Tàu ngầm lặn, nổi và di chuyển thế nào? Tắt máy có bị chìm không?

Một tàu ngầm hiện đại có thể nặng hàng nghìn, thậm chí hàng chục nghìn tấn, nhưng vẫn có thể nổi trên mặt biển, lặn xuống độ sâu hàng trăm mét, giữ mình ở một tầng nước tương đối ổn định rồi trở lại mặt nước một cách có kiểm soát. Điều này khiến nhiều người hình dung tàu ngầm hoạt động giống một con cá khổng lồ: muốn lặn thì chúc mũi xuống, muốn nổi thì ngóc mũi lên. Thực tế phức tạp hơn nhiều. Khả năng lặn, nổi và giữ độ sâu của tàu ngầm là kết quả của sự phối hợp giữa lực nổi, trọng lượng, hệ thống két dằn, hệ thống cân bằng, các mặt điều khiển thủy động lực học và lực đẩy. Vì vậy, khi hệ thống đẩy ngừng hoạt động, tàu ngầm không mặc nhiên chìm xuống đáy. Nó có thể nổi lên, giữ gần nguyên độ sâu hoặc tiếp tục chìm tùy trạng thái cân bằng tại thời điểm đó.

Vì sao tàu ngầm – một khối thép khổng lồ vẫn có thể nổi?

Nguyên lý cơ bản chi phối hoạt động của tàu ngầm là định luật Archimedes. Một vật nằm trong nước chịu lực đẩy hướng lên bằng trọng lượng của lượng nước mà vật đó chiếm chỗ. Đối với tàu ngầm, có hai lực chính tác động theo phương thẳng đứng: trọng lượng của tàu kéo nó xuống và lực nổi của nước đẩy nó lên. Nếu lực nổi lớn hơn trọng lượng, tàu có xu hướng đi lên; nếu hai lực gần bằng nhau, tàu có thể duy trì độ sâu tương đối ổn định; nếu trọng lượng lớn hơn lực nổi, tàu có xu hướng chìm xuống. Một khối thép đặc thường chìm vì khối lượng riêng của thép lớn hơn nhiều so với nước, nhưng tàu ngầm không phải một khối thép đặc. Phần lớn thể tích bên trong là các khoang chứa không khí, máy móc, thiết bị, không gian sinh hoạt, kho vũ khí và nhiều hệ thống khác, nhờ đó khối lượng riêng trung bình của toàn bộ con tàu có thể được điều chỉnh để nhỏ hơn, xấp xỉ hoặc lớn hơn khối lượng riêng của nước biển.

Khi tàu nổi trên mặt nước, nó có lực nổi dương rõ rệt. Khi hoạt động dưới nước, tàu thường được cân bằng rất gần trạng thái nổi trung tính, nghĩa là trọng lượng và lực nổi gần tương đương nhau. Đây là trạng thái thuận lợi vì con tàu không phải liên tục dùng công suất lớn chỉ để chống chìm hoặc chống nổi. Tuy nhiên, sự cân bằng này không tuyệt đối và cũng không cố định. Việc tiêu thụ nhiên liệu, thực phẩm, nước ngọt, phóng vũ khí, thay đổi nhiệt độ hoặc độ mặn của nước đều có thể làm tàu lệch khỏi trạng thái mong muốn.

Két dằn và hệ thống cân bằng của tàu ngầm hoạt động ra sao?

Phần lớn tàu ngầm quân sự hiện đại được xây dựng quanh một vỏ chịu áp lực có nhiệm vụ bảo vệ thủy thủ đoàn và thiết bị trước áp suất rất lớn của nước biển. Bên ngoài hoặc bao quanh cấu trúc này là phần vỏ có hình dáng thủy động lực học nhằm giảm sức cản và tiếng ồn. Các két dằn chính thường được bố trí ở những khu vực nằm ngoài vỏ chịu áp lực. Khi tàu đang nổi, phần lớn két dằn chính chứa không khí, khiến tổng khối lượng riêng của tàu nhỏ hơn nước biển. Khi chuẩn bị lặn, các van thông khí phía trên két được mở, không khí thoát ra và nước biển tràn vào qua các cửa thông phía dưới. Khối lượng tàu tăng lên trong khi thể tích chiếm chỗ gần như không đổi, khiến lực nổi dự trữ giảm mạnh và tàu chuyển sang trạng thái thích hợp để lặn.

