Kỷ niệm 200 năm ngày sinh của William Froude

Với những ai làm trong nghề đóng tàu và hàng hải, tên tuổi của Froude chẳng có gì xa lạ. Ngay từ khi còn mài ngồi trên ghế nhà trường, chúng ta biết tới tên ông sau khi đã đánh vật với hàng loạt công thức, phương trình mang tên những bực tiền bối của ông, nào độ nhớt Reynolds, phương trình Navier, rồi công thức Stockes, những nhà thủy động học mà tên tuổi mãi mãi gắn với các con tàu.

Froude sinh vào năm 1810, ông sinh ra thật đúng lúc, hình như ông được chọn sinh ra để thi thố tài năng. Đó là giai đoạn trị vì của Nữ Hoàng Anh Victoria (từ năm 1837 tới năm 1901, tức là kéo dài 64 năm, một giai đoạn dài nhất trong lịch sử nước này), một giai đoạn huy hoàng để lại một dấu ấn lớn trong lịch sử mà người ta gọi là kỷ nguyên Victoria (Victorian era) với những cụm từ như kỹ thuật thời Victoria, phong cách ăn mặc thời Victoria, một giai đoạn nước Anh bành trướng với “mặt trời không bao giờ lặn trên đế quốc Anh”… Đó cũng chính là giai đoạn phát triển tư bản mà sức người bị vắt cùng kiệt, đã bị lên án trong các tác phẩm của các nhà lý luận cộng sản kinh điển K. Marx, F. Engels, cũng như được mô tả trong các áng văn chương của Charles Dickens mà chính nhà văn là lao động khổ sai từ khi 12 tuổi. Đường sắt được xây dựng, tàu máy hơi nước phát triển, đèn gas thay cho nến… nhiều mảnh đất cho các nhà khoa học kỹ thuật phát triển.

Tốt nghiệp trường Oxford lừng danh với điểm ưu về toán học, Froude bị cuốn hút vào các công trình xây dựng đường sắt do Brunel phụ trách. Có lẽ cũng cần nói thêm một chút về người kỹ sư hơn Froude 4 tuổi mà năm 2006, khi kỷ niệm 200 năm ngày sinh, Brunel – thông qua một chương trình của BBC – được đánh giá là nhân vật thứ hai trong số 100 người Anh nổi tiếng nhất mọi thời đại. Đầu quân cho Brunel, chàng trai trẻ Froude bị cuốn hút theo những chương trình “rồ dại” khác người của chàng kỹ sư xây dựng con đường sắt với cái hầm chui xuyên núi nổi tiếng mang tên Brunel đã nối dài và cắt ngang nước Anh ra tới tận bờ biển. Vậy muốn đi tiếp sang Mỹ phải làm gì? Tất nhiên chỉ có tàu biển mới vượt được Đại Tây Dương. Brunel bắt tay chuyển nghề sang đóng tàu với những con tàu lớn nhất thời bấy giờ mang những cái tên như tàu “Great Western-Phương Tây Vĩ Đại” rồi tới “Great Eastern-Phương Đông Vĩ Đại”.

Có lẽ vì Brunel mà Froude cũng bắt đầu gắn bó với sông biển và tàu thuyền. Khác với Brunel nặng thực hành, Froude suy tưởng tới những vần đề cơ bản của kỹ thuật đóng tàu. Cho tới lúc này, mặc dầu đã có đóng góp của rất nhiều nhà khoa học kỹ thuật từ cổ tới kim như Achimedes cổ Hy Lạp tới các nhà toán học cận đại như Euler, Bernoulli, Navier… đóng tàu vẫn mang màu sắc một nghề của nghệ nhân, của các “lò” truyền thống cha truyền con nối kiểu như “ghe Gò Công” hay “nôốc Huế” ở nước ta.

Đã biết vẽ tuyến hình tức là có thể tính toán với các công thức gần đúng Simpson nhưng với những kết quả cuối cùng của con tàu như tốc độ, các tính năng hàng hải… thì người ta gần như không dự đoán trước được mà chỉ sau khi có con tàu thật mới cho chạy rút kinh nghiệm để làm những con tàu tiếp theo cùng một prototype, tức là phải đem con tàu thật ra làm thí nghiệm, một việc làm vô cùng tốn kém.

Nhiều nhà khoa học trước Froude đã nảy sinh ý nghĩ tại sao không thử trước với những con tàu bé tí hon, những mô hình thu nhỏ của con tàu định đóng. Tất nhiên, hàng loạt bài toán được đặt ra: liệu mô hình có đồng dạng với tàu thật, làm sao cho điều kiện lúc thử tương đồng sóng gió biển, bằng cách nào suy luận được bằng con số từ kết quả thử sang số liệu thật v.v. Là một nhà toán học kiêm kỹ sư thực hành, ông không chờ giải quyết hết thảy mọi vấn đề mà bắt tay ngay một việc vô cùng đơn giản thể hiện một quyết tâm mày mò thực nghiệm: dùng thuyền kéo một chiếc mô hình chạy trên sông gần nhà. Tiếp đến, Froude cho xây dựng một con kênh nhỏ, tức bể thử tàu đầu tiên thế giới ngay tại nhà mình. Mô hình con tàu được làm bằng nến, một hệ xe kéo trên đường ray làm cho con tàu tí hon chuyển động làm bằng sắt mỏng do tự tay ông cắt hàn, một hệ thống chuyển dữ liệu và ghi chép, việc suy luận kết quả từ con tàu tí hon sang tàu thật, đó là những di sản mà Froude đã để lại, được tất cả các bể thử tàu sau này đều áp dụng.

