Tàu lặn (submersible) là một phương tiện dưới nước cần được vận chuyển và hỗ trợ bởi một tàu thủy hoặc bệ đỡ, phương tiện mang lớn hơn. Điều này phân biệt tàu lặn với tàu ngầm – vốn có khả năng tự hỗ trợ và có khả năng hoạt động độc lập kéo dài trên biển.
Có nhiều loại tàu lặn (phương tiện lặn), bao gồm cả phương tiện có người lái HOV (human-occupied vehicles) và tàu không người lái, còn được gọi là phương tiện điều khiển từ xa ROV (remotely operated vehicles) hoặc phương tiện dưới nước không người lái UUV (unmanned underwater vehicles). Tàu lặn có nhiều ứng dụng bao gồm hải dương học, khảo cổ học dưới nước, thám hiểm đại dương, du lịch, bảo trì và phục hồi thiết bị và quay phim dưới nước.
Lịch sử
Tàu ngầm tự hành đầu tiên được ghi nhận là một tàu ngầm nhỏ chạy bằng mái chèo do William Bourne (khoảng 1535-1582) nghĩ ra và được nhà phát minh người Hà Lan Cornelis Drebbel thiết kế và chế tạo vào năm 1620, với hai phiên bản cải tiến khác được chế tạo trong bốn năm sau đó. Các tài liệu đương thời nói rằng mô hình cuối cùng đã được đích thân Vua James I trình diễn, người thậm chí có thể đã được đưa lên tàu để lặn thử nghiệm. Dường như không có thêm bất kỳ tàu lặn nào được ghi nhận cho đến khi có sự kiện Turtle của Bushnell.
Chiếc tàu lặn đầu tiên được sử dụng trong chiến tranh được thiết kế và chế tạo bởi nhà phát minh người Mỹ David Bushnell vào năm 1775 như một phương tiện để gắn chất nổ vào tàu địch trong Chiến tranh Cách mạng Hoa Kỳ. Thiết bị này có tên là Bushnell’s Turtle, là một chiếc bình hình bầu dục bằng gỗ và đồng thau. Nó có các thùng chứa đầy nước để lặn và sau đó được làm trống bằng máy bơm tay để đưa nước trở lại bề mặt. Người điều khiển sử dụng hai cánh quạt quay bằng tay để di chuyển theo phương thẳng đứng hoặc phương ngang dưới nước. Chiếc tàu có những cửa sổ kính nhỏ phía trên và gỗ phát quang tự nhiên được dán vào các dụng cụ của nó để có thể đọc được chúng trong bóng tối.
Bushnell’s Turtle lần đầu tiên được đưa vào hoạt động vào ngày 7/9/1776 tại Cảng New York để tấn công soái hạm HMS Eagle của Anh. Trung sĩ Ezra Lee điều khiển phương tiện vào thời điểm đó. Lee đã đưa Turtle thành công vào mặt dưới thân tàu Eagle nhưng không gắn được lượng nổ vì dòng nước chảy mạnh.
Hoạt động
Ngoài kích thước, sự khác biệt chính về mặt kỹ thuật giữa “phương tiện lặn” và “tàu ngầm” là phương tiện lặn không hoàn toàn tự động và có thể dựa vào cơ sở hoặc tàu hỗ trợ để bổ sung năng lượng và khí thở. Tàu lặn thường có phạm vi hoạt động ngắn hơn và hoạt động chủ yếu dưới nước vì hầu hết có rất ít chức năng trên bề mặt. Một số tàu lặn hoạt động dựa trên “dây buộc” hoặc “cáp rốn”, vẫn được kết nối với tàu tiếp liệu (tàu ngầm, tàu nổi hoặc trạm). Tàu lặn có thể lặn sâu hơn 10 km dưới bề mặt.
Tàu lặn có thể tương đối nhỏ, chỉ chứa được một kíp vận hành vài người và không có phương tiện sinh hoạt.
