi
14 H
sk
m chiều cao váy đệm khí
15 h
eg
m khoảng cách khe hở đệm khí
16 H m chiều cao mạn
17 h
θ
m chiều cao tâm ổn định ngang của tàu
18 L
cp
m cánh tay đòn ổn định cho phép
19 L
st
m cánh tay đòn ổn định tĩnh
20 L
d

m cánh tay đòn ổn định động
21 P
c
Kg/m
2
áp suất đệm khí
22 r m bán kính tâm nghiêng ngang
23 R m bán kính tâm nghiêng dọc
24 R
a
N lực cản khí động
25 R
m
N lực cản động lượng
26 R
w
N lực cản tạo sóng
27 R
sk
N lực cản do tiếp xúc
28 R
1
m bán kính vòng ngoài của váy khí
29 R
2
m bán kính vòng trong của váy khí
30
Q

hệ số lưu lượng

31 Q m
3
/s lưu lượng thể tích của khối khí
32 S
c
m
2
diện tích đệm khí
33
R
S

m khoảng cách dịch chuyển ngang trọng tâm
34 V m/s vận tốc tàu
35 V
c
m/s vận tốc khí thoát ra đệm khí
36 W kg khối lượng tàu
37 x
c
m hoành độ tâm nổi
38 x
f
m hoành độ trọng tâm diện tích mặt đường nước
39 z
c
m cao độ tâm nổi
40 x
g
m hoành độ trọng tâm

41 z
g
m chiêu cao trọng tâm tàu
42 z
m
m cao độ tâm ổn định
43 Z
T
m tay đòn hứng gió
43

Độ góc nghiêng
44 M
ph
Nm mômen phục hồi
45

Tấn lượng chiếm nước tàu
46

m
3
thể tích chiếm nước

MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU 1
Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 2
1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 2
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI TÀU ĐỆM KHÍ 4

1.2.1. Lịch sử nghiên cứu tàu đệm khí trên thế giới 4
1.2.2. Tình hình nghiên cứu tàu đệm khí ở Việt Nam 10
1.3. PHƯƠNG PHÁP, NỘI DUNG VÀ GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU 11
1.3.1. Phương pháp nghiên cứu 11
1.3.2. Nội dung nghiên cứu 11
1.3.3. Giới hạn phạm vi nghiên cứu 12
Chương 2: MỘT SỐ VẤN ĐỀ LÝ THUYẾT TÀU ĐỆM KHÍ 13
2.1. LÝ THUYẾT ĐỆM KHÍ 13
2.1.1. Đặc điểm của tàu đệm khí ở trạng thái tĩnh trên mặt nước 13
2.2.2. Đường đặc tính đệm khí 16
2.2. ỔN ĐỊNH CỦA TÀU ĐỆM KHÍ 17
2.2.1. Giới thiệu chung 17
2.2.2. Các trường hợp kiểm tra ổn định 18
2.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến mức độ ổn định ngang của tàu đệm khí 21
2.2.4. Vấn đề chúi mũi và lật nhào của tàu đệm khí 24
2.3. BỐ TRÍ ĐỘNG CƠ TÀU ĐỆM KHÍ 32
2.4. HỆ THỐNG VÁY TÀU ĐỆM KHÍ 34
Chương 3: THIẾT KẾ SƠ BỘ TÀU ĐỆM KHÍ 36
3.1. NHIỆM VỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ 36
3.1.1. Xây dựng nhiệm vụ thư 36
3.1.2. Lựa chọn phương pháp thiết kế 36
3.1.3. Nội dung thiết kế 36
3.2. XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC ĐIỂM HÌNH HỌC CỦA TÀU ĐỆM KHÍ 37
3.2.1. Xác định lượng chiếm nước của tàu đệm khí  38
3.2.2. Xác định các thông số hình học của đệm khí 41
3.2.3. Xác định các kích thước chính của tàu 45
3.3. THIẾT KẾ PHÁC THẢO BỐ TRÍ CHUNG TÀU ĐỆM KHÍ 47
3.3.1. Bố trí động cơ trên tàu đệm khí 47
3.3.2. Bố trí sơ bộ chỗ ngồi trên tàu 48
3.4. THIẾT KẾ ĐƯỜNG HÌNH TÀU ĐỆM KHÍ 50

3.5. THIẾT KẾ KẾT CẤU 52
3.5.1. Lựa chọn vật liệu chế tạo 52
3.5.2. Lựa chọn Quy phạm áp dụng 52
3.5.3. Lựa chọn khoảng cách sườn và hệ thống kết cấu 52
3.5.4. Tính chọn các kết cấu 52
3.6. THIẾT KẾ HỆ THỐNG TÀU 61
3.6.1. Tính toán hệ thống nâng 61
3.6.2. Tính toán hệ thống đẩy 62
3.7. TÍNH KIỂM TRA ỔN ĐỊNH CỦA TÀU ĐỆM KHÍ 66
3.7.1. Trường hợp mở váy (Skirt on) 66
3.7.2. Trường hợp tắt váy (Skirt off) 70
Chương 4: CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH 80
4.1. XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC MÔ HÌNH TÀU 80
4.2. XÂY DỰNG BẢN VẼ ĐƯỜNG HÌNH MÔ HÌNH TÀU 81
4.3. TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ 83
4.3.1. Tính chọn động cơ nâng 83
4.3.2. Tính chọn động cơ đẩy 84
4.4. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÁY KHÍ 87
4.4.1. Giới thiệu chung 87
4.4.2. Các thông số chính của váy 88
4.4.3. Vẽ biên dạng của váy 89
4.4.4. Tính toán kích thước váy 90
4.4.5. Phóng dạng váy khí 92
4.5. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 95
4.5.1. Giới thiệu chung 95
4.5.2. Lựa chọn động cơ Servo 98
4.5.3. Sơ đồ nguyên lý hoạt động 98
4.6. CHẾ TẠO VÀ LẮP RÁP TÀU MÔ HÌNH 101
4.6.1. Lựa chọn vật liệu chế tạo 101
4.6.2. Quy trình chế tạo và lắp ráp 101

