Cuộc chạy đua vũ trang dưới nước

Tàu ngầm tàng hình là gì?

Trong nỗ lực tìm kiếm khả năng tàng hình, kỹ sư hải quân trước tiên phải xem xét làm thế nào tàu có thể bị phát hiện. Sau đó, họ thiết kế tàu ngầm đạt được khả năng né tránh tối đa. Theo Scott Minium, cựu chỉ huy Hải đội tàu ngầm 15 ở Guam, người hướng dẫn nhóm sĩ quan chỉ huy 7 tàu ngầm chạy bằng năng lượng hạt nhân, có hai bước quan trọng theo dõi tàu ngầm. Bước đầu tiên là phát hiện tín hiệu đặc trưng một tàu ngầm tiềm năng. Bước thứ hai là “phân loại nó dựa trên tín hiệu đặc trưng đã biết để xác định xem tàu ngầm có bị phát hiện hay không”. Những tín hiệu đặc trưng này bao gồm mẫu tiếng ồn độc đáo được tạo ra bởi nhiều lớp tàu ngầm khác nhau cũng như dấu hiệu nhận dạng khác, và chúng rất cần thiết để phát hiện và theo dõi tàu ngầm.

Ảnh chụp 3 hình trụ khổng lồ được bao quanh bởi giàn giáo, phía trước là công nhân đóng tàu.

Sự tinh vi ngày càng tăng của công nghệ phá vỡ khả năng tàng hình làm dấy lên nghi ngờ về việc tiếp tục đầu tư vào tàu ngầm tiên tiến, mỗi chiếc có giá hơn 4 tỷ USD. Tiếng ồn là dấu hiệu nhận biết quan trọng nhất, vì vậy kỹ sư làm việc trong lĩnh vực công nghệ tàng hình tập trung vào việc triệt tiêu sóng âm mà tàu ngầm phát ra, khiến chuyển động của chúng gần như im lặng, đặc biệt là ở tốc độ chậm. Hàng nghìn tấm cách âm bằng cao su bao phủ thân tàu ngầm lớp Virginia hấp thụ hoặc làm biến dạng sóng âm có thể phát hiện được bằng sonar thụ động và chủ động, che giấu vị trí tàu ngầm.

Tương tự, vật liệu giảm rung làm giảm âm thanh mà động cơ và tuabin truyền ra môi trường xung quanh. Từ lâu, tàu ngầm được thiết kế với những hình dạng hình học nhất định nhằm giảm thiểu tiết diện phản xạ radar - tức những khu vực mà radar có thể nhìn thấy để phát hiện ra nó. Việc bổ sung loại vật liệu hấp thụ radar vào các bộ phận lộ ra ngoài của tàu ngầm, chẳng hạn như kính tiềm vọng và ăng-ten, cũng giúp ích, cho phép các bộ phận đó hấp thụ thay vì phản xạ sóng radar.

Trong những năm gần đây, nhà thiết kế tàu ngầm cũng đã nỗ lực giảm thiểu dấu hiệu nhận biết của tàu liên quan đến nhiệt độ, từ trường và vệt sóng. Ví dụ, bộ trao đổi nhiệt và hệ thống làm mát giúp giảm nhiệt lượng do tàu ngầm tạo ra, khiến việc chụp ảnh nhiệt và phát hiện hồng ngoại bằng vệ tinh trở nên khó khăn hơn. Để loại bỏ từ trường dư, các quy trình “khử từ” bao gồm điều khiển tàu ngầm giữa hai cầu tàu song song và quấn nó bằng dây cáp điện cao thế. Mặc dù quy trình đó nghe có vẻ phức tạp, nhưng nó ngày càng cần thiết: Việc theo dõi dấu hiệu từ tính thông qua mạng lưới giám sát dưới nước đã nổi lên như một cách mới phát hiện tàu ngầm. Những tiến bộ hơn nữa trong công nghệ tàng hình tàu ngầm có thể khả thi, nhưng chúng đòi hỏi chi phí và cơ sở công nghiệp quá lớn.

