Điểm danh siêu tàu ngầm phi hạt nhân 'khủng' nhất thế giới

Trong lĩnh vực phát triển tàu ngầm diezel–điện có 2 nước luôn chiếm vị trí hàng đầu là Nga và Đức. Nhưng không thể bỏ qua các đối thủ sừng sỏ khác là Nhật, Pháp, Thụy Điển...

Siêu tàu ngầm phi nguyên tử

Tư lệnh trưởng hải quân Nga đã thông báo Nga đang phát triển thế hệ siêu tàu ngầm mới sử dụng động cơ chu trình kín hoạt động trong khu vực biển gần. Những tàu ngầm thế hệ mới sẽ hoạt động ở chế độ hải trình ngầm, không cần nổi lên lấy không khí trong khoảng thời gian nhiều tuần.

Sơ đồ tầu ngầm diesen.

Nước Nga đang bắt đầu xây dựng các siêu tầu ngầm phi nguyên tử. Trong thế kỷ 20, trong lĩnh vực phát triển tàu ngầm diezel – điện có 2 nước luôn chiếm vị trí hàng đầu, đó là Liên Xô và Đức. Thời kỳ đó, các nhà thiết kế tàu ngầm Xô Viết trước đây và liên bang Nga ngày nay đã chế tạo hơn 300 mẫu tàu ngầm các loại. Thành công nhất phải kể tới 2 mẫu tàu ngầm diezel thế hệ thứ 3 thuộc dự án 877/636 Varshavyanka, phiên bản xuất khẩu của nó là dự án 877.

Sơ đồ tàu ngầm dự án 877/636 Varshavyanka.

Hải quân Mỹ không tham gia trong cuộc chạy đua công nghệ tàu ngầm diezel. Mỹ thông thường luôn có dự kiến triển khai các chiến dịch hải dương ở những vùng nước ngoài, xa hẳn hải phận nước Mỹ nên nhu cầu tàu ngầm vùng nước gần bờ biển và các hoạt động tác chiến bí mật và khả năng hải trình xa họ hoàn toàn không cần thiết. Chính vì vậy trong biên chế của Hải quân Mỹ hầu hết chỉ có tàu ngầm nguyên tử.

Nhưng đó chỉ là những thời gian đã qua, giờ đây có lẽ quan điểm của người Mỹ đã có những thay đổi cơ bản. Trong giai đoạn ngày nay, sự phát triển của tàu ngầm phi nguyên tử đã có những bước phát triển vượt bậc, các thông số kỹ chiến thuật không những không thua tàu ngầm hạt nhân mà còn phát triển cao hơn. Năm 2003, tàu ngầm diezel thế hệ thứ 4 của Thụy Điển Halland đã chiến thắng tàu ngầm nguyên tử của Pháp trong cuộc đấu tay đôi. Đồng thời trong một cuộc tập trận, tàu ngầm của Thụy Điển cũng chiến thắng, phóng ngư lôi giả tưởng trúng tầu ngầm nguyên tử Huston của Mỹ. Đồng thời một trong những đặc điểm vượt trội của tầu ngầm diezel là kinh tế hơn tàu ngầm nguyên tử đến 4,5 lần. Vì vậy, người Mỹ đã mua lisence sản xuất tàu ngầm diezel thế hệ thứ 4.

Tầu ngầm động cơ Stirling Gotland trên biển nước Mỹ.

Một thời gian dài, những tàu ngầm phi nguyên tử có một nhược điểm được coi là không thể khắc phục được, đó là chỉ có thể hải hành dưới mặt nước từ 3-4 ngày, để tiếp tục nạp điện cho bình điện cần phải nổi lên. Trong khoảng thời gian nạp điện tàu ngầm mất đi ưu thế quan trọng của nó – khả năng ẩn náu dưới làn nước biển và trở thành mục tiêu rất dễ bị tiêu diệt. Các nhà thiết kế tàu ngầm đã rất đau đầu trước vấn đề này cho đến khi xuất hiện các lò phản ứng hạt nhân nguyên tử.

