Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người human powered hydrofoil

1


LỜI CAM ĐOAN

Chúng tôi gồm: Đặng Đức Cƣờng và Đặng Văn Phƣớc xin cam đoan đây là
công trình nghiên cứu của riêng nhóm chúng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận văn là
trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác.


Tác giả luận văn
Đặng Đức Cƣờng - Đặng Văn Phƣớc

2

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN 1
MỤC LỤC 2
DANH MỤC KÝ HIỆU 5
DANH MỤC CÁC BẢNG 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7
LỜI NÓI ĐẦU 12
PHẦN I. THIẾT KẾ 13
Chƣơng 1. ĐẶT VẤN ĐỀ 14
1.1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 14
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI TÀU CÁNH NGẦM 15
1.2.1. Tình hình nghiên cứu tàu cánh ngầm trên thế giới 15
1.1.2. Tình hình nghiên cứu về tàu cánh ngầm trong nƣớc 26
1.3. PHƢƠNG PHÁP, NỘI DUNG VÀ GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU 27

1.4. MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ LÝ THUYẾT CÁNH 28
1.4.1. Động lực học cánh 28
1.4.2. Các yếu tố chính ảnh hƣởng đến các hệ số thủy động cánh 30
Chƣơng 2. THIẾT KẾ THUYỀN CÁNH NGẦM CHẠY BẰNG SỨC NGƢỜI
(HUMAN POWERED HYDROFOIL) 36
2.1. XÂY DỰNG NHIỆM VỤ THƢ VÀ PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ 36
2.1.1. Xây dựng nhiệm vụ thƣ 36
2.1.2. Phƣơng pháp thiết kế 36
2.2. XÁC ĐỊNH ĐẶC ĐIỂM HÌNH HỌC CỦA THUYỀN CÁNH NGẦM 38
2.2.1. Xác định lƣợng chiếm nƣớc của thuyền cánh ngầm D 38
2.2.2. Xác định các kích thƣớc chính và hệ số hình dáng thân thuyền 40
2.3. THIẾT KẾ ĐƢỜNG HÌNH THUYỀN 43
2.4. THIẾT KẾ PHẦN CÁNH CỦA THUYỀN CÁNH NGẦM 48
2.4.1. Lựa chọn cách bố trí và dạng kết cấu của hệ thống cánh ngầm 48
2.4.2. Thiết kế cánh ngầm 52
2.4.3. Tính chọn kích thƣớc hình học cánh thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời 54
2.4.4. Tính toán động lực học cánh ngầm 57
2.4.5. Thiết kế cánh ngầm, thanh đỡ cánh và thanh đỡ chân vịt 68
3

2.5.TÍNH TỐC ĐỘ CẤT CÁNH (TAKEOFF) V
TO
70
2.5.1. Tính cho cánh sau 70
2.5.2. Tính cho cánh trƣớc 73
2.6. THIẾT KẾ KẾT CẤU VÀ CHỐNG CHÌM 74
2.6.1. Kết cấu thân thuyền 74
2.6.2. Tính chiều dày kết cấu vỏ thuyền 75
2.7. THIẾT KẾ BỐ TRÍ CHUNG VÀ CÁC HỆ THỐNG THUYỀN CÁNH NGẦM
78

2.7.1. Bố trí chung thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời 78
2.7.2. Thiết kế hệ động lực của thuyền 79
2.7.3. Thiết kế hệ thống lái 81
2.7.4. Thiết kế cơ cấu điều khiển góc tấn cánh trƣớc theo mớn nƣớc. 83
2.8. TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA THUYỀN 86
2.8.1. Đặc điểm ổn định của thuyền cánh ngầm 86
2.8.2. Tính ổn định của thuyền 91
2.9. TÍNH SỨC CẢN VÀ KIỂM NGHIỆM CÔNG SUẤT 94
2.9.1. Đặc điểm sức cản của tàu cánh ngầm 94
2.9.2. Tính sức cản của thuyền cánh ngầm 96
2.9.3. Tính kiểm nghiệm công suất của thuyền 107
2.10. THIẾT KẾ CHÂN VỊT 109
2.10.1. Các thông số cho trƣớc 109
2.10.2.Tính các thông số 110
2.10.3. Tính các thông số của chân vịt 112
PHẦN II. CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM 114
Chƣơng 3. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO THUYỀN CÁNH NGẦM CHẠY BẰNG SỨC
NGƢỜI 115
3.1. LỰA CHỌN VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO 115
3.1.1. Lựa chọn vật liệu chế tạo 115
3.1.2. Lựa chọn công nghệ chế tạo vỏ thuyền 115
3.2. CHẾ TẠO VỎ THUYỀN 118
3.2.1. Chế tạo khuôn 118
3.2.2. Chế tạo vỏ thuyền 121
4

3.3. CHẾ TẠO HỆ THỐNG CÁNH NGẦM 124
3.3.1. Chế tạo cánh 124
3.3.2. Chế tạo sống chính 129
3.3.3 Chế tạo chân vịt 130

3.3.4. Chế tạo hệ thống truyền động (bản vẽ số 10 ) 131
Chƣơng 4. CHẠY THỬ NGHIỆM THUYỀN CÁNH NGẦM CHẠY BẰNG SỨC
NGƢỜI 133
4.1. THỬ NGHIỆM TÍNH NỔI CỦA THUYỀN 133
4.2. THỬ NGHIỆM TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA THUYỀN 134
4.3. THỬ NGHIỆM TÍNH NĂNG CỦA CÁNH 134
4.4. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 138
4.4.1. Phân tích ƣu nhƣợc điểm của thuyền 138
4.4.2. Đề xuất một số giải pháp khắc phục 139
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 142
1. Kết luận 142
2. Kiến nghị 143
TÀI LIỆU THAM KHẢO 144

