Đề tài Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị liên lạc thuỷ âm

iệu suất khụng thay đổi. Do đú, cỏc bộ biến đổi thuỷ õm khụng những phải cú độ bền cao, mà cũn phải thoả món yờu cầu ớt thay đổi của độ nhạy (hay hệ số hữu ớch) trong dải ỏp suất rộng. 2.2. Mụ hỡnh biến đổi điện-õm Trong biến đổi điện âm cũng cú sự tham gia của 4 tham số liờn hệ chặt chẽ với nhau, trong đú 2 tham số mụ tả năng lượng điện, 2 tham số mụ tả năng lượng õm. Vỡ thế, khi nghiờn cứu cỏc bộ biến đổi ta ỏp dụng khỏi niệm bộ 4 cực thường dựng trong kỹ thuật thụng tin liờn lạc. Sơ đồ bộ biến đổi điện-õm được trỡnh bày trờn hỡnh 2.2.1. 27 Hỡnh 2.2.1- Sơ đồ biến đổi điện-õm Sơ đồ trờn tương ứng với phương trỡnh biến đổi dưới dạng ma trận như sau: ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −=⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ν I ZM MZ F U M e * ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ −=⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ν U ZN N ZF I K e *1 F V I U 28 2.3. Nguyờn lý biến đổi Điện-Âm Trong biến đổi điện õm thường sử dụng 2 hiện tượng vật lý cơ bản. Hiện tượng thứ nhất là tỏc động lực lờn cỏc điện tớch trong điện trường. Hiện tượng thứ 2 là tỏc động lực lờn dũng điện trong từ trường. Từ đú xuất hiện 4 nguyờn lý chớnh trong việc chế tạo cỏc bộ biến đổi sau đõy. 2.3.1. Nguyờn lý biến đổi điện tĩnh Nguyờn lý này đựa trờn việc ỏp dụng định luật Cu-lụng về sự tương tỏc lẫn nhau nhau giữa 2 điện tớch. Sơ đồ nguyờn lý được trỡnh bày trờn hỡnh 2.3.1. Hỡnh 2.3.1. Sơ đồ nguyờn lý của biến đổi điện tĩnh 1. Màng kim loại; 2. Vật cỏch; 3. Điện cực cố định. 2.3.2. Nguyờn lý biến đổi ỏp điện Cỏc bộ biến đổi theo nguyờn lý này dựa trờn việc ỏp dụng hiệu ứng ỏp điện. Bản chất của hiệu ứng ỏp điện được hiểu như sau. Nếu trờn bề mặt U ̃ Ra 3 2 1 U- a 29 tinh thể cú hai loại nguyờn tử khỏc nhau thỡ sẽ xuất hiện cỏc điện tớch. Khi ta đặt vào đú một lực cơ học và ngược lại nếu tỏc động lờn đú những điện tớch thỡ sẽ xuất hiện cỏc lực. Cơ chế xuất hiện điện tớch trờn bề mặt do biến dạng tinh thể được trỡnh bày trờn hỡnh 2.3.2. + + + + + + + + - - - - - - - - - Fy + + + + + Fx - - - - - Hỡnh 2.3.2 - Sơ đồ nguyờn lý biến đổi ỏp điện 30 2.3.3. Nguyờn lý biến đổi điện động Nguyờn lý biển đổi kiểu điện động dựa trờn việc sử dụng định luật cảm ứng. Từ trường biến đổi khụng những cảm ứng sinh ra trong dõy dẫn một điện ỏp mà cũn cú tỏc động sinh ra cỏc lực điện động. Trờn hỡnh 2.3.3 trỡnh bày sơ đồ nguyờn lý biến đổi điện động điển hỡnh. 1. Nam chõm điện hỡnh trụ; 2. Cuộn dõy và màng rung. Hỡnh 2.3.3 - Sơ đồ nguyờn lý biến đổi điện động. 2.3.4. Nguyờn lý biến đổi điện từ Trong biến đổi điện từ sử dụng hiện tượng thay đổi từ thụng của nam chõm khi thay đổi trở từ hay hiện tượng thay đổi lực hỳt của phần ứng khi thay đổi từ thụng. Sơ đồ nguyờn lý của nú được thể hiện trờn hỡnh 2.3.4. Hỡnh 2.3.4 Sơ đồ nguyờn lý biến đổi điện từ U N S S 1 2 N S DL 31 2.4 Sơ đồ điện tương đương của cỏc kiểu biến đổi Trờn thực tế cỏc bộ biến đổi vừa trỡnh