Tìm hiểu về tàu ngầm Kilo (phần 3)

Tìm hiểu về tàu ngầm Kilo (phần 1)
Tìm hiểu về tàu ngầm Kilo (phần 2)

* * *
 
Câu trả lời đơn giản đến mức hầu hết các bạn đã đoán ra: đỉnh tiếng ồn của các tàu châu Âu và Liên Xô ở tần số 50Hz! Đó chính là tần số của máy phát điện trên tàu.

Tiêu chuẩn về điện công nghiệp ở Nga và châu Âu là 50Hz, còn ở Mỹ là 60Hz. Các thiết bị điện dân dụng hiện nay có thể dùng lẫn hai tần số này, và một nồi cơm điện loại 60Hz vẫn sẽ nấu cơm ngon nếu ta cắm nó vào lưới điện 50Hz. Tuy nhiên, với các thiết bị tinh xảo của tàu ngầm, duy trì nguồn cấp điện đúng tần số chỉ định là việc tối quan trọng. Vì thế máy phát điện ở mỗi loại tàu sẽ hoạt động ở đúng tần số thiết kế, và kéo theo nó là âm thanh đặc trưng.

Như đã nói ở phần trên, tiếng động là một trong những cách thức quan trọng nhất để phát hiện và theo dấu tàu ngầm. Đối với các nhà thiết kế và chế tạo, giảm tiếng động cho tàu cũng tương đương như phát minh ra máy bay tàng hình đối với radar vậy. Các nghiên cứu đã cho thấy, tàu ngầm có bốn nguồn tiếng động chính, đó là chân vịt, động cơ và máy phát điện, dao động của vỏ tàu và tiếng ồn dòng chảy phát sinh quanh thân tàu. Tiếng động chia làm hai loại, tiếng động liên tục và tiếng động cách quãng [theo thời gian]. Người ta quan tâm nhiều hơn đến tiếng động cách quãng, vì chúng có thể phát ra ngay cả khi tàu di chuyển chậm, lúc nó yên lặng nhất có thể. Thêm vào đó, tập hợp những tiếng động cách quãng cho phép tạo ra được “chân dung âm học” của một chiếc tàu cụ thể - bằng cách đó người ta biết chắc chắn đang theo dấu con tàu nào trong số các tàu của đối phương.

Dựa vào biểu đồ tiếng động tham chiếu của tàu theo tốc độ, người ta có thể chia ra mấy cấp độ yên lặng của tàu. Thứ nhất là cấp độ “không tiếng động” – hiểu theo nghĩa trạng thái yên lặng nhất của tàu. Trong cấp độ này, tiếng động của tàu chủ yếu phát ra từ chân vịt. Tiếp theo là cấp độ “yên lặng”, sử dụng khi tuần tra, giám sát, huấn luyện etc. Nguồn tiếng động chính trong cấp độ này do động cơ và các máy móc trên tàu phát ra.

Cấp tiếp theo có thể gọi là cấp “hành trình” (cruising), sử dụng khi di chuyển hành quân, chiến đấu, tốc độ cao vừa. Đặc trưng tiếng động ở cấp độ này là tiếng dòng chảy rối, phát sinh từ các xoáy nước sát vỏ tàu. Các bạn có thể thử nghiệm việc này ngay ở vòi nước nhà mình. Khi vặn nhỏ, nước từ vòi chảy ra thành dòng liên tục và hầu như không gây tiếng động. Khi vặn lớn hơn, vòi nước phát ra tiếng xèo xèo – chính là thứ gây ra tiếng động cho tàu ngầm.

Với các tàu ngầm nhanh, một tiếng động khác sẽ phát sinh khi tàu đạt đến tốc độ khoảng 20 hải lý, ở cấp độ “rất ồn ào”. Đây là tiếng động do các bong bóng chân không sinh ra và vỡ đi khi nước biển trượt trên chân vịt và một phần vỏ tàu. Hiện tượng này gây ra mất lực đẩy, xâm thực vỏ và tạo ra âm thanh cường độ lớn, khiến cho tàu gần như “sáng rực” trước sonar đối phương. Ước chừng cường độ của tiếng động bong bóng lớn gấp 100 đến 1000 lần so với toàn bộ các tiếng ồn khác cộng lại (+20 đến +30dB), như thể tàu ngầm vừa đi vừa đun sôi nước quanh nó vậy. Người ta thường chỉ đưa tàu lên tốc độ này khi cần truy bắt tàu khác hoặc tránh né ngư lôi nhắm tới.