Chỉ với hai nghìn bảng Anh trợ cấp từ Bộ Hải quân, do Kỹ sư trưởng Edward Reed của Bộ nghe tin về những kết quả bước đầu của Froude, nhà phát minh đã cố giật gấu vá vai xây bể thử ngay trong khu đất nhà mình, không nhận thù lao mà chỉ chi một số tiền nhỏ nhoi cho đứa con thứ ba R. E. Froude, nay đã là một trợ thủ đắc lực của bố. Và khi William qua đời vào năm 1869, Froude-Con là người chỉ huy toàn bộ việc di chuyển bể thử xuống Haslar, sát với quân cảng Portsmouth, tận cùng phía đông nam nước Anh.

Chỉ trong hai thập kỷ bể thử này đã thí nghiệm cho 500 con tàu trong đó có 61 tàu tuần dương, 33 tàu khu trục, 14 tàu ngầm… góp phần tạo nên huyền thoại về sức mạnh của đế quốc Anh trên biển. Các nước thi nhau mời Froude-Con làm cố vấn xây các bể thử tương tự như bể tại St Petersburg của Nga, bể tại Spezia nước Ý…

Cuộc hội thảo vinh danh Froude

Từ ngày 21 đến 25 tháng Mười Một năm nay, tại ngay đường phố mang tên Froude của cảng Portsmouth, một hội thảo mang tên “Hội thảo quốc tế William Froude –Những tiến bộ của thủy động học tàu thủy lý thuyết và ứng dụng – Quá khứ và Tương lai”, đã được Đăng kiểm Lloyd’s, Hội Đóng Tàu Hoàng Gia Anh Rina, Tập đoàn Kỹ thuật quân sự Qinetiq cùng đài BBC long trọng tổ chức để vinh danh William Froude…

Hai thế kỷ đã trôi qua, ngành thủy khí động học và các bể thử tàu đã trải qua biết bao thay đổi. Cũng vẫn là xe kéo chạy trên đường ray, vẫn là các mô hình, nhưng máy tính và các phần mềm đã thực sự làm một cuộc cách mạng tại các bể thử tàu. Thử mô hình thực chất là một cuộc mô phỏng vật lý, từ mô hình tí hon và sóng nước tự tạo (dùng các cánh đập) suy ra cho con tàu thật thì kỹ thuật mô phỏng trên máy tính ngày nay có thể tạo ra con tàu ảo, biển cả ảo mà như thật.

Với người bình thường chúng ta, nếu có một lần ghé qua các trò chơi điện tử đầy hấp dẫn, hay những cuốn phim 3-D như Avatar, Shrek… của Hollywood, ta cũng thấy được phần nào kết quả của mô phỏng trong văn hóa nghệ thuật. Còn đối với các hãng hàng không, các công ty chế tạo thiết bị vũ trụ, các tập đoàn đóng tàu…, công nghệ CFD, một ngành khoa học mới có tên là Động Học Tính Toán các Lưu Chất (viết tắt các chữ Computational Fluids Dynamic) với sự trợ giúp của các siêu máy tính có thể mô phỏng và tính toán các con tàu vũ trụ, tính tốc độ và các chỉ tiêu của con tàu chả thua kém gì kết quả từ các bể thử tàu thật. Nhiều bài toán ví như bài toán tàu trên mặt nước tự do là một trong những bài toán quan trọng nhất và khó khăn nhất đối với thủy động học tàu thủy khiến cho ta phải lý tưởng hóa trường dòng chảy với những thừa nhận chiều cao sóng nhỏ… Nhưng với CFD ta không cần phải chấp nhận những giả thiết đó, và kết quả tính toán khảo sát gần với thực tế hơn.

Hãng SSPA Thụy Điển là một cơ sở với 60 năm kinh nghiệm trong nghiên cứu bể thử và thiết kế tàu, một cơ quan đã từng thiết kế tàu ngầm lớp Visby của Hải Quân nước này. Dùng công nghệ CFD, hãng SSPA đã thực hiện nhiều nghiên cứu về hành vi của tàu ngầm.