Nghiên cứu giải quyết điện nguồn của tàu ngầm được người Nga nghiên cứu vào những năm 1935, dưới sự lãnh đạo của nhà thiết kế СССР S. Basilewski. Ông đề xuất sử dụng hydro lỏng trong các thùng với nhiệt độ -180oC. Để thử nghiệm đã chế tạo tàu ngầm C-92 ( P-1 sau năm 1940) năm 1939 trong các cuộc thử nghiệm tàu ngầm đã hoạt động thiếu không khí 5giờ30 phút. Nhưng cuối cùng chính các nhà thiết kế Xô viết đã vướng vào giải quyết vấn đề hydro lỏng và không có phương án tốt hơn.

Trong Đại chiến thế giới lần thứ II, động cơ diezel cũng được các nhà thiết kế người Đức cố gắng giải quyết, họ thiết kế tàu ngầm thế hệ XXVI, sử dụng phương thức oxy hóa với hydro, nhưng kết quả cũng rất thấp. Thế hệ tàu ngầm này trở thành chiến lợi phẩm của quân Đồng minh, và trên cơ sở các tàu ngầm này, đã chế tạo các trạm nguồn sử dụng động cơ không cần không khí, lắp đặt trên các tàu ngầm. Thế hệ tàu ngầm với trạm nguồn không dùng không khí được chế tạo ở nước Liên Xô vào những năm 1955 – 1958 theo dự án A615. Chiến sỹ hải quân tàu ngầm gọi loại tàu này là "bật lửa " do tàu hoạt động rất không ổn định và thường dễ bắt cháy.

Sơ đồ tàu ngầm Bật lửa.

Đồng thời cùng với dự án Bật lửa, ở trung tâm nghiên cứu phát triển tàu ngầm SKB tại Leningrad phát triển tàu ngầm với dụ án 617, thực tế đó là copy mẫu tầu loại XXVI của Đức. Chiếc tàu ngầm đầu tiên C-99 được hạ thủy vào năm 1951. Trạm nguồn tàu ngầm có thể cho phép tầu ngầm hoạt động 6 giờ liên tục dưới nước với tốc độ 20 hải lý/ giờ. Mùa thu năm 1959 trong khoang tuốc bin ở độ sâu 80 m phát nổ, nhưng tàu cũng cố chạy về bến cảng. Trong quá trình kiểm tra tai họa, đã phát hiện nguyên nhân nổ do giãn nở khí khi tiếp xúc với chất bẩn lọt vào van khóa bình khí nén.

Cũng trong thời gian này, các nhà khoa học Liên Xô tích cực chế tạo những chiếc tàu ngầm nguyên tử đầu tiên. Về những động cơ không cần không khí, mọi người dần dần quên lãng.

Những nghiên cứu được khởi động lại vào những năm 70. Trạm nguồn thử nghiệm với động cơ điện hóa được sử dụng cho tàu ngầm dự án 613 có tên là Katran và vào năm 1988 đã vượt qua những thử nghiệm quốc gia thành công. Nhưng sau đó Liên bang Xô viết tan rã và dự án bị đóng băng.

Nhưng những nước cạnh tranh trong lĩnh vực tàu ngầm diezel vẫn tích cực nghiên cứu phát triển mạnh mẽ và đạt được những kết quả khả quan. Sự khác nhau quan trọng giữa tầu ngầm diezel với tầu ngầm phi nguyên tử thế hệ 4 là trạm nguồn năng lượng không cần không khí, trạm nguồn không cần không khí cho phép tàu ngầm có khả năng hoạt động lâu dài dưới đáy biển mà không cần nổi lên mặt nước, thời gian hoạt động ngầm lên đến 700 – 1.000 giờ. Dự án tàu ngầm được coi là tốt nhất là dự án Varshavyanka.

