Điều ít biết về động cơ tàu ngầm AIP

Ít ai biết rằng, hệ thống động cơ AIP trang bị trên nhiều tàu ngầm tối tân ngày nay đã bắt đầu xuất hiện từ cuối thế kỷ 19 - đầu 20.
Hiện nay, trong thiết kế tàu ngầm, các quốc gia có công nghiệp đóng tàu quân sự hàng đầu thế giới như Nga, Pháp, Nhật, Trung Quốc đều cố gắng trang bị động cơ AIP thế hệ mới. Có thể nói, loại động cơ này đang rất được nhiều quốc gia “ưa thích” mặc dù công nghệ AIP không dễ phát triển, chỉ vài quốc gia có thể thiết kế hệ động lực này.
Vậy, tại sao các nước lại thích thú động cơ AIP trên tàu ngầm tới như vậy, trước hết cần phải tìm hiểu động cơ AIP là gì?


AIP là gì?

AIP là viết tắt của cụm tự Air-independent propulsion dịch ra nghĩa là hệ thống động lực không dùng không khí. Thuật ngữ AIP dùng để chỉ những động cơ tàu ngầm có thể hoạt động mà không cần sử dụng oxy lấy từ không khí (thông qua việc nổi lên sạc ắc qui, hay dùng ống thở). Với các tàu ngầm điện - diesel trước đây, chúng chạy bằng ắc quy để có độ ồn thấp, đảm bảo bí mật … Nhưng chúng lại có điểm yếu, đó là thời gian hoạt động liên tục dưới lòng biển ngắn, phải thường xuyên nổi lên lấy oxy, chạy máy phát điện, sạc ắc qui. Điều đó cực kì nguy hiểm, dễ bị đối phương phát hiện và truy kích, tiêu diệt.

Tàu ngầm phi hạt nhân Scorpene (Pháp) trang bị hệ thống AIP.

Điển hình của tàu ngầm không có công nghệ AIP là lớp Kilo Project 877/636. Chúng chỉ có ắc qui nên tính năng vận động không cao, độ sâu lặn và tốc độ cơ động thấp, tầm hoạt động ngắn. Nhiều loại tàu ngầm không có công nghệ AIP cố gắng khắc phục hạn chế bằng cách không nổi lên, mà chỉ nạp không khí qua ống thở phi kim loại. Nhưng điều này cũng không giúp được gì nhiều, bởi khi nổi lên gần mặt biển, tàu ngầm sẽ bộc lộ tín hiệu.
Nhằm giúp cho tàu ngầm có khả năng hoạt động dài ngày, có sức cơ động cao mà vẫn đảm bảo bí mật, đã có nhiều phương án để tàu ngầm có thể hoạt động mà không cần lấy không khí bên ngoài.
Những bước đi trong quá khứ
Trong lịch sử, ngay từ năm 1867 đã xuất hiện loại động cơ sử dụng peroxide do Narcís Monturiol i Estarriol (người Tây Ban Nha) phát minh. Sau đó, năm 1908, Hải quân Đế quốc Nga đưa vào biên chế tàu ngầm Pochtovy (Bưu chính) sử dụng động cơ xăng với khí nén, không cần lấy không khí từ bên ngoài. Tuy nhiên, Pochtovy bộc lộ nhiều hạn chế, do ý tưởng thiết kế vượt quá xa trình độ công nghệ bấy giờ. Con tàu buộc phải dừng hoạt động năm 1913.

Đức cũng đã từng chế tạo hệ thống AIP cho tàu ngầm lớp U.

Trong Chiến tranh Thế giới lần thứ 2, trước việc máy mật mã Enigma bị lộ, tàu ngầm U-boat (Hải quân phát xít Đức) bị “bắt thóp” khi nổi lên nạp không khí, sạc ắc qui. Người Đức đã đẩy mạnh việc phát triển tàu ngầm sử dụng hydro peroxide H2O2 đậm đặc, lấy oxy từ trong nước biển.
Theo đó, các tuốc bin hơi nước của tàu sử dụng nhiên liệu diesel, đốt cháy bằng oxy lấy từ phản ứng phân hủy H2O2, với chất xúc tác là kali pemanganat KMnO3. Một mẫu thử mang tên U-1407 đã được chế tạo, nhưng bị đánh chìm. Phản ứng phân hủy hydro peroxide sinh ra nhiều nhiệt, dễ gây cháy nổ. Thêm vào đó, chúng cũng là chất ăn mòn mạnh, nên phương án động cơ AIP này yêu cầu kĩ thuật cao.
Động cơ hạt nhân cũng là một dạng AIP
Điều đáng ngạc nhiên là động cơ sử dụng lò phản ứng hạt nhân cũng được xem là một dạng của động lực AIP. Thực tế điều này cũng không có gì lạ, vì với việc sử dụng lò phản ứng, các tàu ngầm không phải nổi lên sạc ắc qui, lấy oxy.
Tuy nhiên, các tàu ngầm sử dụng lò phản ứng hạt nhân lại có độ ồn rất cao, cao nhất trong các thiết kế động cơ AIP, do tuốc bin lò phản ứng phải chạy liên tục, rất dễ lộ. Bản thân các động cơ AIP nói chung lại ồn hơn các động cơ của tàu ngầm điện – diesel thông thường như Kilo Project 636. Lý do là các động cơ AIP phải sử dụng bơm đẩy hydro-oxy gây ồn cao, trong khi tàu ngầm thông thường chỉ sử dụng ắc qui.
Do đó, động cơ AIP chỉ được trang bị cho các tàu ngầm hoạt động ở biển xa, thiên về tấn công. Còn với những vùng biển nông, biển gần, những lực lượng hải quân nhỏ, thiên về phòng ngự, đề cao yếu tố bí mật trong phục kích như Hải quân Nhân dân Việt Nam, giải pháp tàu ngầm điện – diesel không có động cơ AIP là hợp lí.

