Tàu ngầm AIP đã nâng hiệu quả tác chiến của tàu ngầm thông thường tăng gấp đôi, đưa tàu ngầm AIP tiến gần tới "tiêu chuẩn" tàu ngầm hạt nhân trong khi giá cả rẻ hơn nhiều lần.
Tàu ngầm AIP - tàu ngầm hạt nhân của nước nghèo
Tàu ngầm hạt nhân thường được miêu tả như công cụ sức mạnh địa chính trị đáng sợ, tuy nhiên không phải quốc gia nào cũng có cơ hội sở hữu thứ vũ khí có tính "răn đe" cao như tàu ngầm hạt nhân.
Lý do đó là công nghệ chế tạo tàu ngầm hạt nhân rất phức tạp, nên tàu có giá thành rất cao. Phần lớn các nước trên thế giới đều không thể mua và sử dụng tàu ngầm hạt nhân với giá cả cao ngất.
Ngoài ra, do nguyên nhân bị hạn chế bởi yếu tố pháp lý đối với các nước bị bại trận trong Chiến tranh thế giới thứ II như Đức và Nhật Bản; nên những nước này cũng chỉ được phép phát triển tàu ngầm thông thường.
Tuy nhiên tham vọng về một loại tàu ngầm thông thường, nhưng có khả năng lặn dưới nước lâu hơn, luôn thúc đẩy các quốc gia đầu tư, nghiên cứu, chế tạo loại tàu ngầm thông thường có "hệ thống đẩy không phụ thuộc vào không khí" (Air independent propulsion - AIP), giúp tàu hạn chế sử dụng ống thông khí, tăng thời gian chạy dưới nước của tàu.
Do hệ thống AIP có thể thực hiện một phần tính năng của tàu ngầm hạt nhân, đồng thời giá cả lại rẻ, vì thế nó trở thành sự lựa chọn tối ưu của một số quốc gia có nền kinh tế đang phát triển. Vì lý do đó, tàu ngầm trang bị hệ thống AIP được gọi một cách hình tượng là tàu ngầm hạt nhân của "nước nghèo".
Tàu ngầm St Petersburg lớp Lada của Hải quân Nga.
Những điểm yếu "chết người" của tàu ngầm thông thường
Tàu ngầm thông thường (còn gọi là tàu ngầm diesel - điện) sử dụng nguồn động lực được kết hợp từ động cơ diesel với động cơ điện. Động cơ diesel bảo đảm cho tàu ngầm chạy trên mặt nước và nạp điện. Khi ở dưới nước, tàu ngầm sử dụng nguồn điện dự trữ trong hệ thống ắc-quy.
Tuy nhiên, do nguồn điện dự trữ trong hệ thống ắc-quy phải cung cấp cho tất cả các thiết bị trên tàu, nên ngay cả khi tàu ngầm chạy ở tốc độ thấp cũng chỉ có thể duy trì trong một thời gian ngắn, sau đó nó phải nổi lên để nạp điện.
Vì vậy, so với tàu ngầm hạt nhân, mặc dù tàu ngầm thông thường có năng lực cơ động linh hoạt, ít tiếng ồn và chi phí thấp; nhưng nó có một điểm yếu chết người đó là: Tàu không thể chạy trong thời gian dài dưới nước; thường phải nổi lên để "thở", tức là ở trạng thái phải sử dụng ống thông khí chạy động cơ diesel để nạp điện.
Khi đó, hiệu quả che giấu của tàu ngầm bị giảm đáng kể. Nếu thời gian này bị đối phương phát hiện và bao vây truy đuổi; hoặc chúng sẽ phải nổi lên mặt nước đầu hàng, hoặc do không thể chạy thoát, nên bị tàu hộ vệ, máy bay đối phương đánh chìm.
Tàu ngầm dùng hệ thống AIP
Để khắc phục những điểm yếu chết người này, các nhà khoa học đã phát triển một loại động cơ thông thường cho tàu ngầm mà không cần lấy ôxy từ không khí. Đó chính là "hệ thống đẩy không phụ thuộc vào không khí", gọi tắt là hệ thống AIP.
Các tàu ngầm thông thường được trang bị hệ thống AIP, đã giảm đáng kể thời gian chạy bằng ống thông khí, khắc phục được hạn chế của tàu ngầm thông thường khi chạy dưới nước.
