Tàu ngầm được mệnh danh là "kỳ quan kỹ thuật" hoạt động ở độ sâu hàng nghìn mét của đại dương.
Con người đã tìm cách khám phá và định hướng dưới biển từ khoảng năm 300 trước Công nguyên. Một số phương pháp đã được sử dụng để di chuyển dưới nước phục vụ cho mục đích nghiên cứu trong suốt chiều dài lịch sử.
Theo truyền thuyết, nỗ lực đầu tiên trong việc chế tạo nguyên mẫu tàu ngầm là của Alexander Đại đế. Theo đó, tàu ngầm có thể có từ năm 332 trước Công nguyên, với các tài liệu lịch sử đề cập đến việc Alexander Đại đế xuống biển trong một thùng thủy tinh vì ông muốn nghiên cứu cá. Nếu điều này là đúng, thì khái niệm về tàu ngầm đã xuất hiện trong khoảng 1.800 năm, Worldwideboat thông tin.
Tuy nhiên, việc mạo hiểm đi sâu xuống biển bên trong một thùng thủy tinh có vẻ không phải là phương pháp hiệu quả để khám phá thế giới dưới nước.
Vào năm 1578 sau Công nguyên, William Bourne, một sĩ quan hải quân Anh, đã chế tạo một chiếc tàu có khung gỗ phủ da chống thấm nước có thể chèo dưới nước.
Chiếc tàu ngầm đầu tiên được ghi chép chính thức, có tên là “Turtle” (Rùa) được tạo ra trong Chiến tranh Cách mạng Mỹ năm 1776.
Vào cuối thế kỷ 19, tàu ngầm cuối cùng đã phát triển thành tàu thực tế với sự phát triển của hệ thống đẩy và công nghệ tiên tiến hơn.
Bước sang thế kỷ 20, Hải quân Mỹ hạ thủy tàu ngầm chạy bằng năng lượng hạt nhân đầu tiên trên thế giới có tên USS Nautilus.
Những tàu ngầm quân sự lặn sâu đến mức nào?
Tàu ngầm có thể có từ năm 332 trước Công nguyên. (Ảnh minh họa).
Marineinsight cho biết, vì thông số kỹ thuật của bất kỳ tài sản quốc phòng nào đều được liệt vào bí mật quân sự, nên không có xác nhận tuyệt đối nào về độ sâu được thiết kế để lặn của tàu ngầm quân sự. Mọi thông tin có sẵn về khả năng của chúng đều dựa trên suy đoán, rò rỉ dữ liệu, báo cáo hạn chế của chính phủ hoặc báo chí cấp cao và ước tính kỹ thuật dựa trên dữ liệu thiết kế có sẵn, môi trường hoạt động và hiệu suất độ sâu thử nghiệm được quan sát.
Tùy thuộc vào khả năng, tàu ngầm phòng thủ có thể lặn ở nhiều độ sâu khác nhau, hầu hết các giá trị hoặc số liệu có sẵn trong độ sâu thiết kế. Tàu ngầm quân sự đã được ghi nhận có thể lặn sâu tới 1.500 mét.
Marineinsight đã liệt kê một số tàu ngầm quân sự với khả năng lặn sâu khác nhau của Nga, Mỹ, Trung Quốc, Ân Độ.
- Tàu ngầm lớp Akula của Nga (trước đây là của Liên Xô), loại tàu ngầm lớn nhất từng được chế tạo, được cho là có thể đạt độ sâu tối đa là 1.200-1.300 mét dưới mực nước biển. Chiếc cuối cùng của lớp này đã ngừng hoạt động vào đầu năm 2023.
- Tàu ngầm tấn công thuộc lớp Yasen ước tính có thể đạt độ sâu khoảng 600 mét. Ngược lại, tàu ngầm hạt nhân tên lửa đạn đạo như lớp Borei của Nga có thể đạt độ sâu khoảng 500 mét.
- Hải quân Mỹ cũng có một hạm đội tàu ngầm lặn sâu mạnh mẽ ấn tượng, với tàu ngầm lớp Los Angeles có khả năng hoạt động ở độ sâu lên tới 600-700 mét. Độ sâu thử nghiệm chưa được phân loại của chúng vẫn ở mức khoảng 250 mét.
- Tàu ngầm lớp Ohio, là tàu ngầm hạt nhân, cũng được cho là có khả năng lặn sâu hơn 500 mét, mặc dù độ sâu hoạt động của chúng vẫn ở mức 300 mét.
- Tàu ngầm lớp Virginia được cho là thế hệ kế thừa của tàu ngầm lớp Los Angeles và có khả năng kỹ thuật cao. Với độ sâu thử nghiệm khoảng 500 mét, chúng được cho là được thiết kế để lặn ở độ sâu lớn hơn, từ 800 đến 900 mét.
- Tàu ngầm chạy bằng năng lượng hạt nhân, như tàu ngầm lớp Jin của Trung Quốc và tàu ngầm diesel-điện Type 212 của Hải quân Đức, cũng là những tàu ngầm quân sự mạnh mẽ có thể đạt độ sâu lên tới 400 mét.
- Tàu ngầm lớp Arihant của Hải quân Ấn Độ cũng có thể đạt độ sâu thử nghiệm là 300 mét và được cho là có khả năng lặn sâu hơn trong những điều kiện khắc nghiệt.
Vậy làm thế nào tàu ngầm duy trì được áp suất tương đương với khí quyển khi lặn sâu?
Tàu ngầm được thiết kế theo cách có thể duy trì áp suất bên trong thân tàu giống như áp suất khí quyển ở mực nước biển.