bày trờn đõy luụn nằm trong mạch kết nối với cỏc phần khỏc ca thiết bị thuỷ âm. Do đú, đối với cỏc chuyờn gia nghiờn cứu tớnh toỏn cỏc bộ khuếch đại thỡ sơ đồ điện tương đương của cỏc kiểu biến đổi cú ý nghĩa quan trọng. Vỡ thế trờn hỡnh 2.4.1 trỡnh bày sơ đồ điện tương đương của cỏc kiểu biến đổi [8]. C U dm 2 22ω aSU d ρ ω 1 2 22 dr U 22 2 ω ds U 22 2 ω aSU d ρ ω 1 2 22 a) kiểu điện tĩnh; Ri ( )Blm 2 ( ) R Bl 2 ( ) S Bl 2 ( ) pcS Bl 2 L c. kiểu điện động; ( ) paS Bl 2 C K Cm 2 22ω aSU d ρ ω 1 2 22 Cr K 22 2 ω Cs U 22 2 ω C22 1 ω aSU d ρ ω 1 2 22 b) kiểu ỏp điện 32 Hỡnh 2.4 - Sơ đồ điện tương đương của cỏc kiểu biến đổi : Các ký hiệu trên hình 2.4: ρ - tỷ trọng vật liệu; a - một nửa bán kính màng rung; S - điện tích hiệu dụng của tấm chắn; s - độ cứng của hệ thống; c - vận tốc âm trong môi tr−ờng; r - trở kháng tổn hao cơ học; K - hệ số tỷ lệ, phụ thuộc vào tính chất và đặc điểm kết cấu của vật liệu; B - cảm ứng từ; l - độ dài hiệu dụng của dây dẫn; d - khe hở giữa màng và cực nam châm; m - khối l−ợng của bộ biến đổi; n - số vòng dây; Φ - từ thông; C - điện dung. 2.5. Vật liệu thụng dụng để chế tạo cỏc bộ biến đổi Trong thế chiến thứ hai và một phần trong những năm sau đú phần lớn cỏc mỏy biến đổi điện-õm đó sử dụng cỏc linh kiện làm từ vật liệu từ cứng. Cỏc linh kiện đú làm việc ở cỏc mức cụng suất cao, đặc biệt trong chế độ xung. Chỳng rất bền và ớt thay đổi tớnh chất trong thời gian dài. Nhược điểm của chỳng là hệ số hữu ớch thấp (thường chỉ đạt 30-35%), do tổn hao dũng xoỏy trong vật liệu quỏ lớn. Cỏc ferit từ cứng khụng phải là vật dẫn, nờn khụng bị tổn hao vỡ dũng xoỏy, nhưng độ bền cơ học lại khụng đỏp ứng được yờu cầu làm việc ở cụng suất lớn. Bờn cạnh đú cỏc đặc trưng từ cứng của ferit lại phụ thuộc đỏng kể vào ỏp suất, nờn ferit khụng được chọn làm vật liệu thụng dụng trong kỹ thuật thuỷ õm. Vật liệu từ cứng được dựng để chế tạo nam chõm vĩnh cửu. Trờn thị trường hiện nay cú cỏc loại vật liệu từ cứng nờu trong bảng 2.5.1 L ( )φndm 2 2 ( ) aSd n ρ φ 1 2 2 ( ) rd n 2 2φ ( ) sd n 2 2φ -L Ri ( ) aSd n ρ φ 1 2 2 d) kiểu điện từ 33 Bảng 2.5.1- Cỏc loại vật liệu từ cứng dựng trong kỹ thuật thuỷ õm Vật liệu Phương phỏp chế tạo Từ dư, T Lực khỏng từ, kA/m Năng lượng từ cực đại, kJ/m3 ЮН13ДК24 ЮН14ДК24 ЮН15ДК24 ЮН13ДК25БА ЮН14ДК25БА ЮН15ДК25БА 2,8БА 3 БА1 3,1БА 3,5БА 2 БА Đỳc Đỳc Đỳc Đỳc Đỳc Đỳc ẫp ẫp ẫp ẫp ẫp 1,25 1,2 1,15 1,4 1,35 1,25 0,36 0,37 0,38 0,39 0,30 40,0 48,0 52,0 44,0 52,0 62,0 215 207 167 285 184 18,0 18,0 18,0 28,0 28,0 28,0 11,0 12,0 12,3 14,0 8,0 Với mục đớch giảm đến mức thấp nhất tổn hao do dũng xoỏy, người ta đó thiết kế cỏc bộ biến đổi ghộp từ cỏc lỏ mỏng thành bú. Nhưng độ sõu sử dụng cỏc bộ biến đổi như thế cũng bị hạn chế bởi độ bền cơ của cỏc bú. Trước đõy cỏc tinh thể ỏp điện, thạch anh và đihiđrụphốtphỏt được sử dụng thường xuyờn hơn. Nhưng từ khi xuất hiện titanat ba-ri và cỏc loại gốm tương tự khỏc, cỏc tinh thể ỏp điện trong cỏc bộ biến đổi đó bị thay thế dần. Cỏc đầu phỏt làm từ vật liệu gốm cú hiệu suất khoảng 50ữ70%, cú thể phỏt ở mức cụng suất lớn và chịu được ỏp suất lớn dưới đại dương. Hiện nay, vật liệu ỏp điện được sử dụng chủ yếu là gốm ỏp điện trờn cơ sở ba-ri, can-xi, ziriconi và chỡ, ớt khi sử dụng thạch anh, muối xenit và đờhiđrụphốtphỏt amụni. Cỏc tớnh chất cơ bản của gốm ỏp điện được trỡnh bày trong bảng 2.5.2. 