4.6.3. Chuẩn bị sản xuất 102
4.6.4. Thi công chế tạo phần vỏ tàu mô hình 102
4.6.5. Chế tạo váy 105
4.6.6. Lắp đặt các động cơ và trang thiết bị 107
4.7. THỬ NGHIỆM 108
4.7.1. Mục đích và các nội dung chế tạo thử nghiệm 108
4.7.2. Thử nghiệm tĩnh 109
4.7.3. Thử nghiệm động 111
4.7.4. THẢO LUẬN KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 114
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 115
5.1. KẾT LUẬN 115
5.1.1. Phần cơ sở lý thuyết tính toán 115
5.1.2. Chế tạo mô hình thử nghiệm 115
5.2. ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 116
TÀI LIỆU THAM KHẢO 117



DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang
Bảng 2.1 : Các nguyên nhân gây ra hiện tượng lật tàu 31
Bảng 2.2 : Vùng tốc độ mà có thể xảy ra hiện tượng chúi mũi hoặc lật tàu 31
Bảng 3.1 : Thông số của một số mẫu tàu đệm khí 39
Bảng 3.2 : Thông số hình học của một số mẫu tàu đệm khí 43
Bảng 3.3 : Ảnh hưởng của kích thước chính đến các yếu tố kinh tế - kỹ thuật của tàu 47
Bảng 3.4 : Đặc tính của vật liệu Composite 52
Bảng 3.5 : Trị số C 53
Bảng 3.6 : Tính mômen quán tính mặt cắt ngang sườn mạn 55
Bảng 3.7 : Tính mômen quán tính mặt cắt xà ngang boong 57

Bảng 3.8 : Trị số tối thiểu của gia tốc thẳng đứng ở mút trước 58
Bảng 3.9 : Tính mômen quán tính mặt cắt ngang đà dọc đáy 59
Bảng 3.10 : Tính kiểm tra khối lượng kết cấu tàu 60
Bảng 3.11 : Bảng tính các yếu tố thủy tĩnh 71
Bảng 3.12 : Bảng tính khối lượng và trọng tâm tàu 71
Bảng 3.13 : Bảng tính khối lượng và trọng tâm tàu 72
Bảng 3.14 : Bảng tính khối lượng và trọng tâm tàu 72
Bảng 3.15 : Bảng tính khối lượng và trọng tâm tàu 73
Bảng 3.16 : Tính cân bằng và ổn định ban đầu: 73
Bảng 3.17 : Bảng tính diện tích và tọa độ tâm chịu gió 74
Bảng 3.18 : Bảng tính cánh tay đòn ổn định tĩnh và động 75
Bảng 3.18 : Bảng tính hệ số an toàn 78
Bảng 3.19 : Bảng tính ổn định bổ sung 79
DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1 : Ý tưởng tàu đệm khí của Emmanuel Swedenbog 4
Hình 1.2 : Thí nghiệm coffee can và mô hình gỗ balsa” của Christopher Cockerell .5
Hình 1.3 : Tàu SR.N1 trong lần chạy thử năm 1959 6
Hình 1.4 : Bản vẽ bố trí chung của SR.N1 7
Hình 1.5 : Tàu SR.N3 trong lần chạy thử năm 1963 7
Hình 1.6 : Bản vẽ bố trí chung tàu SR.N3 8
Hình 1.7 : Mẫu Mark III SR.N4 trong lần chạy năm 2000 9
Hình 1.8 : Tàu vui chơi trên cạn 10

Hình 1.9 : Tàu vui chơi dưới nước 10
Hình 1.10 : Tàu đệm khí phục vụ quân sự 10
Hình 1.11 : Tàu đệm khí chở khách 10
Hình 2.1 : Tàu đệm khí lơ lửng ở trạng thái tĩnh trên mặt nước 13
Hình 2.2 : Sự phân bố lỗ thoát khí 15
Hình 2.3 : Các trạng thái khác nhau của tàu đệm khí 16

