Tàu thủy thường chạy bằng nhiên liệu hóa thạch, vừa tốn nhiều tiền mua nhiên liệu vừa gây ô nhiễm môi trường. Mỗi năm ở biển Đông có tới hàng chục cơn bão và áp thấp nhiệt đới. Ban Chỉ huy Phòng chống Lụt bão các cấp rất vất vả trong việc theo dõi và kêu gọi tàu thuyền đánh cá về nhanh nơi đậu đỗ an toàn hoặc đi nhanh ra khỏi vùng nguy hiểm. Mỗi lần như vậy hoạt động đánh bắt cá bị gián đoạn, người đánh cá bị thiệt hại rất lớn. Không những thế có tàu đánh cá không chạy kịp bị sóng lớn đánh chìm, thuyền viên bị chết. Các tàu cứu hộ, cứu nạn hoạt động rất vất vả nhưng cũng chỉ cứu được một số tàu đánh cá và người. Đêm 17/7/2017, trên đường từ Quảng Ninh đi Cửa Lò (Nghệ An), do gặp bão số 2, tàu vận tải VTP 26 chở 4.700 tấn than neo đậu ở khu vực biển Hòn Ngư (thị xã Cửa Lò) nhưng gặp sóng lớn, con tàu cùng 13 thuyền viên bị chìm. Sóng ở vùng biển Nghệ An rất to nên tàu cứu hộ chưa thể tiếp cận được ngay khu vực nghi con tàu mất tích. Đến hết ngày 18/7/2017 đã có 7 người được cứu sống, số còn lại đã bị chết hoặc còn mất tích.
Vậy có loại tàu thủy nào không sợ gì giông bão, dù bão có làm sóng biển to đến thế nào chăng nữa, tàu thủy vẫn có thể ung dung hoạt động giữa biển khơi và thậm chí không cần đến xăng dầu, tàu thủy vẫn có thể đi lại dễ dàng trên biển được hay không? Xin phép trình bày loại tàu thủy này như sau:
1. Cấu tạo của tàu thủy:
1.1. Phần dưới:
Phần dưới có 2 phao dài và lớn đặt cách xa nhau. 2 phao này liên kết với nhau bằng khung thép chịu lực lớn hình cụt có 2 mặt đáy song song với nhau, mặt dưới áp sát với 2 phao, mặt trên nhỏ hơn và có hình chữ nhật. Khoảng giữa mỗi cạnh của hình chữ nhật gắn thêm 2 móc thép lớn để móc 2 đầu của võng thép hình chữ U. Võng này có thể đu đưa theo chiều ngang như chiếc võng thông thường. Trong võng thép có những thanh thép ngắn đặt theo chiều ngang và cách nhau như cái thang hẹp để bánh răng có thể chạy đi chạy lại theo chiều dọc của võng. Các võng thép chỉ dài khoảng dưới 20% chiều dài của phao và dài khoảng dưới 30% khoảng cách giữa 2 phao để phần trên có thể đu đưa ổn định. Mặt trên của phao nên là thép phẳng để đỡ những thanh thép chịu lực lớn và người có thể đi lại, làm việc dễ dàng. Nhưng đối với tàu cứu hộ, mép phao cần mềm vì người bị nạn có thể bị chạm mạnh vào phao.
Độ an toàn của 2 phao dài và lớn rất quan trọng, cần phải làm sao để phao không thể nào chìm được. Theo tôi nghĩ trong 2 phao này nên chứa đầy những khối xốp lớn. Làm như vậy sẽ có những cái lợi sau:
- Khi phao bị thủng cũng không ảnh hưởng gì đến độ nổi của phao.
- Khi va phải đá ngầm, phao có thể bị biến dạng và bị thủng, nhưng cũng chỉ ảnh hưởng ít đến độ nổi của phao do thể tích của phao có thay đổi chút ít.
- Vỏ phao chủ yếu là để giữ cho các khối xốp lớn khỏi tung ra ngoài, nên không cần thiết phải làm dày.