34 Bảng 2.5.2 - Cỏc tớnh chất cơ bản của gốm ỏp điện Thành phần Ba2+, Ca2+, TiO32- Pb2+, Zr2+, TiO32- Tỷ trọng ρ, kg/m3 Nhiệt độ Quy-ri, OC QM 5500 120 425 7600 300 500 Cỏc hằng số điện mụi ε33 , T/ε0 ε33 , S/ε0 1250 950 1300 675 Cỏc hằng số ỏp điện d31 (10-12 m/V) d33 (10-12 m/V) g31 (10-3 Vm/N) g31 (10-3 Vm/N) -58 150 -5,5 15 -125 270 -11 25,5 Độ dẻo s11 E (10-12 m2/N) s33 E (10-12 m2/N) 8,6 9,1 12 15,5 Hệ số liờn hệ k31 k33 -0,19 0,46 -0,31 0,65 35 Chương 3- ỨNG DỤNG THUỶ ÂM TRONG QUÂN SỰ 3.1. Một số khỏc biệt giữa súng siờu õm và súng điện từ Như ta đó biết, bước súng của tất cả cỏc loại súng đều xỏc định theo biểu thức: λ=c/f , trong đú c là vận tốc lan truyền súng, f là tần số. Vỡ thế, khi cựng tần số thỡ vận tốc càng nhỏ, bước súng càng ngắn [9]. Súng điện từ lan truyền với vận tốc 300.000km/giõy, nờn dải tần rất rộng và được chia thành nhiều băng tần. Trong khi đú vận tốc lan truyền của súng õm nhỏ hơn vận tốc súng điện từ đến 105-106 lần. Vỡ thế, khi so sỏnh giữa súng điện từ và súng õm khụng nờn so sỏnh cỏc dải tần, mà nờn so sỏnh cỏc vựng bước súng của chỳng. Trờn quan điểm đú ta thấy cỏc điều kiện lan truyền của súng siờu õm và súng điện từ trong dải nằm giữa súng đờximet và súng ỏnh sỏng là tương tự nhau. Tuy nhiờn, súng õm là súng dọc của ỏp suất; đõy chớnh là một trong những điểm khỏc biệt với súng điện từ. Mặt khỏc, súng siờu õm lan truyền rất tốt trong chất khớ cũng như trong chất lỏng, trong khi đú súng điện từ khụng thể lan truyền trong mụi trường chất lỏng, bởi nước (đặc biệt là nước biển) cú tớnh dẫn điện cao. Do bước súng của siờu õm ngắn nờn siờu õm được sử dụng cho cỏc mục đớch, vốn vẫn sử dụng cỏc loại súng khỏc. Một trong số cỏc ứng dụng của siờu õm là cỏc hệ thống tớn hiệu và dẫn đường. Ưu điểm nữa của siờu õm là cỏc thiết bị sử dụng súng siờu õm cú kớch thước nhỏ. 36 3.2. Phõn loại thiết bị thuỷ õm Thụng tin cú vai trũ rất quan trọng trong việc đảm bảo cỏc hoạt động tỏc chiến trờn biển. Nhưng vỡ nước là mụi trường dẫn nờn súng vụ tuyến lan truyền trong nước rất kộm; dự cú tăng cụng suất lớn đến đõu nú cũng khụng thể thâm nhập sõu được. Để giải quyết mõu thuẫn đú người ta thay thế liờn lạc vụ tuyến điện bằng liờn lạc thuỷ õm chuyờn dụng, cú khả năng chuyển tớn hiệu thoại theo thời gian thực. Cỏc phương tiện kỹ thuật ứng dụng hiện tượng lan truyền súng õm trong nước gọi là thiết bị thuỷ õm, hay cũn gọi là sonar. Hiện nay, cỏc thiết bị thuỷ õm trở thành trang bị khụng thể thiếu trờn cỏc tàu hải quõn và cú vai trũ trọng yếu trong cuộc chiến giữa tàu chiến với tàu ngầm cũng như giữa cỏc tàu ngầm với nhau. Cú thể núi khụng quỏ rằng, trong cuộc chiến trờn biển phần thắng sẽ thuộc về ng−ời cú phương tiện thuỷ õm vượt trội. Theo tớnh năng kỹ-chiến thuật người ta phõn cỏc thiết bị thuỷ õm thành cỏc nhúm sau đõy: - Sonar chủ động: vừa phỏt, vừa thu tớn hiệu; - Sonar thụ động: chỉ thu tớn hiệu (tiếng ồn) từ mục tiờu. Theo vị trớ bố trớ thỡ thiết bị thuỷ õm được phõn loại như sau: - Sonar trờn tàu chiến; - Sonar trờn tàu ngầm; - Sonar khụng quõn kiểu thả, kộo; - Sonar khụng quõn kiểu phao; - Sonar cố định; - Sonar dũ thuỷ lụi; - Sonar dựng trong ngư lụi - Sonar chuẩn để kiểm tra cỏc thiết bị thuỷ õm khỏc. 37 3.3. Cỏc hướng ưu tiờn trong nghiờn cứu phỏt triển thiết bị thuỷ õm Mỹ và Nga là hai quốc gia cú Hải Quõn phỏt triển bậc nhất thế giới. Cỏc thiết bị thuỷ õm của họ luụn được nghiờn cứu cải tiến và hiện đại hoỏ theo hướng nhất thể hoỏ về tổ chức, chuẩn hoỏ về chức năng và tối ưu hoỏ về kết cấu, để phự hợp với mục đích sử dụng. 3.3.1. Phỏt triển thuỷ õm trờn tàu ngầm Phỏt triển thuỷ õm trờn tàu ngầm theo cỏc hướng sau: - Tăng tầm (độ nhạy) của cỏc đài thuỷ õm ở chế độ định vị thu; - Hoàn thiện hệ thống định vị và dẫn đường cho thuỷ lụi trong điều kiện nhiễu cao; - Hoàn thiện cỏc thiết bị tự động phõn giải mục tiờu và khớ tài dưới nước; - Nõng cao khả năng chống nhiễu của thiết bị cũng như khả năng tàng hỡnh của tàu mang. 3.3.2. Phỏt triển thuỷ õm trờn tàu chiến - Khi nghiờn cứu chế tạo cỏc ra-đa thuỷ cho tàu chiến hiện nay hướng chủ yếu nhắm vào vựng tần số thấp hơn, nhằm giảm thiểu tổn hao năng lượng khi súng õm lan truyền trong nước biển. Hầu hết cỏc đài thuỷ õm của Mỹ hiện nay đều khụng sử dụng dải tần siờu õm, mà sử dụng dải tần tần từ 3,5 đến 15kHz. Cũn đa phần cỏc trạm thuỷ õm của NATO đều sử dụng súng mang với tần số chuẩn là 80875Hz. Tớn hiệu thuỷ õm được điều chế theo phương phỏp một vế. Lợi thế của việc sử dụng tớn hiệu một vế có khả năng chống nhiễu cao và dễ tách. - Tăng kớch thước của an-ten nhằm thu được tớnh định hướng cao ở tần số thấp; 38 - Ở chế độ thụ động nờn tỏch riờng an-ten phỏt và an-ten thu, trong đú phần thu được sử dụng cả khi dũ tỡm theo nguyờn lý tiếng vọng từ mục tiờu, cả khi dũ tỡm theo nguyờn lý tiếng ồn mục tiờu. - Tập trung chỳ ý vào việc hoàn thiện cỏc phương phỏp tỏch tớn vọng và tiếng ồn từ tàu ngầm trờn nền nhiễu tự nhiờn trong nước và cải thiện cỏc đặc trưng của cỏc bộ biến đổi. - Để tăng tầm của ra-đa thuỷ cú thể ỏp dụng cỏc giải phỏp: * Sử dụng cỏc nguồn thuỷ õm cụng suất lớn với giản đồ hướng hẹp; * Giảm tần số cụng tỏc. Để tăng tầm liên lạc giải phỏp chọn tần số thấp được cỏc chuyờn gia quõn sự Mỹ khai thỏc một cỏch triệt để. Hiện nay, thay vỡ sử dụng dải tần siờu õm họ sử dụng dải õm tần trong khoảng 3,5ữ15kHz. Theo quan điểm của nhiều chuyờn gia nước ngoài thỡ hướng phỏt triển trong giai đoạn hiện nay của cỏc trạm thuỷ õm chuyển dịch từ tần số thấp xuống tần số rất thấp và siờu thấp. Việc sử dụng tần siờu thấp cho phép nâng cao cự ly phỏt hiện tàu ngầm. Thiết bị thuỷ âm cho ng−ời nhái, thì phải tăng tần số để giảm trọng l−ợng. - Hoàn thiện kết cấu an-ten thuỷ õm cũng là một hướng rất quan trọng. Kết cấu