Mặt cắt tầu ngầm sử dụng động cơ không không khí ( dự án 677).

Những tàu ngầm thế hệ thứ 4 được đóng là của hãng Howaldtswerke-Deutsche Werft GmbH (HDW) và Thyssen Nordseewerke GmbH (TNSW) của Đức, hãng này đã đóng 4 chiếc tầu Type 212 (tàu ngầm cho xuất khẩu là Type 214)

Mô phỏng tàu ngầm Liên bang Đức type 212.

Chạy đua người Đức trong cuộc chạy đua này là Thụy Điển. Họ đã tiến mạnh theo hướng phát triển của mình và thực tế đã hoàn toàn bỏ qua phương án sử dụng hydro, phát triển động cơ chu trình kín Strirling. Nguyên tắc của động cơ này là lần lượt đốt nóng và làm lạnh vật chất trong 1 xi lang đóng kín. Vật chất trong xi lanh, thông thường sử dụng không khí, nhưng có thể sử dụng heli hoặc hydro. Giải pháp của người Thụy Điển đã thành công tuyệt đối, làm thay đổi hoàn toàn công nghệ chế tạo động cơ tàu biển. Tàu ngầm Gotland của Thụy điển được đánh giá là một trong các tàu ngầm tốt nhất hiện nay.

Tàu ngầm động cơ Stirling Gotland Thụy Điển.

Ở nước Nga, thử nghiệm đầu tiên thiết kế và đóng tầu thế hệ 4 là dự án 677 Lada, Trung tâm nghiên cứu và thiết kế tàu ngầm Rubin bắt đầu phát triển dự án vào năm 1989. Nhưng phải đến ngày 26.10.1997, trong nhà kho đóng kín của Tổ hợp tập đoàn JSC Admiralteyskie Verfi có trụ sở tại thành phố Peter đã giới thiệu chiếc tàu ngầm thế hệ thứ 4 của Nga với tên gọi là St. Petersburg. Nhưng mãi sau chín năm, tức là đến năm 2007 nó mới được hạ thủy, nhưng vẫn chưa được biên chế vào lực lượng Hải quân liên bang

Tàu ngầm Lada, dự án tầu ngầm sử dụng động cơ không không khí Stirling sản xuất tại Nga.

Phòng điều khiển tàu ngầm Lada hiện đại và tiện dụng

Nếu so sánh với lớp vỏ hai thân của tàu Varshavyana, lượng giãn nước của tàu Lada giảm xuống rất nhiều, từ 2.300 tấn xuống còn 1.765 tấn. Tốc độ hải trình khi lặn ngầm tăng từ 19 hải lý/giờ đến 21 hải lý/giờ. Kíp lái giảm từ 52 người xuống còn 36 thuyền viên. Thời gian lặn ngầm là 45 ngày. Nhà chế tạo cũng dự kiến sẽ lắp động cơ yếm khí được sản xuất tại Nga, nhưng đến đợt thử nghiệm cuối cùng vào năm 2007. St Peterburg vẫn chưa có được động cơ yếm khí của mình.

Cuộc đua tàu ngầm yếm khí 

Giai đoạn này cũng là giai đoạn cuối cùng của cuộc chạy đua công nghệ tàu ngầm thế hệ 4. Các chuyên gia quân sự cho rằng, trong tương lại gần, các nhà chế tạo tàu ngầm nước Nga sẽ lắp đặt trên các tàu ngầm của mình động cơ tự sản xuất Strisling chu trình kín. Đây cũng là giải pháp phải thực hiện, người Thụy điển và Nhật bản đang tích cực phát triển giải pháp này.

Mô phỏng 3D động cơ Stirling chu trình kín.

Động cơ Stirling là một động cơ nhiệt đốt ngoài sử dụng piston. Nó đã được sáng chế và phát triển bởi Reverend Dr Robert Stirling năm 1816.