Tàu lặn thường có khả năng di chuyển rất linh hoạt nhờ chân vịt hoặc máy bơm phản lực.
Công nghệ
Các công nghệ cơ bản khác nhau được sử dụng trong thiết kế tàu lặn.
Áp suất không khí
Bầu khí quyển của trái đất gây áp lực lên bề mặt của nó, tương tự như cách nước gây áp lực do trọng lượng của nó. Tuy nhiên, không giống như nước, khí quyển có thể nén được vì nó bao gồm các chất khí. Do đó, mật độ khí quyển thay đổi theo độ cao, mật độ cao nhất ở mực nước biển. Kết quả là, áp suất khí quyển tối đa xảy ra ở mực nước biển, giảm dần khi độ cao tăng dần.
Để tính áp suất khí quyển, chúng ta xét áp suất do một cột nước biển cao 10 mét gây ra. Trong điều kiện trung bình, khí quyển có thể hỗ trợ một cột như vậy, tạo ra áp suất khí quyển là 103.000 Newton trên mét vuông (N/m2).
Đo áp suất và áp suất tuyệt đối Khi đo áp suất khí, bao gồm cả áp suất dưới nước, áp suất đo và áp suất tuyệt đối là những khái niệm cần thiết phải hiểu.
Máy đo áp suất: Máy đo áp suất thường được hiệu chỉnh để đọc số 0 khi máy đo ở áp suất khí quyển. Máy đo này chỉ ghi lại “sự chênh lệch áp suất” giữa áp suất đo được và áp suất khí quyển. Nếu thợ lặn sử dụng máy đo như vậy dưới nước, nó sẽ chỉ cho biết áp suất do nước gây ra. Ví dụ: nếu đồng hồ đo chỉ số 120 thì áp suất đo được thực tế cao hơn áp suất khí quyển 120 bar, tương đương với 121 bar
Áp suất tuyệt đối: Trước khi thợ lặn xuống dưới bề mặt, họ đã chịu áp suất 1 bar, hay 103000 N/m2, đại diện cho áp suất khí quyển. Khi thợ lặn đi xuống, áp suất lên họ tăng thêm 0,1 bar cho mỗi mét độ sâu. Tổng áp suất lên người thợ lặn ở bất kỳ độ sâu nhất định nào là tổng áp suất của nước ở độ sâu đó và áp suất khí quyển. Áp suất tổng này được gọi là áp suất tuyệt đối và mối quan hệ như sau:
Áp suất tuyệt đối (bar abs) = Áp suất đo (bar) + Áp suất khí quyển (1 bar)
Để tính áp suất tuyệt đối, hãy cộng áp suất khí quyển vào áp suất đo bằng cùng một đơn vị. Làm việc với độ sâu thay vì áp suất thường thuận tiện trong tính toán lặn. Trong bối cảnh này, áp suất khí quyển được coi là tương đương với độ sâu 10 mét. Độ sâu tuyệt đối (m) = Độ sâu đo (m) + 10 m.
Đo độ sâu: Thiết bị giám sát áp suất
Điều quan trọng là phải xem xét áp lực mà thợ lặn trải qua hơn là phép đo độ sâu tuyến tính. Đo độ sâu trong lặn được tiêu chuẩn hóa để khắc phục sự thay đổi về mật độ nước.
Để thể hiện chính xác độ sâu của thợ lặn trong nước hoặc trong buồng nén, phép đo phải tính bằng mét (m). Sự thay đổi độ sâu 10 m tương ứng với sự thay đổi áp suất 1 bar. Không nên sử dụng đơn vị “mét nước biển” (msw) để tránh nhầm lẫn và đảm bảo đo độ sâu nhất quán.