của an-ten cú vai trũ rất lớn trong việc nõng tầm phỏt hiện tàu ngầm và độ chớnh xỏc xỏc định toạ độ của nú. Biện phỏp là sử dụng cỏc an-ten thẳng, độ dài lớn. Cú ý tưởng là sử dụng luụn phần thành tàu ngập trong nước hay thiết bị dạng sống chuyờn dụng làm an-ten (gọi là an-ten sống). Dựng an-ten kộo dài sẽ dễ dàng hạ tần cụng tỏc. An-ten dạng này được gọi là an-ten lưới phẳng. Gai đoạn tiếp theo của phỏt triển an-ten tần thấp là cỏc an-ten bảo giỏc cú cấu hỡnh trựng với đường bao vỏ tàu (trừ cỏc chỗ lồi ra). 39 - Nghiờn cứu ứng dụng vật liệu mới trong cụng nghệ chế tạo cỏc bộ biến đổi, đặc biệt là kờnh chất lỏng để truyền năng lượng õm từ phần tử phỏt sang chất lỏng xung quanh. Vai trũ của chất lỏng đú trước đõy là dầu thầu dầu, nay được thay bằng polyalkylenglycol (ĐC-510). Vật liệu mới này ở trạng thỏi nguội cú độ nhớt cao, nờn trước khi đổ vào bộ biến đổi cần phải sấy núng. Tuy giỏ của nú đắt gấp mười lần dầu thầu dầu, nhưng bự lại nú được cỏc chuyờn gia đỏnh giỏ là chất lỏng hiệu quả nhất và giỏ cả chấp nhận được cho mục đớch truyền dẫn năng lượng. - Thiết kế chế tạo cỏc bộ biến đổi làm việc ở độ sõu lớn. Mỹ đó cú bộ biến đổi như vậy, được gọi là APPRES. Bộ biến đổi này cú cấu tạo phự hợp với độ sõu và làm việc ở cỏc tần số dưới 50Hz với cụng suất phỏt gần 5 kW. Khõu chủ yếu của thiết kế này là van phõn cỏch chất lỏng thuỷ lực cụng tỏc và khụng khớ nộn của hệ thống bự trừ ỏp suất bờn ngoài. 3.4. Một số thiết bị thuỷ õm của Mỹ và Nga 3.4.1. Thiết bị thuỷ õm trờn tàu chiến (Mỹ) Cỏc trạm thuỷ õm trờn tàu chiến của Mỹ cú mức độ nhất thể hoỏ rất cao. Hiện nay Mỹ cú 2 kiểu thiết bị thuỷ õm chớnh trang bị trờn tàu chiến là AN/SQS-23 và AN/SQS-26 [10]. Kiểu AN/SQS-23 được bố trớ trờn phần lớn cỏc tàu rải mỡn và cỏc tàu chống ngầm. Kiểu AN/SQS-26 được bố trớ trờn cỏc tàu nguyờn tử, tàu thả mỡn, tàu tuần tiểu thế hệ mới. Mỗi một trạm thuỷ õm cỏc kiểu núi trờn là thành phần của tổ hợp tờn lửa chống tàu “Asroc”. Tuy nhiờn sử dụng phổ biến nhất vẫn là kiểu AN/SQS-23. Hệ thống này được trang bị trờn cỏc tàu Hải Quõn của Mỹ và nhiều nước khỏc trong thế giới tư bản. 40 Tầm hoạt động của trạm này là 10 hải lý. Nếu khụng bị cản che thỡ tầm hoạt động cú thể lờn đến 48ữ54km. Hạn chế chủ yếu của trạm là tồn tại vựng tối õm, trong đó khụng thể “nhỡn thấy” mục tiờu. 3.4.2. Thiết bị thuỷ õm trờn tàu ngầm (Mỹ) Tàu ngầm được trang bị thiết bị thuỷ õm cụng dụng khỏc nhau: nghe ngúng và định vị nguồn tiếng ồn, phỏt hiện tiếng dội của cỏc đối tượng dưới nước, liờn lạc thuỷ õm, định vị dưới nước và dưới băng, chỉ mục tiờu cho vũ khớ, chống lại trinh sỏt bằng thuỷ õm của đối phương. Thiết bị thuỷ õm cho phộp tàu ngầm định hướng một cỏch tự do trong nước, phỏt hiện và chọn mục tiờu, và khi cần thỡ trỏnh sự theo dừi của đối phương. Tàu ngầm nguyờn tử phúng ngư lụi của Mỹ được trang bị tổ hợp thuỷ õm AN/BQQ-2. Thành phần của tổ hợp bao gồm: * Trạm thuỷ õm AN/BQS-6 là thành phần cơ bản của tổ hợp, cú nhiệm vụ dũ tỡm và phỏt hiện mục tiờu, cung cấp cỏc dữ liệu cho việc dẫn