Nếu phao nằm trong khung thép thì tàu này không cần phải có bến nước sâu để đỗ, chỉ cần có bãi cát là tàu có thể đỗ được. Cụ thể là khi thủy triều lên cho tàu đỗ ngay cạnh bờ, khi thủy triều xuống tàu sẽ nằm ngay trên bãi cát và phao cũng không bị xẹp xuống do đã có khung thép đỡ, việc đi lại hoặc vận chuyển hàng hóa từ tàu xuống rất dễ dàng, tàu sẽ tiếp tục ra khơi khi thủy triều lên.
Khi có sóng hệ thống phao nghiêng sang một bên, trọng tâm lại ở trên cao, phần lớn trọng lượng của tàu sẽ đè xuống bên thấp làm cho bên thấp lại càng thấp hơn, thậm chí có thể làm phao bên thấp chìm hẳn xuống và đáy của thân tàu có thể chạm xuống nước. Vì thế độ lớn của phao cần đủ để khi không có sóng và đã chất đủ trọng tải, phần chìm dưới nước của phao chỉ khoảng dưới 50% thể tích của phao.
Phần tiếp xúc với nước chỉ có 2 phao dài và lớn ở phía dưới. Khi tàu chạy, lực cản chính là ở 2 phao này. Vì vậy hình dạng của 2 phao này cũng cần được làm sao cho thích hợp với điều kiện này và có lực cản của nước là ít nhất.
1.2. Phần trên:
Phần trên là thân tàu. Phía dưới thân tàu có 2 trục chuyển động chính đặt cố định và thẳng góc với nhau. Mỗi đầu của trục chuyển động chính có gắn 1 bánh răng để có thể chạy đi chạy lại trên võng thép. Trên mỗi võng thép nên có thêm 1 thanh thép cong. Khoảng cách giữa chúng chỉ nhỏ hơn đường kính tính đến điểm xa nhất của bánh răng một ít. Như vậy bánh răng vẫn có thể dễ dàng chạy đi chạy lại trên võng thép nhưng khi vì một lý do nào đó, bánh răng bị nâng lên thì nó sẽ bị thanh thép cong cản trở, không thể bị chệch ra khỏi võng thép. Thanh thép cong này nên được gắn vào võng thép bằng bu lông vì nó được lắp sau khi bánh răng của trục chuyển động chính đã đưa vào và khi cần có thể tháo ra được. Trong thanh thép cong cần có những lỗ thủng có thể đưa những đoạn thép ngắn đầu trên có lỗ rộng vào đến phía dưới võng thép để:
- Khi tàu chở quá trọng tải, chỉ cần thả thêm vài đoạn thép ngắn vào để chèn 2 đầu của võng thép, chiều dài của võng thép sẽ bị thu hẹp lại. Khi đó tàu chạy trên biển sẽ chậm lại nhưng an toàn hơn.
- Khi tàu va phải đá ngầm hoặc vì một lý do nào đó một bên phao bị nhỏ bớt đi, chỉ cần thả đoạn thép vào phía phao bị nhỏ đi đó, tàu sẽ chạy ổn định hơn.
- Khi tàu đỗ ở bến, chỉ cần thả vài đoạn thép là các bánh răng ở đầu các trục chuyển động chính sẽ không chạy được.
- Muốn rút đoạn thép ngắn ra chỉ cần cho xà beng vào lỗ rộng ở đầu trên để bẩy đoạn thép đó ra.
Sơ đồ tàu thủy chạy bằng năng lượng sóng biển nhìn ngang như hình vẽ sau:
Trong tàu thủy chạy bằng năng lượng sóng biển chỉ có thân tàu chạy đi chạy lại trên 4 võng thép để lấy lực chạy tàu, còn 2 phao xốp lớn và các thanh thép chịu lực đặt trên phao để mắc 4 võng thép đều chạy thẳng về phía trước. Vì vậy chỗ điều khiển tàu, máy nổ hoặc động cơ điện để khi cần thiết cho tàu chạy nhanh hơn, nên để ở phía sau tàu như trong sơ đồ nhìn từ trên xuống sau:
Hệ thống lái tàu và hệ thống thông tin trên tàu cũng cần được trang bị đầy đủ như các tàu thủy thông thường. Cần gắn thêm máy nổ hoặc động cơ điện để khi cần có thể cho tàu chạy nhanh hơn.