Hình 2.4 : Đường đặc tính của đệm khí 17
Hình 2.5 : Tàu đệm khí bị nghiêng trên mặt nước khi chạy trên đệm khí. 19
Hình 2.6 : Ổn định ngang của tàu đệm khí trên các bề mặt khác nhau 21
Hình 2.7 : Ảnh hưởng của khe hở váy lên ổn định ngang 22
Hình 2.8 : Ảnh hưởng trọng tâm tàu lên ổn định ngang 23
Hình 2.9 : Ảnh hưởng của lưu lượng khí đến ổn định ngang 23
Hình 2.10 : Hình dạng mặt nước dưới váy của mô hình đệm khí ở số Froude khác
nhau. (a) Fr = 0,40; (b) Fr = 0,44; (c) Fr = 0,50; (d)Fr = 0,70 24
Hình 2.11 : Ổn định ngang của tàu đệm khí phụ thuộc giá trị số Froude 25
Hình 2.12 : Kết quả thực nghiệm về góc nghiêng của tàu theo tốc độ. 25
Hình 2.13 : Giới hạn lật của tàu SR.N6 26
Hình 2.14 : Tàu SR.N6 bị lật do sóng ngang quá lớn 27
Hình 2.15 : Diễn biến của quá trình lật nhào 28
Hình 2.16 : Dòng khí bên trong và bên ngoài của mô hình tàu đệm khí khi
chuyển động với tốc độ cao 30
Hình 2.17 : Vấn đề lật nhào trên quan hệ: lớp biên, số Froude, tỉ số lực đẩy/lực nâng 30
Hình 2.18 : Hệ thống plenum chamber. 33
Hình 2.19 : Hệ thống Annular jet 33
Hình 2.20 : Hệ thống Flexible trunks 33
Hình 2.21 : Tàu bố trí một động cơ 34
Hình 2.22 : Tàu bố trí hai động cơ 34
Hình 2.23 : Bag skirt 35

Hình 2.24 : Bag - finger skirt 35
Hình 2.25 : Finger skirt 35
Hình 3.1 : Quá trình thiết kế sơ bộ 37
Hình 3.2 : Các thông số hình học của tàu đệm khí 42
Hình 3.3 : Phương án bố trí động cơ 47
Hình 3.4 : Kích thước trung bình của một người bình thường 48
Hình 3.5 : Không gian ngồi thoải mái cho hai người ngồi dọc và ngang 48

Hình 3.6 : Bố trí chung toàn tàu 49
Hình 3.7 : Bản vẽ đường hình tàu thiết kế 51
Hình 3.8 : Quy cách sườn 54
Hình 3.9 : Bản vẽ kết cấu của tàu đệm khí 60
Hình 3.10 : Động cơ nâng, và cánh quạt nâng 62
Hình 3.11 : Hệ số sức cản sóng 64
Hình 3.12 : Động cơ đẩy tàu thiết kế 65
Hình 3.13 : Sự phụ thuộc của khe hở váy tàu h
eg
vào lưu lượng quạt nâng 68
Hình 3.14 : Sự thay đổi của chiều cao khe hở khi thay đổi khối lượng tàu 69
Hình 3.15 : Đồ thị ổn định ở các trạng thái tải trọng 77
Hình 4.1 : Bản vẽ và tọa độ đường hình tàu mô hình 82
Hình 4.2 : Động cơ nâng và cánh quạt nâng 84
Hình 4.3 : Hình động cơ đẩy 87
Hình 4.4 : Hình dạng váy 87
Hình 4.5 : Mặt cắt ngang váy khí 88
Hình 4.6 : Đoạn ống cong mũi tàu 89
Hình 4.7 : Vẽ biên dạng váy 90
Hình 4.8 : Khai triển một đoạn cong váy khí 92
Hình 4.9 : Khai triển đoạn thân ống của váy khí 93
Hình 4.10 : Váy sau khi lắp ghép hoàn thành 94
Hình 4.11 : Liên kết giữa động cơ servo của động cơ và động cơ đốt trong 96
Hình 4.12 : Kết cấu bên trong của động cơ servo 96
Hình 4.13 : Nguyên lý làm việc của Vôn kế 97
Hình 4.14 : Sơ đồ nguyên lý hoạt động 99
Hình 4.15 : Hình ảnh bên ngoài bộ thu
Hình 4.16 : Kết nối từ bộ thu đến các servo điều khiển 100
Hình 4.17 : Hình ảnh bên ngoài của bộ phát 100
Hình 4.18 : Sơ đồ quy trình công nghệ đóng mô hình tàu đệm khí bằng Composite 101

Hình 4.19 : Hình ảnh khuôn sau khi xử lý chống dính bề mặt 103
Hình 4.20 : Hình nửa khuôn trên sau khi hoàn thành công đoạn trát lớp. 104
Hình 4.21 : Hình ảnh sản phẩm sau khi tách khuôn 105
Hình 4.22 : Chia nhỏ váy để khai triển 106
Hình 4.23 : Chế tạo dưỡng váy 106
Hình 4.24 : Váy tàu đệm khí mô hình 107
Hình 4.25 : Lắp đặt và bố trí động cơ 107
Hình 4.26 : Hình ảnh mô hình tàu đệm khí sau khi hoàn thiện 108
Hình 4.27 : Đang thử lực nâng tàu 110
Hình 4.28 : Thử nghiệm lực nâng khi tàu nằm trên nước 111
Hình 4.29 : Tàu đang chạy trên mặt đường 112
Hình 4.30 : Tàu đang quay trở 112
Hình 4.31 : Tàu đang chạy trên mặt đường 113
Hình 4.32 : Tàu đang chạy trên mặt nước 113
1
LỜI NÓI ĐẦU
Việt nam là một trong những quốc gia có bờ biển chạy dọc chiều dài đất nước
nên ngoài việc phát triển đội tàu du lịch và đánh bắt hải sản thông thường như hiện tại,
hiện đang có nhu cầu rất lớn trong việc chế tạo những loại tàu chuyên dụng đặc biệt có
khả năng chạy êm với tốc độ cao và trong các điều kiện địa hình phức tạp nhằm mục
đích phục vụ cho các hoạt động như du lịch cao cấp, cứu hộ, cứu nạn v v… trong số
các loại tàu hiện nay thì tàu đệm khí, loại tàu hoạt động dựa trên nguyên lý khí động
học, hoàn toàn thích hợp và đáp ứng các yêu cầu đặt ra trên đây nhờ chạy trên đệm
không khí nên giảm được sức cản, dẫn đến khả năng chạy êm ở tốc độ cao trên nhiều
địa hình phức tạp khác nhau, kể cả mặt nước, đầm lầy, băng v v… vì thế trong thời
gian gần đây đã có một số cá nhân và cơ quan du lịch đặt vấn đề nghiên cứu thiết kế,
chế tạo hoặc mua và nhập khẩu các mẫu tàu đệm khí về Việt nam.
Tuy nhiên do nguyên lý hoạt động phức tạp của loại tàu này nên đến hiện nay,
vấn đề nghiên cứu chế tạo các tàu đệm khí ở Việt Nam thực tế chỉ mới đang bắt đầu,
với một vài đề tài đang triển khai nhưng hầu như chưa mang lại kết quả khả quan.

