Tàu ngầm chạy bằng động cơ diesel tạo ra một nghịch lý kỹ thuật: động cơ cần oxy để đốt cháy nhiên liệu, nhưng tàu lại phải di chuyển trong lòng đại dương. Các kỹ sư hải quân giải quyết bài toán này từ hơn một thế kỷ trước bằng cách tách riêng hệ thống phát điện và động lực đẩy, tạo nên loại tàu ngầm diesel-điện vẫn được nhiều quốc gia sử dụng đến hôm nay.
Khác với tàu mặt nước, tàu ngầm diesel không vận hành động cơ liên tục khi lặn. Thay vào đó, chúng hoạt động dựa trên hai hệ thống kết nối với nhau: máy phát điện diesel và động cơ điện chạy bằng acquy.
Khi tàu nổi trên mặt nước hoặc hoạt động ngay dưới bề mặt với ống thông hơi, động cơ diesel vận hành để quay máy phát điện, nạp đầy các bộ acquy lớn trên tàu và cung cấp lực đẩy. Sau khi tàu lặn sâu, động cơ diesel ngừng hoạt động, tàu di chuyển êm ái nhờ động cơ điện sử dụng năng lượng đã tích trữ.
 |
| Tàu ngầm HMS Halland lớp Gotland của Thụy Điển sau nâng cấp giữa vòng đời, tháng 2/2025. Ảnh: Glenn Pettersso/SAAB |
Tàu ngầm thông thường dùng động cơ diesel để di chuyển trên mặt nước và nạp acquy, trong khi hoạt động dưới nước phụ thuộc hoàn toàn vào hệ thống đẩy điện. Cách bố trí này không chỉ cho phép tàu hoạt động dưới nước mà còn tăng khả năng ngụy trang. Động cơ điện tạo ra tiếng ồn cơ học thấp hơn nhiều so với động cơ đốt trong, giúp tàu ngầm diesel-điện hoạt động hiệu quả trong các nhiệm vụ ven biển và trinh sát.
Tạp chí Jalopnik ghi nhận rằng động cơ diesel không thể hoạt động ở độ sâu lớn vì chúng cần nguồn không khí tươi liên tục để đốt cháy và thải khí. Thay vào đó, động cơ vận hành khi tàu nổi lên mặt nước hoặc sử dụng ống thông hơi, về cơ bản đóng vai trò máy phát điện nạp acquy thay vì truyền động trực tiếp cho chân vịt khi hoạt động ở vùng nước sâu.
Các nghiên cứu kỹ thuật lịch sử cho thấy khái niệm này - động cơ diesel nạp acquy trong khi động cơ điện quay chân vịt dưới nước - trở thành phương thức đẩy chủ đạo cho tàu ngầm thông thường trong thế kỷ 20. Lý do nằm ở khả năng lặn nhanh, bố trí máy móc linh hoạt và giảm nguy cơ bị phát hiện qua âm thanh.
Dù có bộ acquy lớn, tàu ngầm diesel-điện vẫn cần nạp điện định kỳ. Theo cách truyền thống, công việc này đòi hỏi tàu nổi lên hoặc hoạt động ở độ sâu nông, sử dụng hệ thống ống thông hơi để hút không khí vào và thoát khí thải trong lúc máy phát điện diesel vận hành. Các nhà phân tích hải quân lưu ý rằng thời gian sử dụng ống thông hơi có thể làm lộ vị trí tàu vì cột khí hút và khí thải tạo ra dấu hiệu dễ quan sát.
Tiến bộ công nghệ đã kéo dài thời gian hoạt động dưới nước. Nhiều tàu ngầm hiện đại giờ đây trang bị hệ thống đẩy độc lập không khí (AIP), tạo ra điện năng mà không cần tiếp cận oxy trong khí quyển. Điều này cho phép tàu ở dưới nước nhiều tuần liền ở tốc độ thấp trước khi cần nạp acquy bằng động cơ diesel.
Trong các thiết kế gần đây, mô-đun AIP kéo dài thời gian hoạt động dưới nước từ khoảng hai ngày lên vài tuần, cải thiện khả năng ngụy trang và linh hoạt tác chiến một cách rõ rệt.
Mặc dù không có sức bền gần như vô hạn của tàu ngầm chạy năng lượng hạt nhân, tàu diesel-điện vẫn được sử dụng rộng rãi nhờ chi phí thấp hơn, cấu tạo đơn giản và hoạt động cực kỳ yên tĩnh khi chạy bằng điện acquy. Viện Hải quân Mỹ ghi nhận rằng những tàu ngầm này có thể tạo ra tín hiệu âm thanh tương đương một số tàu ngầm hạt nhân yên tĩnh nhất khi vận hành bằng điện, khiến chúng đặc biệt hiệu quả trong phòng thủ ven biển, thu thập tin tức và nhiệm vụ trinh sát.
Kết quả là một kiến trúc đẩy lai được thiết kế xoay quanh những hạn chế của động cơ đốt trong. Tàu ngầm diesel hoạt động dưới nước không phải bằng cách vận hành động cơ ở độ sâu lớn, mà bằng việc sử dụng năng lượng điện đã tích trữ từ trước trên mặt nước hoặc qua hệ thống nguồn điện thay thế.
Thiết kế này có thể đã ra đời cách đây nhiều thập kỷ, nhưng cách tiếp cận lai của tàu ngầm diesel-điện tiếp tục chứng minh rằng ngay cả động cơ cần không khí vẫn có thể hỗ trợ hoạt động lâu dài dưới đáy biển.
| Có thể bạn muốn biết: Động cơ diesel là loại động cơ đốt trong kiểu nén - cháy (compression ignition), sử dụng nhiên liệu dầu diesel làm chất đốt để tạo ra công cơ học. Khác với động cơ xăng đánh lửa bằng bugi, động cơ diesel không cần hệ thống đánh lửa: nhiên liệu được tự bốc cháy khi phun vào buồng đốt chứa không khí đã bị nén ở áp suất và nhiệt độ rất cao. Nguyên lý cơ bản: Không khí được nén mạnh trong xi‑lanh đến áp suất khoảng 30–50 bar, nhiệt độ lên 500–700°C. Khi pistông ở gần điểm chết trên, nhiên liệu diesel được phun tơi vào buồng đốt, tự bốc cháy, tạo áp suất đẩy pistông đi xuống, tạo ra cơ năng. Ưu điểm: Hiệu suất nhiên liệu cao hơn động cơ xăng, tiết kiệm khoảng 20–35% nhiên liệu trên cùng quãng đường. Mô‑men xoắn lớn, phù hợp cho xe tải, xe buýt, máy kéo, tàu thủy, máy phát điện. Tuổi thọ thường cao hơn, vì cấu trúc piston, xilanh, hệ thống bôi trơn được thiết kế chịu tải lớn, số chi tiết ít hơn (không có bugi, hệ thống đánh lửa). Động cơ diesel được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực: Giao thông vận tải: xe tải, xe buýt, đầu kéo, ô tô thương mại, tàu thủy. Công nghiệp - năng lượng: máy phát điện diesel, máy công nghiệp, máy xây dựng, máy nông nghiệp. Hậu cần - quốc phòng: xe quân sự, phương tiện phục vụ logistics, tàu chiến, tàu cá lớn. Trong các tổ máy phát điện diesel, động cơ chiếm khoảng 60–70% giá trị của tổ máy, vì là bộ phận chính chuyển hóa năng lượng dầu diesel thành mô‑men quay để dẫn máy phát điện. |
