MỞ ĐẦU Trái đất có khoảng 30% diện tích bề mặt là đất phần còn lại chiếm tới 70% diện tích là ngập nước. Trong khi phần lớn diện tích mặt đất đã được con người khám phá, khai thác, tìm hiểu và đánh giá rất chi tiết thì phần lớn diện tích môi trường ngập nước mới đang được con người khám phá đặc biệt là môi trường biển. Do vậy việc thiết lập một bản đồ chi tiết về tài nguyên cũng như bề mặt đáy biển chưa được con người thực hiện. Khi dân số trên thế giới tăng lên thì sự tiêu huỷ nguồn tài nguyên thiên nhiên cũng tăng lên.
Chính vì những lý do đó mà việc khám phá, tiềm hiểu những khu vực chưa được khám phá này trở nên rất cần thiết. Đối với con người sự hiểu biết một cách rõ ràng và kiểm soát được môi trường là điều rất quan trọng và có thể trở thành hiện thực nếu được trợ giúp của các nhà khoa học và các thiết bị nghiên cứu tiên tiến. Nghiên cứu biển đặc biệt quan trọng đối với Việt Nam cả về mặt dân sinh và an ninh quốc phòng. Một đất nước có bờ biển dài trên 3000km và một diện tích rất lớn sông, hồ, đầm lầy…, nơi có một lượng lớn động vật, thực vật và tài nguyên còn chưa được tìm hiểu.
Môi trường nước này cần được tìm hiểu vì nó không chỉ có duy nhất và không thể thay thế mà còn để bảo vệ và gìn giữa tài nguyên thiên nhiên nơi mà hàng năm còn mang về một nguồn ngoại tệ lớn cho đất nước. Hiện nay việc khám phá và tìm hiểu nguồn tài nguyên dưới nước bằng các công cụ thô sơ, và thợ lặn là việc làm không thực tế, sử dụng thợ lặn gặp nhiều rủi do và nguy hiểm hơn nữa khả năng lặn sâu và làm việc dưới nước của con người bị hạn chế. Đối với các công trình biển cần thường xuyên được giám sát như các giàn khoan dầu khí trên biển, đường ống dẫn dầu, đường dây dây dẫn quang,… thì việc xử dụng thợ lặn là hoàn toàn không khả thi và không có khả năng thực hiện. Chính vì vậy, sự trợ giúp z của các công cụ nghiên cứu, giám sát hiện đại là việc làm tất yếu, đó chính là một trong những lý do quan trọng để phát triển các thiết bị lặn - UV.
Hiện nay, trên thế giới có nhiều dạng thiết bị lặn khác nhau như: thiết bị lặn có dây dẫn nối với tầu mẹ ROV- , thiết bị lặn liên lạc với tầu mẹ bằng sóng siêu âm - AUV, HOV… tất cả các dạng tầu lặn đó đều có những ưu việt và đặc trưng riêng và được ứng dụng trong các mục đích cụ thể. Một trong những ưu việt chung của thiết bị lặn chính là khả năng vận hành tự động của chúng, chúng có thể hoàn thành nhiệm vụ của mình một cách tự động không cần đến sự điều khiển trực tiếp của con người mà thông qua hệ thống các lệnh điều khiển do con người thiết lập sẵn. Ngoài ra thiết bị lặn còn có khả năng làm việc trong môi trường nước và ở độ sâu lớn hơn so với con người. Một thiết bị lặn tiêu chuẩn bao gồm: Phần mềm điều khiển, hệ thống tự động hoá, và các cơ cấu chấp hành cùng các thiết bị phụ khác, đây chính là một dạng sản phẩm Cơ điện tử.
Xu hướng hiện nay của các nhà khoa học là đưa các sản phẩm công nghệ cao vào ứng dụng trong cuộc sống, các dạng sản phẩm của Cơ điện tử cũng không nằm ngoài xu hướng đó. Hơn nữa hiện nay tác giả đang công tác và làm việc tại Phòng Cơ điện tử - Viện Cơ học nên đây chính là các lý do mà tác giả chọn nghiên cứu thiết bị lặn, mà trước tiên bằng việc tìm hiểu, mô phỏng động học và động lực học của thiết bị lặn bằng phần mềm mô phỏng cơ học hệ nhiều vật alaska. Trong phạm vi của luận văn này tác giả đề cập đến thiết bị lặn có dây dẫn được nối với tầu mẹ trong quá trình hoạt động - ROV. Thiêt bị lặn ROV sẽ dễ dàng hơn các thiết bị lặn khác trong việc điều khiển và cung cấp năng lượng trong quá trình hoạt động, do việc liên lạc giữa ROV và trung tâm điều khiển trên tầu mẹ thông qua một dây dẫn.
Việc sử dụng thiết bị lặn này sẽ phù hợp với khả năng chế tạo và ứng dụng tại Việt Nam là phù hợp nhất. GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ LẶN 1. Lịch sử nghiên cứu và phát triển thiết bị lặn trên thế giới. Phần lớn các mẫu thiết bị lặn ngày nay đều được thiết kế dựa trên các mẫu thiết bị lặn được thiết kế vào năm 1930 và mô hình tầu ngầm quân sự, nhưng nó không thể hoạt động được tại các độ sâu lớn, đó chính là hạn chế lớn nhất của các thiết bị lặn được chế tạo từ những năm 1930 của thế kỷ trước.