Nhận thấy tính thực tiễn của tàu đệm khí đối với thị trường Việt Nam khá rộng mở,
kết hợp với thực tế bản thân chúng tôi là những cán bộ kỹ thuật đang công tác tại
Công ty Yến sào Khánh Hòa, đơn vị chịu trách nhiệm quản lý khai thác các đảo yến
và hoạt động du lịch cao cấp nên rất quan tâm về vấn đề đi lại vận chuyển nguyên
liệu và tuần tra trên các đảo yến cũng như phục vụ tham quan du lịch của du khách.
Đây là vấn đề mà ban Giám đốc Công ty đã và đang rất quan tâm nên khuyến khích
và tài trợ cho chúng tôi thiết kế một mẫu tàu đệm khí có thể chở được (2 ÷ 3) người,
làm nhiệm vụ phục vụ du lịch, vận chuyển và cứu hộ người tai nạn trên các đảo yến.
Nhân dịp này, nhóm thực hiện đề tài xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến
PGS TS Trần Gia Thái, Trưởng Khoa Kỹ thuật tàu thuỷ Trường Đại học Nha Trang đã
tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và chỉnh sửa các sai sót trong quá trình thực hiện đề tài.
Xin cảm ơn các Thầy, cô trong Khoa Kỹ thuật tàu thủy và Trường Đại học Nha Trang
và các bạn đồng nghiệp đóng góp ý kiến và giúp đỡ trong quá trình thực hiện đề tài.
Người thực hiện
Ngô Văn Quốc
2
Chương 1
ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Tàu đệm khí thuộc nhóm những tàu làm việc dựa theo nguyên tắc khí động học,
bố trí một hay nhiều động cơ, gồm động cơ làm nhiệm vụ thổi khí và động cơ đẩy.
Động cơ thổi khí có nhiệm vụ tạo ra lớp đệm không khí có áp suất cao và được giữ lại
giữa đáy tàu và bề mặt chuyển động nhờ kết cấu bao xung quanh gọi tên là “váy khí”
để nâng tàu lên khỏi bề mặt tiếp xúc nhằm làm giảm sức cản khi tàu chuyển động.
Động cơ đẩy với các bộ phận điều chỉnh có nhiệm vụ đẩy tàu chạy trên lớp đệm khí.
Khi đó tàu chuyển động được nhờ lực nâng do gối khí tạo ra và lực của động cơ đẩy.
Một số tàu sử dụng hệ thống ống dẫn để có thể sử dụng một động cơ thực hiện cùng
lúc hai nhiệm vụ nâng và đẩy tàu bằng cách bơm trực tiếp một phần không khí vào váy
khí, phần không khí còn lại sẽ được đẩy ngược ra phía sau để tạo lực đẩy tàu về phía
trước. Nhờ chạy trên lớp đệm khí nên ưu điểm đặc biệt của loại tàu này so với các tàu