Đây là loại động cơ nhiệt có hiệu suất cao, có thể đạt tới 50% đến 80% hiệu suất lý tưởng của chu trình nhiệt động lực học thuận nghịch (như chu trình Carnot) trong việc chuyển hóa nhiệt năng thành công năng, chỉ bị mất mát do ma sát và giới hạn của vật liệu. Động cơ này cũng hoạt động được trên nhiều nguồn nhiệt, từ năng lượng Mặt Trời, phản ứng hóa học đến phản ứng hạt nhân.

Hoạt động của động cơ Stirling.

Động cơ Stirling có thể có giá thành cao hơn các động cơ đốt trong cùng công suất, nhưng có những đặc tính thích nghi cho nhiều ứng dụng. Nó có hiệu suất cao hơn, không gây nhiều tiếng ồn, hoạt động ổn định và bền, không cần bảo dưỡng nhiều, và có thể hoạt động với chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh trong dải rộng từ cỡ chục độ C đến hàng nghìn độ C.

Với giá thành năng lượng đang tăng những năm đầu thế kỷ 21, cùng với lo lắng về sự nóng lên của Trái Đất, các động cơ Stirling đang dần được quan tâm để đưa vào các nhà máy phát điện với năng lượng tái tạo và lĩnh vực tầu ngâm phi nguyên tử.

Model animation động cơ Stirling .

Các thiết kế khác nhau của động cơ Stirling thường có một khối khí bao bọc trong buồng kín xi lanh, trong đó chất khí có thể là không khí, hydro hay heli. Buồng chứa chất khí có hai phần, một phần tiếp xúc với nguồn nhiệt có nhiệt độ cao, phần kia tiếp xúc với nơi có nhiệt độ thấp.

Trong quá trình hoạt động, khối khí trong buồng sẽ được đẩy qua đẩy lại từ phần nóng sang phần lạnh hoặc ngược lại, nhờ vào sự di chuyển của các piston hoặc các con chạy có chức năng hoán đổi thể tích chứa khí giữa hai phần. Khối khí khi dao động qua lại giữa phần nóng và phần lạnh sẽ thực hiện công lên một piston chịu lực. Piston chịu lực sẽ vận hành bánh đà và máy móc bên ngoài, đồng thời có thể điều khiển sự di chuyển của các piston hoặc con chạy để di chuyển khối khí qua lại giữa hai phần nóng và lạnh.

Trong hầu hết các thiết kế, không cần thiết có van để đóng mở dòng lưu thông của khí, do đó hệ thống cơ học khá đơn giản và có độ tin cậy cao.

Một bộ phận quan trọng trong động cơ Stirling là phần giữ nhiệt, nằm trên đường di chuyển của khối khí từ phần nóng sang phần lạnh, thường làm bằng khối dây kim loại. Nó có tác dụng hấp thụ nhiệt của khối khí từ phần nóng đi qua, lưu giữ nhiệt năng này, và hâm nóng khối khí đi từ phần lạnh tới. Phần này có tác dụng làm tăng đáng kể hiệu suất của động cơ, và là một chi tiết quan trọng trong sáng chế của Robert Stirling năm 1816. Trong một số thiết kế, con chạy vừa đóng vai trò đẩy khí qua lại giữa phần nóng và phần lạnh, vừa có vai trò giữ nhiệt.

Động cơ Stirling hoạt động theo chu trình Stirling gồm bốn giai đoạn: Làm lạnh, nén, hâm nóng và giãn nở.

Chu trình Stirling lý tưởng là một chu trình nhiệt động lực học thuận nghịch và do đó có cùng hiệu suất với chu trình Carnot (khi hoạt động giữa các nguồn nhiệt giống nhau). Hiệu suất thực tế thấp hơn, nhưng cao hơn động cơ đốt ngoài khác như động cơ hơi nước và cao hơn hầu hết các động cơ đốt trong hiện đại (động cơ Diesel hay động cơ xăng).