Cuối cùng, bằng cách sử dụng hệ thống đẩy phản lực bơm, tàu ngầm lớp Virginia tạo ra ít nhiễu loạn hơn trong nước, khiến chúng khó bị phát hiện hơn bởi vệt nước do chúng tạo ra. Mặc dù chân vịt thông thường đơn giản và rẻ hơn, nhưng hệ thống đẩy phản lực bơm mang lại tốc độ và khả năng cơ động cao hơn, hiệu quả tốt hơn ở tốc độ cao và ít tiếng ồn hơn. Bất chấp những cải tiến này, Bryan Clark, một chuyên gia hàng đầu về hải quân tại Viện Hudson, cảnh báo về “một bước ngoặt trong việc đạt được những giảm thiểu hơn nữa về âm thanh và các tín hiệu khác do những thách thức của vật lý và hệ thống cơ khí”.

Ngày nay, mạng lưới cảm biến ngày càng tinh vi và phân tán thu thập thông tin trên nhiều lĩnh vực - tương tự như mảng thủy âm SOSUS mà Hải quân Hoa Kỳ triển khai ở Đại Tây Dương và Thái Bình Dương trong thời Chiến tranh lạnh. Sự ra đời của cảm biến lượng tử, có khả năng phát hiện những nhiễu loạn tinh tế trong môi trường ở cấp độ nguyên tử, hứa hẹn độ nhạy và độ chính xác cao hơn nữa.

Và hệ thống hỗ trợ trí tuệ nhân tạo (AI) phân tích dữ liệu cảm biến dễ dàng phát hiện những bất thường nhỏ trong đại dương, chẳng hạn như những thay đổi do tàu ngầm đi qua gây ra, điều mà một nhà phân tích con người có thể bỏ sót. PW Singer, một chuyên gia cấp cao tại viện nghiên cứu New America và đồng tác giả cuốn tiểu thuyết khoa học viễn tưởng “Ghost Fleet” - trong đó Nga và Trung Quốc hợp tác chống lại Hoa Kỳ với khả năng mới phát hiện và theo dõi tàu ngầm hạt nhân nước này dựa trên bức xạ phát ra - cho rằng “khả năng của AI trong xử lý các mẩu dữ liệu rời rạc từ nhiều loại cảm biến… sẽ cho phép phát hiện mục tiêu mà trước đây có thể hoạt động bí mật”. Các chuyên gia khác, bao gồm Roger Bradbury và Scott Bainbridge, cho rằng cuộc cách mạng công nghệ này đã tạo ra độ trong suốt đại dương chưa từng có.

SPHYDA đang nghiên cứu mô hình giảm tiếng ồn tàu ngầm.

Các chiến thuật tiên tiến duy trì khả năng tàng hình của tàu ngầm.

Nhiều chuyên gia cho rằng họ không lo ngại về những vụ xâm phạm khả năng tàng hình của tàu ngầm. Họ khẳng định lực lượng hải quân vẫn còn nhiều cách bảo vệ khả năng tàng hình của tàu ngầm. Những kỹ thuật bảo toàn khả năng tàng hình này bao gồm: 1. chống lại sự phát hiện thông qua tiếng ồn; 2. triển khai thêm nhiều máy bay không người lái dưới nước; 3. sử dụng động thái chiến lược để chống lại mục tiêu của đối phương.

Chiến lược đầu tiên sử dụng tiếng ồn như một đặc điểm, chứ không phải là một lỗi. Thay vì giảm tiếng ồn, Minium đề xuất nhà điều hành hải quân có thể thử “ tạo ra nhiều tiếng ồn hơn hoặc tìm ra những cách sáng tạo thay đổi đặc điểm âm thanh tàu ngầm”. Ví dụ, ông nói: “Chúng ta có thể làm cho sóng sonar chủ động của tàu ngầm phát ra âm thanh giống hệt như tiếng cá voi”. Ý tưởng này khai thác những hạn chế hiện tại của hệ thống AI và sự dễ dàng mà những thay đổi bất ngờ trong dữ liệu có thể đánh lừa chúng.