5

DANH MỤC KÝ HIỆU

A – Diện tích
a – Khoảng cách
B – Chiều rộng thuyền
B – Chiều rộng cánh
C
L
– Hệ số lực nâng cánh
C
D
– Hệ số lực cản cánh
C
M
– Hệ số mô men
D – Lƣợng chiếm nƣớc
F – Lực nâng cánh
F
AR
– Hệ số phụ thuộc tỷ lệ chiều dài trên chiều rộng cánh
F
B
– Lực nâng phần cánh nghiêng 2 bên cánh chính

F
C
– Lực nâng cánh chính
F
D
– Lực nâng phần đáy ngang cánh chính
F
S
– Hệ số phụ thuộc độ chìm sâu
F
T
– Lực nâng cánh trƣớc
H – Chiều cao
L – Chiều dài thuyền
l – Chiều dài cánh
M – Mô men
P – Trọng lƣợng
Rn – Số Reynolds
T – Chiều chìm
V – Vận tốc
– Góc tấn cánh
– Trọng lƣợng riêng của nƣớc

– Thể tích chiếm nƣớc





6

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Bảng hệ số lực nâng, lực cản và tỷ số lực nâng trên lực cản của cánh Profile
NACA 63-412 có số R
N
= 3.000.000 theo góc tấn
Bảng 2.1: Bảng so sánh hệ số lực nâng cánh, hệ số lực cản, tỷ số lực nâng và lực cản
một số loại biên dạng cánh thƣờng dùng để chế tạo cánh thuyền cánh ngầm
Bảng 2.2: Bảng tính hệ số phụ thuộc độ chìm phần nghiêng cánh sau khi thuyền bay.
Bảng 2.3: Bảng tính hệ số phụ thuộc độ chìm sâu phần cánh nghiêng cánh sau khi
thuyền “cất cánh”
Bảng 2.4: Bảng tổng hợp trọng lƣợng, trọng tâm thuyền
Bảng 2.5: Bảng tổng hợp lực nâng, lực cản cánh theo tốc độ
Bảng 2.6: Bảng tính lƣợng chiếm nƣớc và chiều chìm thuyền theo tốc độ
Bảng 2.7: Kết quả tính sức cản
Bảng 2.8: Bảng sức cản thân thuyền theo tốc độ
Bảng 2.9: Bảng tổng hợp tính sức cản thuyền theo tốc độ
Bảng 3.1: Bảng tổng hợp khối lƣợng thuyền
Bảng 4.1: Bảng tính trọng tâm tàu sau khi thay đổi vị trí ghế ngồi.

7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Tàu cánh ngầm của Enrico Forlanini
Hình 1.2: Phác hoạ tàu HD-4
Hình 1.3: Tàu RHS-160 Rodriquez
Hình 1.4: (a) Chiếc trimaran Williwaw của David Keiper.
(b) Chiếc Jetfoil tốc độ cao của Boeing chở 400 khách.
Hình 1.5: Tàu Bras d'Or của hải quân Canada.
Hình 1.6: Tàu XCH-4 của Mỹ
Hình 1.7: Tàu Sealegs của hải quân Mỹ
Hình 1.8: Tàu Fresh-1 lắp động cơ phản lực của Boeing (Mỹ)
Hình 1.9: Tàu High Point, 110 tấn
Hình 1.10: Tàu Flagstaff
Hình 1.11: Các mẫu thuyền cánh ngầm cá nhân thử nghiệm của Ray Vellinga
Hình 1.12: Thuyền Hi-Foil

Hình 1.13: Thuyền Dynafoil
Hình 1.14: Decavitator của MIT
Hình 1.15: Chiếc FlyingKayak thấpcủa Steve Ball
Hình 1.16: Chiếc Mach 003 của Dwight Filley
Hình 1.17: Tốc độ dòng chảy bao cánh và áp lực trên bề mặt cánh
Hình 1.18: Sự phân bố áp lực trên bề mặt cánh
Hình 1.19: Một số loại profile cánh
Hình 1.20: Đồ thị hệ số lực nâng, hệ số lực cản cánh profile NACA 4415
Hình 1.21: Áp lực lên bề mặt cánh thay đổi khi góc tấn thay đổi
Hình 1.22: Đồ thị hệ số lực nâng, hệ số lực cản và tỷ số lực nâng trên lực cản cánh
theo số Rn và góc tấn
Hình 1.23: Đồ thị và bảng hệ số ảnh hƣởng của tỷ lệ chiều dài trên chiều rộng cánh
Hình 1.24: Đồ thị hệ số ảnh hƣởng độ chìm sâu F
S
Hình 2.1: Quá trình thiết kế sơ bộ
Hình 2.2: Các hệ số sử dụng tàu cánh ngầm
Hình 2.3: Sơ đồ khối quy trình thiết kế đƣờng hình thuyền bằng AutoShip
Hình 2.4: Tạo mặt cong vỏ thuyền bằng phần mềm AutoShip.
Hình 2.5: Hiệu chỉnh mặt cong vỏ thuyền trên AutoShip.
8

Hình 2.6: Bề mặt vỏ thuyền sau khi hiệu chỉnh xong.
Hình 2.7: Tính nhanh các yếu tố thủy tĩnh vỏ thuyền trên AutoShip
Hình 2.8: Đƣờng hình xuất từ AutoShip sang AutoCad
Hình 2.9: Tọa độ đƣờng hình xuất sang phần mềm MS Excel và thiết lập bảng toạ độ
đƣờng hình hoàn chỉnh
Hình 2.10: Tab tính nhanh các yếu tố thủy tĩnh thân thuyền bằng AutoShip
Hình 2.11: Cấu hình tàu cánh ngầm
Hình 2.12: Tàu cánh ngầm có cánh chìm nông
Hình 2.13: Tàu cánh ngầm có cánh chìm trung bình