2. Dùng năng lượng của sóng biển để chạy tàu thủy:
2.1. Thân tàu chạy đi chạy lại theo sóng:
Do có 2 phao dài, lớn và không bao giờ có thể chìm được, đặt ở phía dưới và cách xa nhau, nên khi có sóng biển rất lớn, 2 phao chỉ bập bềnh mà thôi, thân tàu ở phía trên không bao giờ bị lật vì ở 4 góc đã có 4 bánh răng chạy trên 4 võng thép tương đối ngắn so với chiều dài của phao và khoảng cách giữa 2 phao. Khi sóng theo chiều ngang, thân tàu sẽ chạy đi chạy lại theo chiều ngang, 2 võng thép ở 2 bên cũng sẽ đung đưa theo. Khi sóng theo chiều dọc, thân tàu sẽ chạy đi chạy lại theo chiều dọc, 2 võng thép ở phía trước và phía sau cũng sẽ đung đưa theo. Khi sóng chéo với tàu thì 2 võng thép ở góc thấp sẽ mở ra để 2 bánh răng gần góc thấp lăn về phía đó và 2 võng thép ở góc cao sẽ khép lại để 2 bánh răng gần góc cao lăn về phía thấp. Như vậy thân tàu cũng sẽ chạy đi chạy lại theo chiều của sóng, sóng càng lớn thì thân tàu càng chạy đi chạy lại nhanh hơn và mạnh hơn.
2.2. 4 bánh răng phải luôn luôn chạy trên 4 võng thép:
Chiều cao của các võng thép hình chữ U, chiều dài và độ cong của võng cần được tính toán kỹ để cả 4 bánh răng luôn luôn chạy trên 4 võng thép. Thí dụ như khi sóng theo chiều ngang hoặc theo chiều dọc muốn cả 4 bánh răng luôn luôn chạy trên 4 võng thép thì chiều cao của các võng thép phải bằng bán kính chỗ cong của võng. Vẽ 3 hình tròn bán kính bằng nhau, tâm của hình tròn giữa nằm chính giữa tâm của 2 hình tròn còn lại. Vẽ đoạn thẳng nối tâm của 2 hình tròn còn lại rồi di chuyển đoạn thẳng này song song với đường thẳng nối tâm của 3 hình tròn và 1 đầu đoạn thẳng luôn tiếp xúc với đường tròn thứ nhất ta thấy đầu kia của đoạn thẳng luôn tiếp xúc với đường tròn thứ ba và tâm của đoạn thẳng luôn tiếp xúc với đường tròn thứ hai như trong hình sau:
Ta có thể hình dung nơi đường thẳng tiếp xúc với đường tròn thứ hai là bánh răng trục dọc chạy trên võng thép, nơi đường thẳng tiếp xúc với 2 đường tròn còn lại là 2 bánh răng trục ngang trên 2 võng thép bị đưa ngang theo sóng. Như vậy trong trường hợp của thí dụ này thì thân tàu bị đưa đi đưa lại theo sóng nhưng cả 4 bánh răng ở phía dưới thân tàu đều vẫn tiếp xúc với 4 võng thép.
Các bánh răng ở đầu trục cần có răng hơi dài để việc tiếp xúc với võng được dễ dàng hơn.
2.3. Cách dùng năng lượng của sóng biển để chạy tàu thủy:
Thân tàu có thể nặng nhiều tấn, khi chạy đi chạy lại như vậy sẽ tạo ra một năng lượng lớn. Ta nên chuyển năng lượng này thành năng lượng để chạy tàu. Để làm được việc này nên làm 4 chiếc líp lớn giống nhau để lắp vào 2 trục chuyển động chính trên. Trên mỗi trục lắp 2 líp ngược chiều nhau. Thí dụ như khi trục chuyển động chính quay theo chiều kim đồng hồ thì líp thứ nhất bắt buộc phải quay theo, còn líp thứ hai không cần quay hoặc có thể quay theo chiều ngược lại. Ngược lại khi trục chuyển động chính quay ngược chiều kim đồng hồ thì líp thứ hai bắt buộc phải quay theo, còn líp thứ nhất không cần quay hoặc có thể quay theo chiều ngược lại. Ngay gần trục chuyển động chính cần có thêm 2 trục ngắn. Trên mỗi trục ngắn gắn 2 bánh răng và cách nhau 1 đoạn ngắn để líp và các bánh răng truyền lực lẫn cho nhau. Các bánh răng gắn vào trục ngắn và bánh răng của líp nên làm bằng nhau và trên mỗi bánh răng số lượng răng cũng bằng nhau. 3 trục quay nằm trên 3 đỉnh của tam giác đều có cạnh gần bằng đường kính của bánh răng để các bánh răng có thể truyền lực cho nhau một cách dễ dàng. Sơ đồ truyền lực như trong 2 sơ đồ sau:
Như vậy dù trục chuyển động chính quay theo chiều nào thì trục ngắn thứ nhất cũng vẫn chỉ quay ngược chiều kim đồng hồ và trục ngắn thứ hai cũng vẫn chỉ quay theo chiều kim đồng hồ.
Việc biến chuyển động quay đi quay lại thành chuyển động quay tròn theo một chiều nhất định đã được đăng ký với Cục Sở hữu Trí tuệ. Căn cứ Quyết định số 36352/QĐ-SHTT ngày 20/06/2016, Cục Sở hữu Trí tuệ đã cấp Bằng độc quyền Giải pháp hữu ích số 1396 về Cơ cấu biến đổi chuyển động với 3 phương án. Đây chính là phương án thứ nhất trong cơ cấu biến đổi chuyển động với 3 phương án đó.
Từ trục ngắn thứ nhất hoặc trục ngắn thứ hai ta có thể truyền lực sang trục khác cho tốc độ quay thích hợp hơn. Đối với trục dọc có thể truyền lực sang trục khác cho tốc độ quay nhanh hơn để quay chân vịt nhằm đưa tàu tiến lên phía trước. Đối với trục ngang có thể truyền lực sang một trục có gắn các cánh dài và rộng bản đặt cao hơn mặt nước, chỉ để phần đầu của cánh phía dưới chạm nước. Khi trục quay thì các cánh dài và rộng bản của trục sẽ guồng nước để đưa tàu tiến lên phía trước.
Khi tàu chạy theo quán tính, nước đập vào làm cho chân vịt, trục có gắn các cánh dài và rộng bản quay nhưng lực cản đó sẽ không nhiều do tuy nó làm cho các trục truyền lực, các bánh răng, các líp đều quay nhưng 2 trục chuyển động chính không quay theo.
2 trục ngắn nên đặt cao ngang bằng nhau để có thể chuyển từ việc lấy lực từ trục ngắn thứ nhất sang việc lấy lực từ trục ngắn thứ hai và ngược lại dễ dàng hơn. Thí dụ như nếu đặt 2 trục ngắn ở phía trên thì ta chỉ cần dùng đòn bẩy để đưa trục khác lên cao cho không tiếp xúc với trục ngắn thứ nhất rồi đặt sang bên cho tiếp xúc với trục ngắn thứ hai và ngược lại. Như vậy chỉ cần thay đổi việc lấy lực là tàu có thể chạy theo chiều ngược lại. Khi bị mắc cạn, việc này rất cần thiết vì khi đó nước sẽ được dồn vào chỗ mắc cạn và tàu sẽ được đẩy ra xa nơi bị mắc cạn đó. Đối với tàu cứu hộ, việc này đặc biệt quan trọng do các cánh dài của trục ở phía trên trục ngang có thể đập vào người được cứu; vì vậy ta cần dùng đòn bẩy để đưa trục đó lên cao và đặt nó vào nơi cao hơn, rồi cố định các cánh dài của nó lại.