Ta xét kỹ hơn về các nguồn gây ồn trên tàu. Tiếng động trong dải tần từ 0.1-10Hz sinh ra từ chân vịt, là loại âm thanh rất khó che giấu. Vì nước biển hầu như không hấp thụ dao động ở tần số này, âm thanh có thể lan truyền xa hàng trăm dặm, và với bước sóng cỡ km, dễ dàng vòng qua các vật cản. Nghiên cứu cho thấy, loài cá voi đã lợi dụng điều đó để liên lạc bằng những tiếng gầm gừ mà tai người không thể nghe thấy. Hai con cá voi có thể nghe thấy nhau ở khoảng cách vài trăm km là thường, và trong điều kiện thời tiết tốt, có thể lên tới trên 1000km! Các hệ thống sonar tầm xa chỉ đơn giản bắt chước chúng, và với sự trợ giúp của máy tính, lọc bỏ các âm thanh ở ngoài dải dò quét. Ví dụ như tàu Kilo bản của Hải quân VN có chân vịt 7 cánh, với vận tốc 25 vòng/phút (bằng 1/10 vòng quay đối đa, nghĩa là cỡ vận tốc hành trình thông thường) sẽ tạo ra tiếng động ở tần số 2.9-3Hz.

Nguồn âm thanh tiếp theo là tiếng động cơ và máy móc, trong đó có máy phát điện và bơm làm mát. Âm thanh này gồm có các tiếng gõ và tiếng rung lắc xuất phát từ hệ thống cơ khí của tàu, bao gồm trục chính, động cơ đẩy, máy phát điện. Trong các tàu ngầm hạt nhân, tiếng ồn phát sinh từ bơm làm mát, vốn phải chạy liên tục ngay cả khi chân vịt không hoạt động và tăng tỷ lệ với công suất lò phản ứng. Do các chi tiết của tàu bị hao mòn trong quá trình sử dụng, mức tiếng ồn này cũng tăng dần theo thời gian ở các con tàu cũ, đã qua sử dụng. Dựa vào nguồn âm thanh từ động cơ, người ta có thể định danh chính xác từng con tàu, ước lượng được số vòng quay động cơ. Khi đối chiếu với tốc độ chân vịt, thậm chí có thể dự đoán tải trọng hiện có của tàu.

May thay, có một số cách khác nhau để kiểm soát loại tiếng động này. Người ta có thể chế tạo các chi tiết chính xác hơn, chúng sẽ phát ra tiếng ồn ít hơn. Các tính toán cho thấy, nếu bánh răng trục chính được chế tạo với độ chính xác mức 0.01mm thì sẽ giảm tiếng ồn khoảng 1000 lần (-30dB) so với độ chính xác 0.1mm. Trên tàu cũng có các bộ đệm làm bằng cao su để giảm chấn động, không cho âm thanh truyền thẳng từ máy tàu sang thân vỏ. Người ta cũng ốp lên vỏ tàu những miếng dán cao su nhằm ngăn cản việc truyền âm thanh ra môi trường và cuối cùng, một số tàu có thiết bị triệt tiêu sóng âm bằng cách tạo ra các dao động ngược pha.

Hai nguồn âm thanh tiếp theo, thân vỏ và dòng chảy (bao gồm cả dòng chảy rối và ồn do bong bóng khí) đều sinh ra do tương tác giữa vỏ tàu với luồng nước xung quanh. Ngoài việc gây ồn, chúng còn làm cho lực cản tăng lên đáng kể, khiến công suất máy phải tăng lên nhiều mà tốc độ tàu không tăng một cách tương xứng, cũng như gây ra hiện tượng ăn mòn vỏ tàu tại những điểm cố định.

Cách duy nhất để chồng lại hiện tượng này là duy trì dòng chảy mềm mại của nước biển quanh thân tàu, như khi ta mở vòi nước ở mức nhỏ. Các nhà khoa học gọi đây là dòng chảy tầng (laminar flow) để phân biệt với dòng chảy rối (turbulent flow). Không phải chỉ có nước mới có hiện tượng này, mà mọi chất lỏng và chất khí đều biểu hiện tương tự. Ví dụ như đầu mút của cánh máy bay được bẻ cong lên phía trên, hoặc có dạng một hình tam giác nhỏ đặt dọc, chính là để hạn chế dòng chảy rối tại đó khi bay với vận tốc lớn. (xem hình dưới)

Đầu cánh - wingtip - của một chiếc Boeing 747

Trong một sự kiện thoạt nhìn có vẻ không mấy liên quan, đội Mỹ đã chiến thắng trong cuộc đua thuyền danh giá nhất năm: giải America Cup 1987. Họ về nhất 4 trận liền trong loạt 7 trận chung kết, hạ đo ván đối thủ với tỷ số 4-0. Bí mật nằm trong loại băng dính dán bên ngoài thân – mà hiệu quả của nó đáng kinh ngạc đến mức từ sau mùa giải đó, mọi thay đổi tương tự đều bị cấm tuyệt đối!

Hãng chế tạo ra băng dính, như các bạn có thể đoán ra, chính là 3M – vốn trước giờ nổi tiếng về đồ văn phòng phẩm! 

(Còn tiếp)