Hình 2.14: Tàu cánh ngầm có hệ thống cánh tầng
Hình 2.15: Hệ thống cánh thủy lực
Hình 2.16: Hệ thống cánh Aquavion
Hình 2.17: Cấu trúc hệ thống cánh thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời
Hình 2.18: Kết cấu cánh sau theo tính toán sơ bộ
Hình 2.19: Kết cấu cánh sau thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời
Hình 2.20: Kết cấu cánh trƣớc thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời
Hình 2.21: Các chế độ làm việc của tàu cánh ngầm
Hình 2.22: Các phần lực nâng tác động lên cánh sau khi hoạt động
Hình 2.23: Đồ thị hệ số lực nâng của cánh có biên dạng NACA 4412 theo góc tấn và
số Reynolds.
Hình 2.24: Đồ thị hệ số lực nâng, hệ số lực cản và tỷ số lực nâng trên lực cản của cánh
có biên dạng NACA 4412 theo góc tấn.
Hình 2.25: Kết cấu thanh đỡ cánh trƣớc và cánh sau
Hình 2.26: Kết cấu thanh đỡ chân vịt và khung cánh sau.
Hình 2.27: Các mặt cắt ngang thể hiện kết cấu của thân thuyền.
Hình 2.28: Mặt cắt ngang kết cấu thân thuyền đã chế tạo
Hình 2.29: Bố trí chung thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời
Hình 2.30: Hệ động lực thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời.
Hình 2.31: Sơ đồ cấu tạo hệ thống lái thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời
Hình 2.32: Sơ đồ hệ thống lái
Hình 2.33: Khi bẻ lái qua phải
Hình 2.34: Sơ đồ nguyên lý cơ cấu điều khiển góc tấn cánh trƣớc theo mớn nƣớc
9

Hình 2.35: Khi thuyền đứng yên, feelerđiều khiển góc tấn cánh ở mức cực đại - 7
0
Hình 2.36: Thuyền đang “bay” ở đƣờng nƣớc thiết kế
Hình 2.37: Khi thuyền đạt tốc độ 7 HL/h, chạy ở mức nƣớc – 200mm “feeler” điều
khiển góc tấn cánh trƣớc ở góc 5

0
Hình 2.38: Nếu thuyền đạt tốc độ từ 8 HL/h trở lên (thuyền chạy ở mức nƣớc >–
200mm) “feeler” sẽ điều khiển góc tấn cánh trƣớc giảm từ 5
0
về -1
0
Hình 2.39 : Lực tác động lên tàu cánh ngầm khi tàu nghiêng ngang
Hình 2.40 : Lực tác động lên tàu có cánh ngầm cánh gập chữ V khi tàu nghiêng ngang
Hình 2.41: Lực tác động lên tàu cánh ngầm cánh hình cung khi tàu nghiêng ngang
Hình 2.42: Đồ thị sức cản tàu cánh ngầm

Hình 2.43: Các chế độ làm việc của tàu cánh ngầm
Hình 2.44: Đồ thị hệ số lực nâng và lực cản cánh NACA 4412 theo số Reynols và góc tấn.
Hình 2.45: Đồ thị hệ số lực nâng và lực cản cánh NACA 0021 theo số Reynols và góc tấn.
Hình 2.46: Đƣờng cong sức cản thuyền cánh ngầm ở chiều chìm và lƣợng chiếm nƣớc
đang xét
Hình 2.47: Bảng tính và đồ thị sức cản thân thuyền ở mớn nƣớc 0,105 m tính bằng
Auto Power
Hình 2.48: Đồ thị sức cản thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời
Hình 2.49: Biểu đồ công suất do ngƣời đạp sinh ra do NACA thiết lập
Hình 2.50: Đồ thị B
u
- chân vịt B.2.30
Hình 3.1 : Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo tàu bằng vật liệu Composite
Hình 3.2: Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo thân thuyền cánh ngầm dùng sức ngƣời
bằng vật liệu Composite
Hình 3.3: Các đƣờng sƣờn của khuôn nửa trên
Hình 3.4: Tạo khuôn mặt cong nửa dƣới của vỏ thuyền
Hình 3.5: Làm mịn mặt cong thân thuyền
Hình 3.6: Hai nửa khuôn sau khi hoàn thành

Hình 3.7: Quét lớp chống dính
Hình 3.8: Trát lớp gelcoat
Hình 3.9: Trát lớp CSM 501-225
Hình 3.10: Tách khuôn
Hình 3.11: Ráp hai nửa vỏ thuyền
10

Hình 3.12: Bơm Foam vào vỏ thuyền
Hình 3.13: Hình ảnh thân thuyềnsau khi hoàn thiện
Hình 3.14: Biên dạng cánh Không phay đƣợc trên máy CNC xyz
Hình 3.15: Dƣỡng cánh lái
Hình 3.16: Dƣỡng cánh trƣớc
Hình 3.17: Cánh đã đƣợc gia công bề mặt cong bằng thủ công
Hình 3.18: Cánh lái
Hình 3.19: Cánh lái và cánh trƣớc đã hoàn thành
Hình 3.20: Cụm cánh sau (Cánh ngang sau, cánh nghiêng, thanh đỡ cánh)
Hình 3.21: Thanh đỡ chân vịt
Hình 3.22: Sống chính
Hình 3.23: Phần đầu sống chính có lỗ gắn trục lái
Hình 3.24: Phần giữa sống chính có khe lắp thanh dọc
Hình 3.25: Chân vịt
Hình 3.26: Bộ truyền xích
Hình 3.27: Bộ bánh răng nón 90
0
Hình 3.28: Bộ bánh răng nón 120
0