vũ khớ. Trạm làm việc ở chế độ tớch cực và thụ động, tần số thấp. An-ten của trạm dạng cầu, đường kớnh 3ữ4,5m, tạo bởi 1245 bộ biến đổi ỏp điện ziriconat chỡ. * Trạm định vị nhiễu AN/BQR-7 cũng là một trong những thành phần chủ yếu của tổ hợp. Cụng dụng chủ yếu là phỏt hiện mục tiờu gõy ồn ở cự ly lớn. Nú cú an-ten hỡnh múng ngựa ụm vào hai bờn vỏ phần mũi tàu ngầm. An-ten cú 156 đầu thu, được bố trớ thành 3 dóy ngang, dọc theo thõn tàu, cỏch mỗi mạn tàu 15m. * Trong tổ hợp cũn cú trạm thuỷ õm phõn loại mục tiờu AN/BQQ-3. Trạm này được sử dụng để thu và phõn tớch, sau đú phõn loại tiếng ồn và ghi lờn băng từ. Thành phần của trạm cũn bao gồm thiết bị kiểm tra và phõn tớch ồn nội. 41 Sơ đồ bố trớ cỏc an-ten của tổ hợp thuỷ õm AN/BQQ-2 trờn tàu ngầm của Mỹ cú thể tham khảo tại [10]. 3.4.3. Cỏc thiết bị thuỷ õm khụng quõn kiểu thả, kộo (Mỹ) Để phỏt hiện tàu ngầm dưới lớp nhảy bước nhiệt độ trờn cỏc tàu chiến của Mỹ và Phương Tõy cũn được sử dụng cỏc trạm thuỷ õm neo ở cỏc độ sõu khỏc nhau. Cỏc thiết bị thuỷ õm thả là phương tiện chống ngầm hữu hiệu. Chỳng được mỏy bay thả xuống biển hoặc mỏy bay trực thăng kộo lờ. Cỏc trạm thuỷ õm do trực thăng kộo lờ về bản chất khụng khỏc gỡ cỏc trạm thủy õm bố trớ trờn chiến hạm. Khỏc biệt duy nhất ở đõy là an-ten thuỷ õm được thả xuống nước bằng cỏp treo, cỏc phần cũn lại của thiết bị được bố trớ trờn trực thăng. Thế mạnh của phương phỏp này là ở chỗ loại trừ được tiếng ồn của phương tiện mang và quan trọng nhất là cú tớnh cơ động cao, tạo điều kiện mở rộng vựng rà tỡm tàu ngầm-mục tiờu. Về kết cấu, an-ten thuỷ õm kiểu thả hay kiểu kộo đều giống nhau. Chỳng cú cấu tạo từ 2 khối: khối an-ten thả xuống biển và khối thiết bị chỉ thị bố trớ trờn vật mang. Mỹ cú một số thiết bị thuỷ õm kộo thả hiện đại ký hiệu là AN/AQS- 10, -13, -13A. AN/AQS-10 sử dụng chế độ xung với độ dài 35ms, 3 tần số cụng tỏc (9,25; 10; 10,75kHz), cụng suất xung 5kW, cự ly phỏt hiện tàu ngầm 5- 6km. Trạm này sử dụng bộ chỉ thị quan sỏt vũng quanh. AN/AQS-13 là biến thể của AN/AQS-10, hiện đại hơn, đa mục tiờu. Nú được thả đến độ sõu 137m, trọng lượng 227kg và cũn cú thể được giảm xuống cũn 160kg. Kết quả của việc hoàn thiện tiếp theo là sự ra đời của trạm phỏt hiện tầm xa AN/AQS-13B. Nú cú khả năng phõn loại, xỏc định hướng và vận tốc của mục tiờu. 42 3.4.4. Cỏc thiết bị thuỷ õm khụng quõn kiểu phao (Mỹ) Để phỏt hiện tàu ngầm người ta cũn sử dụng cỏc phao thuỷ õm, được thả từ mỏy bay hoặc mỏy bay trực thăng xuống cỏc vựng nghi là cú tàu ngầm hoạt động. Cỏc phao thuỷ õm được tạo bởi cỏc đầu thu õm, bộ khuếch đại, mỏy phỏt vụ tuyến, nguồn nuụi và thiết bị thu. Cỏc phao thuỷ õm thường được sử dụng một cỏch tổ hợp, cú khi đến hàng chục phao trong mỗi tổ hợp. Hàng rào phao thuỷ õm thường được bố trớ tại cỏc lối vào căn cứ và hải cảng, trong cỏc vựng neo đậu của cỏc hạm đội và trờn cỏc tuyến tỡnh nghi cú sự lưu thụng của cỏc tàu ngầm. Cỏc phao thuỷ õm cú thể hoạt động theo chế độ liờn tục hay chế độ luõn phiờn (chế độ trực). Khi nguồn năng lượng dự