Trên tàu cũng cần có điện để khi cần cho chạy thêm động cơ điện nhằm tăng thêm tốc độ của tàu, cho sử dụng máy tầm ngư, bộ đàm, ICOM, bơm nước, sinh hoạt,... Ta cũng không nên loại trừ khả năng có thể làm đá ở ngay trên tàu. Muốn có điện ta chỉ cần có thêm máy phát điện một chiều để nạp điện vào acqui. Khi tàu không cần chạy nhanh, ta chỉ cho tàu chạy bằng 1 trục chuyển động chính, còn trục kia cho chạy máy phát điện.
3. Độ nghiêng của tàu thủy chạy bằng năng lượng sóng biển sẽ ra sao?
Độ nghiêng của tàu thủy chạy bằng năng lượng sóng biển phụ thuộc vào độ nghiêng của sóng biển. Vì vậy ta cần xét xem độ nghiêng lớn nhất của sóng biển là bao nhiêu?
Bảng 2 – Đặc trưng sóng có phổ P-M ứng với cấp gió Beaufort trong bài: “Thang sức gió Beaufort và các thang sóng biển” do PGS.TS. Phan Văn Khôi (Cục Đăng kiểm Việt Nam) viết trên trang web vinamarine.gov.vn của Hàng hải Việt Nam như sau:
Từ các số liệu trong biểu này ta có thể tính được tỷ số giữa chiều cao sóng biển và nửa bước sóng như sau:
Như vậy tỷ số lớn nhất giữa chiều cao sóng biển và nửa bước sóng là 0,167. Tạm coi sóng biển hình sin thì hàm số của nó là y = (0,167P/2)sinx = 0,262345sinx. Hàm sinx dốc nhất khi x = 0, hoặc x = P. Đạo hàm của sinx là cosx nên khi x = 0 thì hệ số góc của tiếp tuyến với hàm y ở vị trí này là: 0,262345x1 = 0,262345 tương ứng với góc là 14,7 độ, khi x = P thì hệ số góc của tiếp tuyến với hàm y ở vị trí này là: 0,262345x(-1) = -0,262345 tương ứng với góc là -14,7 độ. Nhưng góc nghiêng của tàu còn nhỏ hơn do phao dài và khoảng cách giữa 2 phao lớn, không những thế phần phao ở cao thường ngập sâu hơn phần phao ở thấp. Khi kích thước của tàu lớn hơn nửa bước sóng thì độ nghiêng lớn nhất của tàu chỉ nhỏ hơn 16,7% tương ứng với góc nhỏ hơn 9,48 độ.
Lưu ý đây là góc nghiêng khi tàu ở ngoài biển xa. Khi sóng vào gần bờ gặp đáy biển nông (độ sâu đáy biển nhỏ hơn nửa bước sóng), năng lượng của sóng sẽ bị tiêu hao nhiều, sóng sẽ bị yếu đi do ma sát với đáy biển và sóng sẽ bị biến dạng. Vì vậy cần có các số liệu khảo sát gần bờ về độ cao sóng và bước sóng cho từng vùng biển.