Hình 3.29: Thuyền đã hoàn thành
Hình 3.30: Nguyên lý làm việc của cơ cấu điều khiển góc tấn cánh trƣớc
Hình 3.31: Khi thuyền đứng yên, feeler điều khiển góc tấn cánh ở mức cực đại 7

0
Hình 3.32: Thuyền đang “bay” ở đƣờng nƣớc thiết kế
Hình 3.33: Khi thuyền đạt tốc độ 7 HL/h, chạy ở mức nƣớc – 200mm “feeler” điều
khiển góc tấn cánh trƣớc ở góc 5
0
Hình 3.34: Nếu thuyền đạt tốc độ từ 8 HL/h trở lên (thuyền chạy ở mức nƣớc >–
200mm) “feeler” sẽ điều khiển góc tấn cánh trƣớc giảm từ 5
0
về -1
0
Hình 3.35: Sơ đồ hệ thống lái
Hình 3.36: Khi bẻ lái qua phải
Hình 3.37: Thành phần lực nâng của cánh khi thuyền cân bằng
Hình 3.38: Thành phần lực nâng của cánh khi thuyền bị nghiêng
Hình 3.39: Ngƣời điều khiển có thể điều chỉnh trọng tâm bằng cách nghiêng ngƣời
Hình 4.1: Thuyền nổi ổn định và quay trở cơ động
Hình 4.2: Sức ngƣời đạp thuyền với tốc độ 4 konts, thuyền vẫn chƣa bay đƣợc
11

Hình 4.3: Khi kéo thuyền ở tốc độ 4 HL/h cánh trƣớc nâng đƣợc mũi thuyền lên 250 mm
Hình 4.4: Khi kéo thuyền ở tốc độ 5 HL/h thân thuyền bắt đầu đƣợc nâng lên khỏi mặt nƣớc
Hình 4.5: Khi kéo thuyền với tốc độ 6 HL/h thân thuyền đƣợc nâng lên khỏi mặt nƣớc
150mm
Hình 4.6: Khi kéo thuyền với tốc độ 6,5 HL/h thuyền đã bay ở mớn nƣớc thiết kế -
200mm
Hình 4.7: Thuyền bay ổn định ở tốc độ 6,5 HL/h
Hình 4.8: Bố trí thuyền trƣớc khi thay đổi vị trí ghế ngồi
Hình 4.9: Bố trí thuyền sau khi thay đổi vị trí ghế ngồi.

12

LỜI NÓI ĐẦU
Việt Nam là một quốc gia thuộc nhóm 10 nƣớc có mạng lƣới sông ngòi dày đặc
nhất thế giới nên có tiềm năng trong phát triển kinh tế, du lịch, giao thông vận tải
đƣờng thuỷ nội địa. Tuy nhiên, do đặc điểm của hệ thống sông ngòi ở Việt Nam là
dòng chảy quanh co, tuyến đƣờng thủy nội địa có chiều rộng khoang thông thuyền
nhỏ, chiều cao tĩnh không thấp nên mặc dù bất lợi cho các phƣơng tiện giao thông
đƣờng thuỷ nội địa nói chung nhƣng lại thuận lợi để phát triển các phƣơng tiện giao
thông đƣờng thuỷ cỡ nhỏ phục vụ các hoạt động thể thao và du lịch. Vì vậy, các công
ty du lịch lữ hành ở Việt Nam đã phát triển loại hình du lịch sinh thái, du lịch khám phá
bằng cách sử dụng thuyền Kayak (loại thuyền chèo có một hoặc hai ngƣời ngồi) để du
lịch khám phá các vùng đất thƣợng nguồn hẻo lánh, các đảo gần bờ loại hình du lịch này
đã thu hút đƣợc một số lƣợng lớn du khách trong và ngoài nƣớc. Cùng với sự phát triển du

lịch bằng thuyền Kayak là sự phát triển mạnh các môn thể thao dƣới nƣớc nhƣ Rowing,
Canoeing đã làm dấy lên phong trào tham gia những môn thể thao chèo thuyền, nhất là
ở các thành phố lớn nhƣ Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh.
Cho đến hiện nay, mặc dù thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời là phƣơng tiện rất
thích hợp cho các hoạt động thể thao, du lịch đối với vùng sông nƣớc của nƣớc ta.
nhƣng hầu nhƣ vẫn chƣa đƣợc nghiên cứu thiết kế, chế tạo hoặc du nhập vào Việt Nam.
Mặc dù là vấn đề phức tạp, nhƣng với mong muốn chế tạo loại phƣơng tiện trƣớc tiên
phục vụ nhu cầu thể thao, du lịch và có thể phục vụ nhu cầu đi lại cho nhân dân các
vùng sông nƣớc miền Tây Nam Bộ, nơi hệ thống giao thông đƣờng thuỷ là chủ yếu,
đồng thời đặt cơ sở để tiếp tục nghiên cứu, phát triển lý thuyết và từng bƣớc chế tạo
đƣợc các loại tàu, thuyền cánh ngầm phục vụ cho các mục đích khác cao và rộng hơn,
chúng tôi đã thực hiện đề tài cao học “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm thuyền
cánh ngầm chạy bằng sức người - Human powered hydrofoil”.
Nhân dịp này, nhóm thực hiện đề tài xin đƣợc gửi lời cám ơn chân thành đến
PGS TS Trần Gia Thái, Trƣởng Khoa Kỹ thuật tàu thuỷ Trƣờng Đại học Nha Trang đã
tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ và chỉnh sửa các sai sót trong quá trình thực hiện đề tài.
Xin cám ơn các thầy, cô trong Khoa Kỹ thuật tàu thủy Trƣờng Đại học Nha Trang, các
bạn đồng nghiệp đóng góp ý kiến và giúp đỡ trong quá trình thực hiện đề tài.
Nha Trang, ngày 02 tháng 12 năm 2010
Đặng Đức Cƣờng – Đặng Văn Phƣớc
13