Tàu ngầm hạt nhân tấn công Lyra Project 705 có thể đạt tốc độ cực cao dưới mặt nước.

Với các tàu ngầm sử dụng động cơ AIP, để bù đắp vào nhược điểm độ ồn cao, chúng phải có biện pháp ngụy trang tốt, như bọc vỏ tàu bằng lớp cao su dày hấp thụ âm thanh, treo máy đẩy lên đệm từ trường không tiếp xúc với bi bạc gây ồn, điều tốc trực tiếp chân vịt không sử dụng cơ cấu truyền động bằng dây cu-roa hay bánh răng...
Đổi lại, những tàu ngầm động cơ AIP có tính năng vận động rất mạnh, không cần nổi lên lấy không khí dễ gây lộ vị trí. Tiêu biểu như tàu ngầm Lyra Project 705 (Liên Xô), có thể vận động dưới biển với tốc độ như một xe ô tô 41 hải lí/h (76km/h) và lặn sâu đến 600m.
Một điểm cũng cần đề cập đến, đó là đa số các động cơ AIP (trừ động cơ sử dụng lò phản ứng hạt nhân) chưa thể coi là nguồn động lực chính cho tàu ngầm. Một ví dụ, trong khi tàu ngầm Kilo cải tiến Project 636 có công suất 5.900 mã lực, thì tàu ngầm Lada Project 677 (được cải tiến từ Project 636, với động cơ AIP) chỉ có công suất 2.700 mã lực. Việc giữ được bí mật mà vẫn đảm bảo tính năng vận động vận là một bài toán nan giải.
Cuộc chạy đua của các quốc gia
Hiện nay, các quốc gia có công nghệ đóng tàu ngầm hàng đầu thế giới vẫn đang nỗ lực phát triển giải pháp động lực AIP để nâng cao khả năng tác chiến cho các tàu ngầm.
Đi đầu là nước Đức dùng công nghệ pin hydro của hãng Siemens. Loại pin này sử dụng oxy và hydro để phát điện, nhưng được ứng dụng công nghệ nano để thu nhỏ kích cỡ, nén công suất bằng màng lọc proton nano. Đây là phương án rất tiên tiến, vì pin hydro cũng không gây ồn cao, chỉ kém các động cơ diesel – điện thông thường. Công nghệ này được sử dụng trên các tàu ngầm phi hạt nhân Type 209, Type 214.
Những chất như hydro peroxide có ưu điểm giữ bí mật cao, khí thải có thể đưa ra biển hoặc hấp thụ bằng các chất rẻ tiền như vôi …, khiến đối phương khó có thể phát hiện. Tuy nhiên, chúng lại khá nguy hiểm, dễ gây cháy nổ. Công nghệ pin hydro được dự báo sẽ thay thế việc sử dụng các chất oxy hóa như H2O2.

Tàu ngầm phi hạt nhân lớp Lada Project 677 của Nga dùng động cơ AIP.

Ngoài ra, Nga cũng có động cơ diesel chu kì khép kín,sử dụng oxy lỏng. Pháp có động cơ tuốc bin MESMA sử dụng ethanol và oxy nén với áp lực gấp 60 lần áp lực khí quyển, giúp khí thải CO2 có thể được đẩy xuống rất sâu, giữ bí mật cho tàu ngầm.
Tàu ngầm Soryu của Nhật Bản được trang bị 4 động cơ AIP chu trình đóng Stirling. Đây là một loại động cơ nhiệt hoạt động bằng cách nén vòng oxy lỏng và nhiên liệu diesel. Nó bao gồm 2 xy lanh chứa nhiên liệu lỏng, một được duy trì ở nhiệt độ cao, một được duy trì ở nhiệt độ thấp. Hai xy lanh được nối thông với nhau, sự chênh lệch về nhiệt độ và áp suất giữa 2 xy lanh tạo nên quá trình nén và xả trong một chu trình khép kín nên được gọi là động cơ chu trình đóng.
Trong tương lai, với công nghệ pin hydro, sẽ xuất hiện những động cơ AIP mới, với công suất mạnh hơn, hiệu quả hơn, mang đến cho tàu ngầm khả năng giữ bí mật cao, phát huy được đầy đủ sức mạnh của mình.
Lương Minh