Tuy nhiên, két dằn chính chỉ giải quyết phần lớn sự chuyển đổi giữa trạng thái nổi và trạng thái lặn. Để giữ độ sâu và tư thế thật chính xác, tàu còn có các két điều chỉnh trọng lượng và hệ thống trim. Các két điều chỉnh giúp bù lại những thay đổi nhỏ trong khối lượng của tàu, còn hệ thống trim phân bố lại khối lượng giữa phần trước và sau thân tàu để kiểm soát góc chúi hoặc ngóc. Nếu trọng tâm lệch quá nhiều về phía mũi, tàu có xu hướng chúi xuống; nếu lệch về phía đuôi, mũi có xu hướng ngóc lên. Bởi vậy, trước và trong quá trình hoạt động dưới nước, thủy thủ đoàn phải liên tục theo dõi và tinh chỉnh trạng thái cân bằng của con tàu.

Tàu ngầm lặn xuống biển như thế nào?

Quá trình lặn bắt đầu bằng việc đưa con tàu vào trạng thái kín nước và chuẩn bị các hệ thống cho hoạt động ngầm. Đối với tàu diesel-điện, động cơ diesel không thể tiếp tục hoạt động khi tàu lặn hoàn toàn vì cần không khí để đốt nhiên liệu, nên tàu chuyển sang sử dụng năng lượng từ ắc quy hoặc hệ thống động lực không phụ thuộc không khí nếu được trang bị. Sau đó, các két dằn chính được làm ngập để giảm lực nổi dự trữ. Khi tàu đã có vận tốc tiến, các mặt điều khiển độ sâu ở phần mũi, tháp tàu hoặc đuôi tạo ra lực thủy động tương tự cách cánh máy bay tạo lực trong không khí. Bằng cách thay đổi góc của các mặt này, tàu có thể tạo mô-men khiến mũi chúi xuống hoặc ngóc lên.

Điểm quan trọng là tàu ngầm không nhất thiết phải trở thành một vật nặng hơn nước rất nhiều mới có thể lặn. Trong hoạt động bình thường, nó thường được cân bằng gần trạng thái nổi trung tính rồi sử dụng lực thủy động để thay đổi quỹ đạo theo chiều sâu. Khi đến gần độ sâu mong muốn, tàu giảm góc lặn, đưa thân về gần phương ngang và tinh chỉnh hệ thống cân bằng để duy trì trạng thái ổn định. Cách vận hành này hiệu quả hơn và giúp con tàu phản ứng linh hoạt hơn nhiều so với việc liên tục nhận hoặc xả lượng lớn nước chỉ để thay đổi độ sâu.

Tàu ngầm di chuyển dưới nước bằng cách nào?

Tàu ngầm sử dụng hệ thống đẩy để tạo vận tốc và các mặt điều khiển để đổi hướng. Bánh lái hướng ở đuôi giúp tàu quay trái hoặc phải, trong khi các mặt điều khiển độ sâu giúp thay đổi góc chúi hoặc ngóc. Tùy thiết kế, các mặt điều khiển này có thể đặt ở phần mũi, trên tháp tàu hoặc ở khu vực đuôi. Khi nước chảy nhanh qua các bề mặt này, chúng tạo ra lực thủy động rất hiệu quả. Ngược lại, khi tàu gần như đứng yên, khả năng điều khiển bằng các bề mặt thủy động giảm đáng kể.

Đối với tàu diesel-điện, động cơ diesel có thể vận hành khi tàu nổi hoặc khi tàu chạy ở độ sâu kính tiềm vọng và sử dụng ống thông khí snorkel để lấy không khí từ mặt biển. Khi lặn hoàn toàn, tàu sử dụng điện từ ắc quy hoặc hệ thống AIP nếu có. Tàu ngầm hạt nhân thì khác. Lò phản ứng cung cấp nhiệt cho hệ thống sinh hơi và phát điện, cho phép tàu duy trì nguồn năng lượng trong thời gian rất dài mà không phải lấy oxy từ khí quyển để phục vụ động lực chính. Giới hạn của tàu hạt nhân trong một chuyến lặn dài thường không nằm ở nhiên liệu phản ứng mà ở thực phẩm, bảo trì kỹ thuật và khả năng làm việc của thủy thủ đoàn.

Khi tắt máy, tàu ngầm có bị chìm xuống đáy không?

Câu trả lời là không nhất thiết. Việc hệ thống đẩy ngừng tạo lực chỉ có nghĩa tàu không còn được chân vịt hoặc thiết bị đẩy duy trì vận tốc như trước. Nó không trực tiếp quyết định tàu sẽ nổi hay chìm. Nếu tàu đang có lực nổi dương nhẹ, nó sẽ có xu hướng từ từ đi lên. Nếu tàu được cân bằng gần trạng thái nổi trung tính, nó có thể duy trì độ sâu tương đối ổn định trong một khoảng thời gian, dù vẫn chịu ảnh hưởng của dòng chảy và những sai lệch nhỏ trong trạng thái trim. Nếu tàu có lực nổi âm, nó sẽ có xu hướng chìm xuống.