PHẦN I
THIẾT KẾ









14

Chƣơng 1

ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Tàu thuyền chạy bằng cánh ngầm nói chung thuộc nhóm tàu chạy tốc độ cao,
trong đó tốc độ của một số tàu cánh ngầm hiện đại có thể đạt đƣợc tới trên 100 km/h.
Tàu thƣờng dùng trong quân đội làm tàu phóng lôi, tàu tên lửa, tàu tuần tiễu, liên lạc
hoặc dùng làm tàu tốc hành để chở hành khách và hàng hoá trên sông, ven biển v v
Khi chạy, hệ thống cánh gắn dƣới đáy tàu có tác dụng nâng tàu nổi lên trên mặt nƣớc,
làm giảm sức cản của nƣớc nên tàu có thể đạt tốc độ cao và giảm tiêu hao nhiên liệu.
Trong những năm gần đây, ở nƣớc ta cũng đã nhập khẩu tàu cánh ngầm nhƣng chủ yếu
chỉ để vận chuyển khách trên các tuyến đƣờng thuỷ ở Hải Phòng, Hạ Long, Móng Cái
hoặc trên các tuyến phía Nam nhƣ tuyến thành phố Hồ Chí Minh, Vũng Tàu.

Riêng trong các lĩnh vực du lịch hoặc thể thao dƣới nƣớc, thuyền cánh ngầm đã
đƣợc chế tạo và có tên gọi là thuyền Flyak, thực chất là thuyền Kayak có gắn thêm các
cánh ngầm ở dƣới mũi thuyền và dƣới đuôi thuyền. Hệ thống cánh ngầm của loại
thuyền này thƣờng đƣợc gắn cứng với thân thuyền và ngƣời ngồi trên thuyền sẽ sử
dụng mái chèo để điều khiển và đẩy cho thân thuyền chạy khi ngƣời chèo đẩy thuyền
Flyak đến vận tốc xác định thì lực nâng của các cánh ngầm đủ lớn sẽ nâng toàn bộ
thân thuyền ổn định lên khỏi mặt nƣớc, chỉ còn các cánh ngầm trong nƣớc nên làm
giảm đáng kể sức cản của nƣớc đối với chuyển động của thuyền, làm cho thuyền có
thể chuyển động với tốc độ nhanh hơn và lực chèo cũng nhẹ hơn. Tƣơng tự nhƣ thuyền
Flyak nhƣng thay vì sử dụng mái chèo làm động lực đẩy thuyền, ngƣời ta sử dụng
chân vịt và dùng sức ngƣời để đẩy tàu chạy, cụm cánh ngầm phía mũi có nhiệm vụ vừa
nâng mũi thuyền và vừa điều khiển thuyền, còn cụm cánh ngầm phía đuôi có nhiệm vụ
nâng gần nhƣ toàn bộ trọng lƣợng thuyền. Loại thuyền cánh ngầm này có tên gọi bằng
tiếng Anh là “Human powered hydrofoil”, chúng tôi tạm dịch sang tên tiếng Việt là
“Thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người”. Ở nƣớc ta hiện nay vẫn chƣa thấy xuất
hiện thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời nhƣng đây là phƣơng tiện rất thích hợp
để phát triển các hoạt động thể thao dƣới nƣớc, du lịch khám phá hoặc dùng làm
phƣơng tiện giao thông cá nhân ở vùng sông nƣớc.
15

1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI TÀU CÁNH NGẦM
1.2.1. Tình hình nghiên cứu tàu cánh ngầm trên thế giới
1. Tàu cánh ngầm động cơ
Trƣớc chiến tranh thế giới lần thứ II
Vào năm 1861, Thomas Moy thử nghiệm cánh máy bay trong nƣớc vì theo ông,
thử nghiệm cánh máy bay trong nƣớc cho đƣợc độ chính xác cao hơn trong không khí.
Nhờ vậy, Moy đã phát hiện đƣợc đặc tính của cánh chuyển động trong nƣớc. Trong
khoảng thời gian từ năm 1895 đến 1916, anh em nhà Meacham ở Chicago (Mỹ) là
những ngƣời đầu tiên thiết kế và thử nghiệm thành công tàu cánh ngầm đúng nghĩa,
thật ra họ đã chế tạo ra một máy bay mà ngày nay đƣợc công nhận là tàu cánh ngầm.

Năm 1906, một kỹ sƣ ngƣời Ý tên Enrico Forlanini đã gắn một số cánh bậc thang lên
thân tàu trọng lƣợng 1,2 tấn, lắp máy công suất 60 HP, chạy trên hồ Maggiore. Tàu
đã nổi lên đƣợc và chạy với tốc độ 36,93 HL/h (hình 1.1).



Hình 1.1 : Tàu cánh ngầm của Enrico Forlanini
16

Khi đó, Alexander Graham Bell đã cho phát trên đƣờng dây điện thoại đƣờng dài
bài viết anh em nhà Mecham đã đăng tải trên tạp chí Scientific American lúc bấy giờ.
Chính bài viết này đã truyền cảm hứng cho các cộng tác viên và một trong số đó là
Case Baldwin đã bắt đầu nghiên cứu thiết kế và thử nghiệm mô hình tàu cánh ngầm.
Trong một tour du lịch vào năm 1910 - 1911, hai nhà phát minh đã gặp đƣợc Forlanini
tại hồ Maggiore để trao đổi vấn đề nghiên cứu thiết kế, chế tạo tàu cánh ngầm đầu tiên.
Kết quả đến năm 1919, họ đã thiết kế và chế tạo thành công tàu cánh ngầm HD-4 đƣợc
đẩy bởi hai cánh quạt có tổng công suất 350 HP dùng trong hải quân Mỹ (hình 1.2), và
thiết lập đƣợc kỷ lục thế giới về tốc độ chạy trên mặt nƣớc bây giờ là 61,58 HL/h.