Những thay đổi nhỏ trong tín hiệu của tàu ngầm đủ đánh lừa thuật toán AI, khiến nó nhận dạng sai tàu hoặc bỏ sót hoàn toàn. Minium cho biết phương pháp này dựa trên thực tế là “bạn cần biết mình đang tìm kiếm gì để tận dụng AI trong việc tìm kiếm tàu ngầm. Nếu bạn không thể phân loại tín hiệu được phát hiện, tàu ngầm sẽ an toàn khỏi bị phát hiện”. Ngoài việc che giấu tín hiệu tàu ngầm, hải quân có thể tận dụng tối đa máy bay không người lái dưới nước giá rẻ, hay còn gọi là phương tiện dưới nước không người lái (UUV).

Như Clark giải thích, UUV là một phần của sự chuyển dịch từ trò chơi trốn tìm truyền thống sang “một cuộc cạnh tranh về cảm nhận và hiểu biết”. UUV quân sự tạo ra “nhiều nhiễu ở những nơi khác, cho phép tín hiệu tàu ngầm không bị phát hiện”. Khi suy đoán về tương lai chiến tranh dưới biển, Singer cho rằng sự ra đời hệ thống không người lái nhỏ hơn và rẻ hơn cho phép những “cảm biến dùng một lần này cũng trở thành vũ khí giết người”.

Tính chất dùng một lần của chúng cho phép các quốc gia sử dụng chúng một cách quyết liệt hơn, xâm nhập vào các không gian tranh chấp và “làm nhiễu dữ liệu” được thu thập bởi các mạng lưới cảm biến. Một lựa chọn tinh vi hơn là khai thác thực tế rằng các quốc gia không đủ khả năng triển khai mạng lưới giám sát dưới biển của họ ở khắp mọi nơi. Thay vào đó, họ tạo ra “các vùng phủ sóng và không phủ sóng” - ví dụ, tập trung vào các điểm nghẽn ở vùng nước nông nơi tàu ngầm dễ bị phát hiện hơn. Các quốc gia khác sau đó “nhắm mục tiêu vào các nút quan trọng trong mạng lưới cảm biến bằng cuộc tấn công mạng, làm gián đoạn hoạt động và cho phép di chuyển bí mật”.

Để giành lợi thế hơn nữa trong một cuộc xung đột, các quốc gia có thể “kiểm soát một mạng lưới trong khi vẫn khiến nó trông như đang hoạt động bình thường và phát tín hiệu giả cho đối phương”. Được gọi là giả mạo tín hiệu (spoofing), chiến thuật này liên quan đến việc ngụy trang một nguồn dữ liệu giả mạo thành dữ liệu hợp pháp. Giả mạo GPS đã trở thành một thách thức lớn trên biển cả.

Hệ thống hỗ trợ AI xử lý và phân tích khối lượng dữ liệu khổng lồ cũng trở thành mục tiêu tấn công. Ví dụ, tấn công làm sai lệch dữ liệu liên quan đến việc bí mật làm ô nhiễm dữ liệu được sử dụng để huấn luyện thuật toán AI, dẫn đến kết quả sai. Tất nhiên, để thực hiện một cuộc tấn công như vậy, kẻ thù có thể cần quyền truy cập vật lý để vượt qua các hệ thống tường lửa. Một phương thức khác để làm sai lệch dữ liệu là “sử dụng đường truyền tần số vô tuyến tấn công mạng và chèn dữ liệu xấu vào nguồn”.

Tàu ngầm robot của Hải quân Hoàng gia Anh được cho là phải hoạt động êm ái và tàng hình hơn.