Những tàu ngầm thông thường trước đây, ít nhất hai ngày một lần phải nổi lên để nạp điện; trong khi đó tàu ngầm Type 212 của Đức được trang bị hệ thống AIP, có thể lặn ba tuần liên tiếp, chạy ít nhất 2.400 km mà không cần nổi lên.
Do không có lò phản ứng hạt nhân nên tàu ngầm sử dụng AIP không tỏa nhiệt, do đó không cần phải làm mát liên tục, nên khả năng tàng hình của chúng cao hơn tàu ngầm chạy bằng năng lượng hạt nhân. Có thể nói, công nghệ đẩy không cần dựa vào không khí đã làm thay đổi phương thức hoạt động của tàu ngầm thông thường trước đây.
Hiện nay những tàu ngầm thông thường hiện đại không chỉ có thể đối đầu với các tàu mặt nước, mà trong những điều kiện thích hợp, chúng có thể đối chọi cả với các tàu ngầm hạt nhân kiểu cũ. Do vậy phát triển tàu ngầm dùng động cơ AIP chính là tương lai của tàu ngầm thông thường trên thế giới trong thời gian tới.
Ba phương án sử dụng động cơ AIP
Hiện tại, có ba phương án sử dụng động cơ AIP đó là: phương án động cơ diesel tuần hoàn kiểu khép kín; phương án động cơ Stirling và phương án dùng pin nhiên liệu.
Ba phương án AIP này đều đã được các cường quốc hải quân lần lượt áp dụng, Anh và Hà Lan đã áp dụng phương án động cơ diesel tuần hoàn kiểu khép kín; Thụy Điển, Nhật Bản áp dụng phương án động cơ Stirling. Trong khi đó Đức áp dụng phương án pin nhiên liệu.
Động cơ diesel tuần hoàn kiểu khép kín nói một cách đơn giản là gắn bình ôxy cho tàu ngầm; sử dụng bình nén ôxy lỏng để cung cấp khí ôxy cho động cơ diesel khi tàu ngầm chạy dưới nước. Phương thức này không đòi hỏi quá cao về mặt kỹ thuật, giá thành rẻ, dễ áp dụng.
Hiện nay, Đức, Hà Lan, Italia và Anh đang tích cực phát triển hệ thống động cơ AIP loại này. Năm 1993, Đức đã thử nghiệm thành công hệ thống động cơ diesel tuần hoàn kiểu khép kín có công suất 250 KW trên tàu ngầm U-1 Type 205 (hiện đã loại khỏi biên chế), và cải tiến một số lượng lớn tàu ngầm Type 209 dùng xuất khẩu ra nước ngoài.
Tàu ngầm Type 209.
Phương án sử dụng động cơ Stirling: Động cơ Stirling thông qua chất xúc tác (hydrogen hoặc heli) làm việc trong xi lanh, trải qua quá trình làm mát, nén, hấp thụ nhiệt, nở, tạo ra động lực đầu ra cho một chu kỳ tuần hoàn, vì thế nó còn được gọi là động cơ nhiệt khí.
Động cơ nhiệt khí tuần hoàn Stirling không thải ra khí thải, ngoài đốt cháy không khí trong buồng đốt, nó không cần nguồn không khí khác, cho nên nó là phương án giải quyết lý tưởng, đảm bảo cho tàu ngầm động cơ thông thường chạy một thời gian dài dưới nước mà không cần nổi lên mặt nước.
Vào tháng 2/1995, chiếc tàu ngầm AIP đầu tiên thế giới trang bị động cơ Stirling mang tên "Gotland" đã được hạ thủy và chính thức phục vụ trong Hải quân Hoàng gia Thụy Điển. Mặc dù đây chỉ là một tàu ngầm có lượng giãn nước chỉ 1.500 tấn, nhưng nó đánh dấu sự khởi đầu của một kỷ nguyên tàu ngầm chạy bằng động cơ thông thường.
Tàu ngầm Gotland được trang bị hai động cơ Stirling V4-275R, mỗi động cơ có công suất 75 KW. Ngoài việc cung cấp 75 đến 85 KW cần thiết cho thiết bị điện trên tàu, năng lượng còn lại sử dụng để đẩy tàu chạy. Tàu ngầm có thể chạy dưới nước với tốc độ khoảng 6 hải lý/giờ cho một chuyến đi liên tục 15 ngày.