trữ cạn thỡ phao tự đỏnh chỡm. Cú 2 loại phao thuỷ õm: tớch cực và thụ động. Loại tớch cực khụng chỉ phỏt hiện tiếng ồn, mà cũn xỏc định được cự ly đến mục tiờu, thậm chớ phõn biệt được cả mục tiờu giả. Cỏc phao loại này được thả xuống độ sõu nhất định. Loại phao thụ động cũng cú thể được sử dụng như phao tớch cực, nếu nú đi kốm với thủ thuật kớch nổ dưới nước, để tạo súng õm phỏt đi và thu súng õm phản xạ ngược lại từ mục tiờu. Khụng quõn Mỹ được trang bị cỏc phao thuỷ õm kiểu AN/SSQ-23, - 41, -53 với hệ thống chỉ thị bố trớ trờn vật mang là AN/AQA-7. Hạn chế đỏng kể của phao thuỷ õm là chỉ sử dụng được một lần, tuổi thọ thấp. Để khắc phục cỏc hạn chế đú cỏc chuyờn gia đó sử dụng tần số thấp, thậm chớ đến tần số hạ õm để tăng tầm tỏc động, kộo dài tuổi thọ, giảm kớch thước và trọng lượng, mà khụng ảnh hưởng đến cỏc tớnh năng chiến-kỹ thuật. 3.4.5. Cỏc trạm thuỷ õm cố định (Mỹ) Cỏc trạm thuỷ õm cố định thường được bố trớ ở cỏc lối vào căn cứ, bến cảng, tại những nơi neo đậu phương tiện hay dọc theo bờ biển. Chỳng là thành phần khụng thể thiếu của Phũng thủ chống hạm. 43 Khỏc với cỏc kiểu bố trớ trờn hạm, trờn tàu ngầm, kiểu thả kộo hay kiểu phao, cỏc trạm thuỷ õm tĩnh được bố trớ một phần trờn bờ, một phần dưới đỏy biển. An-ten được bố trớ dưới đỏy biển, cỏc thiết bị cũn lại được bố trớ cố định trờn bờ. Hai phần này được kết nối với nhau bởi đường cỏp đặc biệt. Cỏc trạm thuỷ õm cố định làm việc ở chế độ dũ õm (thụ động) và chế độ dũ vang (tớch cực). Khi đó phỏt hiện được mục tiờu nhờ phương phỏp dũ õm thỡ hệ thống chuyển ngay sang chế độ dũ vang để định vị mục tiờu. Mỹ đó cú từ lõu hệ thống thuỷ õm cố định tầm xa phỏt hiện tàu ngầm “Ceasar”, hoạt động ở chế độ thụ động và hệ thống “Artemis”, hoạt động ở chế độ tớch cực. 3.4.6. Thiết bị thuỷ õm dựng cho ngư lụi (Nga) Chỳng ta khụng cú nhiều thụng tin về thiết bị thuỷ õm của Liờn Xụ (cũ). Chỉ biết rằng Liờn Xụ (cũ) cú đầu tự dẫn ngư lụi СЭТ -53M và trạm liờn lạc thuỷ õm МГ-16. Hai thiết bị thuỷ õm này hiện cú trong trang bị của cỏc tàu hải quõn Việt nam. Sau nhiều năm đưa vào vận hành chỳng đó xuống cấp nghiờm trọng và đó nhiều lần sửa chữa. 1. Theo thuyết minh kỹ thuật đi kốm thiết bị thỡ trạm liờn lạc thuỷ õm МГ-16 được dựng để trang bị cho cỏc tàu chiến, bảo đảm cho chỳng liờn lạc ngầm hai chiều đẳng hướng với nhau và cả với cỏc tàu ngầm, đo cự ly giữa hai tàu chiến, giữa tàu chiến với tàu ngầm. Việc liờn lạc đẳng hướng được đảm bảo bằng hệ thống õm bố trớ trong thiết bị nõng-hạ HK. Trạm làm việc ở chế độ tớn và thoại và tự động truyền tớn hiệu ở chế độ đo xa. Liờn lạc tớn và thoại thực hiện khi trạm làm việc ở một tần số. Đo xa được tiến hành ở 2 tần số. 44 Trạm sử dụng nguồn nuụi xoay chiều một pha 220V/50Hz, dao động điện lưới khụng lớn hơn ±5%, dao động tần số khụng quỏ ±3% giỏ trị định mức. Cụng suất tiờu thụ ở chế độ thu khụng quỏ 150W, ở chế độ phỏt khụng quỏ 1500W. Thời gian đưa trạm vào trạng thỏi sẵn sàng chiến đấu khụng quỏ 2 phỳt. Trạm chỉ cần một nhõn viờn phục vụ. Thành phần