Tìm hiểu công nghệ AIP

Lịch sử hình thành

AIP Air Independent Propulsion (động cơ đẩy sử dụng không khí độc lập), được đề xuất bởi kỹ sư nổi tiếng người Tây Ban Nha, ông Narcís Monturiol i Estarriol. Năm 1867, ông đã phát minh thành công một động cơ đẩy không khí độc lập dựa trên một phản ứng hóa học.

Nhờ vậy, Estarriol được mệnh danh là cha đẻ của công nghệ AIP. Dù khái niệm về AIP được người Tây Ban Nha đưa ra đầu tiên nhưng Nga mới là nước áp dụng công nghệ này vào tàu ngầm.

Năm 1908, Hải quân Đế quốc Nga phát triển thành công tàu ngầm chạy bằng động cơ xăng sử dụng khí nén. Oxy cho động cơ được cung cấp qua 45 chai khí nén, có thể tích tương đương 9,9 m3. Hệ thống khí nén này có thể giúp tàu hoạt động liên tục dưới nước với quãng đường 52km.

Đến năm 1930, tiến sĩ Helmuth Walter, một kỹ sư xuất sắc của Đức đã phát triển một động cơ đẩy AIP mới sử dụng chất hydrogen peroxide (H2O2) tinh khiết làm chất oxy hóa để tạo không khí cho động cơ.

Trong hệ thống mới của Walter, hydrogen peroxide được phân hủy bằng cách sử dụng chất xúc tác có tên là permanganat. Phản ứng hóa học này tạo ra hơi nước ở nhiệt độ cao và oxy tự do.

Buồng phản ứng được bơm thêm nhiên liệu diesel, đốt cháy với oxy tạo ra một hỗn hợp hơi nước và khí nóng làm quay một tuốc bin với tốc độ cao. Khí thải và hơi nước được ngưng tụ lại trước khi được xả ra biển. Thiết kế của Walter nhằm tạo ra một động cơ đẩy tốc độ cao dưới nước chứ không phải là một động cơ độ bền cao. Mẫu tàu ngầm thử nghiệm V80 đạt tốc độ lên đến 28,1 hải lý/giờ ở trạng thái ngập nước, trong khi các tàu ngầm khác chỉ có tốc độ 10 hải lý/h khi lặn

Dựa trên mẫu thử nghiệm V80, Đức đã phát triển thành công tàu ngầm lớp Type XVIIB, được trang bị hai động cơ tuốc bin công suất 2.500 mã lực. Tàu ngầm này có thể đạt tốc độ tới 20,25 hải lý/giờ. Tuy nhiên, nền công nghiệp của Đức thời đó không thể đảm bảo được số lượng hydrogen peroxide cần thiết.

Một vấn đề nữa là hydrogen peroxide không ổn định trong môi trường khép kín, hệ thống đẩy này tồn tại quá nhiều vấn đề về kỹ thuật và an toàn, do đó, tàu ngầm Type XVIIB không bao giờ được tham chiến.

Sau này, Liên Xô phát triển công nghệ AIP với khái niệm động cơ diesel chu kỳ khép kín, mô hình này tỏ ra khá hiệu quả bởi hệ thống đẩy sử dụng oxy lỏng và nhiên liệu diesel. Thiết kế tiêu biểu là tàu ngầm Project 615 (NATO định danh là lớp Quebec), được trang bị 2 động cơ diesel thông thường và một động cơ diesel chu kỳ khép kín khi ngập nước

Đã có tới 30 chiếc tàu ngầm lớp Quebec được chế tạo trong giai đoạn 1953-1957, tuy nhiên loại tàu ngầm này không phù hợp để tham chiến.

Hơn nữa nó không thực sự an toàn, hệ thống nhiên liệu oxy lỏng có thể phát nổ bất cứ lúc nào, các thủy thủ tàu ngầm Liên Xô thường gọi những chiếc tàu ngầm này là “cái bật lửa hút thuốc”. 

Dù có khả năng hoạt động lâu hơn ở chế độ ngập nước, song vì lý do an toàn, những chiếc tàu ngầm lớp Quebec bị loại khỏi biên chế vào năm 1970.

Năm 1952, Liên Xô đã cố gắng phát triểm tàu ngầm AIP dựa trên khái niệm của tiến sĩ Helmuth Walter và chế tạo tàu ngầm Project 617 đi vào phục vụ năm 1958, tuy nhiên, một vụ nổ lớn đã chấm dứt chương trình vào năm 1959.

Từ đó đến nay, Liên Xô và Nga hiện nay tập trung vào phát triển các tàu ngầm động lực hạt nhân và chỉ phát triển các động cơ AIP ở quy mô nghiên cứu.

Với Mỹ và Anh, sau chiến tranh thế giới thứ 2, hai nước cũng đã thử nghiệm phát triển các động cơ AIP theo khái niệm của tiến sĩ Walter, trong đó có mẫu thử nghiệm X1 của Mỹ. Tuy nhiên, vào năm 1950, Mỹ ngưng toàn bộ sự phát triển các động cơ AIP bởi hệ thống động lực hạt nhân đã được phát triển hoàn thiện. Hơn nữa, quan điểm tác chiến của Hải quân Mỹ là chỉ tập trung phát triển lực lượng tàu ngầm hạt nhân chiến lược và coi nhẹ tàu ngầm thông thường.