Chu trình.

Bốn quá trình của chu trình Stirling lý tưởng là:

1- làm lạnh đẳng tích

2- nén đẳng nhiệt

3- hâm nóng đẳng tích

4- giãn nở đẳng nhiệt

Chu trình lý tưởng này có sự biến đổi thể tích và áp suất đột ngột giữa các giai đoạn. Chu trình Stirling thực tế có sự chuyển tiếp từ từ hơn. Trên thực tế, quá trình làm lạnh hay hâm nóng có thể có hiệu suất nằm giữa 100% (đẳng nhiệt), tới 0% (đoạn nhiệt)

WhisperGen, một công ty ở New Zealand có trụ sở ở Christchurch, đã chế tạo các máy phát điện và cung cấp nhiệt dùng động cơ Stirling mang tên microCHP. Chúng dùng khí thiên nhiên để vừa sản xuất điện bán cho lưới điện công cộng, vừa đun nóng nước. Năm 2004, họ công bố đã bán 80.000 máy như này cho các hộ gia đình ở Anh. 20 máy khác đã được thử nghiệm ở Đức năm 2006. Sự phát triển và hoàn thiện động cơ Stirling có thể là động cơ của tương lai, trong đó hóa học an toàn ( hữu cơ) và cơ cấu Sterling sẽ là động cơ của tất cả các phương tiện vận tải, giao thông đang sử dụng động cơ đốt trong (diezen, xăng)

Máy phát điện dùng gương lõm tập trung ánh nắng vào đầu nóng của động cơ Stirling nằm ở tiêu điểm của gương.

Các máy phát điện hội tụ ánh sáng mặt trời vào động cơ Stirling cho hiệu suất cao hơn pin Mặt Trời. Ngày 11.8.2005, Southern California Edison công bố việc mua các máy phát điện năng lượng Mặt Trời dùng động cơ Stirling từ Stirling Energy Systems trong vòng 20 năm với số lượng (20.000 chiếc) đủ để tạo ra 500 megawatt điện năng. Các hệ thống này được lắp đặt trên một vùng rộng 19 km² để hứng ánh nắng Mặt Trời.

Các động cơ Stirling có thể tận dụng năng lượng Mặt Trời để bơm nước, thay vì phát điện, cho những công trình thủy lợi. Luồng nước vào ra có chức năng tản nhiệt luôn cho phần lạnh của động cơ.

Động cơ Stirling đã được lắp đặt trên tàu ngầm bởi Kockums, một cơ sở đóng tàu của Thụy Điển.

Động cơ Stirling có tiềm năng ứng dụng trong nhà máy phát điện dùng năng lượng hạt nhân hoặc địa nhiệt.

Động cơ Stirling cũng đã được nghiên cứu để ứng dụng trên máy bay.

Trong tương lai của tàu nổi và tàu ngầm, sự kết hợp hoàn hảo giữa động cơ tuốc bin phản lực sử dụng nhiên liệu sạch, đồng cơ chu trình kín Stirling sẽ là đưa thế giới chuyển động sang một hướng mới về động lực học. Bất cứ nước nào đang có tiềm năng kinh tế biển, nếu vẫn duy trì sự tồn tại của động cơ diesel, sẽ thua trong chiến lược phát triển kinh tế biển.

Cũng cần phải nói thêm rằng Trung Quốc, vốn rất nhạy cảm với bất cứ sự hiển diện nào của công nghệ, đặc biệt là công nghệ cao cũng không đứng ngoài cuộc. Đã có những sản phẩm đầu tiên mang tính thương mại của động cơ Stirling. Không xa lắm, ở độ sâu khoảng 300 m dưới những vùng biển tranh chấp, chúng ta sẽ gặp những công trình ngầm, căn cứ quân sự, và những chiếc tầu ngầm sử dụng điện năng có từ động cơ Stirling và mang màu cờ Trung Quốc.

(Theo Tienphong Online)