Ngoài lực nổi còn phải tính đến quán tính. Một tàu đang lao xuống với vận tốc đáng kể không thể dừng lại ngay khi hệ thống đẩy ngừng hoạt động. Nó vẫn tiếp tục đi theo quỹ đạo cũ một đoạn trước khi lực cản của nước và trạng thái nổi làm thay đổi chuyển động. Tương tự, một tàu đang ngóc lên cũng có thể tiếp tục đi lên trong một khoảng thời gian dù lực đẩy giảm hoặc mất hẳn. Vì vậy, tàu ngầm không vận hành giống một chiếc trực thăng phải liên tục dùng động cơ để treo mình trong môi trường xung quanh. Trạng thái theo chiều sâu của nó trước hết phụ thuộc vào cân bằng thủy tĩnh, sau đó mới được điều chỉnh bằng lực thủy động và động lực đẩy.

Tàu ngầm nổi lên mặt nước bằng cách nào?

Trong hoạt động bình thường, tàu có thể dùng các mặt điều khiển độ sâu để chuyển sang quỹ đạo đi lên trong khi vẫn duy trì vận tốc. Khi tiến gần mặt nước, các két dằn chính được làm rỗng để khôi phục lực nổi dự trữ cần thiết cho trạng thái nổi. Tùy thiết kế và chế độ vận hành, việc đẩy nước ra khỏi két có thể sử dụng khí nén hoặc các hệ thống chuyên dụng khác. Điều này khác với thao tác thổi két dằn khẩn cấp, vốn dành cho tình huống cần tạo lực nổi dương rất nhanh.

Trong trường hợp khẩn cấp, khí nén áp suất cao được đưa vào két dằn chính để đẩy lượng lớn nước biển ra ngoài trong thời gian ngắn. Khi khối lượng tàu giảm đủ mạnh, lực nổi tăng lên và tàu có xu hướng nổi nhanh về phía mặt nước. Tuy nhiên, ở độ sâu lớn, áp suất nước rất cao khiến quá trình này khó khăn hơn và đòi hỏi hệ thống khí nén đủ mạnh. Vì vậy, “thổi két khẩn cấp” không phải thao tác thường dùng mỗi khi tàu muốn nổi mà là một biện pháp an toàn dành cho những tình huống nghiêm trọng.

Nhiệt độ, độ mặn và áp suất tác động thế nào đến tàu ngầm?

Đại dương không phải một khối nước đồng nhất. Khối lượng riêng của nước biển thay đổi theo nhiệt độ, độ mặn và áp suất, vì thế lực nổi của tàu cũng thay đổi theo môi trường. Nước có độ mặn cao thường có khối lượng riêng lớn hơn nước ít mặn, khiến cùng một con tàu có xu hướng nổi hơn trong vùng nước mặn và nặng tương đối hơn khi đi vào vùng nước lợ. Nhiệt độ cũng có ảnh hưởng vì nước lạnh thường đặc hơn nước ấm trong phần lớn điều kiện đại dương. Khi tàu di chuyển giữa các tầng nước có đặc tính khác nhau, trạng thái nổi có thể thay đổi đủ để thủy thủ đoàn phải điều chỉnh lại hệ thống cân bằng.

Áp suất cũng tăng rất nhanh theo độ sâu. Vỏ chịu áp lực của tàu ngầm có độ cứng rất lớn nhưng vẫn bị biến dạng đàn hồi ở mức nhỏ dưới áp suất nước. Sự thay đổi nhỏ về thể tích chiếm chỗ có thể ảnh hưởng đến lực nổi, nhất là đối với một vật thể nặng hàng nghìn tấn. Bản thân nước biển cũng bị nén theo độ sâu, vì vậy bài toán cân bằng của tàu ngầm thực tế phức tạp hơn nhiều so với mô hình đơn giản trong sách giáo khoa.

Tàu ngầm có thể đứng yên hoàn toàn giữa đại dương không?

Về lý thuyết, một tàu được cân bằng hoàn hảo có thể duy trì độ sâu mà không cần tạo lực đẩy lớn. Trong thực tế, trạng thái đứng yên tuyệt đối gần như không tồn tại. Dòng hải lưu, chênh lệch nhiệt độ và độ mặn, thay đổi khối lượng trên tàu cùng với những biến động nhỏ của chính con tàu đều khiến trạng thái cân bằng liên tục dịch chuyển. Bởi vậy, thủy thủ đoàn và các hệ thống tự động phải thường xuyên theo dõi độ sâu, tư thế, tốc độ chìm hoặc nổi và trạng thái trim để thực hiện những điều chỉnh rất nhỏ nhưng liên tục.