của trạm gồm cú: - Hệ thống õm học đẳng hướng; - 2 mỏy phỏt, - Bàn điều khiển; - Thiết bị chuyển mạch; - Vị trớ liờn lạc; - Loa; - Hộp cỏp. 2. Đầu tự dẫn ngư lụi СЭТ-53M được sử dụng để phỏt hiện tàu ngầm theo trường õm thanh do tàu ngầm phỏt ra và dựa vào đú để hiệu chỉnh ngư lụi trong 2 mặt phẳng vuụng gúc, đảm bảo cho ngư lụi đỏnh trỳng tàu ngầm. Đầu tự dẫn ngư lụi СЭТ -53M cú cỏc chức năng sau đõy: - Thực hiện tỡm kiếm, phỏt hiện và bỏm sỏt tàu ngầm; - Định vị tàu ngầm-mục tiờu trong mặt phẳng ngang và mặt phẳng đứng; - Ngắt lệnh điều khiển chuyển động của ngư lụi trong mặt phẳng ngang khỏi hệ thống con quay và ngắt lệnh điều khiển theo mặt phẳng đứng khỏi phần thuỷ lực của hệ thống xi-fụng con lắc sau khi đó bắt được tớn hiệu mục tiờu để tự mỡnh tỡm đến mục tiờu; - Liờn tục kiểm tra sự tồn tại của mục tiờu trong suốt hành trỡnh của ngư lụi và điều chỉnh hành trỡnh khi cần thiết. - Thực hiện tỡm lại mục tiờu trong mặt phẳng ngang, nếu bị mất mục tiờu. 45 Chương 4 - PHÂN TÍCH LỰA CHỌN GIẢI PHÁP THIẾT KẾ THIẾT BỊ LIấN LẠC THỦY ÂM Mục tiờu cơ bản cũng là yờu cầu cho cỏc mỏy liờn lạc thủy õm đề tài đó đặt ra là tổ chức liờn lạc giữa người lặn với người lặn, giữa người lặn với mỏy đặt trờn cỏc phương tiện nổi (tàu, thuyền,...). Vỡ vậy hai loại mỏy cần làm việc trờn cựng dải tần và cựng nguyờn lý. 4.1 Lựa chọn tần số liờn lạc Hình 1.2.1 mục 1.2 cho thấy trong lớp nước gần bề mặt vận tốc õm giảm theo độ sõu, t−ơng tự thay đổi nhiệt độ. ở độ sõu ∼1000m (nơi nhiệt độ gần như khụng đổi) vận tốc õm cú giỏ trị nhỏ nhất. Cùng với sự gia tăng độ sâu, vận tốc õm lại bắt đầu tăng, do tăng ỏp suất tĩnh. Tốc độ truyền súng õm trong nước biển phụ thuộc vào độ sõu và thay đổi trong khoảng 1400m/giõy đến 1570m/giõy. Kết quả nhận được từ 1.4 và 1.5 cho thấy, tổn hao năng lượng do hấp thụ trong lũng chất lỏng và trờn bề mặt vật rắn tỷ lệ với căn bậc 2 của tần số liờn lạc. Biểu thức (1.5.2) đỳng chừng nào nú cũn nhỏ, bởi vỡ khi dẫn giải chỳng ta giả thiết rằng biờn độ súng tới và súng phản xạ như nhau. Điều kiện này cú nghĩa là gúc tới θ khụng được quỏ gần với π/2 . Biểu thức tớnh hấp thụ õm khi phản xạ ở gúc bất kỳ cho thấy hấp thụ súng õm trờn bề mặt rắn là rất lớn. Nguyờn nhõn của hiện tượng này được giải thớch như sau: Trong súng õm khụng những tỷ trọng và ỏp suất mà nhiệt độ cũng thực hiện dao động quanh giỏ trị trung bỡnh của mỡnh. Vỡ thế, trong vựng sỏt bề mặt rắn tồn tại hiệu nhiệt độ giữa chất lỏng và bề mặt rắn, ngay cả khi nhiệt độ trung bỡnh của chất lỏng bằng nhiệt độ bề mặt. Độ lớn của hiệu nhiệt độ này thay đổi một cỏch tuần hoàn. Trong khi đú ngay trờn bề mặt nhiệt độ của chất lỏng tiếp xỳc bề mặt và nhiệt độ của chớnh bề mặt phải 46 bằng nhau. Kết quả là trong lớp chất lỏng sỏt bề mặt rắn xuất hiện gradient nhiệt độ lớn; nhiệt độ thay đổi nhanh từ giỏ trị của mỡnh trong súng õm đến giỏ trị nhiệt độ bề mặt. Sự tồn tại gradient nhiệt độ lớn cũng là nguyờn nhõn tản mỏt năng lượng cao do quỏ trỡnh dẫn nhiệt. Chớnh độ nhớt của chất lỏng dẫn đến hấp thụ