Lưu ý: Sự thay đổi độ sâu 10 m khi áp suất thay đổi 1 bar tương đương với mật độ nước là 1012,72 kg/m³
Tàu lặn đơn khí quyển có thân áp suất với áp suất bên trong được duy trì ở áp suất khí quyển bề mặt. Điều này đòi hỏi thân tàu phải có khả năng chịu được áp suất thủy tĩnh xung quanh từ nước bên ngoài, có thể lớn hơn nhiều lần so với áp suất bên trong.
Một công nghệ khác gọi là tàu chìm áp suất xung quanh duy trì áp suất như nhau cả bên trong và bên ngoài tàu. Bên trong chứa đầy không khí, có áp suất cân bằng với áp suất bên ngoài nên thân tàu không phải chịu sự chênh lệch áp suất.
Công nghệ thứ ba là “wet sub”, dùng để chỉ một phương tiện có thể được bao bọc hoặc không, nhưng trong cả hai trường hợp, nước tràn vào bên trong nên phi hành đoàn phải sử dụng thiết bị thở dưới nước. Vật này có thể do thợ lặn mang theo hoặc do tàu mang theo.
Khoa học về sự nổi
Khi nhúng một vật vào bình chứa chất lỏng thì mực chất lỏng dâng lên. Hiện tượng hấp dẫn này xảy ra do vật thể chiếm chỗ chất lỏng, đẩy nó ra khỏi đường đi. Trước khi vật tiếp xúc với chất lỏng, nó thoát ra ở trạng thái cân bằng, với trọng lượng của chất lỏng phía trên được cân bằng bởi một lực hướng lên gọi là lực đẩy lên.
Tuy nhiên, khi vật được nhúng chìm một phần, lực đẩy lên, trước đây chống lại trọng lượng của phần nước chiếm chỗ, bắt đầu tác động lên chính vật đó. Do đó, các vật chìm trong chất lỏng dường như có trọng lượng nhẹ hơn nhờ lực nổi này. Mối quan hệ hấp dẫn này giữa lượng chất lỏng bị dịch chuyển và lực đẩy lên được gọi là Nguyên lý Archimedes, trong đó nêu rõ:
“Khi một vật được nhúng toàn bộ hoặc một phần vào chất lỏng thì lực đẩy mà vật đó nhận được bằng trọng lượng của phần chất lỏng bị dịch chuyển”.
Lực nổi đóng vai trò quan trọng trong việc xác định vật nổi hay chìm trong chất lỏng. Độ lớn tương đối của trọng lượng và lực đẩy lên quyết định kết quả, dẫn đến ba tình huống có thể xảy ra.
Lực nổi âm: khi trọng lượng của một vật lớn hơn lực đẩy lên mà nó chịu (trọng lượng của chất lỏng chiếm chỗ) thì vật đó chìm xuống.
Lực nổi trung tính: nếu trọng lượng của một vật bằng lực đẩy lên thì vật đó vẫn ở vị trí hiện tại mà không chìm hoặc nổi.
Lực nổi dương: khi trọng lượng của một vật nhỏ hơn lực đẩy lên thì vật đó nổi lên. Khi nổi lên chạm tới bề mặt chất lỏng, nó nổi lên khỏi chất lỏng, làm giảm trọng lượng của chất lỏng bị dịch chuyển và do đó làm giảm lực đẩy lên. Cuối cùng, lực đẩy hướng lên giảm đi sẽ cân bằng trọng lượng của vật thể, cho phép nó nổi ở trạng thái cân bằng.
Kiểm soát độ nổi
Trong quá trình hoạt động dưới nước, tàu lặn thường có độ nổi trung tính nhưng có thể sử dụng lực nổi dương hoặc âm để tạo điều kiện cho chuyển động thẳng đứng. Lực nổi âm đôi khi cũng có thể hữu ích để làm nổi bình ở đáy và lực nổi dương là cần thiết để làm nổi bình trên bề mặt. Việc điều chỉnh độ nổi tốt có thể được thực hiện bằng cách sử dụng một hoặc nhiều bình chịu áp lực nổi thay đổi làm bể điều chỉnh và những thay đổi tổng thể về độ nổi tại hoặc gần bề mặt có thể sử dụng các bể dằn áp suất xung quanh, bị ngập hoàn toàn trong quá trình hoạt động dưới nước. Một số tàu lặn sử dụng vật dằn bên ngoài mật độ cao có thể được giải phóng ở độ sâu trong trường hợp khẩn cấp để làm cho tàu có đủ sức nổi để nổi trở lại mặt nước ngay cả khi mất toàn bộ năng lượng hoặc di chuyển nhanh hơn theo phương thẳng đứng.