khác là tàu có thể chạy êm ở tốc độ cao, có thể lên đến 100 km/h nhờ sức cản đã giảm
đáng kể và ngoài việc chạy trên mặt nước, tàu có thể hoạt động trên nhiều địa hình
khác nhau. Vì thế tàu đệm khí đã được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác
nhau và dùng chạy trên các địa hình phức tạp như vùng nước cạn, vùng băng, rừng
rậm v v… riêng ở nước ta hiện nay, nhu cầu thiết kế và chế tạo loại tàu đệm khí để
phục vụ cho các lĩnh vực du lịch, cứu hộ, quân sự v v… ngày càng tăng cao và trở nên
cần thiết. Tuy nhiên do tính chất phức tạp về kết cấu và nguyên lý hoạt động của loại
tàu này nên phương pháp thiết kế và các mẫu tàu này hầu như chưa được phổ biến
rộng rãi, thường thuộc bản quyền của một số ít công ty ở các nước có ngành đóng tàu
phát triển.
Việt Nam là một trong những quốc gia có bờ biển trải dài dọc theo đất nước và
mạng lưới sông ngòi, ao hồ dày đặc rất thuận lợi cho việc phát triển du lịch sông nước.
Trong khi đó, các phương tiện phục vụ giao thông đường thủy hiện vẫn chưa đáp ứng
được hết nhu cầu đi lại của người dân, đồng thời sự lỗi thời của các loại phương tiện
hiện có đã làm mất quá nhiều thời gian đi lại, cũng như thời gian vận chuyển hàng hóa.
Hơn nữa, Việt Nam là quốc gia đang chịu sự ảnh hưởng của quá trình biến đổi khí hậu
3
nên bão tố, lũ lụt hàng năm xảy ra thường xuyên, nhất là trong những năm gần đây.
Trong khí đó, do không có các loại tàu chuyên dụng có khả năng chạy nhiều địa hình
như tàu đệm khí nên việc cứu hộ trên nước thường gặp rất nhiều khó khăn, dẫn đến
quá trình cứu hộ tiến hành chậm trễ, gây những hậu quả đáng tiếc về người và của.
Những thực trạng trên đây cho thấy việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo các loại tàu
chuyên dụng như mẫu tàu đệm khí phục vụ giao thông đường thủy là hết sức cần thiết
vì so với các loại tàu thông thường, tàu đệm khí có nhiều ưu điểm cụ thể như sau:
- Tàu có khả năng chạy tốc độ cao và êm nhờ giảm bớt được lực cản của nước
nên rất thuận lợi trong việc phát triển du lịch đường biển.
- Tính cơ động cao, có thể di chuyển trên nhiều địa hình phức tạp khác nhau
như mặt đất, mặt băng hoặc trên đầm lầy nên rất thuận lợi cho việc cứu hộ,
tuần tra, du lịch khám phá v v…
- Chi phí vận hành và bảo trì ít.

- Khả năng vận chuyển của tàu đệm khí thuộc mức trung bình (6kg/kW)
Với những ưu điểm kể trên, kết hợp với những điều kiện về tự nhiên ở Việt Nam
nên nhu cầu sử dụng tàu đệm khí trong nhiều lĩnh vực như cứu hộ, du lịch khám phá,
nuôi trồng thủy sản, vận chuyển hàng hóa, tuần tra v v… ở nước ta ngày càng lớn.
Chính vì lý do đó nên trong thời gian gần đây đã có nhiều cá nhân, công ty quan tâm
tìm hiểu và có kế hoạch nhập khẩu loại tàu này về Việt Nam nhưng vì nhiều lý do,
nhất là khả năng hoạt động phù hợp với điều kiện khai thác thực tế ở nước ta hiện nay
nên hầu như vẫn chưa có mẫu tàu đệm khí thương mại nào xuất hiện tại Việt Nam.
Vì thế, với mục tiêu nghiên cứu về phương pháp thiết kế và chế tạo thử nghiệm
loại tàu đệm khí để có thể ứng dụng vào Việt Nam, chúng tôi đã đặt vấn đề và được
Khoa Kỹ thuật tàu thủy giao thực hiện luận văn Cao học về vấn đề này với tên gọi
“Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm tàu hoạt động theo nguyên lý khí động học”
nhằm góp phần vào việc phát triển ứng dụng loại tàu này vào thực tế nước ta hiện nay.
Việc chế tạo tàu đệm khí ở Việt Nam hy vọng sẽ làm phong phú thêm các phương tiện
phục vụ giao thông đường thủy và khẳng định vai trò của ngành đóng tàu Việt Nam.
4
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI TÀU ĐỆM KHÍ
1.2.1. Lịch sử nghiên cứu tàu đệm khí trên thế giới
Ngay từ đầu thế kỷ 18, con người đã có ý tưởng tạo ra một lớp đệm không khí
nằm giữa bề mặt đáy tàu và mặt nước để làm giảm bớt sức cản khi tàu chuyển động.
Năm 1716, Emmanuel Swedenbog, một nhà thiết kế và triết gia người Thụy Điển đã
chế tạo thử nghiệm một số mô hình tàu đệm khí chạy bằng sức người có hình dáng
tương tự như một chiếc xuồng nhỏ úp ngược, với buồng lái đặt chính giữa (hình 1.1).
Các thiết bị nằm hai bên thân mô hình cho phép người lái nâng lên và hạ xuống, một
cặp thiết bị giống như mái chèo và hành trình chuyển động theo hướng đi xuống này
sẽ ép không khí nén xuống bên dưới thân tàu, do đó có thể nâng tàu lên khỏi mặt nước.
Dự án này không tồn tại lâu và chưa bao giờ thực hiện được vì ông sớm nhận ra rằng
để vận hành cỗ máy như vậy phải có nguồn năng lượng lớn mà sức người là không thể.

Hình 1.1 : Ý tưởng tàu đệm khí của Emmanuel Swedenbog
Năm 1870, nhà khoa học người Mỹ là John Thorneycroft tiếp tục ý tưởng chế tạo
tàu đệm khí nhưng thất bại vì không thể lựa chọn được động cơ có công suất thích hợp
Chỉ đến đầu thế kỷ 20, việc thiết kế và chế tạo các tàu đệm khí mới trở thành hiện thực
5
vì lúc này mới xuất hiện động cơ đốt trong có công suất lớn để tạo ra đủ lực nâng tàu.
Mãi cho đến năm 1953, một nhà phát minh vĩ đại người Anh là Christopher Cockerell
thực hiện thành công thí nghiệm lý thuyết của mình, còn gọi là thí nghiệm coffee can,
bằng cách đặt hộp thức ăn trong hộp cà phê, một quạt gió công nghiệp và một cái cân.
Để thử nghiệm giả thuyết của mình, ông đặt một cái lon nhỏ trong lon khác lớn hơn,
sau đó dùng máy quạt gió công nghiệp để thổi không khí vào bên trong lon (hình 1.2).
Qua đó, ông chứng minh việc di chuyển trên nước bằng cách tạo lớp đệm không khí
dưới đáy tàu là điều có thể và khi đó lực ma sát giữa phương tiện và mặt nước giảm đi.
Đến khoảng năm 1955, ông đã chế tạo được một mô hình tàu đệm khí bằng gỗ balsa
có thể hoạt động được và ông đã nhận bằng sáng chế đầu tiên của mình.