Những mẫu thiết kế đầu tiên cho thiết bị lặn đó là dạng hình cầu, tuy nhiên những mẫu thiết kế này luôn tồn tại sự nguy hiểm, việc điều khiển thiết bị lặn này luôn đặt trong tình trạng nằm ngoài khả năng kiểm soát của con người. Thiết bị lặn loại này được liên lạc với tầu mẹ bằng một hệ thống tời kéo, và các hệ thống đảm bảo an toàn khác như hệ thống dẫn khí, hệ thống cân bằng áp suất… Hình 1.1: Thiết bị lặn dạng hình cầu Thiết bị lặn tự hành được phát triển và cải tiến trong suốt thập niên 1950 đến nay các thiết bị lặn được trang bị hoàn thiện hơn, đó chính là kết z quả của việc cải tiến công nghệ và đồng thời đáp lại yêu cầu của các nhà khoa học trong việc nghiên cứu môi trường biển. Để có thể quan sát trực tiếp và đo đạc, giám sát được đáy biển ngày nay thiết bị lặn được trang bị các máy quay camera, các tay robot, các cảm biến, và các thiết bị phụ trợ khác. Ngoài mục đích phục vụ nghiên cứu khoa học ra thiết bị lặn này còn có thể tìm kiếm các thiết bị đã mất, phục vụ trong du lịch và phục vụ trong cứu hộ trên biển.
Năm 1954 một thiết bị lặn tự hành loại này đã được chế tạo và thử nghiệm thành công bởi Auguste Piccard, nó được dùng để thăm dò vùng biển sâu và khắc phụ được các hạn chế của các mẫu thiết bị lặn trước đây. Thiết bị lặn loại này thực tế mà nói nó gần giống như một kinh khí cầu hoạt động dưới nước.2: Thiết bị lặn Trieste II Năm 1960 phiên bản thứ 2 của thiết bị lặn ra đời có tên là Trieste II, nó có thể mang theo 2 người trong quá trình làm việc, có khả năng lặn sâu tới 30,580ft (hay 10,900 m) và lập nên một kỷ lục về khả năng lặn sâu của thiết bị lặn. Một trong những điều gây ấn tượng mạnh nhất đó chính là thiết bị lặn z có tên Aluminaut, nó được chế tạo bằng hợp kim và có thể hoạt động ở độ sâu 15,000ft (hay 4,570 m) với một thuỷ thủ đoàn gồm 6 người. Sau đó các thiết bị lặn đã được gắn thêm một cánh tay robot, mà Alvin là một thí dụ điển hình, Alvin được chế tạo bởi Woods Hole Oceanographic Institution, nó có khả năng lặn sâu tới 13,000ft (hay 3,960m) với đội thuỷ thủ gồm 3 người, Alvin được trang bị các thiết bị như đối với Aluminaut tuy nhiên nó có gắn thêm một cánh tay robot.
Năm 1974 Alvin và 2 thiết bị lặn khác của Pháp là Archimède và Cyana được sử dụng trong một dự án táo bạo giữa Pháp và Mỹ có tên là FAMOUS (for French-American Mid-Ocean Undersea Study), để nghiên cứu đáy biển. Năm 1987 Alvin mang theo máy quay camera và thu lại được các thông tin từ con tầu Titanic. Tất cả các mẫu thiết bị lặn trước đây đều được vận hành bằng một đội ngũ thủy thủ, nguyên lý hoạt động và cấu tạo của chúng hoàn toàn giống như một mẫu tầu ngầm phục vụ trong quân sự. Chính vì thế mà kích thước của chúng khá lớn cũng như khả năng vận hành không linh hoạt do đó hiệu quả mang lại trong nghiên cứu khoa học của chúng chưa cao.
Cấu tạo và ứng dụng của thiết bị lặn Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ các thiết bị lặn ngày càng hiện đại hơn, tuỳ theo mục đích sử dụng mà chúng được trang bị các thiết bị phù hợp. Các thiết bị lặn ngày nay nhỏ hơn, vận hành tự động, phụ vụ nhiều trong nghiên cứu môi trường nước, đặc biệt trong nghiên cứu biển, nó rất hữu ích trong việc nghiên cứu đáy biển nơi con người không thể trực tiếp nghiên cứu được. Đặc biệt thiết bị lặn ngày nay được ứng dụng rộng rãi trong giám sát các công trình ngầm dưới biển, các giàn khoan dầu khí, mà đặc biệt chúng được trang bị các thiết bị hiện đại để có thể khác phục được z các hư hỏng hoặc đưa ra cảnh báo trong vấn đề an toàn khi vận hành các công trình này.1 Cấu tạo của thiết bị lặn [17] Hình dạng của thiết bị lặn được thiết kế và chế tạo rất đa dạng nó phụ thuộc chủ yếu vào nhiệm vụ mà thiết bị lặn đảm nhiệm. Đối với bất kỳ một thiết bị lặn dạng nào đi chăng nữa nó cũng bao gồm: Nguồn năng lượng để đảm bảo quá trình hoạt động trong mọi điều kiện và môi trường khác nhau và các hệ thống điều khiển và thông tin liên lạc.
Thiết bị liên lạc Thiết bị tự động với tầu mẹ cho tầu vào cảng Điều khiển nhiệm Hệ thống tránh vụ chướng ngại vật Hệ thống lái Hệ thống ổn định vị trí Hệ thống vận hành Hệ thống chuyển từ xa hình ảnh từ 2D - 3D Hiệu chỉnh đường Các sensor truyền đi dữ liệu Bản đồ vận hành và Các sensor dẫn xác định vị trí đường Hình 1.3: Cấu tạo của một thiết bị lặn loại AUV Thiết bị lặn loại AUV liên lạc với trung tâm điều khiển bằng sóng siêu âm đồng thời trong quá trình họat động thì tự cung cấp năng lượng, do vậy thời gian hoạt động của nó phục thuộc vào nguồn năng lượng mang theo. Thiết bị lặn loại ROV trong quá trình hoạt động sẽ được cung cấp năng lượng và liên lạc trực tiếp với trung tâm điều khiển trên tầu mẹ thông qua dây dẫn.