Điều gì xảy ra nếu nước biển tràn vào bên trong tàu ngầm?

Nước lọt vào bên trong vỏ chịu áp lực là một trong những tình huống nguy hiểm nhất đối với tàu ngầm. Khối lượng tàu tăng lên nhanh chóng trong khi thể tích chiếm chỗ không tăng tương ứng, khiến lực nổi tương đối giảm. Nếu lượng nước lớn tập trung ở một khu vực, tàu còn có thể mất cân bằng nghiêm trọng theo chiều dọc. Các biện pháp ứng phó có thể bao gồm cô lập khoang bị ngập, kiểm soát nguồn nước tràn, điều chỉnh trim, sử dụng hệ thống dằn và cố gắng đưa tàu về độ sâu an toàn. Khả năng cứu tàu phụ thuộc vào vị trí hư hỏng, tốc độ ngập, độ sâu, tình trạng động lực và cấu tạo của từng lớp tàu.

Nếu tàu tiếp tục chìm xuống dưới giới hạn chịu đựng của vỏ chịu áp lực, kết cấu có thể mất ổn định và sụp vào trong dưới áp suất cực lớn của nước biển. Giới hạn này thường được gọi là collapse depth, tức độ sâu mà vỏ chịu áp lực có nguy cơ sụp đổ. Các con số thực tế của tàu ngầm quân sự thường không được công bố chính xác vì liên quan trực tiếp đến khả năng tác chiến và an toàn của từng lớp tàu.

Những hiểu lầm phổ biến nhất về cách vận hành tàu ngầm

Một trong những hiểu lầm thường gặp nhất là cho rằng tàu ngầm chỉ cần chúc mũi xuống là có thể lặn. Thực tế, các mặt điều khiển độ sâu chỉ tạo ra lực thủy động hiệu quả khi tàu có vận tốc, trong khi trạng thái lực nổi của toàn tàu vẫn phải được kiểm soát. Một quan niệm sai khác là “tắt máy thì tàu chìm xuống đáy”, trong khi xu hướng chìm hay nổi chủ yếu phụ thuộc vào quan hệ giữa trọng lượng và lực nổi. Cũng không chính xác nếu cho rằng két dằn chính phải dùng máy bơm để hút nước vào khi lặn, bởi nước biển có thể tràn vào két khi van thông khí mở và các cửa thông biển cho phép nước đi vào. Tương tự, việc nổi lên không phải lúc nào cũng đồng nghĩa với thổi két bằng khí nén áp suất cao; tàu có thể sử dụng các mặt điều khiển để đi lên rồi khôi phục lực nổi dự trữ khi tiếp cận mặt nước.

Một hiểu lầm khác là tàu ngầm hạt nhân “không cần điện”. Thực tế, điện vẫn là một trong những hệ thống sống còn của con tàu, cung cấp năng lượng cho cảm biến, máy tính, máy bơm, hệ thống điều khiển, chiếu sáng, thông khí và vô số thiết bị khác. Lò phản ứng chỉ đóng vai trò là nguồn năng lượng sơ cấp để tạo ra nhiệt và điện. Cuối cùng, ngay cả một tàu đã được cân bằng gần như hoàn hảo cũng không thể giữ trạng thái bất biến mãi mãi, bởi môi trường biển và bản thân con tàu luôn thay đổi.

Một bài toán cân bằng tinh vi dưới đại dương

Tàu ngầm không phải một chiếc “thùng thép biết lặn”, càng không phải một vật thể chỉ cần bơm nước vào là chìm và thổi khí ra là nổi. Khả năng hoạt động của nó là kết quả của sự phối hợp giữa định luật Archimedes, hệ thống két dằn, phân bố trọng lượng, hình dạng thủy động lực học, vận tốc và các mặt điều khiển. Một chiếc tàu ngầm hoạt động bình thường thường được đưa tới trạng thái cân bằng rất gần với môi trường xung quanh, sau đó dùng những lực tương đối nhỏ nhưng được kiểm soát chính xác để thay đổi độ sâu và hướng đi.

Bởi vậy, khi hệ thống đẩy ngừng hoạt động, tàu ngầm không mặc nhiên rơi xuống đáy như một hòn đá. Chuyển động tiếp theo của nó phụ thuộc vào tổng hợp giữa trọng lượng, lực nổi, quán tính, tư thế thân tàu và chuyển động của khối nước xung quanh. Chính khả năng kiểm soát những yếu tố ấy với độ chính xác rất cao đã khiến tàu ngầm trở thành một trong những cỗ máy phức tạp và tinh vi nhất từng được con người chế tạo.