Hình 1.2 : Thí nghiệm coffee can và mô hình gỗ balsa” của Christopher Cockerell
Sau đó, do nhận thấy ý tưởng của mình không được quan tâm trong tư nhân nên
ông tiếp cận với Chính phủ Anh nhằm tranh thủ sự hổ trợ trực tiếp từ Chính phủ Anh.
Ông đã được giới thiệu đến Tổng công ty phát triển nghiên cứu quốc gia Anh (NRDC)
và vào ngày 25/7/1959, mẫu tàu đệm khí đầu tiên do ông chế tạo mang tên SR.N1 đã
mang 4 người lớn, chạy với tốc độ 28 dặm/giờ và vượt qua eo biển Anh trong 2 giờ,
tạo ra một bước ngoặt quan trọng trong lịch sử phát triển tàu đệm khí trên thế giới.
Nhờ thành công này, Christopher Cockerell đã được trao huy chương Howard N. Potts
của Anh vào năm 1965.
Đầu tiên, chiếc SR.N1 được chế tạo với kết cấu váy cứng và ống phụt khí được
bố trí nằm phía bên trong tàu để duy trì lớp đệm khí giữa bề mặt đáy tàu và mặt nước.
Với kiểu váy này, tàu chỉ hoạt động với khe hở khí nhỏ nên chỉ có thể chạy trong vùng

6
sóng tĩnh hoặc vượt chướng ngại nhỏ trên địa hình bằng phẳng khi chạy trên đất liền.
Sau đó, SR.N1 được cải tiến đáng kể khi thay động cơ piston bằng động cơ turbine khí
Rolls Royce Viper, kết cấu váy cứng thay bằng váy mềm, tạo lớp đệm khí dày 4 foot.
Vận tốc tàu cũng tăng lên đáng kể, từ 30 knot lên 50 knot và khe hở khí tăng 10 lần.
Điều này cho phép tàu hoạt động trên biển ở vùng có sóng cao đến 7 feet như hình 1.3.




Hình 1.3 : Tàu SR.N1 trong lần chạy thử năm 1959
7


Hình 1.4 : Bản vẽ bố trí chung của SR.N1
Sau thành công của mẫu tàu SR.N1, tàu đệm khí bắt đầu được thương mại hóa.
Năm 1963, các mẫu tàu SR.N2, SR.N3 được thiết kế để chở khách với trọng tải 27 tấn,
có thể chở được 70 hành khách với vận tốc lên đến 60 knot như hình 1.5.











Hình 1.5 : Tàu SR.N3 trong lần chạy thử năm 1963

8


Hình 1.6 : Bản vẽ bố trí chung tàu SR.N3
9
Sau đó là một loạt tàu nằm trong series tàu của Saunders Roe đã đánh dấu bước
phát triển mạnh về kích thước, khối lượng, tốc độ và khả năng chở của tàu đệm khí.
Mẫu tàu đệm khí lớn nhất là Mark III SR.N4 với trọng tải 320 tấn, chiều dài 56,38m,
chiều rộng 23,16 m có khả năng chở được 418 khách và 60 xe ôtô như hình 1.7.














Hình 1.7 : Mẫu Mark III SR.N4 trong lần chạy năm 2000

Mặc dù đã phát triển khá mạnh nhưng vẫn còn nhiều vấn đề quan tâm nghiên cứu đối
với tàu đệm khí và hướng phát triển cho tàu đệm khí trong tương lai như sau:
- Tăng cường tính an toàn, tính điều khiển.
- Tìm kiếm nguồn nhiên liệu mới.
- Giảm trọng lượng bằng cách thay thế vật liệu mới nhẹ, có tính bền cao hơn.

- Tăng cường kết cấu váy.
- Tăng lực nâng, giảm lực đẩy, từ đó giảm tối đa lượng nhiên liệu tiêu hao.
- Giảm tiếng ồn khi hoạt động.