Hình 1.2 : Phác hoạ tàu HD-4
Giáo sƣ Oscar Tietjens, một nhà tiên phong trong nghiên cứu tàu cánh ngầm, đã
sử dụng các lá thép có bề mặt dạng hình vòng cung sắc cạnh để làm các cánh ngầm.
Kết cấu này khá đơn giản, nhƣng lại rất hiệu quả và đảm bảo thuyền có độ ổn định cao
Năm 1932, khi thử nghiệm trên dòng sông chảy qua thành phố Philadelphia của Mỹ,
chiếc thuyền cánh ngầm 0,23 tấn chế tạo thủ công của ông đã đạt tới tốc độ 21,72 HL/h.
Giáo sƣ Oscar Tietjens sau đó đã trở lại nƣớc Đức và tiếp tục các nghiên cứu phát triển
tàu cánh ngầm của mình song song với nghiên cứu của Baron von Schertel (Hà Lan).
Năm 1938, sử dụng một số đổi mới của Bell và Badwin, Philip L.Rhodes đã chế tạo
đƣợc một tàu cánh ngầm Miss USA có chiều dài 10,7 m lƣợng chiếm nƣớc 2,95 tấn,

động cơ 650 HP và đã đạt đƣợc kỷ lục thế giới về tốc độ lúc bây giờ là 80 HL/h.
17

Sau chiến tranh thế giới thứ II
Sau chiến tranh thế giới thứ II, tàu cánh ngầm đƣợc nghiên cứu và phát triển mạnh
và nhà khoa học có vai trò quan trọng trong lịch sử tàu cánh ngầm là Christopher Hook.
Năm 1945, tại Cowles nƣớc Anh, ông đã chế tạo hệ thống lực nâng thân tàu bởi các
cánh ngầm phía trƣớc, kết nối với thiết bị thăm dò mức nƣớc (Feeler) để có thể liên tục
điều chỉnh góc tấn của các cánh nâng phía trƣớc nhằm kiểm soát độ cất cao của mũi tàu.
Trong thập niên 1950, Tiến sĩ Vannevar Bush, cố vấn khoa học cho Tổng thống Mỹ
bắt đầu công việc nghiên cứu thiết kế tàu cánh ngầm trên con tàu trọng tải 3.500 tấn.
Ông tin tƣởng rằng, khi thiết kế tàu cánh ngầm lớn nhƣng nếu có phần ngập hoàn toàn
dƣới nƣớc nhỏ sẽ có thể đạt đƣợc tốc độ cao nên sẽ an toàn khi bị ngƣ lôi tấn công.
Thật không may, thiết kế của ông đã không đƣợc nhân rộng vì lý do động cơ quá lớn
để thực hiện lực đẩy cần thiết đã chiếm dụng hết không gian của khoang chứa hàng.
Sau thế chiến II, một ngƣời Đức tên Baron Von Schertel di cƣ đến Thụy Sĩ đã sử dụng
kiến thức của mình để thiết kế bề mặt các cánh của tàu cánh ngầm cho hải quân Đức.
Tháng 5 năm 1953, tàu cánh ngầm do ông thiết kế là chiếc tàu cánh ngầm chở khách
thƣơng mại đầu tiên trên thế giới, vận chuyển hành khách trên hồ Maggiore của Italy.
Một năm sau đó, nhà máy đóng tàu Leopoldo Rodriquez tại Messiana Itatly bắt đầu
chế tạo các tàu cánh ngầm chở khách theo giấy phép của công ty Baron, Supramar.
Các tàu này phổ biến khắp thế giới và nhiều tàu vẫn còn hoạt động cho đến ngày nay.
Tiếp sau đó, một số mẫu tàu cánh ngầm cùng kiểu đã đƣợc chế tạo theo giấy phép của
Công ty Hatachi Zosen của Nhật bản và công ty Voster Thoryncraft của nƣớc Anh.
Lớn nhất trong loạt này là Super Jumbo RHS-200 với sức chở lên đến 254 hành khách,
trông tƣơng tự nhƣ các RHS-160 trên hình 1.3.

Hình 1.3: Tàu RHS-160 Rodriquez
18

Năm 1958, chính phủ Canada đã tài trợ việc thiết kế và chế tạo tàu cánh ngầm có
trọng tải 17 tấn, thân nhôm tên Baddeck để vinh danh dòng họ Bell ngƣời Canada,
sử dụng động cơ hiệu Rolls Royce 1.500 HP có 12 xi-lanh để dẫn động hai cánh quạt.
Giống nhƣ mẫu tàu cánh ngầm của Bell - Baldwin, tàu Baddeck có cánh chính gồm
các lá mỏng bậc thang đôi, đặt tại vị trí nằm phía trƣớc trọng tâm của tàu một chút.
Một lá mỏng bậc thang nhỏ hơn đƣợc đặt tại đuôi tàu gọi là cấu hình dạng “máy bay”.
Lúc đó, đây là hình thức bố trí tốt nhất đối với tàu cánh ngầm nhƣng khi thử nghiệm,
nó hoạt động không tốt ở các vùng nƣớc có nhiều sóng trong phạm vi hẹp của góc tấn.
Mẫu thử nghiệm này khá đắt tiền và đƣợc xem nhƣ là một thất bại lúc bấy giờ nhƣng
chính từ mẫu thử nghiệm này, các nhà khoa học đã rút ra đƣợc nhiều kết luận giá trị.
Các mẫu thuyền buồm cánh ngầm thƣờng sử dụng cấu hình cánh thông thƣờng,
trong đó mẫu thuyền buồm cánh ngầm tốt nhất mang tên Williwaw của David Keiper là
một chiếc trimaran (tàu ba thân) có chiều dài 9,75 m , đƣợc đóng năm 1970 (hình 1.4).
Tính cho đến nay, chiếc thuyền này đã chạy hành trình đƣợc vào khoảng 32.000 km, chủ
yếu là tuyến hàng hải từ California đến Hawaii, New Zealand và ngƣợc lại.