Tại Anh, Hải quân Hoàng gia cũng đã tiến hành thử nghiệm một động cơ đẩy AIP trên tàu ngầm HMS Excalibur nhằm kiểm tra tính khả thi của dự án. Cuối cùng, Anh cũng từ bỏ chương trình phát triển công nghệ AIP để tập trung phát triển tàu ngầm hạt nhân chiến lược.

Tựu chung lại, động cơ AIP mang lại khả năng hoạt động dưới nước lâu hơn, giảm được tiếng ồn khi hoạt động, tuy nhiên, tồn tại quá nhiều vấn đề về kỹ thuật và an toàn nên loại động cơ này không nhận được nhiều sự quan tâm.

Nguyên tắc hoạt động

Có khá nhiều khái niệm quanh công nghệ AIP nhưng có cùng một nguyên tắc là giúp động cơ tàu ngầm hoạt động dưới nước mà không cần đến ống thông hơi.

Trong khi Đức phát triển khái niệm sử dụng hydrogen peroxide làm chất xúc tác cho phản ứng hóa học để tạo ra hơi nước và khí nóng làm quay tuabin thì Liên Xô phát triển động cơ diesel chu kỳ khép kín với oxy lỏng và nhiên liệu diesel.

Pháp phát triển động cơ tuabin chu kỳ đóng MESMA, với quá trình đốt cháy ethanol và oxy, quá trình đốt cháy này tạo ra hơi nước làm quay tuabin. Trong đó, ethanol và oxy được lưu trữ ở áp lực gấp 60 lần áp lực khí quyển, áp lực này cho phép khí thải carbon dioxide thải xuống biển ở độ sâu bất kỳ mà không cần đến máy nén khí. Công nghệ này cho phép tàu ngầm hoạt động liên tục 21 ngày dưới nước, tùy thuộc vào tốc độ, áp suất nước biển…

Thụy Điển phát triển khái niệm động cơ chu trình Stirling, sử dụng oxy lỏng và nhiên liệu diesel để làm quay máy phát điện công suất 75kW sử dụng cho động cơ đẩy hoặc sạc pin cho tàu. Động cơ chu trình Stirling có khả năng hoạt động liên tục 14 ngày dưới nước với một tàu ngầm tải trọng 1.500 tấn ở tốc độ 5 hải lý/giờ.

Hãng Siemens của Đức phát triển khái niệm tế bào nhiên liệu sử dụng cho các loại tàu ngầm Type-209/214. Theo đó, các tế bào này chuyển đổi hóa năng thành điện năng thông qua phản ứng hóa học với oxy và các khí hydrocarbon. Trong đó, hydrogen được sử dụng nhiều nhất, kế tới là ethanol hoặc methanol .

Tàu ngầm Type-214 của Đức có hệ thống động cơ AIP hiện đại nhất thế giới

Điện năng tạo ra từ phản ứng hóa học này sẽ được sử dụng cho động cơ của tàu hoặc sạc pin, ưu điểm của tế bào nhiên liệu là nhiệt độ hoạt động khá thấp khoảng 80 độ C, nhiệt thải tương đối ít.

Đức cũng phát triển một khái niệm động cơ diesel chu kỳ khép kín CCD sử dụng không khí nhân tạo, gồm oxy lỏng, nhiên liệu diesel và khí argon. Khí oxy và argon kết hợp với nhau tạo ra khí nhân tạo cho động cơ diesel. Trong đó, argon là khí trơ, có khả năng tái sử dụng liên tục giúp tàu ngầm hoạt động lâu hơn.

Những triển vọng trong tương lai

Các loại tàu ngầm hạt nhân chiến lược không được phép xuất khẩu, trong khi đó thị trường tàu ngầm thông thường đang trở nên đắt hàng. Bên cạnh đó, các phương tiện trinh sát và chống ngầm hiện đại ngày càng trở nên tinh vi hơn, khiến tàu ngầm điện - diesel đang dần mất đi lợi thế.

Do đó, hải quân các nước trên thế giới đòi hỏi phải có tàu ngầm, hoạt động êm và thời gian hoạt động dưới nước lâu hơn. Với những yêu cầu như vậy, ngoài tàu ngầm động lực hạt nhân chỉ có động cơ AIP mới có thể đáp ứng được.

Theo dự báo, thị trường tàu ngầm trong 10 năm tới sẽ đạt con số từ 100-150 chiếc, đủ hấp dẫn với các hãng chế tạo tàu ngầm thông thường trên thế giới.

Một số chuyên gia quân sự nhận định rằng, Hải quân Mỹ có thể sẽ phải xem xét lại kế hoạch phát triển các tàu ngầm của mình, việc thiếu các tàu ngầm AIP là bất lợi chiến lược của Mỹ, nhất là ở các khu vực ven bờ.