10


Ngày nay, tàu đệm khí được sử dụng cho rất nhiều mục đích khác nhau như chở
hàng hóa, hành khách, phục vụ quân sự, vui chơi, giải trí, thể thao v v


Hình 1.8 : Tàu vui chơi trên cạn Hình 1.9 : Tàu vui chơi dưới nước


Hình 1.10 : Tàu đệm khí phục vụ quân sự Hình 1.11 : Tàu đệm khí chở khách

1.2.2. Tình hình nghiên cứu tàu đệm khí ở Việt Nam.
Ở Việt Nam hầu như chưa có công trình nghiên cứu hoàn chỉnh về tàu đệm khí.
Trong vài năm gần đây, đã có một số nghiên cứu độc lập về tàu đệm khí thực hiện bởi
kỹ sư Qua Xa Khánh, một Việt kiều Pháp nhưng hiện vẫn chưa được công bố cụ thể.
Công ty Triệu Phước, một công ty cổ phần ở Việt Nam cũng đã mạnh dạn đầu tư cho
kỹ sư Hà Trọng Phát nghiên cứu thiết kế và cũng đang tiến hành đóng thử nghiệm một
tàu đệm khí theo mẫu của nước ngoài nhưng hiện vẫn chưa thành công và công bố.
Công ty Dịch vụ Hàng Hải Sài gòn (Samaser) cũng đã đặt vấn đề chế tạo nguyên mẫu
tàu đệm khí cỡ nhỏ theo thiết kế của Bộ môn Kỹ thuật Tàu thủy – Đại học Bách Khoa
Thành phố Hồ Chí Minh nhưng thực tế cho thấy thiết kế này chưa được kiểm chứng và
mô hình do các nhà khoa học công bố thực chất chỉ là mô hình chạy trên mặt đất

11
1.3. PHƯƠNG PHÁP, NỘI DUNG VÀ GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU
1.3.1. Phương pháp nghiên cứu
Tàu đệm khí mặc dù đã được chế tạo nhiều ở nước ngoài, nhưng thực tế vẫn là
sản phẩm độc quyền, giá thành cao nên hiện chưa có mẫu nào được mua về Việt Nam,
nhất là các mẫu tàu thật nên không có tàu mẫu để làm cơ sở cho các tính toán, thiết kế.
Do đó chúng tôi chỉ có thể dựa vào hình ảnh, thông tin trên các website nước ngoài,
kết hợp với việc nghiên cứu lý thuyết khí động học để làm cơ sở thiết kế tàu đệm khí.
Về mặt phương pháp, để có thể thiết kế, chế tạo thành công mẫu tàu đệm khí nói trên
trước tiên cần nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình tàu và thử nghiệm trong bể thử để
thu nhận số liệu cần thiết về kích thước, khối lượng, động cơ, kết cấu hệ thống váy,
trong đó các thông số khối lượng tàu, bố trí động cơ và kết cấu váy sẽ đóng vai trò rất
quan trọng và có ảnh hưởng quyết định đến khả năng bay của tàu trên lớp đệm khí.
Tuy nhiên do việc mô hình hoá khối lượng và sức cản đối với tàu là khá phức tạp,
cùng với việc không có bể thử nghiệm và các thiết bị cần thiết để thu thập các số liệu
từ mô hình thử nghiệm nên chúng tôi chọn phương pháp thực hiện tính toán thiết kế,
kết hợp chế tạo mô hình thực để hoàn thiện dần thiết kế tàu trong quá trình thử nghiệm
Phương pháp thiết kế tàu được thực hiện trên cơ sở phương pháp tính gần đúng dần,
bao gồm những nội dung chính như tính chọn các thông số hình học chính của tàu,
thiết kế tuyến hình, thiết kế kết cấu, bố trí chung và tính toán tính năng chính của tàu.
Từ các bản vẽ thiết kế sẽ triển khai thực hiện chế tạo mô hình tàu đệm khí và tiến hành
thử nghiệm thực tế để hiệu chỉnh lại thiết kế khi cần thiết.
1.3.2. Nội dung nghiên cứu
Như đã trình bày trong phần trên, bản thân chúng tôi là những cán bộ kỹ thuật
của Công ty Yến sào Khánh Hòa (Sanest), đơn vị chịu trách nhiệm tổ chức quản lý và
khai thác các đảo yến và đang hoạt động trong lĩnh vực du lịch và giải trí ở địa phương
Vì vậy công ty đã và đang rất cần và cũng giao trách nhiệm cho chúng tôi trong việc
nghiên cứu thiết kế những mẫu tàu chạy được êm với tốc độ cao, trong mọi địa hình để
phục vụ công việc cứu hộ, đưa người bị bệnh hoặc bị tai nạn từ đảo yến về đất liền
hoặc phục vụ các hoạt động du lịch cao cấp, vui chơi giải trí trên biển.

12
Từ những trình bày trên đây, chúng tôi dự kiến nội dung chính của đề tài sẽ
nghiên cứu thiết kế một mẫu tàu đệm khí có thể chở được khoảng (2 ÷ 3) hành khách,
có thể chạy với tốc độ vào khoảng 65 (km/h) và hoạt động trong phạm vi dưới 100 km.
Trên cơ sở thiết kế này, chúng tôi sẽ chế tạo mô hình thu nhỏ để thử nghiệm chạy biển
và tiến hành hiệu chỉnh lại tính toán, thiết kế trước khi đưa vào chế tạo trong thực tế.
Với nội dung này, dự kiến đề tài gồm 5 chương như sau :
 Chương 1 : Đặt vấn đề
Nội dung chương sẽ trình bày chủ yếu những vấn đề về phần tổng quan đề tài,
tình hình nghiên cứu đối với đề tài, phương pháp, nội dung và giới hạn nghiên cứu.
 Chương 2 : Một số vấn đề lý thuyết tàu đệm khí
Trong phần này sẽ trình bày một số vấn đề lý thuyết cơ bản đối với tàu đệm khí,
cơ sở để tính toán, thiết kế mẫu tàu đệm khí.
 Chương 3 : Thiết kế sơ bộ một mẫu tàu đệm khí
Nội dung chương trình bày kết quả tính toán, thiết kế một mẫu tàu đệm khí cụ thể
 Chương 4 : Chế tạo thử nghiệm mô hình
Nội dung chương trình bày kết quả tính toán, thiết kế và chế tạo thử nghiệm một
mô hình tàu đệm khí dựa trên cơ sở mẫu tàu đệm khí đã thiết kế.
 Chương 5 : Kết luận và kiến nghị

