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 ( )ndφ m 2 2 ( ) aS d n ρ φ 1 2 2 ( ) rd n 2 2 φ ( ) sd n 2 2 φ -L Ri ( ) aS d n ρ φ 1 2 2 d) kiểu điện từ
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.
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
Chương3- 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.
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
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;
- 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).
- 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) 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