Hội các Bể Thử Tàu Quốc Tế ITTC (viết tắt các chữ International Towing Tank Conference) là nơi tập họp vài chục hội viên, từ những bể thử hang đầu thế giới với các kết quả đã đưa vào sách giáo khoa dạy dỗ các nhà đóng tàu trẻ tuổi như bể David Taylor Hoa Kỳ, bể Wageningen Hà Lan cho tới các bể thử bé nhỏ dung để minh họa học tập giảng dậy của một số nước không có nhiều sông biển như Bulgaria, Romania…

Hiện nay ITTC cứ ba năm hội họp một lần. Kỳ họp lần thứ 26 sắp tới sẽ diễn ra tại Rio de Janeiro Brazil vào tháng Tám năm 2011. Hầu như tất cả các bể đó đều dung công nghệ CFD như một phương tiện hỗ trợ đối chiếu với một loạt hệ máy tính chuyên dụng.

Bể thử tàu ở nước ta

Ngay từ những năm 60 của thế kỷ trước, khi bắt tay vào học đóng và thiết kế những con tàu nhỏ bé đầu tiên trên miền Bắc Việt Nam, việc cần thiết trang bị một bể thử
tàu đã được các nhà lãnh đạo đề cập tới. Trải qua nhiều năm tháng, tại Đại học Hàng hải Hải Phòng đã xây dựng xong bể thử mô hình với trang thiết bị của hãng Cussons Anh Quốc chế tạo.

Còn tại cơ quan thiết kế tàu lớn nhất của cả nước mà nay là Viện Nghiên cứu khoa học công nghệ thuộc Vinashin đã xây dựng một bể thử tại khu vực Hoàng Mai gần bến xe Giáp Bát Hà Nội. Công trình đang dở dang lại được di chuyển lên khu vực đất cực đẹp tại Hòa Lạc, Thạch Thất, trong một chương trình quốc gia, là một trong 17 phòng thí nghiệm khoa học kỹ thuật trọng điểm. Bản tin Vinashin cho biết:
 
“Công trình được khởi công xây dựng ngày 13/8/2009 với diện tích khoảng 25ha, quy hoạch chia thành 5 khu chính: Khu thí nghiệm có diện tích 10,5 ha; Khu đào tạo 3,5ha; Khu trung tâm điều hành 2,4 ha; Khu chuyên gia và phục vụ: 1,6 ha; Khu thử nghiệm ngoài trời 6,9 ha. Tổng mức đầu tư hơn 1.400 tỷ đồng, đây sẽ là một trung tâm nghiên cứu khoa học-thử nghiệm lớn nhất về tàu thủy và công trình biển ở trong nước và khu vực, với các trang thiết bị thí nghiệm hiện đại, đồng bộ; đủ năng lực giải quyết mọi vấn đề khoa học và công nghệ thuộc lĩnh vực: kỹ thuật tàu thuỷ, kỹ thuật biển, thuỷ khí động lực học và một số lĩnh vực kỹ thuật công nghiệp khác; đáp ứng yêu cầu hội nhập quốc tế; tiến tới gia nhập và trở thành thành viên của Hiệp hội Bể thử thế giới.”
 
Điều đáng tiếc là ngay trong đợt kiểm tra vào cuối năm 2009, Thanh tra Chính phủ đã phát hiện thấy nhiều sai sót, trong đó ngoài những thiếu sót về quản lý lỏng lẻo, để mất mát vật tư tiền của, khiếm khuyết lớn nhất trong dự án này theo báo cáo của Thanh tra là dự toán không hết, phải bổ sung nhiều lần vì không thấy hết được mọi vấn đề.

Ta có thể hiểu rằng, bể thử là một phức hợp khoa học công nghệ, đòi hỏi phải có một đội ngũ xây dựng, quản lý điều hành thuộc nhiều chuyên ngành như thủy động học, toán ứng dụng, cơ điện tử… Trong khi đó, đội ngũ thực hiện hiện nay là những người làm nghề đóng tàu, tức là những người chủ yếu sử dụng kết quả của bể thử.

Bởi vậy trong cuộc hội thảo kỷ niệm 200 năm ngày sinh William Froude được tổ chức bởi Hội KHKT Biển TP Hồ Chí Minh dưới sự chủ trì của tiến sĩ – nguyên Phó đô đốc Hải quân Lê Kế Lâm, các vị đại biểu đã nêu rõ sự cần thiết phải có đóng góp của toàn bộ giới KH-CN đối với bể thử này. Trong điều kiện đất nước còn nghèo, kinh tế đang phát triển, việc đầu tư cho công trình này là một quyết tâm rất cao của Đảng và Nhà nước trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.

Với tinh thần đó, theo ý kiến kết luận của tiến sĩ Lê Kế Lâm, bể thử nên là một bộ phận của Trung tâm thủy khí Quốc gia phục vụ cho toàn bộ sự nghiệp xậy dựng và bảo vệ chủ quyền của đất nước, cho các ngành hàng hải, hàng không, công nghiệp đóng tàu, thủy lợi…, như vậy mới có điều kiện tập trung tiền của, nhân tài vào thực hiện chiến lược biển Việt Nam đến năm 2020 mà Đảng đã đề ra.