1.3.3. Giới hạn phạm vi nghiên cứu
Thực tế cho thấy, để đảm bảo cho tàu đệm khí có thể bay được trên lớp đệm khí
cần phải sử dụng những loại vật liệu tiên tiến, có độ cứng cao nhưng trọng lượng nhẹ.
Tuy nhiên do điều kiện hạn chế nên chúng tôi sử dụng vật liệu và các thiết bị có sẵn
trên thị trường nước ta hiện nay để tăng khả năng thương mại hóa sản phẩm sau này.
Ngoài ra, do việc thiết kế và chế tạo chủ yếu để phục vụ những nghiên cứu tiếp theo
nên một số yếu tố cần thiết về mặt thẩm mỹ và giá thành chế tạo chưa được quan tâm.
Bên cạnh đó, do công dụng của tàu chủ yếu là phục vụ các hoạt động thể thao, du lịch
hoặc hoạt động ở vùng nước sông, hồ ở Việt Nam nên trong quá trình thiết kế, chế tạo

chỉ thực hiện tính toán tàu làm việc trong điều kiện thời tiết tốt.
13
Chương 2
MỘT SỐ VẤN ĐỀ LÝ THUYẾT TÀU ĐỆM KHÍ


Các vấn đề về lí thuyết đệm khí đã được trình bày cụ thể trong một số tài liệu,
ở đây chúng tôi chỉ trích giới thiệu một số vấn đề lý thuyết quan trọng cần thiết cho
việc tính toán, thiết kế tàu đệm khí.

2.1. LÝ THUYẾT ĐỆM KHÍ
2.1.1. Đặc điểm của tàu đệm khí ở trạng thái tĩnh trên mặt nước
1. Xác định áp lực để nâng tàu
Tàu đệm khí hoạt động nhờ lực nâng của đệm khí và lực của động cơ đẩy tạo ra.
Xét trường hợp tàu nổi cân bằng trên đệm khí, khi đó trọng lượng của tàu sẽ cân bằng
trọng lượng nước chứa trong vùng lõm, do đó khoảng không thực tế của váy bằng
khoảng cách theo phương đứng của đỉnh thấp nhất của váy và mặt nước tĩnh (hình 2.1).












Hình 2.1 : Tàu đệm khí lơ lửng ở trạng thái tĩnh trên mặt nước.

Nếu bỏ qua thành phần phản lực vuông góc xuất hiện khi dòng khí phụt ra từ
miệng vòi do giá trị lực này thường nhỏ trong trường hợp khoảng không của váy nhỏ,
có thể tính được lực nâng của đệm khí theo áp suất nâng P
c
cụ thể như sau.
R

G


P
c
h
eg



14
Giả sử áp lực của lớp đệm không khí phân bố đều bên dưới đáy tàu, có thể xác
định được áp lực cần thiết P
c
để nâng tàu lên theo biểu thức:
W = P
c
S
c
= P
c
L
c

B
c
(2.1)
trong đó : W - khối lượng của tàu tính theo đơn vị (kg).
S
c
- diện tích vùng đệm không khí tính theo đơn vị (m
2
).
L
c
- chiều dài đệm khí (m).
B
c
- chiều rộng của đệm khí (m).
2. Xác định hệ số lưu lượng Q
Trong thực tế, tỷ số giữa lưu lượng không khí của đệm khí và áp lực nâng P
c
sẽ
quyết định khả năng nâng tàu lên, do đó việc xác định hệ số lưu lượng Q có ý nghĩa
quan trọng và đây cũng là yếu tố quyết định áp suất tĩnh của đệm không khí của tàu.
Hệ số lưu lượng Q (m
3
/s) có thể tính theo công thức:
Q =
a
c
c
P2
S.Q


(2.2)
trong đó : 
a
- khối lượng riêng không khí, 
a
= 1,226 (kg/m
3
).
Q - giá trị trung bình, xác định gần đúng như sau:
Q = 0,015  0,050 - đối với AC [8]
Q = 0,005  0,010 - đối với SES [8]
Hoặc cũng có thể xác định theo công thức:
Q = V
c
.D
c
.h
eg
.A [8] (2.3)
trong đó : V
c
- vận tốc thoát khí của đệm không khí (m/s).
V
c
=
a
c
P2


D
c
- hệ số co ép miệng vòi, D
c
= 0,53 khi góc thoát khí lớn hơn 45
o
.
A - chu vi lớp đệm khí (m).
h
eg
- khoảng cách khe hở đệm khí (m).
Trong thực tế có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến lưu lượng Q của tàu đệm khí như
tốc độ của tàu trên mặt nước tĩnh, khả năng tăng tốc hay thời gian bơm, ổn định dọc và
ổn định ngang, khả năng chịu được sóng gió và khả năng lướt, di chuyển của tàu v v
Ngoài ra, việc bố trí các lỗ thoát khí ảnh hưởng đáng kể khả năng nâng của đệm khí,