(a) (b)
Hình 1.4: (a) Chiếc trimaran Williwaw của David Keiper.
(b) Chiếc Jetfoil tốc độ cao của Boeing chở 400 khách.
19

Những mẫu tàu cánh ngầm có 3 cánh nhƣ Hobie, thiết kế của Greg Ketterman,
tàu Windrider Rave của Tiến sĩ Sam Bradfield, tàu Monitor của Gordon Baker là
những ví dụ khác của thuyền buồm cánh ngầm đã đƣợc thiết kế và chế tạo thành công
với phần cánh phía trƣớc khá lớn và đƣợc đặt phía trƣớc trọng tâm của thuyền.
Từ thành công của các mẫu thuyền buồm cánh ngầm dân sự, hải quân Canada đã
có ý tƣởng sử dụng động cơ và bố trí các cánh kiểu “vịt trời”cho thuyền cánh ngầm.
Năm 1967, họ đã cho ra đời tàu cánh ngầm Bras d’Or, dài 46 m, trọng lƣợng 200 tấn, có
khả năng bay đƣợc ở tốc độ lên đến 63 HL/h ở vùng biển có chiều cao sóng là 1,2 m.
Đây là một chiếc tàu cánh ngầm lớn, đẹp với nhiệm vụ chính là chống các tàu ngầm.

Tuy nhiên đến năm 1971, do chính sách quốc phòng của chính phủ Canada thay đổi
nên theo Hiệp hội tàu cánh ngầm quốc tế, nhiệm vụ chống tàu ngầm đã đƣợc che đậy
bằng nhiệm vụ “bảo vệ chủ quyền bờ biển và giám sát lãnh thổ của chính phủ Canada”
Vì thế, chiếc Bras d’Or đã ngƣng hoạt động vào năm 1972 và ngày nay đƣợc trƣng bày
tại Bảo tàng hàng hải Bernier tại Nova Scotia (hình 1.5).

















Hình 1.5: Tàu Bras d'Or của hải quân Canada.

20

Ở Mỹ, tàu cánh ngầm đầu tiên XCH-4 của hải quân Mỹ do kỹ sƣ William P.Carl
thiết kế và chế tạo vào năm 1954 đã xác lập một kỷ lục tốc độ 64,65 HL/h (hình 1.6).

Hình 1.6 : Tàu XCH-4 của Mỹ
Bốn năm sau đó, xƣởng đóng tàu của hai nhà khoa học Gibbs và Chris Cox đã chế
tạo thành công mẫu tàu tuần tra bờ biển cở nhỏ tên Sealegs làm bằng gỗ, dài 7,62 m, có
lắp cánh ngầm, có thể chạy trên sóng biển cao 1,2 – 1,5 m với tốc độ 23 HL/h (hình 1.7)



Hình 1.7 : Tàu Sealegs của hải quân Mỹ
21

Từ năm 1958, hải quân Mỹ phối hợp với các công ty Boeing và Grumman bắt đầu
chƣơng trình chế tạo tàu cánh ngầm, kết quả là 3 tàu thử nghiệm và 14 tàu hoạt động.
Tất cả đều trang bị cánh ngập nƣớc phía trƣớc với hai cấu hình thông thƣờng và vịt trời.
Đến đầu năm 1960, hãng Boeing (Mỹ) chế tạo tàu Fresh-1 lập kỷ lục tốc độ 80 HL/h,
thiết kế cánh ngầm theo mô hình bề mặt cánh của Canada cho Hải quân Mỹ (hình 1.8).



Hình 1.8 : Tàu Fresh-1 lắp động cơ phản lực của Boeing (Mỹ)

Tàu quân sự lớn nhất của Mỹ là Plainview với lƣợng chiếm nƣớc lên đến 320 tấn,
còn tàu dân sự lớn nhất là Jetfoil Boeing với lƣợng chiếm nƣớc 109 tấn, chở 350 khách.
Một số tàu cánh ngầm chế tạo thời gian này vẫn còn hoạt động mãi cho đến ngày nay.
Thống kê của John Meyers đăng trên tạp chí IHS (International Hydrofoil Society),
giới thiệu danh sách tên và năm chế tạo của một số các tàu cánh ngầm ở Mỹ nhƣ sau:
Năm 1958 : Sealegs (R & D)
Năm 1960 : Fresh-1 (R & D)
Năm 1962 : High Point 110 tấn, Little squirt (R & D)
Năm 1968 : Plainview 320 tấn, Flagstaff 62 tấn, Tucumcari 58 tấn
Năm 1972 : Swordfish, 60 tấn
Năm 1975 : PHM-1 USS Pegasus 235 tấn
Năm 1973 : Jetfoil 109 tấn (phà dân dân sự), HMS Speedy 109 tấn
Năm 1981 : M161 Grumman 102 tấn
Năm 1982 : PHM-3 USS Taurus1 240 tấn