Tàu lặn sâu có người lái
Một số tàu lặn có thể lặn tới độ sâu lớn. Bể lặn Trieste là tàu đầu tiên đi tới phần sâu nhất của đại dương, cách mặt nước gần 11 km, ở đáy Rãnh Mariana vào năm 1960.
Trung Quốc, với dự án Giao Long năm 2002, là quốc gia thứ năm đưa người xuống độ sâu 3.500 m dưới mực nước biển, sau Mỹ, Pháp, Nga và Nhật Bản. Vào ngày 22/6/2012, tàu lặn Giao Long đã lập kỷ lục lặn sâu cho các tàu thuộc sở hữu nhà nước khi tàu ngầm ba người lặn xuống độ sâu 6.963 m xuống Thái Bình Dương.
Trong số các tàu lặn nổi tiếng nhất và hoạt động lâu nhất là tàu nghiên cứu vùng sâu DSV Alvin, chở theo 3 người đến độ sâu lên tới 4.500 m. Alvin thuộc sở hữu của Hải quân Hoa Kỳ và được điều hành bởi WHOI, và tính đến năm 2011, Alvin đã thực hiện hơn 4.400 lần lặn.
James Cameron đã lập kỷ lục lặn cùng kíp vạn hành xuống đáy Challenger Deep, điểm sâu nhất được biết đến của rãnh Mariana vào ngày 26/3/2012. Tàu lặn của Cameron được đặt tên là Deepsea Challenger và đạt độ sâu 10.908 m.
Tàu lặn thương mại
Các công ty tư nhân như Triton Submarines, LLC. SEAmagine Hydrospace, Sub Aviator Systems (hoặc ‘SAS’) và U-boat Worx có trụ sở tại Hà Lan đã phát triển các tàu lặn nhỏ dành cho du lịch, khám phá và du lịch mạo hiểm. Một công ty Canada ở British Columbia tên là Sportsub đã chế tạo tàu lặn giải trí cá nhân từ năm 1986 với thiết kế sàn mở (buồng lái ngập nước một phần).
Một công ty tư nhân của Hoa Kỳ, OceanGate, cũng tham gia chế tạo tàu lặn, mặc dù công ty này đã bị giám sát chặt chẽ khi chiếc tàu lặn mới nhất của họ phát nổ dưới nước mà không có người sống sót.
MROV
Các tàu lặn nhỏ không người lái được gọi là “phương tiện vận hành từ xa trên biển” hay MROV (marine remotely operated vehicles) ngày nay được sử dụng rộng rãi để làm việc ở vùng nước quá sâu hoặc quá nguy hiểm đối với thợ lặn.
Các phương tiện điều khiển từ xa (ROV) sửa chữa các giàn khoan dầu ngoài khơi và gắn dây cáp vào các tàu bị chìm để nâng chúng lên. Những phương tiện vận hành từ xa như vậy được gắn bằng cáp rốn (dây cáp dày cung cấp năng lượng và thông tin liên lạc) đến trung tâm điều khiển trên tàu. Người vận hành trên tàu xem hình ảnh video và/hoặc sóng siêu âm được gửi về từ ROV và điều khiển từ xa bộ đẩy và cánh tay điều khiển của nó. Xác tàu Titanic đã được khám phá bằng một phương tiện như vậy cũng như một con tàu có thủy thủ đoàn./.