Điều này khiến người ta tự hỏi, tại sao việc duy trì áp suất phù hợp lại quan trọng đến vậy? Nếu áp suất bên trong khác biệt đáng kể so với áp suất bên ngoài, nó có thể gây ra một lượng ứng suất (sức căng) không tự nhiên lên thân tàu, dẫn đến hỏng cấu trúc, rò rỉ hoặc thậm chí là nổ tung.
Các tàu ngầm được trang bị "quả cầu áp suất" để ngăn áp suất không khí bên trong trở nên quá lớn. (Ảnh minh họa).
Khi tàu ngầm ở trên mặt nước, các thùng dằn (ballast tank) được làm đầy không khí, giúp cho tàu nhẹ hơn nước và có thể nổi. Tuy nhiên, khi tàu ngầm cần lặn xuống, nó sẽ giải phóng không khí từ các thùng dằn và thay thế bằng nước, điều này giúp cho tỷ trọng của tàu lớn hơn so với nước để dễ dàng chìm xuống.
Khi tàu ngầm lặn sâu hơn, áp suất nước tăng lên, nén áp suất không khí bên trong thân tàu. Do đó, để cân bằng áp suất bên trong tàu ngầm trong quá trình nổi lên hoặc chìm xuống, các thùng chứa nước dằn sẽ được làm ngập hoặc bơm ra tương ứng.
Tất cả các tàu ngầm cũng có hệ thống bên trong được gọi là "quả cầu áp suất" để ngăn áp suất không khí bên trong trở nên quá lớn.
Thân tàu ngầm chịu áp suất là gì và tại sao chúng lại quan trọng đến vậy?
Động cơ tàu ngầm cùng đồng hồ đo áp suất. (Nguồn: Charles-Edouard Cote/Shutterstock)
Thân tàu ngầm chịu áp suất là những cấu trúc quan trọng bên trong tàu ngầm, nhưng chức năng chính xác của chúng là gì?
Cấu trúc chịu lực chính trong tàu ngầm hải quân là thân tàu chịu áp lực (pressure hull), được thiết kế để chống lại áp suất thủy tĩnh (áp suất được tạo ra từ chất lỏng đứng yên) liên quan đến việc lặn.
Nó được chế tạo theo cách có thể chịu được áp lực bên ngoài do độ sâu của đại dương tác động để bảo vệ thủy thủ đoàn và các hệ thống bên trong.
Một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất mà các kỹ sư cần phải cảnh giác khi thiết kế tàu ngầm là đảm bảo rằng thân tàu chịu áp lực có khả năng chống rò rỉ.
Nó phải chịu được áp suất thủy tĩnh bên ngoài mà không bị sụp đổ hoặc biến dạng, đồng thời vẫn duy trì được tính toàn vẹn tổng thể của thân tàu chịu áp lực.
Vậy nguyên nhân nào có thể khiến tàu ngầm phát nổ?
Tàu ngầm là tàu chịu áp suất có thể hoạt động ở độ sâu ngập dưới nước. Chúng được cân bằng về mặt cơ học bằng cách phân bố áp suất thủy tĩnh đồng đều tác động lên bề mặt của chúng.
Bất kỳ thiết kế tàu ngầm nào cũng phải luôn xem xét lý thuyết về áp suất thủy tĩnh và độ sâu tăng dần theo tuyến tính. Do đó, khi chọn một thiết kế tàu ngầm cụ thể, khả năng sống sót của nó chỉ ở một độ sâu nhất định, vượt quá độ sâu đó, nó sẽ sụp đổ do tải trọng áp suất vượt quá trạng thái giới hạn.
Nói cách khác, tàu ngầm phát nổ xảy ra khi áp suất bên ngoài tàu ngầm vượt quá sức chịu lực của kết cấu thân tàu ngầm.
Khi tàu ngầm hoạt động ở độ sâu lớn, nước xung quanh có thể tạo ra áp lực rất lớn lên thân tàu chịu áp lực. Khi áp lực đó vượt qua ngưỡng, thân tàu chịu áp lực sẽ không thể chịu đựng được. Điều này khiến vỏ tàu sụp đổ vào bên trong.
Một số lý do có thể góp phần gây ra sự cố thảm khốc này, bao gồm điểm yếu về tính toàn vẹn của cấu trúc, lỗi thiết kế hoặc thậm chí là giới hạn độ sâu quá mức.
Sự sụp đổ đột ngột của thân tàu dẫn đến mất mạng ngay lập tức trên tàu ngầm, mất tàu ngầm và nhiều mối nguy hiểm khác về môi trường.
Sự sụp đổ đột ngột của thân tàu dẫn đến mất mạng ngay lập tức trên tàu ngầm. (Ảnh minh họa).
Do đó, tàu ngầm thường trải qua quá trình đào tạo và thử nghiệm nghiêm ngặt để đảm bảo rằng hiện tượng bi thảm như vậy không xảy ra.
Duy trì áp suất giống như bầu khí quyển xung quanh là rất quan trọng đối với hoạt động an toàn của tàu ngầm. Việc điều chỉnh áp suất bên trong là cần thiết để làm cho tàu ngầm đủ bền để chịu được áp suất nước bên ngoài mạnh nhằm bảo vệ thủy thủ đoàn và các hệ thống bên trong.
Mặc dù hiếm khi xảy ra nổ tàu ngầm, nhưng đây là mối lo ngại không thể tránh khỏi cần phải xem xét trước khi quyết định khám phá bí mật của vùng nước sâu dưới đại dương.