Tàu ngầm Scorpion.
Động cơ Stirling có ưu điểm là hiệu suất công tác cao, tiếng ồn, ô nhiễm và chi phí vận hành thấp. Tuy nhiên, nó vẫn còn nhiều vấn đề cần giải quyết. Ví dụ, động cơ cần thời gian làm nóng, trước khi nó có thể cung cấp động lực hiệu quả, nên không thể tạo ra nhanh chóng động lực đầu ra, điều này rất bất lợi để nâng cao khả năng cơ động nhanh của tàu ngầm.
Phương án sử dụng động cơ pin nhiên liệu: Pin nhiên liệu là việc lợi dụng phản ứng hóa học giữa nhiên liệu và chất ôxy hóa, trực tiếp sản xuất ra điện năng, nhưng nó lại không thể tích điện, chỉ có thể phát điện.
Hiện nay, các pin nhiên liệu đều dùng hydro làm nhiên liệu, dùng ôxy làm chất ôxy hoá, loại pin như vậy còn được gọi là pin nhiên liệu hydro. Trên thực tế, pin nhiên liệu hydro chưa phải là pin, mà chỉ là một phương thức chuyển đổi năng lượng, chuyển hóa hydro và ôxy thành nước và điện năng.
Hệ thống pin nhiên liệu hydro được sử dụng cho tàu ngầm Type 212 của Đức. Loại tàu ngầm AIP này sử dụng hệ thống động lực hỗn hợp pin nhiên liệu hydro và động cơ diesel-điện. Hai hệ thống vừa có thể làm việc độc lập, vừa có thể hoạt động đồng thời.
Tốc độ tối đa dưới nước đạt hơn 8 hải lý/giờ, có thể chạy liên tục hơn 7 ngày. Hành trình chạy liên tục dưới nước tối đa là hơn 1.683 hải lý (3.177 km), hơn gấp bốn lần so với tàu ngầm Type 209 không có hệ thống AIP.
Ưu điểm của pin nhiên liệu hydro là: Không ô nhiễm, không thải ra các chất gây hại; không tiếng ồn, khi hoạt động rất yên lặng; hiệu suất công tác và tỷ lệ chuyển đổi năng lượng cao, có thể đạt đến 80%, trong khi hiệu suất này của động cơ diesel chỉ là khoảng 35%.
Những hạn chế của pin nhiên liệu hydro là: Thứ nhất, tuổi thọ không dài, mặc dù đây không phải là một vấn đề lớn trong lĩnh vực quân sự, bởi sản phẩm quân dụng thường nhấn mạnh đến tính hiệu quả.
Tuy nhiên, giá thành cao vẫn là một vấn đề, ví dụ như phải cần đến một số lượng lớn bạch kim đóng vai trò như một chất xúc tác, bạch kim là một kim loại quý, nên có giá thành tương đối cao.
Ngay cả khi Nhật Bản tuyên bố họ có công nghệ sản xuất pin tối ưu nhất, họ cũng không dám áp dụng công nghệ này vào tàu ngầm. Do vậy, công nghệ này đã không được nhiều nước ứng dụng, mà tập trung sử dụng công nghệ động cơ Stirling nhiều hơn.
Tàu ngầm AIP làm cho hiệu quả tác chiến của tàu ngầm thông thường tăng gấp đôi, đã tiến gần tới "tiêu chuẩn" tàu ngầm hạt nhân. Như đã đề cập ở trên, hải quân ở hầu hết các quốc gia bị hạn chế bởi chi phí quân sự, không có khả năng sử dụng tàu ngầm hạt nhân đắt tiền, nên tàu ngầm AIP đã trở thành sự lựa chọn tốt của họ.
Hệ thống AIP có thể thực hiện một phần tính năng của tàu ngầm hạt nhân, đồng thời giá thành lại rẻ, cho nên ngay cả một số nước đang phát triển có ngân sách quốc phòng hạn hẹp cũng có thể mua được. Do vậy bên cạnh tàu ngầm hạt nhân, tàu ngầm AIP sẽ là tương lai phát triển của tàu ngầm thông thường trên thế giới.