22

Hình 1.9, 1.10 giới thiệu một số mẫu tàu cánh ngầm của Mỹ


Hình 1.9 : Tàu High Point, 110 tấn



Hình 1.10 : Tàu Flagstaff, 62 tấn
Đây là những năm hoàng kim của tàu cánh ngầm quân sự nhƣng đến năm 1973,
tất cả đều ngƣng hoạt động và đến 30/7/1993, cả 6 chiếc tàu cánh ngầm tuần tra mang
tên lửa PHM (Patrol Missile Hydrofoil) còn lại của hải quân Mỹ ngƣng hoạt động.
Nguyên nhân vì hải quân Mỹ gặp phải nhiều vấn đề lớn trong chế tạo tàu cánh ngầm,
đặc biệt là do khó khăn trong việc chế tạo hệ động lực và hình dáng của thân tàu phải

đảm bảo sao cho tàu nhẹ và thấp, đây chính là điểm yếu của những cỗ máy tốc độ cao
[11]. Ngoài Mỹ và Canada, một số nƣớc khác trên thế giới cũng đã chế tạo hoặc sử
dụng các tàu cánh ngầm lớn trong quân sự và dân sự nhƣ Nga, Thuỵ Sĩ, Ý, Israel và
Nhật Bản.
23

2. Thuyền cánh ngầm cá nhân
Cùng với việc chế tạo các tàu cánh ngầm chở khách hoặc dùng trong quân sự,
các mẫu thuyền cánh ngầm cở nhỏ dùng cho cá nhân cũng đã đƣợc phát triển mạnh,
trong đó phải kể đến những mẫu thuyền của nhà chế tạo ngƣời Mỹ tên Ray Vellinga,
và cũng là tác giả cuốn sách Hydrofoil design, build, fly của nhà xuất bản Gig Harbor,
Wa USA xuất bản năm 2009, một trong số rất ít tài liệu viết về vấn đề này hiện nay.
Đầu tiên, Ray Vellinga cố gắng chế tạo ra một mẫu thuyền cánh ngầm cá nhân dƣới dạng
một xe gắn máy bay trên mặt nƣớc nhƣng thất bại khi thử nghiệm chạy biển (hình 1.11 a).
Đến năm 1969, Ray Vellinga và bố vợ thử nghiệm tàu có cánh lƣỡi kiếm (hình 1.11 b).


Hình 1.11 a Hình 1.11 b
Hình 1.11 : Các mẫu thuyền cánh ngầm cá nhân thử nghiệm của Ray Vellinga

(a) Mẫu đầu tiên (thất bại) Ray Vellinga cố gắng tạo ra một xe gắn máy bay được trên nước
(b) Năm 1969, Ray Vellinga và bố vợ thử nghiệm tàu có cánh kiểu lưỡi kiếm

Năm 1970, mẫu thuyền cá nhân gồm hai cánh ngầm (Hi-foil) của ngƣời Anh đã
đƣợc Công ty Anglican Development giới thiệu và tiếp thị trên tạp chí Isle of Wight.
Mẫu thuyền cánh ngầm cá nhân này gồm 2 chỗ ngồi, điều khiển nhƣ lái xe gắn máy và
đƣợc dẫn động bởi một động cơ có công suất 25 Hp (hình 1.12).
24

Hình 1.12: Thuyền Hi-Foil
Ngay sau đó, tại Quận Cam bang California, Mỹ, nhà nghiên cứu David Cline đã
chế tạo thành công thuyền cánh ngầm cá nhân Dynafoil, phát triển từ chiếc môtô nƣớc.
Trong thực tế, các sản phẩm đã đƣợc chế tạo với số lƣợng lên đến hơn 500 chiếc và
đƣợc bán với giá 3500 USD trƣớc khi kết thúc sản xuất vào tháng 8/1980 (hình 1.13).

Hình 1.13 : Thuyền Dynafoil
Mẫu thuyền buồm cánh ngầm tên Avocet đƣợc phát triển theo kiểu TriFoiler
dạng Trimarans có hai buồm chính là sản phẩm phối hợp giữa doanh nhân ngƣời Mỹ
Greg Ketterman và Trung tâm R&D của hãng Yamaha Motors do Kotaro Horiuchi
phụ trách và đã đƣợc công ty Ketterman - Hobie Cat, sản xuất trong những năm 1990.
Năm 1993, Avocet lập kỷ lục 43,45 HL/h trên đoạn đƣờng 500 m ở Tarifa, Tây Ban
Nha. Tại Úc, công ty Fasta Craft của John Ilett và Bladerider đã chế tạo cho tổ chức
International Moth thuyền cánh ngầm chạy buồm có thân và cánh làm bằng sợi carbon.
Mỗi thuyền có hai cánh chữ “T” ngƣợc, một gắn ở khe giữa thân tàu và một ở bánh lái.
25

Mặc dù chỉ chạy nhờ buồm nhƣng tốc độ tối đa của thuyền có thể lên đến đƣợc
30,41 HL/h. Cùng thời gian với chiếc thuyền cánh ngầm Avocet đã lập kỷ lục thế giới
về tốc độ, thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời đã đƣợc phát triển đến đỉnh điểm về
tốc độ. Năm 1991, mẫu thuyền cánh ngầm Deeavitator (hình 1.14) do Tiến sĩ Mark
Drela ở Viện công nghệ MIT của Mỹ chế tạo đã lập kỷ lục 18,50 HL/h trên đoạn
đƣờng 100 m và đã giành giải Dupont cho các thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời
nhanh nhất.


Hình 1.14 : Decavitator của MIT

Ngày nay, nhiều nhà thiết kế đã sáng tạo những mẫu thuyền cánh ngầm hấp dẫn,
ví dụ nhƣ tại California (Mỹ), các cộng tác viên của Ray Vellinga đã chế tạo đƣợc

thuyền cánh ngầm cá nhân chạy bằng sức ngƣời, giống nhƣ trong hình 1.15 và 1.16.


Hình 1.15 : Chiếc FlyingKayak thấp Hình 1.16 : Chiếc Mach 003 của
của Steve Ball Dwight Filley