Với độ nghiêng của tàu thủy ở ngoài biển xa thấp như vậy thì kích thước của tàu cứu hộ hoặc tàu tuần tra chạy bằng năng lượng sóng biển bao nhiêu là do yêu cầu của công tác cứu hộ hoặc tuần tra vì sóng biển lớn thế nào tàu cũng có thể ra ngay hiện trường ở ngoài biển xa được, không những thế tàu còn có thêm máy nổ để phóng nhanh ra hiện trường. Nhưng đối với các loại tàu khác cần phải tính toán để đạt hiệu quả kinh tế cao. Chiều dài của tàu thủy chạy bằng năng lượng sóng biển là chiều dài của phao lớn đặt ở 2 bên, còn chiều rộng của nó cũng đo theo 2 phao lớn đó. Vì vậy muốn nhận được nhiều năng lượng từ sóng biển thì chiều dài và chiều rộng cần nhỏ hơn nửa bước sóng. Trong 777 bản tin dự báo sóng biển của Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương có cả độ cao sóng biển trên Biển Đông và Vịnh Thái Lan. Từ độ cao sóng biển có thể nội suy ra bước sóng nên tôi đã tính toán nửa bước sóng bình quân trên từng vùng biển này để mọi người tham khảo như sau:
Như vậy đối với vùng Vịnh Thái Lan do ít khi có sóng lớn nên dùng các loại tàu đánh cá thông thường. Muốn tàu có thể hoàn toàn chạy bằng năng lượng sóng biển trên Biển Đông thì kích thước của tàu không nên vượt quá 13,8 m. Để dễ hình dung về khả năng vận chuyển của tàu ta ước tính thử cho phao có chiều dài bình quân là 10 m và tiết diện bình quân là 4 m2, thể tích của phao là: 4x10 = 40 m3. Tàu thủy có 2 phao lớn như vậy và khi chất đầy hàng không nên để nước biển ngập quá nửa phao vì thế tổng trọng lượng tàu và hàng không nên vượt quá 40 tấn, thí dụ như tàu nặng 15 tấn thì hàng không nên vượt quá 25 tấn.
4. Kết luận:
Nhược điểm của loại tàu thủy này là cồng kềnh, phải dùng nhiều vật liệu để đóng tàu, giá thành đóng tàu sẽ cao hơn giá thành đóng tàu thủy thông thường. Nhưng loại tàu này có những ưu điểm nổi bật sau:
- Khi gặp bão lớn, sóng to tàu càng chạy nhanh hơn, nếu là tàu đánh cá thì vẫn có thể đánh bắt cá như lúc bình thường. Chỉ cần cho tàu hoạt động ở vùng không có đá ngầm là tàu vẫn an toàn. Giảm được những đau thương mất mát về người và của cho những gia đình chuyên sống bằng nghề đánh cá ở ngoài biển xa. Trước sóng to, gió lớn, việc đánh cá không bị gián đoạn, tránh được lãng phí trong việc tàu đánh cá phải chạy trốn gió bão. Thậm chí nếu phao có chạm vào đá ngầm, phao có thể bị thủng và bị biến dạng, độ nổi của một bên phao có thay đổi, tàu cũng không bị chìm. Nếu đã chạm vào đá ngầm, khi về đến bến cần phải đưa ngay tàu vào xưởng để sửa lại phao hoặc thay phao.
- Tàu có thể đỗ ngay trên bãi cát nên việc vận chuyển hàng hóa lên hoặc xuống tàu rất dễ dàng, rất thuận lợi cho các tàu đánh cá và các tàu nhỏ vận chuyển hàng hóa.
- Do không bao giờ bị chìm nên khi nhận được tin, dù sóng to gió lớn đến mấy, tàu cứu hộ chạy bằng năng lượng sóng biển cũng có thể ra ngay hiện trường để cứu người.
- Khi có bão rất lớn các tàu tuần tra vẫn có thể tuần tra ngoài biển xa và có thể cứu hộ cho những tàu bị nạn.- Không cần dùng đến xăng dầu, tàu vẫn chạy được. Như vậy sẽ tiết kiệm được một khoản chi rất lớn để mua xăng dầu và môi trường cũng đỡ bị ô nhiễm.
Không biết trong bài này có chỗ nào còn sai sót không, rất mong các bạn phát hiện những sai sót để tôi sửa lại cho tốt hơn. Xin chân thành cám ơn.
Trang Chính 
