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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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 lớn khi súng tới nghiờng (khụng vuụng gúc với mặt rắn) cũng được giải thớch một cỏch tương tự: Khi súng tới nghiờng vận tốc chất lỏng trong súng (hướng theo hướng lan truyền súng) cú thành phần tiếp tuyến với bề mặt rắn khỏc khụng. Trong khi đú, ngay trờn bề mặt vật rắn chất lỏng bị “dớnh” hoàn toàn. Vỡ thế, trong lớp bề mặt của chất lỏng xuất hiện gradient lớn của thành phần tiếp tuyến của vận tốc, dẫn đến tổn hao năng lượng do nhớt sẽ lớn, như đó trỡnh bày trờn đõy. Thành phần phỏp tuyến của vận tốc trờn bề mặt bằng khụng, do điều kiện biờn của chất lỏng lý tưởng.
Mụi trường nước biển thuận lợi nhất đối với năng lượng õm, cú nghĩa là súng õm lan truyền trong nước biển thuận lợi hơn cỏc súng khỏc. Như đó chứng minh ở cỏc phần trờn mức độ tổn hao của súng õm khi lan truyền trong nước tăng theo bỡnh phương tần số. Ngoài ra, cỏc đặc trưng lan truyền của súng õm trong đại dương phụ thuộc vào một loạt thụng số như phõn bố nhiệt độ theo độ sõu, trạng thỏi bề mặt, độ sõu nơi bố trớ thiết bị, đặc trưng của đỏy biển, vị trớ và cấu trỳc của cỏc tầng tỏn xạ sõu.
Khả năng thu phỏt tớn hiệu của thiết bị thụng tin thủy õm được xỏc định bởi mức tớn hiệu và độ ồn mụi trường xung quanh. Mức tớn hiệu lại phụ thuộc vào cụng suất phỏt, điều kiện lan truyền súng õm. Mức ồn phụ thuộc vào trạng thỏi của biển, vận tốc giú, độ dày lớp nước và cỏc yếu tố cú nguồn gốc sinh học trong vựng bố trớ thiết bị liờn lạc.
Thụng tin về trạng thỏi nước biển và đỏy biển là vụ cựng quan trọng. Chỳng cho phộp dự bỏo chớnh xỏc đặc trưng lan truyền súng õm trong nước và xỏc định cỏc khả năng của thiết bị thuỷ õm cần thiết cho việc bố trớ và tổ chức thụng tin.
Độ sõu của đại dương thay đổi trong dải rất rộng, cú nơi chỉ mấy một, cú nơi đến hàng chục km. Độ chờnh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và cỏc lớp nước sõu cú thể tới hàng chục độ. Lớp nước bề mặt cũn bị ảnh hưởng bởi súng. Độ mặn của nước biển ở cỏc khu vực khỏc nhau khụng chờnh nhau đỏng kể và dao động quanh 3,5%. ỏp suất trong nước biển tăng theo độ sõu, khoảng 1kG/cm2 trờn 10m sõu, vỡ thế càng xuống sõu ỏp lực nước càng lớn. Một đặc điểm nữa là nhiệt độ càng cao, ỏp lực càng lớn, độ mặn càng tăng thỡ vận tốc õm trong nước biển càng lớn. Mặc dầu sự thay đổi giỏ trị tuyệt đối của vận tốc õm khụng đỏng kể, nhưng nú lại cú vai trũ đỏng kể khi lan truyền súng õm diễn ra do khỳc xạ tia õm. Khi lan truyền trong nước biển một phần năng lượng súng õm tỏn xạ trờn cỏc bất đồng nhất của nước, một phần bị hấp thụ và chuyển thành nhiệt năng. Nhỡn chung, sự hấp thụ năng lượng súng õm của nước biển mạnh hơn của nước ngọt vỡ trong nước biển cú muối hoà tan. Trờn hỡnh 4.1.1 thể hiện sự phụ thuộc của hấp thụ õm vào tần số ở điều kiện nhiệt
độ khụng đổi.
Độ suy hao (α) của súng õm trong nước được tớnh theo cụng thức: (dB m) f. / 0173 . 0 σ α = Trong đú: f là tần số (Hz); σ là độ dẫn (mhos/met)
Hỡnh 4.1.1 cho thấy độ suy hao là một hàm của tần số và độ dẫn