Dự án SPHYDA của Hoa Kỳ

Tàu ngầm robot đang chuẩn bị trở thành một sự bổ sung quan trọng cho hạm đội lực lượng hải quân lớn trên thế giới, và khi công nghệ này ngày càng hoàn thiện, các tổ chức như Cơ quan Quốc phòng châu Âu (EDA) đang chú trọng hơn đến việc chế tạo chúng yên tĩnh và tàng hình hơn. Mục tiêu là chế tạo một chiếc tàu ngầm im lặng đến mức có thể di chuyển mà không bị phát hiện hoặc ẩn nấp và chờ phục kích như một con cá mập. Đó là mục tiêu của dự án Tương tác thủy động lực học và thủy âm học thân/bánh lái/chân vịt tàu ngầm (SPHYDA) trị giá 4,8 triệu euro (5,6 triệu USD) của EDA. Nỗ lực kéo dài bốn năm này nghiên cứu cách giảm tiếng ồn âm thanh của tàu ngầm robot, nhằm bảo vệ chúng khỏi thế lực thù địch.

Một phần của dự án tập trung vào nghiên cứu cách thức tạo ra tiếng ồn từ tàu ngầm robot. Tiếng ồn này có thể do dòng chảy của nước trên thân tàu và bề mặt điều khiển, hệ thống đẩy, máy móc bên trong tàu, và thậm chí cả dòng chảy của nước trong đường ống. Bằng cách thu thập thông tin chi tiết về những yếu tố này liên quan đến UAV, sẽ có thể xây dựng mô hình kỹ thuật số để dự đoán và kiểm soát tốt hơn các hiệu ứng này. Một trong những vấn đề phức tạp nhất là xử lý tiếng ồn thủy động lực học.

Cụ thể là sự tương tác giữa thân tàu, bánh lái và chân vịt, điều này cực kỳ phức tạp và đòi hỏi mô hình số tiên tiến. Hệ thống đẩy là vấn đề tồi tệ nhất vì chúng không chỉ tạo ra nhiễu loạn mà còn tạo ra hiện tượng xâm thực - tức là các bong bóng chân không nhỏ li ti vỡ ra với tiếng nổ cực lớn. Điều này có thể được khắc phục bằng cách sử dụng cánh chân vịt nghiêng để phân bố áp suất đều, các tia bơm trong đó roto được đặt bên trong một lớp vỏ để giảm tiếng ồn, hoặc thiết kế tốc độ quay thấp, mô-men xoắn cao để giảm rung động.

Hoặc bạn có thể lựa chọn các thiết kế độc đáo hơn như tàu ngầm robot sử dụng sự thay đổi lực nổi bằng cách dịch chuyển dầu giữa một loạt túi khí để di chuyển về phía trước bằng cách nổi lên và chìm xuống. Trong khi đó, tiếng ồn từ máy móc được xử lý bằng cách đặt thiết bị trên giá đỡ được ngăn cách với thân tàu bằng miếng đệm cao su. Cả sonar nghe và sonar chủ động đều có thể bị vô hiệu hóa bằng cách phủ lên thân tàu các tấm cao su, giúp hấp thụ tiếng ồn từ bên trong thân tàu và hấp thụ các chùm tia sonar chiếu vào tàu.

Một biện pháp giảm tiếng ồn máy móc khác là loại bỏ tiếng sủi bọt của chất lỏng đang chảy bằng cách sử dụng loại đường ống đặc biệt dẫn chất lỏng theo một đường ngoằn ngoèo để giảm thiểu sự nhiễu loạn. Tiếp theo là việc tối ưu hóa thiết kế thân tàu giảm lực cản và nhiễu loạn. Vì vậy SPHYDA muốn tìm cách tích hợp thân tàu, bánh lái và hệ thống đẩy vào một hình dạng duy nhất, liền mạch. Hiện tại, dự án đang tập trung vào các mô hình, nhưng các giai đoạn tiếp theo sẽ là thử nghiệm trong bể nước, tiếp theo là thử nghiệm trên biển.

Trang Thuần (Tổng hợp)